CN111977910A

CN111977910A - 一种雨水径流处理基质和用该基质构建的雨水生物滞留池

Info

Publication number: CN111977910A
Application number: CN202010878892.0A
Authority: CN
Inventors: 柴宏祥; 孔政; 邵知宇; 马菁晨
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: US12139422B2; US20220064024A1; US11878920B2; CN111977910B; US20240109792A1

Abstract

本发明公开了一种雨水径流处理基质和用该基质构建的雨水生物滞留池，雨水径流处理基质下层的硫铁矿基质层包括硫铁矿、贝壳粉和砂质材料，按体积比10∶5∶85混合；上层的生物炭基质层包括生物炭或活性炭、有机营养土和砂质材料，按体积比20∶3∶77混合。该雨水生物滞留池在池体内由下向上依次为砾石排水层、过渡层、硫铁矿基质层、生物炭基质层、木屑保护层和蓄水层，在砾石排水层安装穿孔集水管，穿孔集水管连接抬高出水管，抬高出水管的位置高度等于硫铁矿基质层的顶高，在池体顶口安装有溢流管。本发明的技术效果是：提高了雨水径流常见污染物的去除率，且能降低副产物产量，持久耐用。

Description

一种雨水径流处理基质和用该基质构建的雨水生物滞留池

技术领域

本发明属于雨水处理技术领域，具体涉及一种处理雨水径流的生物炭与硫铁矿混合基质和用该基质构建的雨水生物滞留池。

背景技术

随着城市化加快以及全球气候变化加剧，城市地表不透水面积逐年增加，导致近些年来城市内涝、面源污染等一系列问题频繁发生。其中，氮、磷和有机物随城市径流大量进入受纳水体，造成了诸如黑臭水体、水体富营养化等一系列环境问题。

为解决上述问题，许多国家都提出了新的雨洪管理理念与体系，诸如美国的低影响开发LID(Low Impact Development)、中国的海绵城市等（后文统称LID）。LID包含许多分散的工程措施，如透水铺装、绿色屋顶、人工湿地和生物滞留地等，其中生物滞留地由于其结构简单、维护方便等优势，近些年来得到了广泛的学术研究与技术开发，且部分技术已被大规模工程应用。

现有的雨水生物滞留池仅由砂或土构成，对污染物的处理效果十分有限，通常只能有效去除颗粒态的污染物如悬浮物、颗粒态氮磷和颗粒态有机物，对于溶解态污染物如可溶性磷酸盐、硝酸盐等则难以去除甚至产生出水污染浓度高于进水的泄漏现象。现有研究与技术主要通过两种途径来解决上述问题，一是反应区构建，最常见的是设置厌氧淹没区，即抬高出水口高度从而增加设施厌氧区面积与水力停留时间，该方法可以增强溶解态硝酸盐去除，这类型技术现已经比较成熟；二是改良填料，是新一代研究和技术开发的热点，即通过新型材料替换部分或全部砂土基质，采用一定的配比实现更强的污染物去除，如利用给水处理废料（富含铁铝的混凝残余物）强化溶解性磷酸盐去除，通过混合木屑填料强化反硝化脱氮、采用蛭石提高氨氮吸附等。

虽然改良填料比传统生物滞留实现了更高的污染物削减，但这些填料仍然面临着功能单一、污染泄漏和异养微生物繁殖堵塞风险。如最常用的木屑改良填料虽然能产生有机质提高反硝化，但建设运行初期和长期不下雨干旱期也常伴随明显的内源有机污染泄漏，长期运行内部易分解有机质逐渐消耗，更会造成脱氮能力下降甚至设施失效等问题，且木屑改良对可溶性磷酸盐和氨氮的去除提升效果甚微，甚至可能发生内源分解产生这两种污染物。而常用的蛭石材料和水处理废料等又只能单一提升某一两种污染物去除能力，难以适应雨水径流污染物种类复杂的特性。现今鲜有相关发明可以同步高效地去除多种雨水污染物。

硫铁矿原本为矿山工业的废料，通常造成矿山酸性废水污染，但其可作为反硝化电子供体。硫自养技术作为传统异养脱氮技术的替代，将硫铁矿运用于污水脱氮处理中取得了一定的成效。但是，硫铁矿作为难溶于水的矿物，其电子提供能力有限，仅能维持较低速度的反硝化作用，这增加了污水设施水力停留时间和体积，在污水处理中不能推广应用。

发明内容

针对上述现有雨水生物滞留池和其基质存在的问题和局限性，本发明所要解决的技术问题就是提供一种雨水径流处理基质，它能提高雨水径流常见污染物的去除率，且能降低副产物产量，持久耐用。本发明还提供一种用该基质构建的雨水生物滞留池。

为了解决上述技术问题，

本发明提供的一种雨水径流处理基质，它包括下层的硫铁矿基质层和上层的生物炭基质层，硫铁矿基质层包括硫铁矿、贝壳粉和砂质材料，按体积比10∶5∶85混合；生物炭基质层包括生物炭或活性炭、有机营养土和砂质材料，按体积比20∶3∶77混合。

优选地，生物炭基质层的渗透系数不低于200mm/h，硫铁矿基质层的渗透系数不低于300mm/h，生物炭基质层和硫铁矿基质层的渗透系数均不高于600mm/h。

优选地，所述生物炭基质层中按体积比为生物炭20%、有机营养土3%，砂质粒径五种等级为：5-10目石英砂3%，10-20目石英砂7%，20-35目石英砂40%，30-60目石英砂17%和60-120目石英砂10%。

所述硫铁矿基质层中按体积比为粒径1-3mm硫铁矿10%、片长1-3mm贝壳粉5%，砂质粒径五种等级为：5-10目石英砂3%，10-20目石英砂2%，20-30目石英砂35%，30-60目石英砂25%和60-120目石英砂20%。

上述雨水径流处理基质根据不同暴雨情况自动改变有机物释放情况，通过上下双层以及基质搭配实现颗粒污染截留、氨氮和有机物吸附转化、磷酸盐络合沉淀以及混合营养高效反硝化脱氮，从而提高了雨水径流常见污染物的去除率。

本发明提供的一种用该基质构建的雨水生物滞留池，包括池体，在池体内由下向上依次为砾石排水层、过渡层、硫铁矿基质层、生物炭基质层、木屑保护层和蓄水层，在砾石排水层安装穿孔集水管，穿孔集水管连接抬高出水管，抬高出水管的位置高度等于硫铁矿基质层的顶高，在池体顶口安装有溢流管。

本发明的优点是：

1、雨水径流处理基质污染物处理范围广。上层的生物炭基质层能有效吸附转化氨氮、有机质等污染物，并进行部分异养反硝化，下层的硫铁矿基质层能进一步自养反硝化脱氮同时产生铁离子和亚铁离子除磷，上层少部分有机物被冲刷进入下层可以促进下层混养反硝化和少量的异化硝酸盐还原成铵反应，产生二氧化碳和铵盐供给自养微生物生存利用。

2、雨水径流处理基质经济环保。硫铁矿和生物炭均为经济节约的材料，成本低廉，适合于生物滞留池这种简单分散的被动的雨水处理系统，实现变废为宝。

3、雨水径流处理基质稳定，经久耐用。硫铁矿作为矿物材料有较高的结构强度和化学稳定性，不会过快分解从而降低设施的结构稳定性和处理效能，相反，通过硫铁矿表层微生物刻蚀，可以增加硫铁矿粗糙度，为微生物附着提供更好的条件，从而持续稳定的脱氮除磷。

4、雨水生物滞留池反硝化脱氮效能高。与现有异养改良生物滞留池相比，本发明的雨水生物滞留池同时兼具自养和异养作用，且在干旱期主要发挥下层自养反硝化功能，这样极大地减少了有机材料的投加从而减少了异养微生物增殖与有机质泄漏。且与仅设置硫铁矿的系统相比，异养反硝化的引入极大地提高脱氮能力，可以有效应对高负荷短停留时间的暴雨径流。

5、雨水生物滞留池的反应区利用效率高，副产物少。上层的生物炭基质层严格限制渗透系数和粒径在合适范围。这样一方面不会降低系统水量削减性能，另一方面则有效的提升了上层基质的体积含水率，侧面上扩大了厌氧反应区面积，强化了反硝化脱氮，加强了设施应对长期干旱的能力，且可以维持植物所需水分。同时，该设置也减少了溶解氧进入下层，从而减少了硫铁矿好氧分解产生硫酸根和铁副产物。

6、雨水生物滞留池后期维护简单。长期运行，硫铁矿部分会越来越稳定，且污泥产量少，从而不需要活化与维护；生物炭层由于截留大颗粒污染物，可能会发生堵塞，且易分解有机物消耗完后，有机物供给能力可能下降，导致异养反硝化能力下降，这两点均可通过翻新表层并装填易分解有机质维护，十分方便。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的雨水生物滞留池结构图。

图中，1、导流斜面；2、木屑保护层；3、生物炭基质层；4、硫铁矿基质层；5、过渡层；6、砾石排水层；7、溢流管；8、穿孔集水管；9、抬高出水管；10、池体；11、蓄水层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明的构思是：雨水与污水相比，具有完全不同的水力和水质条件与理化性质。第一，雨水污染物浓度水平更低，能适应硫铁矿系统电子供应较少的特点；第二，雨水处理设施通常为间歇运行，干旱期可以提供充足的水力停留时间，从而符合硫铁矿反硝化所需停留时间长的特点；第三，硫铁矿脱氮主要为自养脱氮，其污泥产率更低，有助于保持生物滞留良好的水力性能，符合生物滞留设施低维护的需求；第四，硫铁矿廉价耐用，不需要复杂的材料合成或加工，又实现变废为宝，这符合雨水生物滞留池结构简单、经济节约的要求。

本发明的雨水径流处理基质的配制：

配制雨水径流处理基质具有较高的要求，若配比不恰当可能导致多种问题，如配比不均匀会导致设施坍塌、颗粒泄漏；配比粒径过细会导致水力条件差，易堵塞；配比粒径过粗会导致污染物去除能力低，保水性差植物难以存活等问题。

本实例提供一种权衡各类需求的基质填料配比，该配比能适合常见的雨水水质水量控制条件，具体如下：

生物炭基质层中，按体积比为：5-10目石英砂3%，10-20目石英砂7%，20-35目石英砂40%，30-60目石英砂17%，60-120目石英砂10%，粉末生物炭20%和有机泥炭土3%；其混合后d50约为0.48 mm。

硫铁矿基质层中，按体积比为：5-10目石英砂3%，10-20目石英砂2%，20-30目石英砂35%，30-60目石英砂25%，60-120目石英砂20%，1-3mm硫铁矿10%和贝壳粉5%；其混合后d50约为0.51 mm。

上述石英砂也可替换为河沙。

雨水径流处理基质配制主要是选择不同粒径、级配的砂质材料按一定比例，且混合材料渗透系数保持在一定范围内。用等水头法测试渗透系数，硫铁矿基质层的渗透系数不低于300 mm/h，生物炭基质层的渗透系数不低于200 mm/h，且二者的渗透系数均不高于600 mm/h，这样既可以满足水量削减和植物生长的需求，也可保证良好的污染物削减能力。

如图1所示，本发明的雨水生物滞留池包括池体10，在池体内由下向上依次为砾石排水层6、过渡层5、硫铁矿基质层4、生物炭基质层3、木屑保护层2和蓄水层11，在砾石排水层6安装穿孔集水管8，穿孔集水管8连接抬高出水管9，抬高出水管9的位置高度等于硫铁矿基质层4的顶高，在池体10顶口安装有溢流管7。

池体10口部边沿设有导流斜面1；所述木屑保护层2的木屑片长为1-2cm，木屑可选树皮，所述过渡层5为粒径大于硫铁矿层基质而小于砾石排水层基质的砂层，其作用为防止硫铁矿层颗粒泄露进入排水层，堵塞排水管。

对雨水生物滞留池初期运行活化，其目的是加速设施成熟过程，也可以不进行此步骤使其接受自然降雨成熟。具体地，首次运行前，从抬高出水管9反向通入浸没硫铁矿基质层的自来水或雨水为溶剂的培养液，促进内部硫自养反硝化微生物增殖，培养液的成分为：0.2g/L KNO₃、0.05g/L NH₄Cl、0.5g/L Na₂S₂O₃·5H₂O、0.02g/L KH₂PO₄。后期长期运行，在雨水生物滞留池处理效果下降时，仅通过翻新上层的生物炭基质层并添加泥炭土等有机材料、更换顶层木屑覆盖层即可实现维护。

假设本发明的雨水生物滞留池表面积与汇水流域面积之比为1:20，综合径流系数取0.75。当本发明应对低强度降雨时（定义为12小时内不大于14.9mm降雨量），则流域汇集的雨水先由导流斜面进入池体，大颗粒和悬浮物被上层的木屑保护层截留，雨水渗透进入生物炭基质层，生物炭基质层吸附氨氮和有机质，同时生物炭基质层下半层利用有机质进行简单的异养反硝化去除部分硝酸盐氮；随后雨水进入硫铁矿基质层，利用硫铁矿进行自养反硝化脱氮，产生的铁离子则和溶解性磷酸盐络合沉淀除磷。此时由于设施受纳总流量较少，故水力负荷较低，有机物溶出较少。当降雨停止后，未去除完全的硝酸盐氮在下层淹没区通过自养反硝化去除。下一次降雨时，下层淹没区已经处理干净的雨水被新的雨水替换，从而继续进行前述污染削减步骤。

当应对较大强度降雨甚至暴雨时，主要污染区去除过程和低强度降雨类似，但是由于径流量较大且上层的生物炭层渗透系数在200-600 mm/h范围内，雨水不会瞬间渗透，而是会逐渐在蓄水层聚集，使得雨水生物滞留池满水力负荷运行。这将会加大体系水头差、含水率和渗透速率，使得冲刷作用和有机物溶出作用加强，大大提升了异养反硝化，进而弥补了仅用硫铁矿脱氮的低速率的问题，从而保证了雨水生物滞留池面对大雨或暴雨仍然具有优良的污染物去除效能。

对比测试

1、运行初期污染物泄漏的测试

本发明的雨水生物滞留池与传统砂生物滞留设施、常用的木屑有机改良生物滞留设施相比具有污染物泄漏低的优点，对比测试用自来水作为进水，测试了凯氏氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总氮、总磷、COD、UV₂₅₄等指标，考察了本发明、传统砂生物滞留设施和常用的木屑改良生物滞留设施初期运行一个月的污染物泄漏情况，测试结果见表1。

表1 污染物泄漏浓度均值（mg/L）

设施	凯氏氮	硝酸盐氮	总氮	总磷	COD	UV<sub>254</sub>
							本发明	0.48	0.43	0.95	0.42	19.4	0.199
普通砂设施	0.73	0.90	1.71	0.52	26.7	0.325
							木屑改良设施	0.92	0.48	1.43	1.56	65.3	0.595

从表1看出，本发明的污染物泄漏浓度明显低于现有的两种生物滞留设施。虽然硫铁矿会因为自养反硝化或者氧化分解产生总铁和硫酸根这两种新污染物，但检测结果表明通过布置双层的生物炭、硫铁矿后，这两种副产物产量很低，硫酸根净泄漏一般不超过10mg/L，除前两次次运行外，其他时刻总铁浓度稳定低于0.3mg/L, 符合地下水质量标准(GBT-14848-2017)的Ⅲ类水体对总铁的要求。

2、测试污染物去除率

对本发明的雨水生物滞留池与传统砂生物滞留设施、常用的木屑有机改良生物滞留设施进行人工配制雨水污染物去除测试。假定设施服务面积比1:20，径流系数0.75，降雨时长2h，降雨量25mm，模拟了10场大型降雨并测定污染物去除效能，其各类污染去除的测试结果见表2。

表2 模拟径流污染平均去除率（%）

设施	凯氏氮	硝酸盐氮	TN	TP	COD
						本发明	85.2	41.7	67.4	80.3	76.3
普通砂设施	63.7	1.8	39.1	45.2	68.5
						木屑改良设施	78.0	54.6	68.2	16.0	35.6

从表2看出：即使面对大雨，本发明仍可实现有效的污染物削减。且本发明所有污染物去除效能均优于传统砂生物滞留设施，与木屑改良相比，虽然硝酸盐氮去除效能相对较低，但总氮去除效率与木屑改良基本相等，且本发明具有更高的COD和TP去除率。

Claims

1.一种雨水径流处理基质，其特征是：包括下层的硫铁矿基质层和上层的生物炭基质层，硫铁矿基质层包括硫铁矿、贝壳粉和砂质材料，按体积比10∶5∶85混合；生物炭基质层包括生物炭或活性炭、有机营养土和砂质材料，按体积比20∶3∶77混合。

2.根据权利要求1所述的雨水径流处理基质，其特征是：生物炭基质层的渗透系数不低于200mm/h，硫铁矿基质层的渗透系数不低于300mm/h，生物炭基质层和硫铁矿基质层的渗透系数均不高于600mm/h。

3.根据权利要求2所述的雨水径流处理基质，其特征是：所述生物炭基质层中按体积比为生物炭20%、有机营养土3%，砂质粒径五种等级为：5-10目石英砂3%，10-20目石英砂7%，20-35目石英砂40%，30-60目石英砂17%和60-120目石英砂10%。

4.根据权利要求2所述的雨水径流处理基质，其特征是：所述硫铁矿基质层中按体积比为粒径1-3mm硫铁矿10%、片长1-3mm贝壳粉5%，砂质粒径五种等级为：5-10目石英砂3%，10-20目石英砂2%，20-30目石英砂35%，30-60目石英砂25%和60-120目石英砂20%。

5.一种使用权利要求1-4任一所述雨水径流处理基质构建的雨水生物滞留池，包括池体，其特征是：在池体内由下向上依次为砾石排水层、过渡层、硫铁矿基质层、生物炭基质层、木屑保护层和蓄水层，在砾石排水层安装穿孔集水管，穿孔集水管连接抬高出水管，抬高出水管的位置高度等于硫铁矿基质层的顶高，在池体顶口安装有溢流管。

6.根据权利要求5所述的雨水生物滞留池，其特征是：池体口部边沿设有导流斜面，所述木屑保护层的木屑片长为1-2cm。

7.根据权利要求5所述的雨水生物滞留池，其特征是：所述过渡层为粒径大于硫铁矿层基质而小于砾石排水层基质的砂层。