摘要：針對(duì)傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)因缺乏有機(jī)碳源而導(dǎo)致的脫氮性能不穩(wěn)定問(wèn)題，開發(fā)了一種基于自養(yǎng)反硝化的硫鐵礦改良生物滯留系統(tǒng)，研究了以硫鐵礦代替電子供體的生物滯留系統(tǒng)對(duì)無(wú)碳源雨水徑流的脫氮除磷效能，并對(duì)系統(tǒng)中的微生物種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在雨水徑流中無(wú)有機(jī)碳源的情況下，硫鐵礦基質(zhì)生物滯留系統(tǒng)仍可實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮，對(duì)NO3--N和TN的平均去除率分別可達(dá)到89%和86%，同時(shí)亦有高效穩(wěn)定的除磷效果，TP去除率達(dá)到81%。硫鐵礦基質(zhì)可提高生物滯留系統(tǒng)內(nèi)部微生物的反硝化能力，反硝化相關(guān)菌種Pseudomonas和Thiobacillus的相對(duì)豐度分別為5.7%和1.6%。

生物滯留系統(tǒng)是一種常見的雨水控制技術(shù)，通常其體積較小、安裝和維護(hù)成本相對(duì)較低，同時(shí)可與景觀結(jié)合建造，因此得到了廣泛的研究和應(yīng)用。傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)對(duì)NO3--N的去除通常依靠微生物異養(yǎng)反硝化作用，為克服常規(guī)設(shè)施快速排水和地表徑流中碳源不足的缺陷，目前通常采用設(shè)置淹沒區(qū)（或稱飽和區(qū)）形成缺氧環(huán)境、在填料中添加有機(jī)碳源這2種方式提高異養(yǎng)反硝化效果。但是，向填料中添加有機(jī)碳源這一方式存在碳源在干旱期泄漏或碳源量較少導(dǎo)致其過(guò)快釋放等問(wèn)題，不能確保生物滯留系統(tǒng)持久有效的脫氮效果。鑒于此，筆者基于天然硫鐵礦可作為自養(yǎng)反硝化的電子供體去除天然水體中硝酸鹽的原理，將硫鐵礦作為生物滯留設(shè)施的填料，研究其對(duì)無(wú)有機(jī)碳源的模擬地表徑流的脫氮除磷效果，以期為提高生物滯留系統(tǒng)對(duì)地表徑流的脫氮效果提供參考。

01 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

生物滯留系統(tǒng)試驗(yàn)裝置（兩個(gè)）由有機(jī)玻璃制成，總高為1300mm、內(nèi)徑為300mm，如圖1所示。裝置從下到上依次為承托層（厚50mm，由粒徑為10～20mm的卵石構(gòu)成）、基質(zhì)層（厚300mm，由粒徑為5～7mm的硫鐵礦構(gòu)成，對(duì)比組選用同等粒徑的沸石）、緩沖區(qū)（由粒徑為10～15mm的礫石、1～2mm的石英砂和10～15mm的陶粒組成，厚度分別為100、100、150mm）、覆土層（厚400mm，由風(fēng)化巖砂土與本地土壤混合組成，體積比為25∶75）、蓄水區(qū)（厚200mm）。裝置底部設(shè)置一根穿孔集水管（包裹土工布以防填料堵塞），并以90°彎曲抬高（400mm）出水口使內(nèi)部可形成淹沒區(qū)?；|(zhì)層底部設(shè)置帶閥門的取樣口。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了引入硫自養(yǎng)菌群并加快基質(zhì)層微生物群落的成熟，裝填基質(zhì)層填料時(shí)混加經(jīng)過(guò)馴化后具有硫自養(yǎng)反硝化功能的污泥。種泥為重慶市雞冠石污水廠二級(jí)處理好氧段污泥，通過(guò)投加硫代硫酸鈉的方式馴化培養(yǎng)，當(dāng)出水NO3--N濃度連續(xù)多天低于1mg/L時(shí)，初步認(rèn)為其達(dá)到了硫自養(yǎng)反硝化污泥的定向馴化。馴化后的污泥經(jīng)離心分離富集后進(jìn)行微生物物種組成和豐度分析，屬水平上的優(yōu)勢(shì)菌為Thiobacillus（相對(duì)豐度為23.17%）、Herbaspirillum（相對(duì)豐度為13.85%）、Sulfurimonas（相對(duì)豐度為11.02%），其中Thiobacillus和Sulfurimonas是兩種典型的硫自養(yǎng)反硝化菌屬，表明本次馴化得到的污泥能夠滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)采用人工配水模擬地表降雨徑流，根據(jù)國(guó)內(nèi)典型城市不透水地表徑流水質(zhì)測(cè)定結(jié)果，確定NH4+-N、NO3--N和TP的濃度分別為6、9、0.6～0.9mg/L。采用放置24 h的自來(lái)水，添加NH4Cl、KNO3和 KH2PO4進(jìn)行配制。為了探究硫鐵礦基質(zhì)生物滯留系統(tǒng)在極端情況下對(duì)低C/N值地表徑流的處理效果，以及基質(zhì)層是否存在不依賴有機(jī)碳源的自養(yǎng)反硝化，故未向人工配水中添加有機(jī)碳源。實(shí)際進(jìn)水NH4+-N、NO3--N、TN、TP平均濃度分別為（6.3±0.4）、（9.3±0.3）、（15.6±0.7）、（0.9±0.1）mg/L。在試驗(yàn)前，用清水持續(xù)淋洗裝置兩周，目的是沖洗填料中固有的營(yíng)養(yǎng)成分。定期檢測(cè)裝置出水水質(zhì)，當(dāng)水質(zhì)穩(wěn)定后開始試驗(yàn)。

按照生物滯留系統(tǒng)面積為匯水面積的10%考慮，該試驗(yàn)裝置的匯水面積為0.73m2，匯水面積內(nèi)的徑流系數(shù)為0.55，對(duì)應(yīng)平均雨強(qiáng)為12.5mm/h、歷時(shí)2h的降雨事件，裝置運(yùn)行的進(jìn)水量為10L。研究設(shè)置的停留時(shí)間分別為3d和6d，采用批次進(jìn)水（進(jìn)水期間同時(shí)排水，進(jìn)水后直到下批次進(jìn)水前不再排水），重點(diǎn)探究雨停后非降雨期間系統(tǒng)對(duì)其內(nèi)部雨水徑流的處理效能。試驗(yàn)共持續(xù)4個(gè)月，人工配水處理周期共20個(gè)，采集水樣后在6h內(nèi)測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。另外，在試驗(yàn)?zāi)┢?，使用取樣釬取出基質(zhì)層中心填料，離心分離其表面的生物膜，進(jìn)行微生物物種組成和豐度分析。

02 結(jié)果與討論

2.1 NH4+-N的去除效果

生物滯留系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效果見圖2。硫鐵礦基質(zhì)和沸石基質(zhì)生物滯留系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效果均非常好且穩(wěn)定，這是由于NH4+帶正電荷，易被吸附或離子交換，壤砂質(zhì)的覆土層在吸附氨氮方面起了相當(dāng)大的作用。沸石基質(zhì)裝置的出水NH4+-N濃度一直處于檢測(cè)方法的下限，平均去除率在98%左右。硫鐵礦基質(zhì)裝置的出水NH4+-N平均濃度為0.90mg/L，平均去除率為85%，始終有少量的氨氮?dú)埩簟７惺|(zhì)裝置對(duì)氨氮的去除效果更優(yōu)，這得益于沸石獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和良好的離子交換性能，對(duì)氨氮具有良好的吸附效果。仇付國(guó)等人利用沸石改良帶淹沒區(qū)的生物滯留系統(tǒng)，使得NH4+-N去除率達(dá)到了91%，但其使用的覆土層厚度僅為150mm。綜上，硫鐵礦作為生物滯留系統(tǒng)的基質(zhì)，對(duì)地表徑流中NH4+-N的去除效果雖然不及沸石，但對(duì)NH4+-N的去除沒有明顯的負(fù)面影響。

2.2 NO3--N的去除效果

生物滯留系統(tǒng)對(duì)NO3--N的去除效果見圖3。

由圖3可知，兩個(gè)生物滯留系統(tǒng)對(duì)NO3--N的去除效果差異明顯。沸石基質(zhì)裝置出水NO3--N平均濃度為10.53mg/L，出水濃度高于進(jìn)水濃度，平均去除率為-13%。而硫鐵礦基質(zhì)裝置出水NO3--N平均濃度為1.00mg/L，平均去除率在89%左右，保持著穩(wěn)定且高效的去除效果。生物滯留系統(tǒng)與污水廠處理系統(tǒng)不同，其內(nèi)部空間并不能保證嚴(yán)格的缺氧條件，特別是地表徑流沖刷時(shí)會(huì)攜帶大量的溶解氧進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)。氨化和硝化作用可利用這些溶解氧將地表徑流中的氨氮與有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。由于進(jìn)水中缺乏有機(jī)碳源，沸石基質(zhì)裝置中傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化被抑制，導(dǎo)致氨氮轉(zhuǎn)化生成的硝酸鹽氮與進(jìn)水中原有的部分一同排出，從而產(chǎn)生出水NO3--N濃度偏高的現(xiàn)象。