AEP  >> Vol. 8 No. 4 (August 2018)

    适合北方地区生物滞留设施填料筛选与组合试验研究
    Selection and Combination Experiments of Fillers for Biological Retention Facilities in North Areas

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作者:  

蒋安娜,刘 军,董万里:沈阳建筑大学,辽宁 沈阳;
黄 爽:中国建筑东北设计研究院,辽宁 沈阳

关键词:
渗透系数污染物去除效果生物滞留设施Permeability Coefficient Pollutants Removal Efficiency Biological Retention Facility

摘要:

本研究为确定适合北方地区的气候条件、土壤特性和降雨特征等条件的生物滞留设施填料,通过测定珍珠岩、沸石、陶粒、火山岩、活性炭和蛭石六种填料的渗透系数及对污染物的去除效果,筛选出适宜填料。并搭配沈阳本地土壤进行组合填料试验,选出最优组合为开展生物滞留设施试验提供技术参考。结果显示,单种填料试验中,珍珠岩、沸石和火山岩综合效果突出,可作为组合填料成分。组合填料试验中发现,当土壤、火山岩、沸石、珍珠岩四种填料的比例为4:1:2:3时,其组合填料的渗透系数和各组合填料对污染物的去除效果较好。选其做生物滞留设施的组合填料。

The purpose of this article is to determine the permeability of biological detention facility tests that suit the climatic conditions, soil characteristics, and rainfall characteristics of northern regions. Through the determination of the permeabilities of the six fillers of perlite, zeolite, ceramsite, volcanic rock, activated carbon and vermiculite and the removal effect on pollutants, suitable fillers were selected. In combination with the local soil in Shenyang, a combined packing experiment was conducted to select the optimal combination, which provides a technical reference for conducting biological retention facility. The results show that perlite, zeolite and volcanic rock have outstanding comprehensive effects and can be used as composite filler components. The composite filler test finds that when the ratio of the four fillers of soil, volcanic rock, zeolite, and perlite is 4:1:2:3, the permeability coefficient of the combined filters and the combined fillers has a good removal effect on the pollutants. It was selected as a combination filler for biological retention facilities.

1. 引言

生物滞留设施是指在地势较低的区域,通过植物、土壤和微生物系统蓄渗、净化径流雨水的设施 [1] 。生物滞留设施是一种比较典型的原位控制措施,在国内,也被称为生物滞留系统、生物滞留槽、植物滞留系统、生物过滤系统等。根据设施的外观、大小、建造位置和适用范围,生物滞留设施可分为雨水花园、滞留带、滞留花坛和生态树池四种类型 [2] 。生物滞留设施包含三个主体部分:植物、填料和微生物。径流雨水中的污染物质经过渗滤、截留和吸附等作用被削减,净化后的雨水渗透至地下,补充地下水或者通过底部的穿孔收集管输送到后续处理设施,通过增加蒸发和渗透过程模拟雨水自然循环过程,以实现滞留和净化雨水的目的。该设施主要用于处理高频率的中小型降雨和小概率暴雨事件的初期雨水,超过处理能力的雨水通过溢流系统排放。生物滞留设施在净化雨水、控制径流总量、削减洪峰、积蓄雨水并补充地下水等方面均有良好的表现,同时其建造和维护费用较低 [3] 。

本试验结合北方严寒地区的气候特点、降雨特征、土壤和植被生长特性,针对雨水径流削减与控制问题,根据低影响开发雨水系统的构想 [4] [5] ,筛选出2~3种填料并确定最优填料组合,为进一步开展生物滞留设施植草试验及应用研究提供技术参考。

2. 试验装置与检测方法

2.1. 试验装置

在单种填料筛选试验及组合填料过滤试验阶段,采用高60 cm,外径6 cm,内径5 cm的圆柱形有机玻璃滤柱作为试验装置,见图1。填料填充高度30 cm,底层铺垫高为5 cm的砾石层,砾石粒径5~10 mm,防止堵塞出口。采用蠕动泵供水,上方进水,底部出水。

Figure 1. Experimental device—filtration column

图1. 实验装置——滤柱

2.2. 检测方法

由于雨水收集较困难,且受季节影响大,本试验根据沈阳市道路雨水水质污染情况自行配水,模拟雨水试验。水样中各指标检测方法分别如下:SS指标采用烘干称重法、NH3-N指标采用纳氏试剂分光光度法、TP指标采用钼酸铵分光光度法、COD指标采用快速消解法、重金属(Cr、Cu、Zn、Cd、Pb)指标利用ICP-MS进行检测。

3. 实验结果与分析

3.1. 单种填料筛选试验

结合单种填料的渗透系数及对污染物的去除效果,综合考虑确定2~3优质单种填料。本试验中选取了珍珠岩、沸石、陶粒、火山岩、活性炭、蛭石六种过滤介质进行单种填料过滤筛选试验。试验开始前对各滤料进行反复冲洗、晾干,然后用筛子筛选出特定粒径大小的填料备用,填料性质如表1所示。

3.1.1. 单种填料的渗透系数测定

达西定律揭示了水在多孔介质中渗流的实验规律,故本试验采用达西定律(公式(1))测定渗透系数(K)。采用常压水头法测定渗透系数时,为确保结果准确性,测定次数至少两次,直至两次出水计算出的渗透系数在允许的差值范围内(<2 × 10−n cm/s) [6] 。

(1)

其中:Q——渗透量(出口处流量);A——过水断面

H——水头损失(h = H1 − H2,即上下游过水断面的水头差)

L——渗透途径(上下游过水断面的距离)

I——水利梯度;K——渗透系数

渗透系数测定结果:

表2试验结果可知,六种填料渗透系数大小排序为:火山岩 > 陶粒 > 活性炭 > 沸石 > 珍珠岩 >蛭石。火山岩和陶粒的平均渗透系数都达到了2 cm/s以上,由于火山岩多孔、多棱角,形状更不规则,因此火山岩的平均渗透系数大于陶粒。

Table 1. Filler properties

表1. 填料性质

Table 2. The permeability coefficient of single filler

表2. 单种填料的渗透系数

3.1.2. 单种填料对污染物的去除效果分析

分别用六种填料对模拟雨水进行净化试验,分析六种填料对TSS、COD、NH3-N、TP和五种重金属(Cr、Cu、Zn、Cd、Pb)的去除效果。试验的降雨重现期取10年,模拟降雨的进水污染物平均浓度情况如下:TSS (320.13 mg/L)、COD (138.22 mg/L)、NH3-N (9.55 mg/L)、TP (1.34 mg/L)、Cr (112.16 μg/L)、Cu (153.78 μg/L)、Zn (488.35 μg/L)、Cd (2.34 μg/L)、Pb (104.07 μg/L),图2图3代表各填料对污染物的平均去除率。

1) 六种填料对TSS、COD、NH3-N、TP去除效果分析

TSS的去除:主要依靠滤料的拦截作用,与滤料粒径、均匀度和形状有直接关系。单种填料过滤试验中,滤料粒径越大,形成的空隙越大,对TSS拦截效果越差。由图2知,六种滤料对TSS的去除率分别为87.20%、73.85%、60.9%、56.49%、73.88%和84.92%,只有经蛭石过滤的TSS出水浓度达到了城镇污水厂污染物排放标准三级标准,其他出水浓度均高于100 mg/L,远高于城镇污水厂污染物排放标准三级标准。六种填料对TSS的平均去除率由高到低排序:珍珠岩 > 蛭石 > 活性炭 > 沸石 > 陶粒 >火山岩。

COD的去除:主要依靠填料的截留和吸附作用。由图2知,六种填料对COD去除率都比较低,其中活性炭由于比表面积最大,吸附力强,对COD的去除效果最明显,出水浓度达到了城镇污水厂污染物排放标准二级标准,平均去除率达到了39.15%。其余五种填料对COD的去除效果均不理想。平均去除率由高到低排序:活性炭 > 火山岩 > 沸石 > 陶粒 > 珍珠岩 > 蛭石。

NH3-N的去除:主要依赖于填料截留、吸附和离子交换作用。由图2知,陶粒去除NH3-N的效果最差,平均去除率仅为6.55%,珍珠岩、火山岩、活性炭、蛭石的平均去除率分别为19.51%、23.16%、14.54%、21.30%。沸石是由硅氧和铝氧及其他阳离子按照一定连接方式形成的具有三维架状孔状结构的矿物,具备离子交换性能,因此沸石去除氨氮效果最好,出水浓度达到了城镇污水厂污染物排放标准一级A标准,平均去除率高达43.21%。六种填料对NH3-N的平均去除率由高到低排序:沸石 > 蛭石 > 活性炭 > 火山岩 > 珍珠岩 > 陶粒。

Figure 2. Pollutants removal efficiency by single filler

图2. 单介质对污染物去除效果

Figure 3. Heavy metals removal efficiency by single filler

图3. 单介质对重金属去除效果

TP的去除:主要依赖于填料的拦截和吸附作用。由图2知,陶粒、火山岩对TP的平均去除率分别为11.53%和12.89%,效果较差。主要是因为陶粒、火山岩粒径较大,形成的空隙大,在过滤过程中TP与填料接触机会低,且有部分拦截下的TP很有能被水流重新冲刷下来,因此去除效果较差。珍珠岩、沸石、蛭石粒径小,对TP的去除效果优于陶粒和火山岩,平均去除率分别为34.53%、26.02%和21.32%,其中珍珠岩的出水浓度小于1 mg/L。活性炭吸附性能最佳,对TP的去除效果最好,出水浓度均达到了城镇污水厂污染物排放标准一级B标准,平均去除率为51.82%,明显高于其他五种填料。六种填料对TP的平均去除率由高到低排序:活性炭 > 珍珠岩 > 沸石 > 蛭石 > 火山岩 > 陶粒。

2) 六种填料对重金属的去除效果

重金属的去除主要依靠填料的截留和吸附作用。由图3知,六种填料对Cr的去除效果不显著,其中珍珠岩对Cr的去除率最高,平均去除率为17.30%,陶粒和火山岩粒径比较大,对Cr的截留效果较差,平均去除率分别为3.19%和1.81%。填料对Cu的截留吸附作用优于Cr,活性炭对Cu的去除效果最明显,珍珠岩次之,平均去除率分别为63.75%和39.83%,火山岩的去除率最低。不同填料对Zn和Cd的去除效果差异很大,活性炭比表面积最大,吸附性能最强,对这两种金属的去除都最高,平均去除率分别为54.27%和71.67%,经陶粒过滤后出水中的Zn和Cd的浓度最高,去除效果最差,平均去除率分别为2.67%和6.60%。填料对Pb的处理效果差异不明显,沸石和活性炭对Pb的去除效果较好,平均去除率分别为34.92%和34.44%,陶粒对Pb的平均去除率最低。

通过单种填料筛选试验,选出沸石、火山岩和珍珠岩三种填料作为组合填料的组成。

3.2. 组合填料筛选试验

将沸石、火山岩、珍珠岩和校园土壤通过不同比例混合,且比例总和满足100%,筛选出最优组合填料作为生物滞留设施的混合填料层,具体组合共15组。具体组合见表3

3.2.1. 组合填料的渗透系数测定

组合填料过滤试验的渗透系数测定仍采用常压水头法。测定结果见表3

目前,美国EPA和新西兰的规范要求填料的渗透速率不低于3.47 × 10−3 cm/s,奥地利规范对填料渗透速率的要求为1 × 10−3~1 × 10−2 cm/s,澳大利亚规范对填料渗透速率的要求为1.40 × 10−3~5.56 × 10−2 cm/s [7] [8] ,本试验组合填料的渗透系数筛选参考以上国家规范,选择范围在1.40 × 10−3~1 × 10−2 cm/s之间。

当土壤比例为20%时,渗透系数随着火山岩比例的增加而显著增加,2号组合的渗透系数最小为7.60 × 10−3 cm/s,6号组合为最大值1.38 × 10−2 cm/s,其中,当火山岩比例为30%时,渗透系数随着沸石的比例的增加而提高。当土壤比例为40%时,渗透系数在5.74 × 10−3~7.22 × 10−3 cm/s之间,此时火山岩和沸石对渗透系数的影响减弱。当土壤比例为60%时,渗透系数显著减小,在1.27 × 10−3~1.63 × 10−3 cm/s之间,且其他三种填料的比例对渗透系数影响很小。

Table 3. Mixed packing ratio

表3. 混合填料比例

沸石、火山岩、蛭石三种填料的添加改善了土壤的渗透系数,渗透系数的总体趋势是随着土壤比例的增加而减小,其次,在土壤比例越低时,这三种填料对渗透系数影响越大,且影响力大小排序:火山岩>沸石>珍珠岩。填料组合编号为4号、5号和6号的组合填料的渗透系数过大,超过奥地利规范允许渗透系数最大值的30%以上,渗透系数过大,水流与填料接触时间减小,会影响污染物去除效果。当土壤比例为60%时,13号、14号和15号组合填料的K值接近澳大利亚要求的最低值,由于生物滞留设施在建造后经过一段时间地自然下沉,填料会进一步压实,同时,运行后填料会拦截道路雨水中污染物,渗透系数进一步较小,因此,不建议采取60%土壤比例的组合填料。因此,进行污染物去除效果测定试验时,不考虑4号、5号、6号、13号、14号和15号组合填料。

3.2.2. 组合填料对污染物的去除效果分析

填料装填后放置两天,让填料自然沉降压实,重现期分别取5年和10年,各组合填料的污染物去除效果及分析如下:

1) 各填料对TSS、COD的去除效果

图4知,组合填料对TSS的去除效果受本地土壤的比例影响很大,随着土壤比例增加,TSS去除率在下降,前8组组合填料的TSS出水浓度基本满足城镇污水厂污染物排放标准三级标准,只有12号组合填料在重现期为10年时,出水浓度为53 mg/L,略高于城镇污水厂排放三级标准。进水流速对TSS的去除效果也有影响,随着流速增加,去除率略有下降。当土壤比例为20%时,2号的出水浓度最低,当土壤比例为40%时,7和8号的去除效果较好,火山岩、沸石、蛭石的比例为10%、10%、40%和10%、20%、30%,两组填料中火山岩所占的比例最小,为10%,同时火山岩和沸石比例之和较小,不超过30%。测定结果表明出水的TSS来源于两部分:① 进水中未被完全除去的固体颗粒,② 水流裹挟土壤流出的部分固体颗粒。因此填料中土壤比例不宜过高,并且在组合填料之下应铺置一层不含土壤成分的填料层,比如粗砂等,进一步拦截出水中的固体颗粒。总体上,组合填料对TSS有很好的去除效果。

图5知,组合填料对COD的去除效果不明显,9组组合填料的COD出水浓度均超过了城镇污水厂污染物排放三级标准,单单依靠填料的截留吸附作用很难去除COD。由测试结果可知,7~12号组合填

Figure 4. Removal efficiency of TSS by combined filler

图4. 组合填料对TSS的去除效果

Figure 5. Removal efficiency of COD by combined filler

图5. 组合填料对COD的去除效果

料比1~3号组合填料的去除率更高,即随着土壤比例增加,COD的去除率提升了,因为土壤的粘性较大,吸附性强。重现期取5年时,组合填料对COD的去除率在2.44%~21.43%之间,重现期取10年,对COD的去除率在4.88%~21.43%之间,随着进水流速增加,水流与填料接触时间变短,去除率降低。

2) 对NH3-N、TP的去除效果

图6知,组合填料对NH3-N的去除效果明显高于单种滤料,因为组合填料的渗透系数远低于单种滤料,径流雨水过滤时与填料的接触时间延长,吸附性能可以更好地发挥。土壤比例为20%的组合填料的NH3-N出水浓度高于土壤比例为40%的组合填料,1~3号组合填料的NH3-N出水浓度均达到了地表水环境质量标准Ⅲ类水体标准,7~12号达到了地表水环境质量标准Ⅱ类水体标准,其中7和8号组合填料的NH3-N出水浓度较低,土壤对NH3-N有吸附性,随着土壤比例增加,组合填料对NH3-N的去除率变大。土壤比例为20%,重现期从5年变为10年时,去除率范围由89.31%~91.01%变为87.51%~90.05%,随着进水流速增加,去除率下降,当土壤比例为40%时,去除率范围由90.87%~92.48%变为90.43%~92.38%,去除效果受重现期影响变小。7号、8号和10、11号组合,当沸石比例从10%提高到20%,去除率明显增加,沸石比例改变会影响NH3-N的去除效果,组合填料中沸石比例不宜低于20%。

图7知,组合填料对TP的去除效果高于单种滤料,1~3号组合填料的出水浓度均达到了地表水环境质量标准Ⅳ类水体标准,7~12号达到地表水环境质量标准Ⅲ类水体标准。土壤具有吸附性,对TP的去除影响较大,随着土壤比例增加,TP去除率变大。7、8、9号组合填料的TP出水浓度较低,土壤比例为40%,此时火山岩所占比例最小,为10%,火山岩和沸石比例总和不超过40%,即当火山岩及沸石比例较小时对TP的去除效果更好。

3) 组合填料对重金属的去除效果

对重金属去除主要依靠填料的过滤拦截和吸附作用,组合填料对五种重金属的去除效果明显高于单种滤料(图8~12)。组合填料对金属Cr的去除效果一般,去除率不超过50%,土壤所占比例为20%时,去除率范围28.12%~33.61%,土壤比例为40%时,去除率范围26.72%~45.61%随着土壤比例增加,去除率变大,1号、2号、3号、7号、8号和10号组合填料的去除率比较高,经分析这五组组合填料的珍珠岩含量比较高,比例高于30%,由单种填料测试结果可知,珍珠岩对对Cr的去除效果较好。组合填料对

Figure 6. Removal efficiency of NH3-N by combined filler

图6. 组合填料对NH3-N的去除效果

Figure 7. Removal efficiency of TP by combined filler

图7. 组合填料对TP的去除效果

Cu的去除效果比较好,去除率均超过80%,1号、2号、3号、7号和10号的去除率较高,珍珠岩对Cu的去除效果影响比较大。组合填料对Zn、Cd、Pb三种金属的去除率很高,在90%以上,8号组合填料对Zn的去除效果最好,3号、8号和10号组合出水中Cd的浓度很低,1~3号组合比7~12号组合填料对Pd的去除率更高。重现期为5年时的重金属出水浓度低于重现期为10年时,即随着进水流速加大,重金属去除率下降。

通过组合填料筛选试验,确定最佳填料组合为:40%土壤、10%火山岩、20%沸石、30%珍珠岩。

Figure 8. Removal efficiency of Cr by combined filler

图8. 组合填料对Cr的去除效果

Figure 9. Removal efficiency of Cu by combined filler

图9. 组合填料对Cu的去除效果

Figure 10. Removal efficiency of Zn by combined filler

图10. 组合填料对Zn的去除效果

Figure 11. Removal efficiency of Cd by combined filler

图11. 组合填料对Cd的去除效果

Figure 12. Removal efficiency of heavy metal by combined filler

图12. 组合填料对Pb的去除效果

4. 结论

1) 六种填料渗透系数大小排序:火山岩 > 陶粒 > 活性炭 > 沸石 > 珍珠岩 > 蛭石。从单种滤料对污染物的去除效果上看,珍珠岩对TSS的去除效果最佳,可达到87.20%;沸石对氨氮的去除效果达到43.21%;而活性炭对COD (39.15%)、TP (51.82%)和重金属的去除效果相较其他几种填料效果较好。最终选出火山岩、沸石和珍珠岩三种填料,作为生物滞留带的组成部分。

2) 土壤比例为40%的组合填料更适宜作为生物滞留设施中过滤介质,且土壤比例高些,更易于植物根系向纵向生长,能够有效的缓解填料堵塞问题,同时,火山岩和沸石比例不宜超过30%,沸石比例在20%以上为佳,且珍珠岩不低于30%对重金属的去除效果更好。最终确定最佳填料组合:40%土壤、10%火山岩、20%沸石、30%珍珠岩。

文章引用:
蒋安娜, 刘军, 董万里, 黄爽. 适合北方地区生物滞留设施填料筛选与组合试验研究[J]. 环境保护前沿, 2018, 8(4): 281-292. https://doi.org/10.12677/AEP.2018.84034

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