2.3 TN的去除效果

生物滯留系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果如圖4所示。

沸石基質(zhì)裝置出水TN平均濃度為10.4mg/L，平均去除率為32%；而硫鐵礦基質(zhì)裝置出水TN平均濃度為2.11mg/L，平均去除率為86%。結(jié)合圖3可知，兩個(gè)生物滯留系統(tǒng)的TN去除效果與NO3--N去除效果呈現(xiàn)相關(guān)性，這說(shuō)明限制生物滯留系統(tǒng)脫氮效果的因素主要在于NO3--N的反硝化程度。由于裝置中覆土層采用的壤砂質(zhì)土本身含有一定量的有機(jī)質(zhì)，人工配制進(jìn)水沖刷時(shí)可攜帶少量有機(jī)質(zhì)進(jìn)入基質(zhì)層，這是沸石基質(zhì)裝置具有一定反硝化脫氮能力的原因，但也因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)含量較少，使得沸石基質(zhì)裝置脫氮能力低下。這也側(cè)面反映了硫鐵礦基質(zhì)裝置中存在不依賴有機(jī)碳源的反硝化作用，使其達(dá)到優(yōu)于沸石基質(zhì)裝置的脫氮效果。沸石基質(zhì)裝置的反硝化脫氮效果也表明，單純地對(duì)生物滯留系統(tǒng)設(shè)置淹沒(méi)區(qū)，對(duì)于其脫氮效果的提升不一定理想。而硫鐵礦基質(zhì)裝置穩(wěn)定高效的脫氮效果表明，硫鐵礦作為基質(zhì)填料對(duì)生物滯留系統(tǒng)處理極低C/N值的地表徑流能夠起到有利作用。

2.4 TP的去除效果

生物滯留系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果如圖5所示。沸石基質(zhì)裝置出水TP平均濃度為0.48mg/L，平均去除率為44%；而硫鐵礦基質(zhì)裝置出水TP平均濃度為0.15mg/L左右，平均去除率為81%。硫鐵礦基質(zhì)裝置對(duì)TP的去除效果穩(wěn)定且高效，沸石基質(zhì)裝置對(duì)TP的去除效果隨試驗(yàn)時(shí)間的增加而變差，且始終不如硫鐵礦基質(zhì)裝置。這是由于硫鐵礦參與硫自養(yǎng)反硝化時(shí)，其中的鐵元素被解放，產(chǎn)生的Fe2+可與水中的磷酸鹽結(jié)合生成沉淀。已有研究證明，添加含鐵的材料對(duì)于生物滯留系統(tǒng)除磷能力的提升顯著，例如，Erickson等通過(guò)向砂土中添加5%的鐵屑來(lái)提升生物滯留系統(tǒng)的除磷效果，磷酸鹽平均去除率可達(dá)到88%左右。而沸石基質(zhì)裝置中的沸石僅能吸附磷而不能去除磷，所以在試驗(yàn)初期沸石基質(zhì)裝置的除磷效果較好，但當(dāng)填料對(duì)磷的吸附逐漸趨于飽和時(shí)，出水磷濃度便不斷升高。

2.5 基質(zhì)層中NH4+-N和NO3--N濃度的變化

在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)裝置基質(zhì)層底部的取樣口對(duì)4個(gè)6d的周期中生物滯留系統(tǒng)基質(zhì)層的NH4+-N和NO3--N濃度進(jìn)行分時(shí)段取樣分析（進(jìn)水完畢后第2、6、12、24、48、72、96、120、144小時(shí)取樣）。其中，周期A、B、C的前次非降雨期均為3d，周期D的前次非降雨期為6d，鑒于周期A、B、C的數(shù)據(jù)曲線變化趨勢(shì)類似，限于篇幅，此處僅列出周期C和D的數(shù)據(jù)，如圖6所示。可知，NH4+-N在試驗(yàn)進(jìn)水進(jìn)入生物滯留系統(tǒng)的第2小時(shí)便被吸附了絕大部分。在4個(gè)周期中，硫鐵礦基質(zhì)裝置在2～12h期間NO3--N削減速率減緩，沸石基質(zhì)裝置在2～12h期間NO3--N濃度升高，表明系統(tǒng)內(nèi)初期存在硝化作用，這與進(jìn)水中的溶解氧有關(guān)。根據(jù)周期A、B、C的數(shù)據(jù)，在前次非降雨期為3d時(shí)，硫鐵礦基質(zhì)裝置在前72h內(nèi)基本完成了大部分的反硝化脫氮；當(dāng)前次非降雨期延長(zhǎng)至6d時(shí)，硫鐵礦基質(zhì)裝置在第24小時(shí)便達(dá)到了之前需要72h的反硝化程度，這是因?yàn)榉墙涤昶诘倪m當(dāng)延長(zhǎng)導(dǎo)致基質(zhì)層中微生物群落耗盡原有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而急需補(bǔ)充，極大提高了系統(tǒng)的脫氮速率。

2.6 微生物種群結(jié)構(gòu)分析

生物滯留系統(tǒng)中的微生物在屬水平上的相對(duì)豐度如圖7所示。在兩個(gè)生物滯留系統(tǒng)中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的菌屬為Herbaspirillum，其在硫鐵礦基質(zhì)裝置中占60.9%，而在沸石基質(zhì)裝置中占12.8%。在基質(zhì)層接種的污泥中Herbaspirillum也為主要優(yōu)勢(shì)菌種。Herbaspirillum是微需氧固氮細(xì)菌，目前對(duì)此類細(xì)菌的研究還不深入，為何在本試驗(yàn)中的占比如此之大，仍需進(jìn)一步研究。但固氮菌往往通過(guò)將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨氮而達(dá)到固氮目的，而基質(zhì)層中的氮?dú)庵饕獊?lái)源于微生物反硝化，這或許能解釋為何硫鐵礦基質(zhì)裝置出水中始終殘余一定量的氨氮。

Pseudomonas在硫鐵礦基質(zhì)和沸石基質(zhì)裝置中分別占到了5.7%和1.4%。作為水處理研究中最常見的反硝化菌屬之一，Pseudomonas相對(duì)豐度的差異也表明硫鐵礦基質(zhì)裝置的反硝化能力優(yōu)于沸石基質(zhì)裝置。OM60（NOR5）_clade被研究報(bào)道為一類需氧菌種，其在沸石基質(zhì)裝置中的相對(duì)豐度（5.2%）明顯高于硫鐵礦基質(zhì)裝置（<0.01%），這或許能證明硫鐵礦裝置基質(zhì)層中的缺氧環(huán)境優(yōu)于沸石裝置，使反硝化能更順利地進(jìn)行。

作為硫自養(yǎng)反硝化的典型菌屬，Thiobacillus在硫鐵礦裝置基質(zhì)層的相對(duì)豐度為1.6%，在沸石基質(zhì)裝置中低于0.01%。而同為種泥主要優(yōu)勢(shì)菌種的Sulfurimonas則未檢出。兩個(gè)裝置中Thiobacillus的豐度差異表明，硫自養(yǎng)細(xì)菌在以硫鐵礦為基質(zhì)的生物滯留系統(tǒng)中能夠存在并產(chǎn)生作用。Torrento等人的研究表明，硫鐵礦在Thiobacillus為非優(yōu)勢(shì)菌屬的情況下也可以促進(jìn)微生物處理地下水時(shí)的反硝化能力。Ge等人在人工濕地中添加硫鐵礦，Thiobacillus的相對(duì)豐度僅為0.12%，雖然不是優(yōu)勢(shì)菌屬，但也實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效的脫氮性能。

03 結(jié)論

① 硫鐵礦基質(zhì)生物滯留系統(tǒng)在進(jìn)水中無(wú)有機(jī)碳源的情況下，可實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮，同時(shí)可保持穩(wěn)定的除磷效果，對(duì)總氮、硝酸鹽氮和總磷的平均去除率分別可達(dá)到86%、89%、81%。

② 硫鐵礦可以促進(jìn)填料基質(zhì)層中微生物的反硝化作用。硫鐵礦基質(zhì)生物滯留裝置中與反硝化相關(guān)的菌屬Pseudomonas和Thiobacillus的相對(duì)豐度分別為5.7%和1.6%。

③ 硫鐵礦作為填料與淹沒(méi)區(qū)聯(lián)合使用，可明顯提升生物滯留系統(tǒng)的脫氮效果，在極度缺乏有機(jī)碳源的情況下，生物滯留系統(tǒng)在72 h內(nèi)可達(dá)到良好的反硝化效果。