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温度对雨水生物滤池系统中营养物质去除效率的影响
摘要: 在天然水体中, 营养物质过多会导致富营养化。城市雨水是城市化程度较高地区的重要营养来源, 因此为减少营养负荷, 必须进行处理。生物滤池采用土壤, 生物膜和植物作为过滤介质, 是处理营养物质的良好选择。本文展示了一份生物滤池在低温下( +2°C, +8°C, 对照+20°C) 的实验结果。低温可能使生物滤池处理效果出现一些特殊的问题。悬浮污染物如TSS和大部分的磷被很好的去除了, 低温对其没有负面影响。然而氮没有降低, 特别是在滤池中产生了NOX。这种现象能够用不充分脱氮原理和实验柱中的高度浸滤来解释。
关键词:生物滤池; 低温; 营养物质; 雨水处理

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., )雨水径流是城市化程度较高地区的重要营养物质来源, 因此为减少营养负荷, 必须进行处理。
　　雨水生物处理, 又名生物滞留池, 能除去雨水中的营养物质, 防止接收水体的富营养化, 是一种很好的处理方式。一组生物滤池包括置于建于高位的沟或槽以及其中中的过滤介质。过滤介质放置在凹槽中, 顶部保持一定水深, 底部有收集处理水的管道。经过过滤介质中的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的生物膜也对雨水有净化作用。(Prince George’s County, ; Hsieh and Davis, ).
　　当前进行的几个实验表明, 磷, 磷酸盐和铵盐有明显的去除, 但硝酸盐的去除率很低( 有时为负) 。(Davis et al., ; Lloyd et al., ; Henderson et al., ).可是, 考虑到生物滤池依然是一项相对年轻的技术, 只能得到有限的运行数据。当在持续或暂时低温地区运行生物滤池时, 由于生物活性降低, 生长期缩短, 以及适合的植物种类减少, 会出现一些特殊的问题。然而, 考虑到在寒冷的亚高山带, 控制良好的湿地系统也能够取得较高的营养去除率, 生物滤池系统仍可能在这些情况下运行良好。( Heyvaert et al., ).生物滤池在非冻结地区寒冷季节时的降雨条件下( 温带气候下的秋冬季节及春季; 寒温带气候下的秋季, 晚春和夏季) 的处理效率是其成功运行的决定因素。
　　本文展示了一份生物滤池在不同温度下运行效果的初步结果。其目的是测定雨水生物滤池在低温条件下对营养物质处理的效果, 分析了温度和处理效率之间是否相关。

材料和方法
实验准备
　　实验在15个pvc雨水管道( 内径377mm, 截面积0.11m2, 高900mm) 制成的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, 能够贮存水的同时让光线透入, 使植物能正常生长。内壁做喷砂处理, 防止水沿池壁产生短流。底部设排水管( 直径58mm) , 用于取处理水样( 图1、 图2) 。
柱中的过滤介质分为四层( 如图2, 由上至下) :
(1) 沙壤土层, 400mm, 粗砂到中等砂, 上部100mm加有20%表层土,
(2) 砂层, 400mm, 中等砂到细砂,
(3) 过渡层, 30mm, 粗砂以及
(4) 排水层, 70mm, 内部埋设排水管的细碎石。
　　生物滤池柱上种植广泛分布于北半球的灰株苔草(Anderberg and Anderberg, )。柱内植物密度为每柱8株植物, 大约相当于每平方米73株植物的密度。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, 用自来水浇灌, 生长两个月。

图1 温室中的生物滤池柱
排 水 层
过 渡 层
下 层
上 层
植被: 灰株苔草

图2 生物滤池柱的结构

为调查温度对生物滤池处理效果的影响, 实验在三个恒温器控制的温室内进行, 设计温度分别为+2°C, +8°C, +20°C( 对应+35.6°F,+46.4°F,+68°F) 每个温室内放置五个生物滤池柱( 图1) 。温室中的空气温度每隔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。

实验步骤
雨水　靠自然降雨无法获得需要的雨量。实验期间需要稳定的水质, 而天然雨水不能在水质不发生显著改变的条件下贮存。因此, 本实验中使用的是模拟的雨水。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, 再加入特定的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, 本文中不作说明) 为保证水质和气温与实际情况相符, 对每种雨水应用, 都有其对应的配制水。实验用水在相对应的温度( +2°C, +8°C, +20°C) 下贮存至少24小时后才能注入生物滤池柱。
　　瑞士吕勒奥九月和十月( 低温下雨水最多的月份) 平均每周降雨两次, 总沉淀物量在110mm左右(SMHI, ).这相当于平均每次雨水在85%不可渗透的表面上的集水, 产生5.4L/m2暴雨径流量。假设生物滤池的面积代表了大约4%的汇流面积( 每个生物滤池柱0.11m2, 收集2.75m2范围的雨水) (Wong et al., )。因此, 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 模拟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。所有的处理水收集于PE槽中直至下次雨水注入。处理水在+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) 的结果。

分析　所有的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, 水样用过二硫酸铵处理( 根据瑞士标准方法SS028127) 并分别用过硫酸铵氧化( SS 028131) 。根据专用设备细则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) 用连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-( 处理水/注入水) ) ×100%计算。这样, 如果产生污染物, 减少率将为负值。为检测温度对处理水浓度的影响, 采用了方差分析( ANOVA) 。另外, 为几种形式的氮和磷绘制了箱型图, 以比较进水和出水的浓度和它们随时间的变化。所有的数据计算和图表绘制由软件完成。

结果和讨论
　　三个不同温室的平均温度分别为1.8°C( 标准差: 1.01°C) , 7.4°C( 标准差: 0.35°C) 以及20.3°C( 标准差: 1.02°C) , 因此, 实际温度非常接近设计温度。表2列出了三种不同温度下的污染物平均流入和流出浓度( mg/L) 以及减少率( %) 。

pH　暴雨的平均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

所有温度下的进水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的所有降雨的平均值。

TSS　TSS的去除率大约在97%, 尽管温度对去除率的影响在统计数据上很显著( 显著性水平p=0.001) , 可是由于其对实际观测的变化的作用非常小, 因此实际上没有明显影响( 表3, 图3) 。也有明显影响TSS去除率的其它因素, 但在所有不同情况下, TSS的去除率都很高。由于TSS的去除主要为机械过滤作用, 不受温度影响( 土壤介质冻结, 形成通路的情况除外) , 因此不同温度下, 不同生物滤池柱之间的去除率差别不大也并不奇怪。因为有很高的TSS去除率, 能够预见悬浮污染物的去除率也很高, 且很大程度上不受温度影响。

磷　在雨水进水中, 85%的磷为悬浮态。在不同温度下, 出水的磷浓度有轻微的不同( 2°C: 87%悬浮态, 8°C: 84%悬浮态, 20°C: 82%悬浮态) 。
　　检测表明, 总磷的去除中有80%不受温度影响( 显著性水平p=0.933, 表3) 。随着时间推移, 出水浓度及其方差有明显降低( 图4) 。经过生物滤池, 溶解性磷也得到很好的去除, 去除率与温度没有明显的相关性( 显著性水平p=0.285, 表3) 。然而在低温下, 其去除率要稍高一些。如果我们认为物理过滤是磷去除的主要机理, 而土壤中的生物活性可能导致过滤介质释放磷( 温度越高, 生物活性越高) , 这一结果是有道理的。随着时间推移, 介质中的磷减少, 释放磷的量也减少, 这就解释了为何表4中出水浓度随时间的推移而减小。然而总体而言, 因为机械去除是磷去除的最主要因素, 因此总的磷去除率是很高的。

表3　单向方差分析: 温度对出水浓度影响的显著性水平p和该模型修正后的相关系数R2

显著性水平p值
修正后的相关系数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的进水和出水中TSS浓度的箱型图

氮　尽管2°C和8°C下的生物滤池显示很少或没有总氮的释放, 可是在20°C观测到很高的产氮量( 平均去除率-208%) ( 图5, 表2) 其与时间的推移无明显联系。
雨水

图4　三种不同温度下八次降雨事件的进水和出水中总磷浓度的箱型图

雨水

图5　三种不同温度下八次降雨事件的进水和出水中总氮浓度的箱型图

　　流入的合成雨水中的总氮有84%为溶解态, 而在2°C, 8°C, 20°C时流出的处理水中分别为96%, , 85%和93%。在生物滤池中的处理过程中, 氮的形态发生了变化。所有的温度下铵态氮都有减少, 同时生成硝态氮( 表2, 图6) 。这说明在生物滤池的不饱和区存在硝化作用, 因此铵态氮的浓度降低, 而硝态氮的浓度升高。由于没有缺氧区, 且/或缺少碳源, 反硝化作用无法进行, 因此出水中硝态氮的浓度大大增加了(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的进水和出水中溶解性硝态氮( a) 和溶解性铵态氮( b) 浓度的箱型图

　　然而, 温度对溶解性氮的去除有明显的影响( 溶解性氮和硝态氮显著性水平p=0.000, 表3) 。温度越高, 硝化作用越明显, 硝态氮的产量就越高。更重要的是, 高温时更多的氮从土壤浸出, 进入处理水中。在类似的生物滤池研究中, 随着时间推移, 植物成熟, 这项浸滤作用会逐渐停止(Zinger et al., )。不幸的是, 本实验中植物只有2-3个月的成熟期, 而Zinger的实验中的植物有五个月的成熟期, 因此当前暂不明确在本实验中是否将出现这一现象。由于无植被的生物滤池总是检测出氮的浸出(Hatt et al., ; Lee and Schloz, ), 而有植被的生物滤池却并不如此(Henderson et al., ), 当前能够肯定的是植物( 特别是其根系) 在氮的去除中有重要作用。

结论
　　显然, 即使在低温条件下, 悬浮污染物( TSS和特定形态的磷) 也能得到很有效的去除。这一结论与其它低温研究结果略有出入(Backstrom, ; Muthanna et al., )。然而, 研究结果表明, 雨水中氮的总体去除效果不尽如人意。特别是有大量硝态氮生成, 很可能是由于硝化作用和反硝化作用不完全引起的。其它实验表明, 即使在没有缺氧区的生物滤池中, 氮都有减少, 至多只有微量增加(Kim et al., ; Scholz, ; Zinger et al., )。因此本实验中如此之大的净氮产量是意料之外的。本实验中植物的成熟期较短, 可能是这一现象的主要原因。要调查氮的去除效果是否会随时间改进, 要进行进一步的研究。
生物滤池在最低的温度下达到了最好的脱氮效果( 即最低的增长率) 。因此后续研究的关键领域在于确定在有缺氧区和外加碳源的条件下, 是否仍能在低温环境下保持高效去除率。研究表明增加缺氧区和外加碳源能提高生物滤池的脱氮效果(Kim et al., ; Zinger et al., )。

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