生物炭对生物滞留基质性能的影响与机理分析

张 军，宋萌萌

(1.无锡环境科学与工程研究中心，江苏无锡 214400；2.无锡城市职业技术学院，江苏无锡 214153)

为考察生物炭添加后对设施水力传导与主要污染物去除的影响，采用不同量生物炭进行添加，并引入短暂干燥期，对水力性能、主要污染物去除与累积处理过程进行监测与分析，为生物炭在生物滞留基质优化配置与推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦秸秆作为常规的秸秆类废弃物，原料充足，制成的生物炭对矿质元素有较好的持留性。将小麦秸秆在80 ℃下烘干8 h，取出冷却研磨后，在650 ℃缺氧条件下高温热解2 h，待冷却至室温后研磨过50目筛。河沙粒径为1～2 mm。所有材料使用前用去离子水洗净，在105 ℃下烘干后备用。

图1 装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of Device

1.2 试验装置

采用内径为10.4 cm的圆柱，高度为50 cm，内部填充40 cm基质，采用10 cm淹没出流。生物炭添加在基质下部时整体效果优于上部，且未发现生物炭混合式掺加与独立式掺加存在显著差异[9-10]，在减少污染物析出为主的同时，降低了基质干裂的影响。本试验生物炭添加方式：装置中下部(距底5 cm)采用独立式(厚度约2 cm)，剩余的填充于装置中上部(聚顶10 cm)采用混合式(图1)。其中，M0:0%生物炭，M1:6%生物炭，M2：12%生物炭，M3：18%生物炭(V/V)，每组共设3个重复，共12个装置。

1.3 试验用水与进水

雨水径流水质受诸多因素影响，结合无锡城区主要道路雨水径流水质监测结果进行如下配置，试验进水主要污染物浓度如表1所示。

表1 人工模拟径流雨水水质Tab.1 Water Quality of Manual Simulated Rainfall Runoff

M0孔隙容量(pore volume)由差重法求得，近似等于1 L。为测得相对准确的渗透速率并取得足量水样，结合《海绵城市建设技术指南》中生物滞留设施面积(一般占汇水面积的 5%～10%)，设施径流控制量取70%，进水量取2 L/d(～2 L)隔天进水一次，最大约可应对36.3 mm场次的降雨量。运行前利用去离子水将填料充分淋洗并压实，直到出水相对稳定以消除本底溶出污染。恒水头控制进水，第1 d进水约耗时30 min，连续进水6 L后停止进水3 d，进水12 L后停止进水2 d，然后继续进水直至进水达20 L。

1.4 分析测试与数据分析

2 结果与讨论

2.1 水力特性

生物滞留可削减雨水径流，水力性能的优劣影响着系统水文效应。饱和渗透速率是表征系统水力性能的基本参数。生物炭添加后，洁净基质饱和渗透速率下降：M1为9.09%，M2为18.16%，M3为27.46%。生物炭比表面积大、堆积密度大、孔隙结构复杂，一定程度上限制了下渗水流的速度，同时也提高了HRT。如图2所示，整个试验过程中M0保持了最高的渗透速率，均速为51.6 cm/h，而M3均速仅为33.2 cm/h。通过单因素方差分析，M0与M2存在显著差异(P<0.05)，表明系统生物炭添加量为12%时，系统饱和渗透速率显著降低。进水6 L与12 L后，系统停止进水，M0、M1渗透速率明显提高，这是因为基质干燥收缩，为下渗提供了新的通路，渗透速率出现回升；M2、M3干燥后渗透速率表现相对平缓，说明生物炭添加后，系统的持水性能较好，较好地抑制系统小裂隙与大孔隙的生成。生物炭改良基质较强的保水性可能与生物炭微小、复杂孔隙对水的毛细作用相关。随着基质浸润、膨胀，系统渗透速率又继续下降，处理末期，填料堵塞，渗透速率迅速降低。通常生物滞留设施基质饱和渗透速率在10 cm/h以上，M3最先达到限值。

图2 处理过程中不同基质饱和稳态下渗透速率的变化Fig.2 Change of Permeation Rate under Saturated Steady State by Different Matrix

2.2 主要污染物去除效果

图的平均去除率Fig.3 Average Removal Rate of

图的平均去除率Fig.4 Average Removal Rate of

2.2.3 TP

图5 TP的平均去除率Fig.5 Average Removal Rate of TP

2.2.4 有机物

由图6可知，随着生物炭添加量的增加，COD平均削减率呈增加趋势。其中，M0为58.31%，M1为64.37%，M2为68.55%，M3为75.5%。M0与M1存在显著差异(P<0.05)，表明添加6%生物炭可显著提高基质COD的去除效果。相关分析显示，COD去除率与生物炭添加量显著正相关(r=0.979)。添加生物炭越多，比表面积越大，可吸附污染物越多；此外，生物炭的持留作用延长了污染物处理时间，反硝化作用增强促进了COD的去除。M3出水CODCr平均浓度在40 mg/L以下。试验表明，雨水径流进水CODCr浓度在160 mg/L、生物炭添加量在18%时，经改良后基质处理后，出水COD满足地下水回灌用水限值要求[18]，出水COD浓度同时也满足地表水环境质量标准V类标准[19]。

图6 COD的平均去除率Fig.6 Average Removal Rate of COD

2.3 主要污染物累积去除变化与机理分析

图的累积去除变化Fig.7 Variation of Cumulative Removal of

图的累积去除变化Fig.8 Variation of Cumulative Removal of

2.3.3 TP

砂中含部分铁离子，砂基质在处理初期主要由沉淀、吸附去除磷。由图9可知，处理初期M1、M2、M3比M0对磷的去除效果好，这是因为生物炭可通过阳离子桥键作用、吸附作用去除磷[11]。10 L后，出水TP浓度比均有所降低，表明处理中后期微生物除磷开始发挥作用。M0在6 L后遇3 d干燥期，部分基质可能出现干裂导致TP穿透，出水浓度比在8 L时有所增加。进水12 L经2 d干燥后，各基质出水TP变化不明显，在好氧条件下系统通常吸磷，本试验进水时间周期短，存在一定的局限性，后期还应继续观察作进一步研究。处理后期，M3在16 L时，出水TP升高，可能是生物膜脱落，磷过多释放引起的。

图9 TP的累积去除变化Fig.9 Variation of Cumulative Removal of TP

2.3.4 有机物

图10 COD的累积去除变化Fig.10 Variation of Cumulative Removal of COD

3 结论

(1)生物炭改良后的基质，饱和渗透速率随添加量的增加而下降：M1为9.09%、M2为18.16%、M3为27.46%。与M0相比，M2的饱和渗透速率显著降低。生物炭良好的持水性有助于抑制短暂干燥期带来的小裂隙与大孔隙。短暂干燥对M2、M3透水性能回升的影响不明显。M3渗透能力下降最快，工作周期最短。