夏季不同降雨间隔对生物滞留池脱氮效果研究

郑 杨,潘欣悦,谢 泽,解雨薇,陈欣怡,何嘉懿

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2.长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098；3.河海大学环境学院,江苏 南京 210098）

0 引言

城市化进程直接导致城市内不透水面积增加，绿地面积减少，不仅造成地表径流增多，峰值量上升，水流侵蚀更加严重，也降低了径流中污染物的截留率，导致城市区域水质污染严重，水生动植物栖息地被破坏。对此，提出了“海绵城市”这一新的理念，并引入了一系列低影响开发技术（LID）。“海绵城市”包含了多种不同形式的设施，主要有生物滞留池、暴雨湿地、渗井、渗透塘、透水铺装和调节塘等。其中，生物滞留池也叫生物过滤系统或雨水花园，能有效缓解城市化带来的排水问题，减缓暴雨径流的洪峰流量，同时也能有效处理暴雨初期冲刷并减少城市水环境中的常见污染物，包括营养物质N，P[1]，油脂[2]，大肠杆菌[3-4]，烃类[5]，TSS[6]，重金属[7]和高热值垃圾等。

我国“海绵城市”建设起步较晚，技术研究薄弱，生物滞留技术尚不成熟，有待后续研究的补充完善[8]。目前针对生物滞留池的去污机理和具体应用效果的研究较多[9]。其中，滞留池除氮能力是关注较多的一个热点，滞留池中的NH3-N 去除主要依靠填料基质吸附、硝化反应以及土壤内负电荷吸附；硝态氮去除主要依靠反硝化反应，所需的2 个主要条件分别为缺氧环境和充足的碳源，另外硝态氮带负电荷，土壤对其吸附能力很差，很容易随出水装置排出；TN 的去除是氨化、硝化、反硝化反应等反应的共同作用[10]。目前，研究主要关注降雨期间生物滞留池在保持湿润的情况下的脱氮效率，而对于降雨干旱相间的情况很少关注。

本文探求不同降雨间隔对3 种不同类型生物滞留池脱氮效果影响的差异，构建了传统直排型以及在传统装置基础上分别增设淹没区型和储水内柱型3 种生物滞留装置，其中储水内柱中的水可持续向基质渗水1 周以上。针对3 种生物滞留装置，监测其在不同降雨间隔时间条件下脱氮能力，探求改变干旱时间长短产生的影响，揭示干旱期储水内柱持续供水保持基质湿润对脱氮的作用效果，从而为生物滞留设施的合理设计提供科学依据，推进“海绵城市”的发展。

1 材料与方法

1.1 实验装置设计

试验在3 个相同大小的生物滞留装置中进行，装置采用内直径50 cm 的透明有机玻璃管制成，总高1 m。传统直排型生物滞留装置构造示意（下文简称装置A）见图1。由图1（a）可以看出，出水口在装置底部，降雨后雨水可以排空，干旱期装置内部没有储水；淹没区型生物滞留装置（下文简称装置B）在底部设有淹没高度，出水口比装置底部高15 cm，使得降雨间隔期间装置内还会保持一定高度的水位；由图1（b）可以看出，储水内柱型生物滞留装置（下文简称装置C）内部在传统装置A 的基础上设有爪型内柱，爪型内柱高41 cm，每个爪底部间隔2 cm打1 个出水孔，柱内填砾石和粉砂，柱内基质总高度为15 cm，设计能保证内柱中的水可向介质渗水维持至少1 周，使得干旱期装置内介质仍可以保持湿润，此内柱放置在砂层内。

图1 滞留池装置构造示意

在3 个装置正面留有一条宽10 cm 的透明观察窗，可观察填料层中合成雨水下渗情况，其余部位贴上黑色不透光胶布。装置底部有1 根穿孔排水管，保证生物滞留装置顺利排水。装置顶部有1 根溢流管，防止雨水量过大未能及时下渗。每个装置的2 侧分别设有6 个取泥口和6 个取水口，取泥口和取水口的位置一一对应，高度相等，装置内填料从下至上分别是砾石层（大砾石层，小砾石层）、砂层、砂壤土层。

1.2 试验方法

考虑到夏季降雨强度相对较大，且降雨频率高，降雨和不降雨的天气交替发生。试验每次配水量取36 L，水力负荷为24 L/h，降雨时长取1.5 h，设计降雨间隔天数分别是1,4 和7 d 来模拟夏季降雨，考察不同降雨间隔对生物滞留池脱氮性能的影响。3 种生物滞留装置同时开始进水模拟降雨，每间隔20 min 采样1 次直至雨水全部排出装置，最后分析整个过程水质情况。根据北京地区道路径流污染物浓度平均值[11-12]配置污水浓度，同时参照长三角地区街道雨水径流实测情况，调整合成雨水水质：ρ（NH3-N）为2.4 mg/L；ρ（硝态氮）为2 mg/L；ρ（TN）为5.8 mg/L；pH 值约为7。实验地点位于生态大棚内，以避免雨水对配置的试验产生影响。

主要分析指标：TN，硝态氮，NH3-N。

主要仪器：LDZX-50KBS 立式压力蒸汽灭菌器；Hach 紫外分光光度计DR5000；Hach 可见分光光度计DR2800；DHG-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱。

2 结果与讨论

2.1 不同降雨间隔对除氮效果的影响

3 种装置在不同降雨间隔下各形态氮的去除率变化见图2。由图2可以看出，整体而言硝态氮的去除率变化幅度大于TN 和NH3-N 的去除率变化幅度，随着降雨间隔的延长，污染物去除效率均有所下降，污染物去除率的波动也随之变大。

图2 3 种装置在不同降雨间隔下各形态氮的去除率变化

NH3-N 在降雨间隔1 和4 d 时，处理效率变化波动均不大，其中装置A、装置C 的硝态氮平均去除率和装置B 的NH3-N 平均去除率受到降雨间隔的影响最大，下降幅度超过30%；装置A 的硝态氮平均去除率从间隔1 d 的70.90%到间隔7 d 的38.61%下降32.29%，所受影响最大；此外装置A 和装置C 的NH3-N 平均去除率下降幅度也大于20%。

综合分析不同降雨间隔条件下的结果，降雨间隔时间的延长使得各装置除氮效率均有所下降；降雨间隔时间对硝态氮去除效率的影响＞对NH3-N 去除效率的影响＞对TN 去除效率的影响。

2.2 不同装置类型对除氮效果的影响

2.2.1 短降雨间隔下各装置对除氮效果的影响

降雨间隔1 d 时各装置中各形态氮的浓度变化见图3。针对短降雨间隔情况，装置A 中的主要反应是NH3-N 转化为硝态氮，使得NH3-N 浓度始终保持较低，硝态氮浓度随着硝化反应转化产物的积累不断升高，因后期雨水未能及时排出，故能发生一些反硝化反应，但由于直排结构使得装置内雨水很快排出，故硝态氮和TN 去除效率较低。

图3 降雨间隔1 d 时各装置中各形态氮的浓度变化

装置B 中NH3-N 出水质量浓度一直处于波动中，初始为0.37 mg/L，30 min 内上升至0.55 mg/L，随后又缓慢下降至最低点0.43 mg/L，最后回升至0.55 mg/L，平均去除率为81.98%，变化幅度很小，NH3-N 去除效率低于其他2 个装置。硝态氮的初始出水质量浓度很低，100 min 后平缓上升至0.63 mg/L，后期平稳在0.6 mg/L 波动，淹没区的存在使得反硝化反应逐渐与硝化反应达到平衡，出现中期浓度缓缓升高至后期平衡，装置B 对硝态氮的去除效果最好。

装置C 中NH3-N 出水浓度总体上呈逐渐下降趋势，该趋势与传统直排型滞留装置A 相似，但整体更稳定，平均去除率为90.17%，是3 种装置中去除率最高的，可推出内柱渗水使土壤保持湿润更利于去除NH3-N。装置C 硝态氮质量浓度在3 h 后升高至最高点1.21 mg/L，装置C 硝态氮质量浓度的最高点大于装置B，随后又很快下降并稳定在0.4 mg/L，可知装置C 在降雨中期快速的转变是以反硝化反应为主导，又由于短降雨间隔且单次降雨时间长，使得装置C 对硝态氮的去除效果优于装置B。装置C 对TN 处理效果与装置B 较为接近，均优于直排型装置A。

由图3（a）可以看出，在短降雨间隔条件下，3 个装置中淹没区型滞留装置B 中NH3-N 去除效果最差；由图3（b）可以看出，3 个装置对硝态氮的去除效果差于NH3-N，且不稳定。装置B 对硝态氮的处理效果最好。TN 的去除受各类形态氮的共同影响，浓度变化比较平缓，装置B 和装置C 对TN 处理效果较为接近，均优于装置A。

2.2.2 长降雨间隔对各装置除氮效果的影响

降雨间隔为7 d 时各装置中各形态氮的浓度变化见图4。长降雨间隔时不同装置中各形态氮的浓度变化有很大差异，干旱的影响凸显。由图4（b）可以看出，装置A 的直排结构使得内部土壤基质难以保存雨水，相对干燥，降雨初期内部基质对各形态氮都有一定的吸附，使得初期出水浓度低于雨水浓度；装置内充足的O2促进NH3-N 可持续转化为硝态氮，但是硝态氮难以发生反硝化反应，导致NH3-N去除效率提高，而硝态氮不断累积，导致出水浓度甚至高于初始雨水浓度，因此装置A 中的TN 浓度也不断升高，使得TN 去除率很低。

图4 降雨间隔7 d 时各装置中各形态氮的浓度变化

装置B 在降雨间隔7 d 时，O2消耗完淹没区的反硝化反应也稳定后，NH3-N 难以继续转化为硝态氮，同时可能会有异氧硝态氮还原反应[13]发生，部分硝态氮转化为NH3-N，使得NH3-N 浓度不断上升；硝态氮浓度变低后反硝化反应也受到抑制，进而影响了TN 的去除效率。

装置C 由于初期O2浓度较高，亚硝化细菌和硝化细菌的共同作用占主导，将NH3-N 大量转化为硝态氮，使得硝态氮浓度迅速上升后接近平衡，TN 的浓度变化也同样在硝态氮达到平衡后趋于稳定。

综合分析不同装置的除氮结果，NH3-N 平均去除率最好的为装置C，硝态氮平均去除率最好的为装置B，TN 平均去除率最高的为装置C。

2.3 讨论

吴义福等[14]对比了湿润条件下设有淹没区的滞留池与传统直排型滞留池的除氮效果，得出淹没型滞留池去除效果更好的结论，与本文在短降雨间隔条件下研究结论相同，但是与长降雨间隔条件下的结果不同。本文设置了淹没区的滞留装置B，在短降雨间隔时，淹没区的雨水能及时补充更换，形成好氧厌氧交替的环境，对氮的处理效率要高于直排型装置A，可见短降雨间隔（1 d）情况下，基质仍然保持湿润，干旱的影响没有显现。长降雨间隔情况下，虽然淹没型装置B 中的硝态氮去除率高于直排型装置A，但NH3-N 难以及时转化为硝态氮，进而影响到TN的去除[15]；另一方面长期缺少雨水补充的淹没区内会形成死水区[16]，水质较容易恶化，在下一次降雨时会影响出水水质。综合对比，可知长降雨间隔下对各形态氮的去除效率顺序为装置C＞装置A＞装置B。

3 结论

夏季降雨间隔对各形态的氮去除效果影响显著，降雨间隔的延长使得3 种装置的各形态氮去除率皆有所下降，降雨间隔时间的延长对于各形态氮的影响由高到低排序为：对硝态氮去除效率的影响＞对NH3-N 去除效率的影响＞对TN 去除效率的影响；在降雨间隔为7 d 的情况下，去除率由高到低排序为：设有内柱的装置C＞传统生物滞留装置A＞有淹没区的生物滞留装置B。在长时间降雨间隔中保持机制内部的湿润能有效提高对氮的去除效果，建议将内柱型滞留池与淹没区滞留池相结合，借助淹没区具有较强反硝化能力的优势，进一步增加TN的去除率。该研究可为不同地区生物滞留池的合理设计提供参考。