2.3 TN的去除效果

生物滞留系统对TN的去除效果如图4所示。

沸石基质装置出水TN平均浓度为10.4mg/L，平均去除率为32%；而硫铁矿基质装置出水TN平均浓度为2.11mg/L，平均去除率为86%。结合图3可知，两个生物滞留系统的TN去除效果与NO3--N去除效果呈现相关性，这说明限制生物滞留系统脱氮效果的因素主要在于NO3--N的反硝化程度。由于装置中覆土层采用的壤砂质土本身含有一定量的有机质，人工配制进水冲刷时可携带少量有机质进入基质层，这是沸石基质装置具有一定反硝化脱氮能力的原因，但也因为有机质含量较少，使得沸石基质装置脱氮能力低下。这也侧面反映了硫铁矿基质装置中存在不依赖有机碳源的反硝化作用，使其达到优于沸石基质装置的脱氮效果。沸石基质装置的反硝化脱氮效果也表明，单纯地对生物滞留系统设置淹没区，对于其脱氮效果的提升不一定理想。而硫铁矿基质装置稳定高效的脱氮效果表明，硫铁矿作为基质填料对生物滞留系统处理极低C/N值的地表径流能够起到有利作用。

2.4 TP的去除效果

生物滞留系统对TP的去除效果如图5所示。沸石基质装置出水TP平均浓度为0.48mg/L，平均去除率为44%；而硫铁矿基质装置出水TP平均浓度为0.15mg/L左右，平均去除率为81%。硫铁矿基质装置对TP的去除效果稳定且高效，沸石基质装置对TP的去除效果随试验时间的增加而变差，且始终不如硫铁矿基质装置。这是由于硫铁矿参与硫自养反硝化时，其中的铁元素被解放，产生的Fe2+可与水中的磷酸盐结合生成沉淀。已有研究证明，添加含铁的材料对于生物滞留系统除磷能力的提升显著，例如，Erickson等通过向砂土中添加5%的铁屑来提升生物滞留系统的除磷效果，磷酸盐平均去除率可达到88%左右。而沸石基质装置中的沸石仅能吸附磷而不能去除磷，所以在试验初期沸石基质装置的除磷效果较好，但当填料对磷的吸附逐渐趋于饱和时，出水磷浓度便不断升高。

2.5 基质层中NH4+-N和NO3--N浓度的变化

在试验过程中，通过装置基质层底部的取样口对4个6d的周期中生物滞留系统基质层的NH4+-N和NO3--N浓度进行分时段取样分析（进水完毕后第2、6、12、24、48、72、96、120、144小时取样）。其中，周期A、B、C的前次非降雨期均为3d，周期D的前次非降雨期为6d，鉴于周期A、B、C的数据曲线变化趋势类似，限于篇幅，此处仅列出周期C和D的数据，如图6所示。可知，NH4+-N在试验进水进入生物滞留系统的第2小时便被吸附了绝大部分。在4个周期中，硫铁矿基质装置在2～12h期间NO3--N削减速率减缓，沸石基质装置在2～12h期间NO3--N浓度升高，表明系统内初期存在硝化作用，这与进水中的溶解氧有关。根据周期A、B、C的数据，在前次非降雨期为3d时，硫铁矿基质装置在前72h内基本完成了大部分的反硝化脱氮；当前次非降雨期延长至6d时，硫铁矿基质装置在第24小时便达到了之前需要72h的反硝化程度，这是因为非降雨期的适当延长导致基质层中微生物群落耗尽原有的营养物质而急需补充，极大提高了系统的脱氮速率。

2.6 微生物种群结构分析

生物滞留系统中的微生物在属水平上的相对丰度如图7所示。在两个生物滞留系统中占据绝对优势的菌属为Herbaspirillum，其在硫铁矿基质装置中占60.9%，而在沸石基质装置中占12.8%。在基质层接种的污泥中Herbaspirillum也为主要优势菌种。Herbaspirillum是微需氧固氮细菌，目前对此类细菌的研究还不深入，为何在本试验中的占比如此之大，仍需进一步研究。但固氮菌往往通过将氮气转化为氨氮而达到固氮目的，而基质层中的氮气主要来源于微生物反硝化，这或许能解释为何硫铁矿基质装置出水中始终残余一定量的氨氮。

Pseudomonas在硫铁矿基质和沸石基质装置中分别占到了5.7%和1.4%。作为水处理研究中最常见的反硝化菌属之一，Pseudomonas相对丰度的差异也表明硫铁矿基质装置的反硝化能力优于沸石基质装置。OM60（NOR5）_clade被研究报道为一类需氧菌种，其在沸石基质装置中的相对丰度（5.2%）明显高于硫铁矿基质装置（<0.01%），这或许能证明硫铁矿装置基质层中的缺氧环境优于沸石装置，使反硝化能更顺利地进行。

作为硫自养反硝化的典型菌属，Thiobacillus在硫铁矿装置基质层的相对丰度为1.6%，在沸石基质装置中低于0.01%。而同为种泥主要优势菌种的Sulfurimonas则未检出。两个装置中Thiobacillus的丰度差异表明，硫自养细菌在以硫铁矿为基质的生物滞留系统中能够存在并产生作用。Torrento等人的研究表明，硫铁矿在Thiobacillus为非优势菌属的情况下也可以促进微生物处理地下水时的反硝化能力。Ge等人在人工湿地中添加硫铁矿，Thiobacillus的相对丰度仅为0.12%，虽然不是优势菌属，但也实现了稳定高效的脱氮性能。

03 结论

① 硫铁矿基质生物滞留系统在进水中无有机碳源的情况下，可实现反硝化脱氮，同时可保持稳定的除磷效果，对总氮、硝酸盐氮和总磷的平均去除率分别可达到86%、89%、81%。

② 硫铁矿可以促进填料基质层中微生物的反硝化作用。硫铁矿基质生物滞留装置中与反硝化相关的菌属Pseudomonas和Thiobacillus的相对丰度分别为5.7%和1.6%。

③ 硫铁矿作为填料与淹没区联合使用，可明显提升生物滞留系统的脱氮效果，在极度缺乏有机碳源的情况下，生物滞留系统在72 h内可达到良好的反硝化效果。