环境科学  2019, Vol. 40 Issue (8): 3612-3617   PDF    
引用本文
彭航宇, 李田, 齐悦, 何云鹏, 黄楚玉, 张卓然. 基于污水厂污泥资源化利用的粗放型绿色屋顶水质控制效果[J]. 环境科学, 2019, 40(8): 3612-3617.
PENG Hang-yu, LI Tian, QI Yue, HE Yun-peng, HUANG Chu-yu, ZHANG Zhuo-ran. Control Measure Effects on the Effluent Quality from Extensive Green Roofs Based on Stabilized Sludge Recycling[J]. Environmental Science, 2019, 40(8): 3612-3617.
基于污水厂污泥资源化利用的粗放型绿色屋顶水质控制效果
彭航宇, 李田, 齐悦, 何云鹏, 黄楚玉, 张卓然     
同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
收稿日期: 2019-01-29; 修订日期: 2019-03-04
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07207001）
作者简介: 彭航宇(1994~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为面源污染控制, E-mail:penghangyu1994@163.com
通信作者: 李田, E-mail:tianli@tongji.edu.cn
摘要: 基质材料是影响粗放型绿色屋顶降雨出水水质的重要因素.采用污水厂稳定污泥作为基质主要营养成分，配合改良材料生物炭、双层基质结构，构建5个绿色屋顶中试设施，通过1a的现场实验，考察设施出水水质控制效果.结果表明将3%稳定污泥添加进粗放型绿色屋顶基质中，出水总氮（TN）和硝氮（NO3--N）的年平均质量浓度为3.27mg·L-1和1.61mg·L-1，在上海当地降雨与气温条件下稳定污泥的使用不会导致TN和NO3--N大量淋失；为改善使用污水厂稳定污泥作为营养基质的设施的出水水质，添加生物炭作为基质改良成分，出水中TN和NO3--N年平均质量浓度下降至2.16mg·L-1和1.38mg·L-1，吸附层的设置可降低出水总磷（TP）和化学需氧量（COD）浓度；对各中试设施系统进行TN平衡分析表明，经过一个汛期的使用，基质中存留的TN占到初始量的55%以上，污泥作为营养基质可以满足植物较长时间的生长需求.添加生物炭后基质存留TN减少和出水NO3--N浓度降低，分别与落干期期间矿化作用、降雨期间反硝化作用增强有关.从污染物质量负荷的角度出发，污泥不是营养物质N的污染源，是P的污染源.添加生物炭并设置双层结构能有效降低设施TN和COD出水负荷.
关键词: 粗放型绿色屋顶      稳定污泥      生物炭      双基质层      矿化      反硝化     
Control Measure Effects on the Effluent Quality from Extensive Green Roofs Based on Stabilized Sludge Recycling
PENG Hang-yu , LI Tian , QI Yue , HE Yun-peng , HUANG Chu-yu , ZHANG Zhuo-ran     
College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: Substrate type is an important factor affecting the quality of water deriving from rainfall onto extensively green roofed areas. Here, stabilized sludge was used as the main nutrient component of the substrate combined with biochar and a dual-substrate structure. Five green roof pilot facilities were constructed, and the effect of control measures on effluent quality was analyzed. The results showed that the stabilized sludge dosage was 3%, and the annual average mass concentrations of total nitrogen (TN) and nitrate nitrogen (NO3--N) were 3.27 mg·L-1 and 1.61 mg·L-1. The use of stabilized sludge as a nutrient component under real rainfall and temperature conditions in Shanghai did not cause significant leaching of TN and NO3--N. In order to further improve the quality of the effluent, biochar was used as an amendment measure. As a result, the concentrations of TN and NO3--N in the effluent were decreased to 2.16 mg·L-1 and 1.38 mg·L-1, respectively. Using an adsorption layer of pumice can alleviate the leaching of total phosphorus (TP) and chemical oxygen demand (COD). For the total nitrogen budget of each pilot facility, the retained TN was about 55% of the original TN after one year of operation. Thus, stabilized sludge could be used as a nutrient substrate to meet the long-term requirements of plants. In the substrate with biochar, the retained TN in the substrate and the NO3--N concentration in the effluent was decreased, which was related to the mineralization of organics during dry periods and the enhancement of denitrification during rainfall periods. Stabilized sludge was not a polluting source of N but was a source of P. Using biochar and a dual-substrate structure can effectively reduce the TN and COD load of the tested green roof facilities.
Key words: green roofs      stabilized sludge      biochar      dual-substrate structure      mineralization      denitrification     

粗放型绿色屋顶是一种以雨水管理为主要使用目标, 投入使用后低维护或免维护的绿色基础设施.粗放型绿色屋顶的理想基质应具有以下特性[1]：有效吸收和滞留水分、高孔隙度、植物锚固功能, 较低的荷载要求, 满足植物长期生长.已有研究表明, 绿色屋顶设施需要通过追肥以保障基质的长期营养供应[2].国外的商品化绿色屋顶基质通常使用堆肥作为营养成分, 通常存在出水营养物质浓度升高现象[3]; 也有研究使用商品化控释肥料来满足植物的营养需求, 后者提高了粗放型绿色屋顶的使用成本[4].

污水厂污泥经过稳定化处理以后, 仍富含氮、磷、微量元素和有机质等营养物质, 具有很好的提供养分和保持水分作用[5].稳定污泥用于园林绿化等用途, 可以降低污泥的处置成本, 已经受到广泛关注[6].迄今稳定污泥应用于粗放型绿色屋顶对设施出水水质影响的研究较少, 而且以模拟降雨的小试实验为主[7, 8], 在实际降雨与气温分布下的应用效果尚未见报道.已有研究表明将一定量稳定污泥施用于模拟粗放型绿色屋顶中, 植被覆盖率好, 在不追肥的情况下, 应用的第二年植物生长依然茂盛, 但是绿色屋顶模拟设施的营养物质淋出问题显著[9].

本文采用污水厂稳定污泥作为基质营养成分, 配合改良材料生物炭、双层基质结构, 与使用泥炭土, 缓释肥的常用基质营养成分的设施比较, 考察粗放型绿色屋顶在上海地区实际降雨下的出水水质, 对各中试设施系统进行TN等污染物质量平衡核算, 评价不同组成与结构的设施出水水质控制效果, 以期为污水厂污泥的资源化利用提供可能的新途径.

1 材料与方法 1.1 实验装置和基质组成

模拟绿色屋顶设施设立在同济大学校园内某建筑屋顶.共有置于角钢支架上的6个1 m×2 m, 深0.3 m的PVC盘呈5%的倾斜坡度放置, 底部设有出水口.模拟绿色屋顶设施结构从上至下依次为植被层、基质层、土工布、排蓄水层及PVC板.植被层选择景天科垂盆草.过滤层使用200 g ·m-2的聚酯无纺布, 防止介质层颗粒物随出水流失.排水层使用厚度约为2.5 cm的塑料排水板.设施出水收集于100 L水样桶中, 桶内放置投入式液位计, 配合数据记录仪可记录出水的流量过程, 降雨数据通过置于屋顶的翻斗式雨量计记录.使用八通道土壤水分监测记录仪(ZS-265S型, 山东赞颂仪器有限公司)测定基质体积含水率.

各模拟绿色屋顶设施的基质组成见表 1.空白对照用于评价实验地点的干湿沉降负荷.各设施均以田园土, 浮石与发酵榉木屑作为基质主要成分, 根据设施基质层添加的营养成分, 土壤改良剂或基质结构不同进行设施编号:设施PS(peat soil)、SS(stabilized sludge)和CRF(controlled release fertiliser)分别使用泥炭土, 污水厂稳定污泥, 缓释肥作为营养成分; 设施BC (biochar)添加生物炭作为土壤改良剂; BC/P (biochar/pumice)设置营养层与吸附层, 营养层基质组成与BC一致, 吸附层为浮石.除PS和CRF外, 其余设施均添加给水厂污泥控制P淋出.

表 1 模拟设施的基质组成及主要参数 Table 1 Components and main characteristic of green roof pilot facility substrates

本文采用的污水厂稳定污泥为经厌氧消化的颗粒态污泥.根据厂方提供的数据其重金属含量低于《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)限值.各种基质配比均以浮石(上海小凡园林绿化有限公司)为无机轻质材料, 参照文献[10]的方法其饱和导水率达到0.04 cm ·s-1, 可避免短历时强降雨产生表面径流.浮石干堆积密度539 kg ·m-3, 不同组成基质的浮石用量在60%~75%.考虑基质的肥效并同时保证其有机质总量不超过FLL的规定, 污泥的用量选择质量分数为3%.有研究采用10%体积比堆肥作为营养介质, 为保证各设施营养水平相当, 通过调整泥炭土与缓释肥的添加量使各设施TN含量为1.12~1.43 mg ·g-1[11].田园土、木屑作为基础介质有助于植物扎根生长.给水厂污泥(闵行自来水厂)包含大量铝铁/等絮凝剂产物, 对P具有良好的吸附效果[12], 用作P吸附介质.

1.2 取样与分析

2018年4~10月间, 监测到设施产生出水的降雨事件共有14场, 其中, 中雨(10~19.9 mm)7场, 大雨3场(20~49.9 mm), 暴雨4场(50~100 mm), 监测降雨事件的降雨特性见表 2.上述降雨事件包括了不同强度的降雨, 水质监测结果具有代表性.本文使用的模拟绿色屋顶设施, 在降雨量≤10 mm条件下不产生出水.由于水样桶存储了所有出水水量, 可以直接得到污染物事件平均浓度EMC.监测水质指标包括：TN、TP、NH4+-N、NO3--N、COD和TSS, 均采用国家标准方法进行测定.另外, 还测定了植物体中与土壤中N元素含量[13](元素分析仪Elementar, Vario EL Ⅲ).

表 2 产流降雨事件的降雨特征 Table 2 Characteristics of the investigated rain events

采用IBM SPSS 20和Origin Pro 8.0软件进行数据处理.结果表明, 在0.05水平下, 所有数据均符合正态分布.由于数据方差不齐, 故统一采用单因素方差分析(ANOVA)中的Games-Howell检验(α=0.05)对不同设施出水水质均值进行显著性分析.

2 结果与讨论 2.1 N、P、COD及TSS出水特征

发生出水的监测降雨事件部分水质指标的监测结果以四分位表示(图 1).使用泥炭土, 稳定污泥, 缓释肥作为营养成分的设施PS、SS和CRF出水TN和NO3--N年平均质量浓度无显著性差异(P＞0.05), 其中SS出水TN浓度为3.27 mg ·L-1, 说明稳定污泥的使用不会导致N大量淋出.这与之前类似实验结果有明显差异, 沈庆然等[9]的实验污水厂稳定污泥以质量比5%添加进模拟粗放型绿色屋顶基质中, 在降雨间隔6~7 d, 降雨强度10.00 mm ·h-1人工模拟降雨条件下, 基质湿度始终保持在田间持水度, 出水TN和NO3--N浓度达20~30mg ·L-1.主要原因是实际降雨条件下次降雨量小, 间歇期较长, 基质含水率很低抑制了有机质的矿化, 营养物质不易随出水淋失[14].

图中标有不同小写字母者表示组间差异显著(P < 0.05);
标有相同小写字母者表示组间差异不显著(P>0.05) 图 1 各设施的N、P及COD的EMC浓度 Fig. 1 EMC concentrations of N, P, and COD

设施BC和BC/P出水TN年平均质量浓度为2.16 mg ·L-1和2.05mg ·L-1, 显著低于设施SS出水TN浓度(P < 0.05), 表明生物炭与双层基质结构能有效缓解污泥带来的TN淋出问题, 削减率分别达33.9%和37.3%.添加生物炭后设施出水NH4+-N浓度无显著性差异(P>0.05), TN浓度的削减可能与基质成分对NO3--N的吸附有关.国外研究表明生物炭与浮石能通过吸附作用控制土壤中的NO3--N淋出[15~17], 设施SS、BC和BC/P出水NO3--N年平均浓度分别为1.61、1.38和0.97mg ·L-1, 说明生物炭的添加有效降低了出水NO3--N浓度.此外, 本研究设置的双层结构BC/P出水NO3--N浓度显著低于设施BC(P < 0.05), 表明双层基质结构也能有效缓解NO3--N淋失.

各设施出水TP浓度存在显著差异(P < 0.05), 其中SS、BC和BC/P出水TP年平均质量浓度为0.38、0.52和0.21mg ·L-1, 结果表明吸附层的设置有利于缓解P淋出.生物炭的添加导致出水TP升高, 与Pratiwi等[18]的研究结果相似, 主要是因为不同生物质材料所制得生物炭含磷量差异较大, 实验采用的稻壳炭对于磷淋溶控制效果不佳.

设施PS和SS出水平均COD浓度分别为92 mg ·L-1和88mg ·L-1, 显著高于设施CRF(P < 0.05). Zhang等[19]使用30%泥炭土作为粗放型屋顶主要营养成分, 出水COD浓度为75~130mg ·L-1.说明泥炭土与污泥易造成出水COD淋失.设施BC和BC/P出水平均COD浓度为78 mg ·L-1和61mg ·L-1, BC/P显著低于BC(P < 0.05), 表明吸附层的设置有利于缓解污泥带来的COD淋出问题.

各设施TSS平均质量浓度均低于20mg ·L-1, 本研究采用200 g ·m-2聚酯无纺布作为过滤层, 有效地控制了颗粒物的流失.

2.2 粗放型绿色屋面中试装置氮平衡

按照式(1)建立TN平衡关系：

(1)

式中, NP为植物体吸收的TN, NL为各次出水TN质量总和, NR为实验结束后土壤TN含量; Nr为各次降雨雨水TN质量和, NM为各设施基质起始TN含量.差值为系统中通过物理、生化作用流失(除径流)的TN.

各设施TN质量平衡结果见图 2, 经过1 a的运行, 各设施出水淋出TN仅占设施初始值的1.5%, 植物吸收TN占初始值的2%~8%.设施PS、SS和CRF存留TN占初始值80%以上; 设施BC和BC/P存留TN占初始值的55%以上, 表明使用污水厂稳定污泥作为营养成分可以满足植物较长时间的生长需求.

图 2 各中试装置TN平衡关系 Fig. 2 TN balance of each pilot facility

2018年9月20日降雨事件出水NO3--N随降雨历时的变化过程见图 3, 由此比较使用污泥的设施SS、BC和BC/P出水NO3--N排放特征.该场降雨雨量为17.4 mm, 历时180 min, 降雨量的分布比较稳定, 有利于出水NO3--N的排放规律的分析. NO3--N在降雨出水期间均逐步下降.其中添加生物炭设施BC, 因落干期矿化作用增强, 土壤中无机氮含量增加, 降雨初期出水NO3--N浓度高于设施SS; 随着降雨历时延长, 出水NO3--N下降至0.23mg ·L-1, 低于设施SS, 原因是在降雨进水期间, 生物炭降低了基质的通气性, 为微生物反硝化作用创造了有利条件[20, 21]; 同时生物炭具有较大的比表面积, 为微生物提供了良好的生长环境, 有助于土壤微生物活性的恢复, 提高基质中的微生物量[22, 23].落干期矿化积累的NO3--N可能在降雨进水期通过微生物反硝化作用得到去除, 导致出水NO3--N浓度明显降低.设施BC/P出水NO3--N浓度始终低于设施SS和BC, 原因是吸附层的设置有效地降低了出水NO3--N浓度.

图 3 NO3--N出水浓度随降雨历时的变化 Fig. 3 Variation of NO3--N concentrations in effluent against rainfall duration

TN平衡结果发现BC、BC/P存留TN较SS明显减少, 这与添加生物炭后土壤持水性提高有关[24].选取设施SS、BC和BC/P作为考察对象, 4~5月期间基质土壤含水率变化过程监测结果见图 4.从中可知, 设施SS在落干期土壤含水率迅速下降到10%以下, 由于含水率较低, 不利于微生物生长, 有机质矿化作用受到抑制, 导致落干期基质中经矿化产生的无机氮减少.添加生物炭可以提高设施的含水率, 双层结构进一步改善了设施持水性能[25]. BC、BC/P在落干期中较长时段内保持基质含水率在15%以上, 有利于有机质矿化作用的进行[26], 经矿化产生的无机氮在进水期间可通过反硝化作用从系统中流失, 导致存留TN减少.

图 4 4~5月3种设施基质含水率变化 Fig. 4 Substrate moisture content of three kinds of facilities from April to May

对于使用生物炭后基质存留TN与出水NO3--N均降低的现象, 需进一步考察落干期与进水期微生物作用的影响, 以及不同时期有机质矿化与反硝化作用的差异.

2.3 设施出水N、P污染负荷控制效果

绿色屋顶设施的污染负荷控制效果与设施水质水量控制效果有关.粗放型绿色屋顶在上海地区实际降雨条件下有很好的滞留、削减水量的作用, 在监测期间, 累积降雨量达819.85mm, 各设施出水与水量削减情况如表 3.根据出水水量统计, 以及出水污染物的EMC浓度, 得到对应降雨事件污染物的次降雨负荷, 经求和得到各设施在研究期间污染物的质量负荷(图 5).对比空白设施, 除PS和BC/P, 其他设施TP负荷均升高, 其中CRF出水TP污染负荷达0.25 g ·m-2, 说明使用缓释肥不利于设施出水TP负荷的控制; 各设施对TN负荷均有较好的削减效果, 其中BC和BC/P出水TN负荷均达0.51 g ·m-2, 削减效果显著; 添加生物炭和设置吸附层后, BC和BC/P出水COD质量负荷均显著降低, 设施SS的出水COD负荷较空白设施增长37.7%, 李田等[27]监测结果表明, 沥青屋面降雨径流COD污染负荷达39.77 g ·m-2, 粗放型绿色屋顶出水COD污染负荷低于沥青屋面.从质量负荷的角度出发, 稳定污泥、泥炭土和缓释肥均不是营养物质N的污染源, 是营养物质P的污染源, 这与Wang等[28]得到的结果相近.添加生物炭并设置吸附层能有效降低设施TN和COD出水质量负荷.

表 3 各设施出水量与水量削减统计 Table 3 Statistics on the outflow and water reduction of each facility

图 5 绿色屋顶空白对照与各设施主要污染物质量负荷 Fig. 5 Pollution loads from different green roofs and the reference

3 结论

(1) 添加3%污水厂稳定污泥作为粗放型绿色屋顶基质营养成分, 出水TN、NO3--N与泥炭土, 缓释肥作为营养成分的常用介质组分的效果无显著差异, 在上海当地实际降雨与气温条件下稳定污泥的使用不会导致TN和NO3--N大量淋失.

(2) 对以稳定污泥作为基质营养成分的绿色屋顶, 基质中添加生物炭能有效缓解出水中TN、NO3--N的淋出, 浮石吸附层可减少TP、COD的淋出.

(3) 经过近一年运行, 各中试设施存留TN依然占初始TN 55%以上, 污水厂稳定污泥作为基质营养成分可以满足植物较长时间的生长需求.添加生物炭后基质存留TN减少, 出水NO3--N浓度降低, 分别与落干期有机质矿化作用与降雨期间反硝化作用增强有关.

(4) 从质量负荷的角度出发, 稳定污泥不是营养物质N的污染源, 是营养物质P的污染源.添加生物炭并设置双层结构能有效降低设施TN、COD出水质量负荷.

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