新型玻璃轻石对雨水径流的渗蓄特性与净化能力*

粟春青 韩梦梦 鲁海燕 罗炘武 许 勇 丁 傲 宫彦章#

(1.深圳文科园林股份有限公司,广东省园林景观与生态恢复工程技术研究中心,广东 深圳 518026;2.南方科技大学环境科学与工程学院,广东 深圳 518000)

随着城市化的推进,下垫面不透水面积增加,降雨入渗减少,径流量增加,加剧了城市内涝风险,同时,径流携带的氮磷污染物易引发水体富营养化和黑臭现象,造成城市及其周边水环境污染[1-2]。生物滞留系统是一种基于低影响开发(LID)理念的雨洪管理措施,有利于径流污染控制与径流量消减,研究表明,传统生物滞留系统对悬浮物、有机物、重金属去除率较高,但对氮磷去除效果不佳,学者发现磷的去除效果不理想主要是填料中磷含量高和磷的饱和吸附引起的,氮去除率不高主要是由于传统生物滞留系统的结构难以达到反硝化作用所需要的条件:缺氧环境及充足的碳源[3]。当前研究常在填料中加入改良剂、碳源及创建厌氧环境等来改善这一缺陷,研究表明加入藻类[4]、生物炭[5]能提供足够的碳源强化反硝化作用,柴宏祥等[6]发现在雨水径流中无有机碳源的情况下,硫铁矿基质的滞留系统仍可实现反硝化脱氮,对硝酸盐氮和总氮(TN)的平均去除率分别为89%和86%,总磷(TP)去除率达81%。赵东源等[7]的研究表明,沸石、陶瓷滤料和石灰石以质量比3∶1∶1配比的混合基质除磷效果最优。何宇哲[8]研究显示在复合系统中添加催化氧化材料和生物炭,氨氮去除率为77.52%～95.40%,COD去除率为57.18%～75.93%。

玻璃轻石是一种轻质环保材料,具有孔隙率高、比表面积大、渗透性好等优点,广泛用于水处理、海绵城市、屋顶绿化等领域[9]。硫铁矿(主要成分为FeS2)即黄铁矿,是地壳中分布最广的矿物之一,也是硫磺和硫酸的主要原料。研究显示,硫自养反硝化作为有效的生物脱氮途径可避免传统异养反硝化需投加大量碳源的问题,在处理低C/N的污废水方面优势显著,并已应用于工农业污水处理中[10],目前,以废玻璃为原料改性制备新材料已有较多研究[11-12],硫铁矿生物滞留系统多使用硫铁矿晶体或粉末,相比沸石等基质,铁矿石缺少孔隙,比表面积小,吸附能力较弱[13],有关硫铁矿制备新型基质的研究还鲜有报道。

本试验以废玻璃、硫铁矿和工程弃土为原料,采用高温烧结法制备了一种新型玻璃轻石,通过模拟生物滞留系统的方法,以沸石、蛭石、陶粒为基础吸附基质,分别添加普通玻璃轻石和新型玻璃轻石,研究新型玻璃轻石对雨水径流渗蓄能力及污染物净化的影响,以期为海绵城市建设和新型玻璃轻石的应用提供指导和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验装置

模拟装置包括进水桶、潜水泵、供水管线、渗滤柱(见图1),其中进水桶盛放配制的模拟雨水,容积为50 L,用潜水泵将模拟雨水通过供水管线引入各渗滤柱。渗滤柱为主体,采用聚氯乙烯(PVC)管制成,基质有效装填高度为680 mm,管顶预留70 mm的溢流层,为进水口。分别在渗滤柱侧壁自底部往上25、175、325、475 mm的位置设1个出水口,共计4个,出水口直径10 mm,并接细PVC管,以最末端出水口4为最终出水。试验共6个处理,同一处理设3个重复且并联运行。

图1 装置示意图

1.1.2 供试基质

渗滤柱自下而上依次为集水层、渗滤层、吸附层及溢流层,基质组合配比见表1,基质材料信息见表2。新型玻璃轻石制备方法如下:将玻璃粉60～80 g、硫铁矿粉25～35 g、工程弃土5～10 g、高温发泡剂绿碳化硅微粉5～8 g研磨混合均匀,研磨后粉末粒径≥100目,加水15～30 mL制成混合料后放入马弗炉中,在400～450 ℃条件下预热20～25 min,在680～780 ℃条件下烧结15～25 min且中途翻面,退火15～25 min,得到新型玻璃轻石,该新型玻璃轻石为无机多孔材料。

表1 渗滤柱基质组合

表2 渗滤柱基质材料信息

1.1.3 模拟雨水

以参考文献[14]提供的深圳降雨时期水质数据为依据配制模拟雨水,具体配比如下:NH4Cl为(30.0±0.5) mg/L,KNO3为(72.5±1.0) mg/L,KH2PO4为(17.5±0.5) mg/L,C6H12O6为(250±2) mg/L,用自来水溶解并混匀,使用当天配置[15]1953。

1.2 试验方法

1.2.1 渗滤柱的滞水率测定

开始运行时,用塑料薄膜封住各装置出水口,向渗滤柱中持续加入10～15 L模拟雨水直到饱和,溢流层液面不再下降,记录加入的总水量,静置3～6 h后打开出水口4,收集渗出的水并测定,计算装置滞水率。

1.2.2 渗滤柱的渗滤速度测定

采用常水头法,封住各装置的上面3个出水口,持续向渗滤柱中加入模拟雨水,保证溢流层液面在一定高度,待系统稳定后,计时1 min在出水口4收集渗出的水并测定,连续测定3～5次,计算其渗滤速度。

1.2.3 渗滤柱对雨水污染物的去除能力试验

本试验于2022年10—12月在深圳文科园林股份有限公司研发部龙岗实验室进行,气温为10～30 ℃,空气湿度为40%～50%。试验自9:00开始布水,17:00停止进水,保持单个渗滤柱以4 L/h的速度进水,系统持续运行时,只打开出水口4让多余雨水流出并将其接走倒掉,分别于5、10、20、30、40 h水力停留时间(HRT)时取全部出水口的水样,同时在进水桶中取当次模拟雨水水样;取某一出水口水样时须封住其余3个出水口,进水初期水流冲刷基质,携带出部分填充物质,待出水稳定、无泥沙流出后用锥形瓶采集出水,过滤后4 ℃保存,每批水样在3天内测完全部水质指标[15]1953。当天运行完成后关闭水阀,打开出水口4放空渗滤柱的水。

1.2.4 水质指标分析方法

TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;TP采用过硫酸钾消解分光光度法测定;氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定;化学需氧量(COD)采用重铬酸盐滴定法测定[15]1953,[16]。

1.3 数据统计分析

采用Excel 2016进行数据统计与作图,采用SPSS 17.0进行方差分析、多重比较和相关性分析,用Duncan法检验差异显著性。滞水率、渗滤速度、污染物的去除率计算公式如下:

Ea=(Q进-Q出)/Q进×100%

(1)

V渗=(10×Qn×L)/[Tn×S×(h+L)]×60

(2)

R=(C进-C出)/C进×100%

(3)

式中:Ea为滞水率,%;Q进、Q出分别为进水总量、出水总量,L;V渗为渗滤速度,mm/h;Qn为单位时间内渗出水量,mL;Tn为间隔时间,min;L为基质填充厚度,cm;h为水层厚度,cm;S为渗滤柱横截面积,cm2。R为污染物去除率,%;C进为进水的污染物质量浓度,mg/L;C出为最终出水污染物质量浓度,mg/L。

2 结果与分析

2.1 不同基质处理的滞水率和渗滤速度

如表3所示,各处理的滞水率及渗滤速度均以处理3最大,分别为54.41%、533.98 mm/h,均以处理6最小,分别为48.97%、284.79 mm/h;混合装填时(处理4～6),基质之间相互填充空隙,滞水率和渗滤速度小于分层装填处理(处理1～3)。渗滤柱上层吸附层为高透水性基质,中下层(渗滤层、集水层)基质粒径减小,该结构降低了设施堵塞风险,滞蓄能力较好,同时理论上在特大暴雨(24 h降水总量>250 mm)天气下,各渗滤柱仍具有良好的渗透性能,与王鑫等[15]1953的研究结果相似。

表3 不同基质处理的滞水率和渗滤速度

2.2 不同基质处理的污染物去除效果

2.2.1 不同基质处理的TN去除效果

如图2所示,不同基质处理在同一HRT和出水口下的出水TN浓度存在差异。HRT=5 h时,出水口1、2以处理1的TN浓度最低,出水口3、4均以处理3最低;HRT为10～20 h时各出水口总体以处理3浓度较低;HRT为30～40 h时各出水口的TN浓度均以处理4最高。各处理出水TN浓度随基质深度增加而降低,总体在出水口4最小并基本稳定在5 mg/L以下,符合《再生水回用于景观水体的水质标准》(CJ/T 95—2000),满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准,其中,HRT在10～30 h时,新型玻璃轻石处理(处理3、6)最终出水(出水口4)TN质量浓度总体小于2 mg/L,达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类标准。试验中进水TN质量浓度在7.98～11.87 mg/L,对比当次进水与出水口4浓度,5个HRT下各处理的TN平均去除率在48.31%～84.90%,处理1～6对TN的最高去除率分别为75.20%、88.42%、92.71%、62.46%、83.55%、89.57%,均以处理3最高,处理4最低。

注:小写字母不同代表同一HRT和出水口不同处理间的差异显著(P<0.05),下同。

氮的去除主要通过基质吸附沉淀和硝化/反硝化作用实现,由于上层吸附层玻璃轻石、沸石、陶粒等基质渗透性较好,大量微孔能提供较好的吸附沉降和微生物生长条件,下层渗滤层的工程弃土、煤渣、生物炭等基质提供了缓释碳源,密度增大,并处于淹没状态,使雨水在装置内的HRT延长,溶解氧浓度与好氧微生物数量逐渐减小,发生了异养反硝化反应,TN浓度下降幅度增大[17]81,多层结构促进了氮的净化,因而分层装填处理(处理1～3)的TN去除率大体优于混合装填处理(处理4～6)。新型玻璃轻石处理中亚铁离子和硫离子可作为电子供体增强反硝化作用,可能形成了硫铁矿自养/异养反硝化系统,从而具有更好的TN去除效率,与李明礼[18]、CHEN等[19]基于硫铁矿的生物滞留系统取得良好TN去除效果的研究结果一致。

一定范围内HRT的延长提高了各处理的TN去除率,除处理5随HRT增加TN去除率先略有降低随后增加外,其余处理的TN去除率大体随HRT增加呈先增后降趋势,无统一的最佳HRT。经过长时间的反硝化后,有机碳源被大量消耗,异养反硝化过程被抑制,系统中异养反硝化或为主要反硝化过程[20]。

2.2.2 不同基质处理的氨氮去除效果

由图3可知,HRT=5 h时,各出水口处理1、3、6的氨氮浓度显著低于其余处理,且处理1、3、6三者间差异不显著;HRT为10～30 h时,不同处理在HRT=10 h出水口3、HRT=30 h出水口2氨氮浓度无显著差异,其余出水口大多以处理6浓度较小;HRT=40 h时各出水口处理3、6氨氮浓度低于其余处理,与处理1、4差异显著。随基质深度增加,各处理氨氮浓度呈降低趋势,且最终出水(出水口4)大多低于5 mg/L,符合《城市杂用水水质标准》(GB/T 18920—2002)和GB 18918—2002一级A要求,新型玻璃轻石处理(处理3、6)最终出水氨氮质量浓度基本小于2 mg/L,达到GB 3838—2002中Ⅴ类标准。

图3 不同基质处理对氨氮质量浓度和去除率的影响

各处理的氨氮去除率大体随HRT延长呈先增后降趋势,HRT为10～20 h时达到最大值,表明随HRT增加,基质的吸附沉淀和生物膜逐渐积累可有效去除氨氮,但超过一定范围后,渗滤柱处于厌氧状态,抑制了硝化作用,同时可能受污染物重新释放或发生可逆反应影响,氨氮去除率有所下降[24]297。

2.2.3 不同基质处理的TP去除效果

由图4可知,HRT=5 h时,出水口1、2处理3的TP浓度最低,出水口3、4以处理5浓度较低;HRT为10～20 h时,出水口1～3总体以处理6的TP浓度较低,出水口4均以处理3最低;HRT为30～40 h时各出水口处理2、3、6的TP浓度较低。

图4 不同基质处理对TP质量浓度和去除率的影响

随基质深度增加,各处理出水TP浓度逐渐下降,均在出水口4最低且大多小于1 mg/L,符合CJ/T 95—2000要求,达到GB 18918—2002一级A标准。处理2的最终出水(出水口4)TP≤0.4 mg/L,均能达到GB 3838—2002中Ⅴ类水质标准,其余处理出水仅有部分达到Ⅴ类标准。

试验进水TP质量浓度为2.14～3.04 mg/L,在不同HRT下各处理对TP的平均去除率在71.83%～90.78%,以处理4最低,处理2最高,除新型玻璃轻石处理以混合装填的处理6去除能力较好外,其余处理均以分层装填效果较好,处理1～6对TP的最高去除率分别为94.03%、94.15%、95.47%、94.00%、95.06%、97.54%,以处理6最高。磷主要依靠填料吸附过滤、离子交换和植物吸收去除,并可通过与一些金属阳离子(如Al3+、Fe2+、Ca2+)的吸附反应和化学沉淀去除[17]79,各处理对TP的最高去除率均大于90%,这与基质本身的性能有关,新型玻璃轻石、玻璃轻石、沸石等材料具有多孔结构,比表面积大,有较好的物理截留及吸附作用,同时渗滤层土壤増加了系统黏度,使基质的阳离子交换能力较好。此外,新型玻璃轻石中无定形态的铁氧化物易与溶解性磷酸盐形成沉淀[25],提高了新型玻璃轻石处理(处理3、6)对TP的去除能力。

除处理3的最终出水TP浓度在HRT=10 h时达到最小值外,其余处理均在HRT=5 h时最小,此时TP去除率均达到最大,较长的HRT使得各处理的TP去除率有所下降,后期基质吸附饱和与被吸附磷的解吸是生物滞留系统对TP净化效果不稳定的主要原因,与仇付国等[26]的研究结果相同。

2.2.4 不同基质处理的COD去除效果

如图5所示,HRT=5 h条件下各出水口处理2、3的COD浓度显著低于其余处理;HRT为10～20 h时各出水口处理3、6浓度较低;HRT为30～40 h时各出水口处理2、处理5的浓度较低。各处理出水COD浓度随基质深度增加逐渐减小,在出水口4达到最佳去除效果,以处理3在HRT=10 h时的最终出水COD浓度最低(COD≤40 mg/L),达到GB 3838—2002中Ⅴ类标准。

图5 不同基质处理对COD质量浓度和去除率的影响

进水COD质量浓度在248.00～352.00 mg/L,5个HRT下各处理对COD的平均去除率为58.64%～74.32%,处理1～6的COD最高去除率分别为70.09%、76.19%、86.84%、67.54%、81.25%、75.00%,处理3最大,处理4最小,表明新型玻璃轻石对COD去除效果具有提升作用,且分层装填处理的COD去除率总体优于混合装填处理。

COD主要依靠物理截留、基质吸附及微生物氧化降解作用去除,反硝化过程中厌氧反硝化细菌需要消耗一定的COD[24]294。除处理5随HRT延长COD去除率逐渐提高外,其余处理的COD去除率呈先增后降或波动上升趋势,可能是前期系统微生物数量少,COD去除率较低;随HRT增加,碳源减少,中下层逐渐形成厌氧或缺氧的环境,有利于反硝化细菌快速繁殖增强反硝化作用,使得COD消耗量增大,因此HRT>10 h时,各处理出水COD含量下降并基本稳定,去除率总体大于50%,与朱志强[27]的研究结果相似。

2.3 不同因素与污染物去除率的相关性分析

由表4可知,各处理与氨氮去除率呈显著正相关,与其他污染物去除率均不相关;基质深度与各污染物去除率均呈极显著正相关;HRT与COD去除率呈极显著正相关,与TP去除率呈极显著负相关,而与TN、氨氮去除率相关性均不显著;装填方式仅与COD去除率有显著相关性。

表4 不同因素与污染物去除率的相关性1)

3 结 论

1) 不同基质处理在5个HRT下对TN、氨氮、TP、COD的平均去除率分别为48.31%～84.90%、70.83%～91.09%、71.83%～90.78%、58.64%～74.32%,均以新型玻璃轻石处理的去除效果最好,出水水质基本达到GB 3838—2002 Ⅴ类标准,对TN、氨氮、TP、COD的最高去除率分别可达92.71%、92.81%、97.54%、86.84%,与玻璃轻石、沸石相比,新型玻璃轻石提高了生物滞留系统的氮磷净化效率。

2) 各生物滞留系统的滞水率为48.97%～54.41%,且具有良好的渗透性能,分层装填处理一定程度上提高了系统对TN、TP、COD的去除率,混合装填处理的氨氮去除率总体好于分层装填处理。

3) 基质深度与各污染物去除率均呈极显著正相关,TN、氨氮、COD的去除率随HRT延长大体呈先增后降趋势,TP去除率与HRT有极显著负相关性,不同处理对污染物的去除率无统一的最佳HRT。