2.3 TN的去除效果

生物滯留系統(tǒng)對TN的去除效果如圖4所示。

沸石基質裝置出水TN平均濃度為10.4mg/L，平均去除率為32%；而硫鐵礦基質裝置出水TN平均濃度為2.11mg/L，平均去除率為86%。結合圖3可知，兩個生物滯留系統(tǒng)的TN去除效果與NO3--N去除效果呈現(xiàn)相關性，這說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土本身含有一定量的有機質，人工配制進水沖刷時可攜帶少量有機質進入基質層，這是沸石基質裝置具有一定反硝化脫氮能力的原因，但也因為有機質含量較少，使得沸石基質裝置脫氮能力低下。這也側面反映了硫鐵礦基質裝置中存在不依賴有機碳源的反硝化作用，使其達到優(yōu)于沸石基質裝置的脫氮效果。沸石基質裝置的反硝化脫氮效果也表明，單純地對生物滯留系統(tǒng)設置淹沒區(qū)，對于其脫氮效果的提升不一定理想。而硫鐵礦基質裝置穩(wěn)定高效的脫氮效果表明，硫鐵礦作為基質填料對生物滯留系統(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TP的去除效果如圖5所示。沸石基質裝置出水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%。硫鐵礦基質裝置對TP的去除效果穩(wěn)定且高效，沸石基質裝置對TP的去除效果隨試驗時間的增加而變差，且始終不如硫鐵礦基質裝置。這是由于硫鐵礦參與硫自養(yǎng)反硝化時，其中的鐵元素被解放，產生的Fe2+可與水中的磷酸鹽結合生成沉淀。已有研究證明，添加含鐵的材料對于生物滯留系統(tǒng)除磷能力的提升顯著，例如，Erickson等通過向砂土中添加5%的鐵屑來提升生物滯留系統(tǒng)的除磷效果，磷酸鹽平均去除率可達到88%左右。而沸石基質裝置中的沸石僅能吸附磷而不能去除磷，所以在試驗初期沸石基質裝置的除磷效果較好，但當填料對磷的吸附逐漸趨于飽和時，出水磷濃度便不斷升高。

2.5 基質層中NH4+-N和NO3--N濃度的變化

在試驗過程中，通過裝置基質層底部的取樣口對4個6d的周期中生物滯留系統(tǒng)基質層的NH4+-N和NO3--N濃度進行分時段取樣分析（進水完畢后第2、6、12、24、48、72、96、120、144小時取樣）。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的數據曲線變化趨勢類似，限于篇幅，此處僅列出周期C和D的數據，如圖6所示。可知，NH4+-N在試驗進水進入生物滯留系統(tǒng)的第2小時便被吸附了絕大部分。在4個周期中，硫鐵礦基質裝置在2～12h期間NO3--N削減速率減緩，沸石基質裝置在2～12h期間NO3--N濃度升高，表明系統(tǒng)內初期存在硝化作用，這與進水中的溶解氧有關。根據周期A、B、C的數據，在前次非降雨期為3d時，硫鐵礦基質裝置在前72h內基本完成了大部分的反硝化脫氮；當前次非降雨期延長至6d時，硫鐵礦基質裝置在第24小時便達到了之前需要72h的反硝化程度，這是因為非降雨期的適當延長導致基質層中微生物群落耗盡原有的營養(yǎng)物質而急需補充，極大提高了系統(tǒng)的脫氮速率。

2.6 微生物種群結構分析

生物滯留系統(tǒng)中的微生物在屬水平上的相對豐度如圖7所示。在兩個生物滯留系統(tǒng)中占據絕對優(yōu)勢的菌屬為Herbaspirillum，其在硫鐵礦基質裝置中占60.9%，而在沸石基質裝置中占12.8%。在基質層接種的污泥中Herbaspirillum也為主要優(yōu)勢菌種。Herbaspirillum是微需氧固氮細菌，目前對此類細菌的研究還不深入，為何在本試驗中的占比如此之大，仍需進一步研究。但固氮菌往往通過將氮氣轉化為氨氮而達到固氮目的，而基質層中的氮氣主要來源于微生物反硝化，這或許能解釋為何硫鐵礦基質裝置出水中始終殘余一定量的氨氮。

Pseudomonas在硫鐵礦基質和沸石基質裝置中分別占到了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相對豐度的差異也表明硫鐵礦基質裝置的反硝化能力優(yōu)于沸石基質裝置。OM60（NOR5）_clade被研究報道為一類需氧菌種，其在沸石基質裝置中的相對豐度（5.2%）明顯高于硫鐵礦基質裝置（<0.01%），這或許能證明硫鐵礦裝置基質層中的缺氧環(huán)境優(yōu)于沸石裝置，使反硝化能更順利地進行。

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

03 結論

① 硫鐵礦基質生物滯留系統(tǒng)在進水中無有機碳源的情況下，可實現(xiàn)反硝化脫氮，同時可保持穩(wěn)定的除磷效果，對總氮、硝酸鹽氮和總磷的平均去除率分別可達到86%、89%、81%。

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

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