典型城市居民集中区初期降雨径流污染特征和生物炭对其氮磷去除效果研究

居民集中区初期降雨径流是城市面源污染的重要来源之一,其主要污染物包括总氮(TN)、总磷(TP)、硝态氮(NO;-N)等,可引发受纳水体富营养化,从而对城市居民集中区的水体环境安全和城市景观造成危害。以典型城市(无锡)居民集中区为研究对象,采用现场监测的方式重点开展了典型城市居民集中区不同下垫面初期降雨径流中主要污染物浓度和污染负荷等研究,并通过多途径表征、吸附动力学、热力学等方法研究了原生物炭(BC)、改性铁生物炭(BC-Fe)、磁性改性铁生物炭(BC-Fe_(3)O_(4))等不同生物炭材料对典型城市居民集中区初期降雨地表径流中主要污染物的吸附性能和削减效果。结果表明:典型城市居民集中区初期降雨地表径流中主要污染物为氮和磷,不同下垫面类型(交通主干线、居民区内道路、屋面、公园绿地、停车场)地表径流中单位面积产生的TN和TP污染负荷量分别为4.17 kg/(hm^(2)·a)、2.82 kg/(hm^(2)·a)、0.88 kg/(hm^(2)·a)、0.69 kg/(hm^(2)·a)、0.62 kg/(hm^(2)·a)和0.78 kg/(hm^(2)·a)、0.56 kg/(hm^(2)·a)、0.13 kg/(hm^(2)·a)、0.06 kg/(hm^(2)·a)、0.18 kg/(hm^(2)·a),交通主干线地表径流中产生的单位面积污染负荷量最高,但由于居民区内道路汇水面积是交通主干线的4.76倍,故居民区内道路地表径流中产生的TN和TP总污染负荷量最高;BC-Fe材料对污染物的吸附效果最佳,而BC-Fe_(3)O_(4)材料可实现吸附剂的二次回收利用;在弱酸性条件下,3种生物炭材料对溶液中NO_(3)^(-)-N和PO_(4)^(3-)的吸附容量最高,其吸附规律采用准二级动力学方程和Freundlich热力学模型的拟合效果较优;BC-Fe材料对实际污染水体中TN和TP的吸附容量最高可达24.24 mg/g和3.58 mg/g,所需添加量最少,使用成本最低,但BC-Fe_(3)O_(4)材料具有较好的可回收性、无二次污染等优势;不同的铁改性方法导致了生物炭对主要污染物的吸附效果和机制存在显著的差异。本研究结果可为城市降雨径流污染的生态拦截与控制工程实践提供理论支撑。