净水技术|你知道吗，内部蓄水层可有效提供硝态氮的去除效率

小编导读

生物滞留设施中设置内部蓄水层有利于反硝化作用，去除效果已得到试验和理论验证，但实地规模试验相对缺乏。论文通过中试试验，研究有无内部蓄水层的生物滞留设施对氮的去除效果的影响，并分析其强化氮处理的机理，为生物滞留设施在道路径流控制的应用和推广方面提供数据支撑。研究发现，内部蓄水层可以有效提高硝态氮（NO₃^--N）的去除效率，与无内部蓄水层装置相比提高2.9倍，并强化氮处理方面设施的抗冲击能力。

本课题组已研究了生物滞留设施对道路径流中重金属的去除，虽然影响生物滞留设施的径流处理效果的主要构成有植物及微生物品种、填料特性及配比，但是，近年来生物滞留系统的底部建立内部蓄水(internal water storage，IWS)层也得到了越来越多的重视。内部蓄水层可以形成反硝化作用区，从而提高氮的去除率。但多数研究仍停留在实验室小试阶段，实验室环境中内部蓄水层对氮的去除效果仍存在较多争议。本研究通过野外中试试验，分析了生物滞留设施对氮污染物的去除效果及规律，探究内部蓄水层对污染物去除的影响机制，以期为生物滞留设施在我国道路径流控制的应用和推广提供支持。

1

材料和方法

1.1

试验材料

为了模拟自然环境下生物滞留设施的运行情况，本试验装置的垂直高度设计参考了国外设计指南和当地实际情况，在上海崇明前卫村野外按1:1比例制作试验装置。如图1所示，装置规格为1.2 m×0.8 m×1.3 m，分别由蓄水层、填料层、砾石排水层组成。

图1 试验组装置剖面图

试验种植土以90%表层种植土（采自上海崇明前卫村）和10%（质量比）粒径2~4 mm的蛭石混合而成。人工土层采用70%的建筑黄沙和30%（质量比）的表层种植土混合而成。10 cm沙土层（为建筑黄沙）用于防止土壤颗粒堵塞穿孔管。砾石排水层由3~5 cm的砾石组成，用于保护穿孔管。试验所用供试植物为美人蕉（Canna indica），其种植密度为16株/m²。

在中试开始前进行启动操作，避免对后续试验造成影响。启动操作采用自来水进水冲刷出装置中的杂物，间歇运行，每次进水至蓄水层15 cm处。待出水水质相对稳定且植物生长良好后，开始试验。

试验用水结合上海市道路污染特点，模拟雨水径流人工配制。配水经泵打入装置，在入水口铺设砾石进行消能，防止进水对土壤和植物的冲刷。

1.2

氮去除试验

普通生物滞留设施氮去除试验共进行了14次，每次试验用泵将配制雨水打入装置，至15 cm即出现溢流时停止，处理水量约为9.6 m² 、汇水面积为30 mm时的降雨量，表面水力负荷为5.0 m³/(m²·d)。自穿孔管出水开始，用干净的聚乙烯瓶在取水口每30 min采集样品一次，至基本停止出水。

后续试验中，采用将出流管抬升的方式设置了内部蓄水层，出流管抬升高度为45 cm,以此来创造一个厌氧环境。每2~3 d取水样一次，监测NO₃^--N变化情况，试验共进行了5次。

1.3

测定方法

分析测试前，将样品放置在4 ℃下避光保存。测试使用哈希DR2800紫外可见分光光度计，总氮（TN）以碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，硝态氮（NO₃^--N）以紫外分光光度法测定，氨氮（NH₃-N）以纳氏试剂比色法测定，具体方法参照文献。

2

结果与分析

2.1

普通生物滞留设施去除效果

试验结果如表1所示。

表1试验结果汇总表

由表1可知，生物滞留设施对含氮污染物有着显著的去除效果。TN去除效果不稳定，去除率-17.2%~80.1%，出水浓度为0.95~6.62 mg/L，平均值为3.05 mg/L高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准；NH₃-N去除率为68.5%~99.4%，出水浓度0.02~0.45 mg/L；NO₃^--N去除率波动较大为-74.5%~72.8%，出水浓度0.45~5.88 mg/L。

NH₃-N、NO₃^--N去除率随运行时间的变化规律如图2所示。

图2 生物滞留设施对NO₃^--N、NH₃-N的去除规律

由图2可知，生物滞留设施对NH₃-N的去除效果较好，平均去除率为92.4%，出水浓度比较稳定；而对NO₃^--N去除效果极不稳定，去除率为-74.5%~72.8%。Davis等采用与本试验装置具有相近规格的中试箱进行试验，也得出了类似结果：生物滞留设施对TN有一定的去除率（40.7%）；对NO₃^--N去除率较差，去除率为24%，甚至出现出水浓度大于进水浓度的现象。

由于土壤具电负性，对铵根离子有一定的吸附作用。同时土壤微生物可通过硝化作用将铵离子转化为NO₃^--N，恢复对铵离子的吸附能力。生物滞留设施对氨氮的抗冲击负荷较高，具有较稳定的去除率。而土壤对NO₃^-没有显著的吸附截留功能，且填料的空隙联通结构，导致生物滞留设施内不易形成厌氧区域，降低了NO₃^--N反硝化作用，出现大量的NO₃^--N在基质中积累，影响NO₃^--N的去除率，甚至由于氨氮硝化作用的发挥，出现出水NO₃^--N浓度大于进水NO₃^--N的情况。

2.2

IWS层对生物滞留设施氮去除效率的影响分析

为了更好的营造厌氧环境和深入探究IWS，试验增加水力停留时间，强化生物滞留设施对NO₃^--N的去除效率。

生物滞留设施中氮形态转化如图3所示，NH₃-N通过植物吸收和硝化作用转化为NO₃^--N而去除；NO₃^--N则主要通过植物吸收、反硝化作用转化为N₂以及被截留在基质中而去除。但由于NO₃^-带负电荷，所以很难被生物滞留设施填料颗粒所吸附。而且生物滞留设施渗透性较好，不易形成厌氧区域，即不具备反硝化发生的的条件。导致了NO₃^--N去除率的低下。因此，IWS是促使生物滞留设施中产生厌氧区域，提高氮去除效率的一个有效途径。

图3 氮在生物滞留设施中转化示意图

设置内部蓄水层后，生物滞留设施对氮的去除效果如图4所示。

图4构建IWS后生物滞留设施对NO₃^--N、NH₃-N的去除效果

由图4可知，增加内部蓄水层后，尽管进水NO₃^--N浓度波动较大，出水浓度稳定在0.5mg/L，去除率稳定在80%左右；NH₃-N出水浓度随着试验次数的增加出现下降的趋势，从最初的1.8 mg/L逐渐下降至0.8 mg/L；去除率呈现出上升趋势，最后两次试验平均去除率为75%。

3

分析与讨论

设置内部蓄水层后NO₃^--N的平均去除率提高了2.9倍。无IWS滞留设施中，平均去除率仅为21.5%，稳定后出水浓度高于1 mg/L，甚至会出现出水浓度大于进水的情况；设置了内部蓄水层后，生物滞留设施对NO₃^--N的去除率为72.4%~90.4%，出水浓度稳定在0.5 mg/L左右。这是由于内部蓄水层的设置有利于厌氧区域的形成，反硝化作用增强，促进NO₃^--N向N₂转化。

然而，设置内部蓄水层后生物滞留设施对NH₃-N去除效果有所下降，尤其是初期的三次试验出水浓度分别为1.82 mg/L、1.72 mg/L、1.45mg/L，去除率分别为54.4%、48.4%、57.6%。虽然随后的两次试验出水浓度稳定在0.8 mg/L左右，去除率为75%左右，但处理效果仍低于试验组（平均出水浓度0.15mg/L、平均去除率92.4%）。其原因可能是设置内部蓄水层后，生物滞留设施内形成了厌氧区域，溶解氧较低从而使硝化反应在一定程度上受到了抑制，导致NH₃-N去除效果下降。

从总无机氮（TIN = NO₃^--N+ NH₃-N，进水中不含NO₂^--N，故未将其纳入考量范围）去除效果的角度出发，设置内部蓄水层后，总无机氮平均去除率为71.8%，高于试验组的56.6%，表明虽然NH₃-N去除效果有所下降，但总体而言设置内部蓄水层有利于氮的去除。

4

结论

（1）生物滞留设施对NH₃-N去除率为68.5%~99.4%，吸附和硝化反应是NH₃-N去除的主要途径。吸附作用主导进水初期的处理效率，硝化反应对后续水质净化效率有较大的影响，附加IWS层之后对NH₃-N去除率未出现较大波动。

（2）NO₃^--N去除率波动较大为-74.5%~72.8%，生物滞留设施不易于形成厌氧环境，从而降低了NO₃^--N的反硝化作用，甚至由于NH₃-N的硝化反应产生NO₃^--N，导致出水浓度甚至大于进水浓度。设置IWS层之后强化反硝化作用，NO₃^--N的去除率达到72.4%~90.4%。

（3）内部蓄水层可以有效提高对NO₃^--N的去除效率。内部厌氧区域的形成有利于NO₃^--N反硝化作用的进行，相比无内部蓄水层，NO₃^--N的平均去除率提高2.9倍。内部蓄水层可以有效提高氮的去除效果，增加内部蓄水层结构可以弥补生物滞留设施对含氮污染物去除的不足。

净水技术

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