生物炭對(duì)生物滯留池水文效應(yīng)和氮素去除影響的研究.pdf

1、隨著城市化的發(fā)展，硬化不透水地面的大面積出現(xiàn)，改變了雨洪徑流形成的下墊面條件，引發(fā)了一系列的城市雨水問(wèn)題，如城市水循環(huán)的破壞、地下水補(bǔ)給的減少、內(nèi)澇的發(fā)生、徑流對(duì)河道的侵蝕、以及雨水徑流中污染物對(duì)自然水體的污染。越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)已意識(shí)到城市雨水問(wèn)題的嚴(yán)重性，并開(kāi)展了不同規(guī)模的雨洪管理研究、提出了多種雨洪管理措施。其中，生物滯留池作為可同時(shí)解決城市雨水水量和水質(zhì)問(wèn)題的典型低影響開(kāi)發(fā)措施，在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用。生物滯留池對(duì)大多數(shù)污染物均有

2、較好的去除效果，但對(duì)氮素的去除卻不盡如人意，常出現(xiàn)出水NO3-濃度高于進(jìn)水的情況。一些研究采用在生物滯留池底部設(shè)置內(nèi)部?jī)?chǔ)水層的方法，提高反硝化作用，但效果并不穩(wěn)定。生物炭是利用廢棄有機(jī)物質(zhì)在缺氧條件下熱解炭化產(chǎn)生的固態(tài)產(chǎn)物，具有較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力、較大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、有機(jī)碳含量高且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難以降解等特點(diǎn)。本文提出了將生物炭施用于生物滯留池填料土的全新應(yīng)用方向，以解決生物滯留池氮素去除差的問(wèn)題。
　　為了研究上述應(yīng)用

3、的可行性，本文分析了不同種生物炭在理化特性、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)淋溶、氨氮吸附等方面的差異，并通過(guò)土柱入滲試驗(yàn)探究生物炭對(duì)NH4+和NO3-的處理效果，在此基礎(chǔ)上選擇了適用于雨水處理的生物炭;通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了生物炭對(duì)填料土氨氮吸附和水分特征曲線的影響;構(gòu)建了兩組中試規(guī)模的生物滯留池，測(cè)定了對(duì)照組(Ctrl)和添加了生物炭的實(shí)驗(yàn)組(Exp)生物滯留池的滲透系數(shù)，并通過(guò)模擬降雨入滲試驗(yàn)檢驗(yàn)生物炭的施用對(duì)生物滯留池的水力特性和氮素去除的改善效果;進(jìn)而運(yùn)用H

4、YDRUS-1D軟件對(duì)生物滯留池的產(chǎn)流過(guò)程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。
　　研究表明，同溫度制成的雞糞炭(PLC)的pH、灰分、陽(yáng)離子交換量(CEC)比木屑炭(HWC)更高，但C/N比和比表面積不及HWC;pH、灰分、C/N比、比表面積隨熱解溫度升高而增大，CEC則減小。PLC在去離子水(DI)和人工模擬降雨徑(SW)連續(xù)10次的淋洗過(guò)程中比HWC釋放了更多的營(yíng)養(yǎng)鹽，但主要集中在第1次淋洗。除了在400℃下制成的HWC釋放了少量的org-N(0

5、.07μmol·g-1)，HWC基本無(wú)氮素淋溶。500℃下熱解成的PLC在淋洗過(guò)程中釋放了7.1-8.6μmol·g-1 N，而400℃下熱解的PLC釋放了120-127μmol·g-1 N，主要為org-N。生物炭對(duì)NH4+有較好的吸附性，SW中的離子競(jìng)爭(zhēng)會(huì)抑制NH4+的吸附。對(duì)所測(cè)生物炭而言，NH4+的吸附量與生物炭比表面積呈負(fù)相關(guān)，而與CEC呈正相關(guān)。NH4+吸附的主要機(jī)理是離子交換。土柱入滲試驗(yàn)中，加入了10％生物炭的土柱對(duì)進(jìn)水

6、濃度為2mg·L-1的NH4+去除率可達(dá)90％以上，而純砂土柱NH4+去除率僅為1.7％。HWC和高溫?zé)峤獾腜LC較適合用于雨水處理。
　　選用在550℃下由黃松木制成的生物炭以4％(w/w)加入標(biāo)準(zhǔn)生物滯留池填料土中，提高了填料土pH、降低了容重、增大了總孔隙率和CEC。施用生物炭的填料土對(duì)NH4+的去除率提高了31-114％。Freundlich模型相較Langmuir模型能夠更好地?cái)M合填料土的NH4+吸附等溫線(R2＞0.9

7、883)。生物炭的施用使填料土有效水含量提高了294％，飽和含水量增加了1.4倍。運(yùn)用RETC軟件和vanGenuchten模型能夠較好擬合填料土的水分特征曲線(R2＞0.9969)，并由此得到水力特征參數(shù)。
　　建成的中試生物滯留池，有生物炭添加的Exp比Ctrl的飽和滲透系數(shù)大1.5倍、水力停留時(shí)間長(zhǎng)1.6h、持水量增加約15％。生物炭通過(guò)增加填料土持水、降低溶解氧、提高pH、增加碳源、降低氧化還原電位等途徑促進(jìn)生物滯留池內(nèi)反

8、硝化的發(fā)生;同時(shí)通過(guò)其可逆的苯醌-苯酚官能團(tuán)，為反硝化提供除碳源外的電子供體。有生物炭添加的Exp滲流區(qū)對(duì)NO3-N的濃度削減達(dá)30.6-92.9％，而Ctrl滲流區(qū)僅為-6-43.5％。對(duì)NO3-N的削減隨著土壤溫度的升高而加強(qiáng)。
　　HYDRUS-1D可以較好的模擬生物滯留池的產(chǎn)流過(guò)程(R2＞0.9783)。在不同降雨條件下，Exp的水力表現(xiàn)均優(yōu)于Ctrl，具體表現(xiàn)為持水量增加，出流減少;處理量增加，溢流減少;產(chǎn)流延遲和洪峰延