摘要：针对传统生物滞留系统因缺乏有机碳源而导致的脱氮性能不稳定问题，开发了一种基于自养反硝化的硫铁矿改良生物滞留系统，研究了以硫铁矿代替电子供体的生物滞留系统对无碳源雨水径流的脱氮除磷效能，并对系统中的微生物种群结构进行了分析。结果表明，在雨水径流中无有机碳源的情况下，硫铁矿基质生物滞留系统仍可实现反硝化脱氮，对NO3--N和TN的平均去除率分别可达到89%和86%，同时亦有高效稳定的除磷效果，TP去除率达到81%。硫铁矿基质可提高生物滞留系统内部微生物的反硝化能力，反硝化相关菌种Pseudomonas和Thiobacillus的相对丰度分别为5.7%和1.6%。

生物滞留系统是一种常见的雨水控制技术，通常其体积较小、安装和维护成本相对较低，同时可与景观结合建造，因此得到了广泛的研究和应用。传统生物滞留系统对NO3--N的去除通常依靠微生物异养反硝化作用，为克服常规设施快速排水和地表径流中碳源不足的缺陷，目前通常采用设置淹没区（或称饱和区）形成缺氧环境、在填料中添加有机碳源这2种方式提高异养反硝化效果。但是，向填料中添加有机碳源这一方式存在碳源在干旱期泄漏或碳源量较少导致其过快释放等问题，不能确保生物滞留系统持久有效的脱氮效果。鉴于此，笔者基于天然硫铁矿可作为自养反硝化的电子供体去除天然水体中硝酸盐的原理，将硫铁矿作为生物滞留设施的填料，研究其对无有机碳源的模拟地表径流的脱氮除磷效果，以期为提高生物滞留系统对地表径流的脱氮效果提供参考。

01 试验材料与方法

1.1 试验装置

生物滞留系统试验装置（两个）由有机玻璃制成，总高为1300mm、内径为300mm，如图1所示。装置从下到上依次为承托层（厚50mm，由粒径为10～20mm的卵石构成）、基质层（厚300mm，由粒径为5～7mm的硫铁矿构成，对比组选用同等粒径的沸石）、缓冲区（由粒径为10～15mm的砾石、1～2mm的石英砂和10～15mm的陶粒组成，厚度分别为100、100、150mm）、覆土层（厚400mm，由风化岩砂土与本地土壤混合组成，体积比为25∶75）、蓄水区（厚200mm）。装置底部设置一根穿孔集水管（包裹土工布以防填料堵塞），并以90°弯曲抬高（400mm）出水口使内部可形成淹没区。基质层底部设置带阀门的取样口。

1.2 试验设计

为了引入硫自养菌群并加快基质层微生物群落的成熟，装填基质层填料时混加经过驯化后具有硫自养反硝化功能的污泥。种泥为重庆市鸡冠石污水厂二级处理好氧段污泥，通过投加硫代硫酸钠的方式驯化培养，当出水NO3--N浓度连续多天低于1mg/L时，初步认为其达到了硫自养反硝化污泥的定向驯化。驯化后的污泥经离心分离富集后进行微生物物种组成和丰度分析，属水平上的优势菌为Thiobacillus（相对丰度为23.17%）、Herbaspirillum（相对丰度为13.85%）、Sulfurimonas（相对丰度为11.02%），其中Thiobacillus和Sulfurimonas是两种典型的硫自养反硝化菌属，表明本次驯化得到的污泥能够满足试验要求。

试验采用人工配水模拟地表降雨径流，根据国内典型城市不透水地表径流水质测定结果，确定NH4+-N、NO3--N和TP的浓度分别为6、9、0.6～0.9mg/L。采用放置24 h的自来水，添加NH4Cl、KNO3和 KH2PO4进行配制。为了探究硫铁矿基质生物滞留系统在极端情况下对低C/N值地表径流的处理效果，以及基质层是否存在不依赖有机碳源的自养反硝化，故未向人工配水中添加有机碳源。实际进水NH4+-N、NO3--N、TN、TP平均浓度分别为（6.3±0.4）、（9.3±0.3）、（15.6±0.7）、（0.9±0.1）mg/L。在试验前，用清水持续淋洗装置两周，目的是冲洗填料中固有的营养成分。定期检测装置出水水质，当水质稳定后开始试验。

按照生物滞留系统面积为汇水面积的10%考虑，该试验装置的汇水面积为0.73m2，汇水面积内的径流系数为0.55，对应平均雨强为12.5mm/h、历时2h的降雨事件，装置运行的进水量为10L。研究设置的停留时间分别为3d和6d，采用批次进水（进水期间同时排水，进水后直到下批次进水前不再排水），重点探究雨停后非降雨期间系统对其内部雨水径流的处理效能。试验共持续4个月，人工配水处理周期共20个，采集水样后在6h内测定相关指标。另外，在试验末期，使用取样钎取出基质层中心填料，离心分离其表面的生物膜，进行微生物物种组成和丰度分析。

02 结果与讨论

2.1 NH4+-N的去除效果

生物滞留系统对NH4+-N的去除效果见图2。硫铁矿基质和沸石基质生物滞留系统对NH4+-N的去除效果均非常好且稳定，这是由于NH4+带正电荷，易被吸附或离子交换，壤砂质的覆土层在吸附氨氮方面起了相当大的作用。沸石基质装置的出水NH4+-N浓度一直处于检测方法的下限，平均去除率在98%左右。硫铁矿基质装置的出水NH4+-N平均浓度为0.90mg/L，平均去除率为85%，始终有少量的氨氮残留。沸石基质装置对氨氮的去除效果更优，这得益于沸石独特的内部结构和良好的离子交换性能，对氨氮具有良好的吸附效果。仇付国等人利用沸石改良带淹没区的生物滞留系统，使得NH4+-N去除率达到了91%，但其使用的覆土层厚度仅为150mm。综上，硫铁矿作为生物滞留系统的基质，对地表径流中NH4+-N的去除效果虽然不及沸石，但对NH4+-N的去除没有明显的负面影响。

2.2 NO3--N的去除效果

生物滞留系统对NO3--N的去除效果见图3。

由图3可知，两个生物滞留系统对NO3--N的去除效果差异明显。沸石基质装置出水NO3--N平均浓度为10.53mg/L，出水浓度高于进水浓度，平均去除率为-13%。而硫铁矿基质装置出水NO3--N平均浓度为1.00mg/L，平均去除率在89%左右，保持着稳定且高效的去除效果。生物滞留系统与污水厂处理系统不同，其内部空间并不能保证严格的缺氧条件，特别是地表径流冲刷时会携带大量的溶解氧进入系统内。氨化和硝化作用可利用这些溶解氧将地表径流中的氨氮与有机氮转化为硝酸盐氮。由于进水中缺乏有机碳源，沸石基质装置中传统的异养反硝化被抑制，导致氨氮转化生成的硝酸盐氮与进水中原有的部分一同排出，从而产生出水NO3--N浓度偏高的现象。