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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（+2°C，+8°C，对照+20°C）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 George’s 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+2°C，+8°C，+20°C（相应+35.6°F,+46.4°F,+68°F）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（8°C）和两台EBI 2T-112型（2°C和20°C）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（+2°C，+8°C，+20°C）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/m2·2.75m2 =14.85 L≈15 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
pH
6.9
H2SO4
TSS
140mg/L
暴雨沟锅沉积物（≤400μm）
总磷
0.3mg/L
KH2PO4
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+2°C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0.45μm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1.6μm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1.8°C（原则差：1.01°C），7.4°C（原则差：0.35°C）以及20.3°C（原则差：1.02°C），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3
2°C
6°C
8°C
pH

6.90(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。

TSS　TSS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（2°C：87%悬浮态，8°C：84%悬浮态，20°C：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R2
TSS
0.001
9.0%
总氮
0.000
89.4%
溶解性氮
0.000
80.4%
硝态氮2
0.000
93.7%
铵态氮2
0.065
6.0%
总磷
0.933
0.0%
溶解性磷2
0.285
2.1%

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2°C和8°C下生物滤池显示很少或没有总氮释放，但是在20°C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2°C，8°C，20°C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.，)。

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