关键词：
生物滞留系统
固体废物改良填料
风险评价
微生物群落
DRAINMOD
摘要：
伴随着农业、工业的繁荣景象,我国社会经济和城市化建设均得到了迅速发展,但过于密集的人类活动和大量的不透水地面也导致了严重的非点源污染和固体废物堆积现象。为缓解非点源污染问题,低影响开发设施（Low Impact Development,LID）中的生物滞留设施（Bioretention Facility）由于良好的径流控制、净化作用得到了广泛应用。其主要依靠填料层吸附去除径流污染物,但并非所有污染物都能得到有效去除,如硝氮（NO3-N）很难被填料吸附,而是通过微生物参与的反硝化过程进行去除。同时,填料及其累积污染物需通过填料-微生物-植物的交互作用得以循环和可持续运行,因此,传统生物滞留填料逐渐无法满足需求。结合固体废物堆积现状,可考虑以其制备改良剂并与传统生物滞留系统填料混合,制备新型改良填料,以此实现径流污染物的高效去除与固体废物的资源利用。但现阶段,固体废物在生物滞留系统改良填料中的应用风险和固废改良填料内的微生物作用机制尚不明确。本研究通过室内溶出实验,模拟降雨试验和现场设施监测,对固体废物改良生物滞留填料的溶出风险及改良系统运行效果进行了探究,并将高通量测序分析与DRAINMOD模型模拟相结合,明晰了固废改良填料中的微生态系统响应机制、氮素运移及其年际变化规律。主要研究成果如下:
（1）本研究提出了一套固体废物改良生物滞留土壤基质复配方法。并对六种典型固废改良剂的重金属（Heavy Metals,HMs）以及有机质（Dissloved Organic Matter,DOM）溶出特征及风险进行了评价。结果表明:六种改良剂在地表水回用方面均具有不同程度的重金属风险,其中,WTR-1、WTR-2、生物炭、落叶堆肥为中风险水平,粉煤灰、RACW为高风险水平;改良剂溶出液中的有机组分主要包含类富里酸、类胡敏酸、类色氨酸以及微生物代谢产物。
（2）以建筑垃圾再生骨料（Recyled aggregate of construction waste,RACW）为改良剂,构建无/有淹没区（1#/2#）的生物滞留系统,探究淹没区及季节变化条件下其径流处理性能的差异。结果表明:淹没区设置条件有利于增加系统的储水能力,提高水量削减效果。由于温度、干旱期、降雨量的综合影响,两套系统均在冬季表现出了最好的水量削减效果。2#系统淹没区内反硝化作用增强,提前终止了 NＯ3--N的淋溶现象,但TP的去除效果因此受到影响,浓度去除率较1#系统降低了 22.76%。两套系统的污染物浓度去除效果均在秋季处于最高运行工况。
（3）改良系统中的污染物纵向累积特征及重金属累积风险结果表明:两系统填料中TOC含量随土壤层深度增加呈现先减小再增大的趋势,其余污染物均大致呈现为上层累积量最多的规律。重金属由于吸附作用,在填料上层累积现象最为明显。且两系统填料中Cd的累积含量均存在不同程度的风险。
（4）两系统内不同填料区域中的微生物高通量测序分析结果和两系统优势菌门与环境因子之间的冗余分析（Redundancy analysis,RDA）结果表明:Proteobacteria是初始状态下2套系统中最活跃的优势菌门,随着实验进行,Firmicutes、Chloroflexi、Bacteroidota在淹没区土壤内的相对丰度显著增加。进一步明确淹没区内的优势菌属为:Pseudomonas、Azospira等。环境因子与微生物群落的RDA分析结果表明TOC、TP、TN和Zn均为与优势菌门相关性较强的影响因子。
（5）现场设施的降雨监测结果显示:建筑垃圾改良生物滞留系统现场设施的水量削减范围为14.91%～56.78%,但平均水量削减率仅为28.65%;该系统对NO3--N和Cd的浓度去除效果较差,且出现了NO3--N淋溶现象;系统对各径流污染物的负荷削减效果表现为:TP>NH4+-N>Zn>Cu>TN>COD>Cd>NO3--N。
（6）利用DRAINMOD模型模拟该现场设施的年际水量调控效果及氮素迁移去除规律,结果表明:该设施水量削减范围为:0.56%～100%。设施内NO3-N、NH4+-N的年平均浓度削减率分别为44.13%和74.76%。季节评估结果表明:水量和NH4+-N的削减效果均在冬季最佳,主要依靠土壤滞留、吸附作用和Thauera、Sphingomonas等菌属的硝化作用。而秋季土壤内变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和Azospira等菌属的相对丰度最大,提高了系统内的反硝化作用,表现出了最好的NO3--N负荷去除效果。
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