雨水径流污染控制生物滤池的固定滤料配比优化及处理性能分析

王子钊 阮燕霞 吴秀伟 蒲文鹏

摘要：通过小试实验，对镇江市某个用于雨水径流污染处理的生物滤池滤料进行了配比优化，并对其处理性能进行了分析。实验结果发现：滤料对于模拟雨水径流中的SS和COD能够有效去除，去除率稳定在70%以上;SS去除率在降雨冲刷过程中保持稳定，但COD在后期雨水冲刷时会有去除率下降现象，降幅约10%-20%。进一步的滤料吸附实验显示，去除COD除了与过滤作用有关，还与滤料的吸附作用有关。

关键词：雨水径流;生物滤池;滤料

中图分类号：F062.2

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0098-05

1 引言

随着污水治理技术的进步，点源水污染在得到较好控制的同时，面源水污染的问题越来越突出，已成为进一步提升城市水环境质量的主要障碍[1]。在我国城镇化进程加速的背景下，雨水径流，尤其是初期雨水带来的污染，逐渐成为城市水环境面源污染的主要来源。近年来，随着建设海绵城市理念的提出，对于雨水径流污染的治理技术开始得到广泛关注。生物滤池技术在水处理中具有水力负荷较高，运行可靠等特点[2]，近年来也被广泛用于雨水径流污染的末端控制中，是对社区LID改造、雨水管网建设等源头、过程控制措施的重要补充。

镇江市是全国首批海绵城市试点之一，生物滤池末端处理工具在镇江也得到了应用。镇江采用的生物滤池及滤层结构如图1所示，滤池分为4个单元交替进水，每个单元长60 m，宽7.5 m，水力负荷大约为10.42m/d。其滤层分为55 cm的滤料层及80 cm的砾石层，集水盲管位于10 cm砾石之上，滤料的主要组成是沙子、椰糠和火山沙。对于生物滤池来说，滤料的性能直接影响其去除污染物的效率，是考察滤池性能的重要指标。因此，研究生物滤池滤料对于雨水径流污染的处理性能，能够为今后镇江应用生物滤池处理雨水径流污染提供数据支持。

2 实验材料与实验方法

2.1 实验装置与材料

2.1.1 实验装置

为尽可能和实际应用保持一致，实验装置为小型滤池，直径7 cm，高52 cm，底部布置2 cm粒径5～15 mm左右砾石，上面铺一层55 cm的滤料。布水装置采用雾化喷头，可调节流量且能够确保在小流量进水的情况下，实现均匀布水。实验室装置如图2所示。2.1.2 实验材料

滤料各材料参数与镇江生物滤池工程实际一致：沙为黄沙、中沙;椰糠为粉末状，粒径1～2 mm;火山沙粒径为2～4 mm。按体积比配置好滤料后，对滤料进行预处理：将滤料用300目滤网罩住后，反复用自来水冲刷洗涤，最后用去离子水洗涤3遍，尽可能地去除由于材料表面本身携带物质对实验结果的影响。

模拟雨水采用人工配置，利用实际路边沉积物和实验室营养物质相结合的方法进行配置。主要方法为：清扫马路边沉积物，放水桶中充分搅拌，沉淀2h后，取上清液，此目的为确保水中有部分有机氮、磷。根据上清液水质情况，加入高岭土、淀粉、氯化铵，磷酸二氢钾等物质，获得预期的污染物浓度的模拟雨水。根据镇江的降雨径流特征[3]，模拟预期值初选为大雨径流后初期雨水中污染物的浓度值，配水目标值为SS100 mg/L，COD 200 mg/L，氨氮（NH4+-N）2 mg/L，总氮（TN）3mg/L，总磷（TP）0.5 mg/L。

2.2 实验方法

通过设计小型反应器皿，按接近滤料的实际应用情况，考察滤料的过滤净水性能。水质指标包括SS，总氮（TN），总磷（TP），COD，氨氮（NH4+-N）;检测均采用国标方法：SS用标准重量法，TN用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法，TP采用过硫酸钾氧化一钼锑抗分光光度法，COD采用重铬酸钾标准法，NH4+-N采用水杨酸一次氯酸盐分光光度法。

2.2.1 滤料配方优选实验

按照10.42 m/d水力负荷进水，模拟大雨时污染物浓度，每隔10 min取一次样，取样时间历时50 min。检测出水SS，TN，TP，COD2NH4+一N等指标，分析不同配比滤料对水质的净化效果，对滤料配比进行比选优化。该实验实际模拟用水水质指标为：SS 112 mg/L，COD220 mg/L，NH4+ -N 2.7 mg/L，TN 3.35 mg/L，TP 0.48 mg/L。

2.2.2 大雨径流下滤料净水效果实验

滤料配比采用2.2.1中优选出的配合比。先用初期雨水（污染物浓度高）冲刷40 min，每10 min取一次样，再用后期雨水（污染物浓度低）冲刷40 min，每10min取样，总计模拟降雨形成径流时间80 min，检测出水SS，TN，TP，COD，NH4+一N等指标，分析滤料净水效果。

该实验实际模拟用水水质指标为：初期雨水SS132 mg/L， COD232 mg/L， NH4+一N 2. 34 mg/L， TN4.01 mg/L，TP 0.50 mg/L，后期雨水水质指标为SS 40mg/L，COD65 mg/L， NH4+ -N 0.82 mg/L， TN l.32mg/L，TP 0.15 mg/L。

2.2.3 滤料各成分的吸附性能实验

取同体积的沙、椰糠、火山沙10 mL，预处理后，放人到200 mL的水样中（水质为COD 232 mg/L，NH4+-N 22 mg/L，TP 4 mg/L，为便于区别效果，将水样氨氮和总磷浓度提高了10倍），放置在摇床上轻微振荡，每隔一定时间取样，考察吸附效果。

3 结果与讨论

3.1 滤料配方优选

首先进行了生物滤池滤料的配方优选实验。滤料的主要成分是黄沙、椰糠和火山沙：沙具有透水性高、不保水特點，是滤料的骨架部分，也是滤料透水性能的主要来源。椰糠是椰子外壳纤维粉末，经加工处理后的椰糠非常适合于培植植物;椰糠具有良好的保水性和透气性，且能够缓慢地自然分解，有利于植物的生长。火山沙表面粗糙多微孔，在长时间运行后微生物在其表面生长、繁殖，形成生物膜，有利于污水中有机物及氮磷的去除。

通过调整滤料组分的不同配比，就能影响滤料的透水性、强度、植物生长等性能。因滤池滤料最基本的性能还是透水性能和过滤净水性能，因此在滤料组成中沙仍应占主要比例;同时滤料应能维持植物生长和微生物挂膜，为此添加一定比例的椰糠和火山沙。基于此，对沙、椰糠、火山沙3种材料的体积比进行了不同配置。3种材料体积比配置如表1所示。

通过对不同配比的滤料对SS，COD，NH4+一N，TN，TP的去除效果进行比较，结果如图3～7所示。

结合进水浓度情况，由图3～7可以看到，滤料对于氮磷等污染物去除效果有限;但对SS和COD的去除效果明显且稳定，不同配比的濾料去除率基本稳定在60%以上。这同时也说明在滤料厚度50 cm左右，水力负荷10.42 m/d情况下，不同配比滤料对水质净化效果整体相差不大。实际设置的滤料层厚度可以满足污染物的去除要求，出水水质相对稳定，不存在滤层穿透情况。

综合对比滤料对SS、COD、氮磷等指标的去除情况，并考虑实际应用中微生物挂膜和植物生长需求，2、3、4号滤料配比应是比较理想的配方;又以3号配方为最优，即沙体积70%，椰糠体积15%，火山沙体积15%。后续的大雨径流试验即选取3号配方作为实验对象。

3.2 大雨径流下滤料净水效果

一般来说，一场降雨的径流冲刷形式可以分为初期雨水冲刷和后期雨水冲刷。初期雨水污染物浓度高，随后雨水径流污染物浓度会降低，达到相对稳定的状态。为模拟现实降雨径流条件下滤料的过滤性能，进行了相应实验。结果如图8及表2所示。

从图8可以看出，滤料具有较好的截留功能，对于SS有比较稳定的去除率，在模拟初期雨水和后期雨水的冲刷过程中，SS的去除率基本稳定在70%以上，最高为85%。对于COD的去除效果，滤料在初期雨水和后期雨水的冲刷下，去除率表现出了明显的区别：在初期雨水冲刷条件下COD去除率较高，在68%～76%之间;而在后期雨水冲刷作用下COD去除率较低，在38%～51%之间。这说明，滤料在去除COD方面，除了过滤截流的作用外，还可能存在吸附作用。在初期雨水污染物浓度较高的条件下，部分COD通过滤料吸附被去除，而在后期雨水污染物浓度较低的情况下，被吸附在滤料上的污染物部分被溶解、脱附，再次进入水中。

表2显示了滤料对氮磷等营养盐的去除情况。可以看到，滤料对于氨氮和总氮的去除效率是较低的。生物滤池除氮，主要机理是利用滤料和砾石层生物膜中的微生物硝化一反硝化作用来去除[4，5]。在本实验中，主要是研究滤料的过滤性能，滤料并未经过微生物挂膜、驯化过程，因此对氨氮和总氮去除效果有限。一般来说，生物滤池对雨水径流中的磷会有一定的去除率，这主要与颗粒态磷被截流以及部分生物除磷作用有关[6-7]。但本实验中的滤料尚未挂膜，配水主要采用的是溶解态的磷，滤料的过滤截流效果有限，因此表现出来对磷的去除作用也有限。

3.3 滤料各材料吸附性能分析

为考察滤料除了过滤截流外，吸附作用对净水效果所产生的影响，设计实验考察了3种材料对污染物的吸附性能。实验结果如图9～11所示。

由图9～11可以看出，沙、火山沙和椰糠3种材料对COD、氮、磷都具有一定的吸附作用，3种材料对同一污染物指标的吸附的浓度曲线变化规律基本一致，但COD、氨氮、TP之间的变化规律有较大差别。COD在较短之间内就能被滤料吸附，从图9可以看到，COD浓度在0.5 h和2h时，浓度已经明显降低。沙、火山沙和椰糠在0.5 h时，对COD吸附比例为19%、58%和46%;在2 h时.分别为48%，62%和61%。而对于氨氮和TP，吸附浓度曲线随时间变化相对缓慢而均匀，沙、火山沙和椰糠在2h时，对氨氮的吸附比例为22%，28%和21%，对TP的吸附比例为17%，11%和8%。对氨氮和TP的吸附曲线，到6h和12 h后，浓度变化才逐渐平缓。这说明，滤料组分对氮磷的吸附相比COD，需要较长的时间才能实现。

根据水力负荷及滤层厚度简单估算，雨水径流在滤层中停留时间约1.3 h。结合3种滤料对COD、氨氮和TP的吸附情况可以推测，滤料的吸附作用对污水中COD的去除也有一定的贡献，但是对氮磷的作用较小。这也从一个侧面印证了3.2节中的实验结果。

4 结论

（1）根据镇江市采用的生物滤池滤料处理模拟雨水径流污染的试验结果，最优的滤料配比是沙70%，火山沙15%，椰糠15%。物滤池滤料本身的过滤截流和吸附作用，对SS和COD有比较明显的去除作用，去除率稳定在60%以上。但对溶解性氮磷去除效果有限。

（2）在模拟实际降雨冲刷情景中，SS的去除率稳定在70%以上;但对COD的去除率表现出初期冲刷时高，后期冲刷时低的特点，这提示在污染物浓度较低的后期雨水冲刷下，部分被滤料吸附的有机物会释放出来。

（3）滤料各组分对COD、氨氮和TP的吸附效果不一样。对COD的吸附在0.5 h时浓度就有明显下降，在2h时基本达到50%或以上。但对氨氮和TP，吸附导致的浓度曲线随时间下降较均匀，一直持续到6h后，浓度曲线变化才趋于平缓。考虑到实际生物滤池的水力停留时间，说明滤料本身的吸附对COD去除有一定作用，但对溶解性氮磷影响较小。

参考文献：

[1]庞翠超，吴时强，周 杰，等，城区地表径流面源污染和河道水环境治理的研究[J].环境科学与技术，2012，35（12）：175～179.

[2]张小玲，李强，王靖楠，等，曝气生物滤池技术研究进展及其工艺改良[J].化工进展，2015，34（7）：2023-2030.

[3]陈海丰，王新刚，盛建国，等，镇江市城区降雨径流水质分析[J].环境保护科学，2012，38（5）：22～25.

[4]张金娜，丁琳，李凯峰，曝气生物滤池脱氮效能及机理的研究[J].环境科学与管理，2006（3）：99-101.

[5]邱立平，马军.曝气生物滤池的短程硝化反硝化机理研究[J].中国给水排水，2002（11）：1～4.

[6]邹伟国，陆嘉竑，张辰，等.曝气生物滤池在脱氮除磷工艺中的应用[J].环境工程，2004（5）：27～29.

[7]张成，秦华星，王康伟，等.补充碳源对交替式厌氧/好氧生物滤池生物蓄磷/回收磷的影响[J].环境工程学报.2015，9（8）：3602～3608.