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温度对雨水生物滤池系统中营养物质去除效率影响摘要：在天然水体中，营养物质过多会导致富营养化。都市雨水是都市化限度较高地区重要营养来源，因而为减少营养负荷，必要进行解决。生物滤池采用土壤，生物膜和植物作为过滤介质，是解决营养物质良好选取。本文展示了一份生物滤池在低温下（+2C，+8C，对照+20C）实验成果。低温也许使生物滤池解决效果浮现某些特殊问题。悬浮污染物如TSS和大某些磷被较好去除了，低温对其没有负面影响。然而氮没有减少，特别是在滤池中产生了NOX。这种现象可以用不充分脱氮原理和实验柱中高度浸滤来解释。核心词:生物滤池；低温；营养物质；雨水解决绪论在天然水体中，营养过多会导致富营养化。(Browman et al.,1979；Pitt et al.，1999；Kim et al.，)雨水径流是都市化限度较高地区重要营养物质来源，因而为减少营养负荷，必要进行解决。雨水生物解决，又名生物滞留池，能除去雨水中营养物质，防止接受水体富营养化，是一种较好解决方式。一组生物滤池涉及置于建于高位沟或槽以及其中中过滤介质。过滤介质放置在凹槽中，顶部保持一定水深，底部有收集解决水管道。通过过滤介质中机械作用和生物化学作用对雨水进行净化，植物及过滤介质和植物根系中生物膜也对雨水有净化作用。(Prince Georges County，；Hsieh and Davis，).目迈进行几种实验表白，磷，磷酸盐和铵盐有明显去除，但硝酸盐去除率很低（有时为负）。(Davis et al.，；Lloyd et al.，；Henderson et al.，).但是，考虑到生物滤池依然是一项相对年轻技术，只能得到有限运营数据。当在持续或暂时低温地区运营生物滤池时，由于生物活性减少，生长期缩短，以及适合植物种类减少，会浮现某些特殊问题。然而，考虑到在寒冷亚高山带，控制良好湿地系统也可以获得较高营养去除率，生物滤池系统仍也许在这些状况下运营良好。（Heyvaert et al.，).生物滤池在非冻结地区寒冷季节时降雨条件下（温带气候下秋冬季节及春季；寒温带气候下秋季，晚春和夏季）解决效率是其成功运营决定因素。本文展示了一份生物滤池在不同温度下运营效果初步成果。其目是测定雨水生物滤池在低温条件下对营养物质解决效果，分析了温度和解决效率之间与否有关。材料和办法实验准备实验在15个pvc雨水管道（内径377mm，截面积0.11m2，高900mm）制成生物滤池中型实验生态系（生物滤池柱）中进行。上部（高400mm）透明，可以贮存水同步让光线透入，使植物能正常生长。内壁做喷砂解决，防止水沿池壁产生短流。底部设排水管（直径58mm），用于取解决水样（图1、图2）。柱中过滤介质分为四层（如图2，由上至下）：(1) 沙壤土层，400mm，粗砂到中档砂，上部100mm加有20%表层土，(2) 砂层，400mm，中档砂到细砂，(3) 过渡层，30mm，粗砂以及(4) 排水层，70mm，内部埋设排水管细碎石。生物滤池柱上种植广泛分布于北半球灰株苔草(Anderberg and Anderberg，)。柱内植物密度为每柱8株植物，大概相称于每平方米73株植物密度。在种植于柱中之前，植物已在户外生长5周，使根系充分发育。之后将其移植到生物滤池柱中，用自来水灌溉，生长两个月。图1 温室中生物滤池柱 排 水 层 过 渡 层 下 层 上 层植被：灰株苔草图2 生物滤池柱构造为调查温度对生物滤池解决效果影响，实验在三个恒温器控制温室内进行，设计温度分别为+2C，+8C，+20C（相应+35.6F,+46.4F,+68F）每个温室内放置五个生物滤池柱（图1）。温室中空气温度每隔15分钟由一台EBI 20-T型（8C）和两台EBI 2T-112型（2C和20C）袖珍湿温度记录器（德国斯塔特埃布罗电子出品）记录一次。所有生物滤池柱每天都用高压温室钠灯（激动力技术出品，400W，55000Lm）照明12小时。实验环节雨水靠自然降雨无法获得需要雨量。实验期间需要稳定水质，而天然雨水不能在水质不发生明显变化条件下贮存。因而，本实验中使用是模仿雨水。实验用水是混合自来水和沟锅沉积物，调节使之达到设计TSS浓度，再加入特定污染物使其达到设计污染物浓度，如表1所示（只显示了营养物质；重金属亦有添加，本文中不作阐明）为保证水质和气温与实际状况相符，对每种雨水应用，均有其相应配制水。实验用水在相相应温度（+2C，+8C，+20C）下贮存至少24小时后才干注入生物滤池柱。瑞士吕勒奥九月和十月（低温下雨水最多月份）平均每周降雨两次，总沉淀物量在110mm左右(SMHI，).这相称于平均每次雨水在85%不可渗入表面上集水，产生5.4L/m2暴雨径流量。假设生物滤池面积代表了大概4%汇流面积（每个生物滤池柱0.11m2，收集2.75m2范畴雨水）(Wong et al.，)。因而，每个生物滤池柱每周应注入15L（5.4 L/m22.75m2 =14.85 L15 L）雨水两次。表1 模仿雨水污染物及其来源污染物设计值来源pH6.9H2SO4TSS140mg/L暴雨沟锅沉积物（400m）总磷0.3mg/LKH2PO4总氮1.4mg/L硝态氮：KNO3：0.32mg/L铵态氮：NH4Cl:0.24mg/L有机氮：C6H4NO2取样 每次暴雨应用之前，水样应进行三份平行测定。所有解决水收集于PE槽中直至下次雨水注入。解决水在+2C条件下贮存，每个PE槽取一份混合水样，即每次注入雨水之前取15份水样。本文报告了雨水注入头四周（即八次降雨事件）成果。分析所有水样都测定了总氮和溶解性氮，氨氮（）硝酸盐/亚硝酸盐（NOx）,TSS以及pH值。溶解性试样用沃特曼ME25型0.45m微孔薄膜过滤器过滤。测定氮和磷之前，水样用过二硫酸铵解决（依照瑞士原则办法SS028127）并分别用过硫酸铵氧化（SS 028131）。依照专用设备细则Q-031-04号（磷），Q-003-04号（氮、硝酸盐及亚硝酸盐）以及Q-001-04号（氨氮）用持续微流量分析仪进行分析。用沃特曼GF/A型1.6m玻璃微纤维过滤器（SS-EN872）对一份平行试样进行过滤，得到TSS值。pH值由现场pH计（pH330，WTW GmbH，德国威尔海姆出品）测定。数据分析污染物减少量按减少量=（1-（解决水/注入水）100%计算。这样，如果产生污染物，减少率将为负值。为检测温度对解决水浓度影响，采用了方差分析（ANOVA）。此外，为几种形式氮和磷绘制了箱型图，以比较进水和出水浓度和它们随时间变化。所有数据计算和图表绘制由软件完毕。成果和讨论三个不同温室平均温度分别为1.8C（原则差：1.01C），7.4C（原则差：0.35C）以及20.3C（原则差：1.02C），因而，实际温度非常接近设计温度。表2列出了三种不同温度下污染物平均流入和流出浓度（mg/L）以及减少率（%）。pH暴雨平均pH值为6.9。在生物滤池柱中，pH值上升，在所有温度下，出水pH值都在7.4左右。表2污染物浓度及去除率所有温度下进水2出水32C6C8CpH6.90(0.20)7.32 (0.13)7.40 (0.10)7.46 (0.18)TSS浓度142.7 (13.9)3.6 (1.4)5.1 (1.7)4.6 (2.1)平均减少率97.50%96.40%96.80%总氮浓度1.38 (0.16)1.38 (0.29)1.54 (0.25)4.23 (0.68)平均减少率-0.50%-11.60%-207.80%溶解态氮浓度1.16 (0.08)1.33 (0.26)1.31 (0.15)3.94 (1.02)平均减少率-14.90%-13.20%-240%硝态氮1浓度0.24 (0.01)0.72 (0.26)0.89 (0.13)3.79 (0.57)平均减少率-198%-265%-1461%铵态氮1浓度0.32 (0.05)0.11 (0.05)0.14 (0.06)0.15 (0.05)平均减少率64.50%56.20%51.70%总磷浓度0.292 (0.018)0.055 (0.036)0.058 (0.032)0.056 (0.030)平均减少率81.20%80.30%80.70%溶解态磷浓度0.031 (0.017)0.007 (0.002)0.009 (0.004)0.010(0.005)平均减少率77.50%71.50%69.30%1仅分析前四次降水 2每次降水分析三组平行水样 3五组平行生物滤池柱所有降雨平均值。TSSTSS去除率大概在97%，尽管温度对去除率影响在记录数据上很明显（明显性水平p=0.001），但是由于其对实际观测变化作用非常小，因此事实上没有明显影响（表3，图3）。也有明显影响TSS去除率其她因素，但在所有不同状况下，TSS去除率都很高。由于TSS去除重要为机械过滤作用，不受温度影响（土壤介质冻结，形成通路状况除外），因而不同温度下，不同生物滤池柱之间去除率差别不大也并不奇怪。由于有很高TSS去除率，可以预见悬浮污染物去除率也很高，且很大限度上不受温度影响。磷在雨水进水中，85%磷为悬浮态。在不同温度下，出水磷浓度有轻微不同（2C：87%悬浮态，8C：84%悬浮态，20C：82%悬浮态）。检测表白，总磷去除中有80%不受温度影响（明显性水平p=0.933，表3）。随着时间推移，出水浓度及其方差有明显减少（图4）。通过生物滤池，溶解性磷也得到较好去除，去除率与温度没有明显有关性（明显性水平p=0.285，表3）。然而在低温下，其去除率要稍高某些。如果咱们以为物理过滤是磷去除重要机理，而土壤中生物活性也许导致过滤介质释放磷（温度越高，生物活性越高），这一成果是有道理。随着时间推移，介质中磷减少，释放磷量也减少，这就解释了为什么表4中出水浓度随时间推移而减小。然而总体而言，由于机械去除是磷去除最重要因素，因此总磷去除率是很高。表3单向方差分析：温度对出水浓度影响明显性水平p和该模型修正后有关系数R2明显性水平p值修正后有关系数R2TSS0.0019.0%总氮0.00089.4%溶解性氮0.00080.4%硝态氮20.00093.7%铵态氮20.0656.0%总磷0.9330.0%溶解性磷20.2852.1%雨水图3三种不同温度下八次降雨事件进水和出水中TSS浓度箱型图氮尽管2C和8C下生物滤池显示很少或没有总氮释放，但是在20C观测到很高产氮量（平均去除率-208%）（图5，表2）其与时间推移无明显联系。雨水图4三种不同温度下八次降雨事件进水和出水中总磷浓度箱型图雨水 图5三种不同温度下八次降雨事件进水和出水中总氮浓度箱型图流入合成雨水中总氮有84%为溶解态，而在2C，8C，20C时流出解决水中分别为96%，85%和93%。在生物滤池中解决过程中，氮形态发生了变化。所有温度下铵态氮均有减少，同步生成硝态氮（表2，图6）。这阐明在生物滤池不饱和区存在硝化作用，因而铵态氮浓度减少，而硝态氮浓度升高。由于没有缺氧区，且/或缺少碳源，反硝化作用无法进行，因此出水中硝态氮浓度大大增长了(Kim et al.，；Zinger et al.，）。雨水雨水图6三种不同温度下八次降雨事件进水和出水中溶解性硝态氮（a）和溶解性铵态氮（b）浓度箱型图然而，温度对溶解性氮去除有明显影响（溶解性氮和硝态氮明显性水平p=0.000，表3）。温度越高，硝化作用越明显，硝态氮产量就越高。更重要是，高温时更多氮从土壤浸出，进入解决水中。在类似生物滤池研究中，随着时间推移，植物成熟，这项浸滤作用会逐渐停止(Zinger et al.，)。不幸是，本实验中植物只有2-3个月成熟期，而Zinger实验中植物有五个月成熟期，因而当前暂不明确在本实验中与否将浮现这一现象。由于无植被生物滤池总是检测出氮浸出(Hatt et al.，；Lee and Schloz，)，而有植被生物滤池却并不如此(Henderson et al.，)，当前可以必定是植物（特别是其根系）在氮去除中有重要作用。结论显然，虽然在低温条件下，悬浮污染物（TSS和特定形态磷）也能得到很有效去除。这一结论与其她低温研究成果略有出入(Backstrom，；Muthanna et al.，)。然而，研究成果表白，雨水中氮总体去除效果不尽如人意。特别是有大量硝态氮生成，很也许是由于硝化作用和反硝化作用不完全引起。其她实验表白，虽然在没有缺氧区生物滤池中，氮均有减少，至多只有微量增长(Kim et al.，；Scholz，；Zinger et al.，)。因而本实验中如此之大净氮产量是意料之外。本实验中植物成熟期较短，也许是这一现象重要因素。要调查氮去除效果与否会随时间改进，要进行进一步研究。生物滤池在最低温度下达到了最佳脱氮效果（即最低增长率）。因而后续研究核心领域在于拟定在有缺氧区和外加碳源条件下，与否仍能在低温环境下保持高效去除率。研究表白增长缺氧区和外加碳源能提高生物滤池脱氮效果(Kim et al.，；Zinger et al.，)。参照文献1Anderberg，A.-L. and Anderberg，A. 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