CN103011513B - 城市雨水采集生态滤池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市雨水采集生态滤池，池体中装过滤介质层，过滤介质层下方设置支撑过滤介质层的过渡介质层，在过滤介质层上表面覆盖有堆肥覆盖层，堆肥覆盖层上种植有植物；池体的下部设置将处理后的雨水排出的排水管，池体的上部设置使未处理雨水溢流的溢流管；池体中过滤介质层上方部位为雨水滞留区域。本发明结构合理，可以处理并采集雨水，为城市提供大量高质量的水源做选择性使用，同时解决暴风雨对城市造成的环境问题。从生态角度看，雨水采集生物滤池可以很好的充当或代替城市现有绿化，具有环境友好，兼容性强的特点。

Description

城市雨水采集生态滤池

技术领域

本发明涉及一种用于雨水处理采集的生物滤池。

背景技术

随着城市化的进程，工业的发展，人口的增加，我们传统的水资源正在一步步受到威胁，变得稀缺。城市的水源危机已经切实的成为我们城市发展，人民生活水平提高的重要障碍。而另一方面，全球气候变暖，降雨的频率变小，但是每次降雨量却大大增加。给城市造成了严重的内涝问题。生活在现代城市的人们和我们城市的规划者无不面临着上述两大困境。

而最近阶段，城市水敏感设计的概念悄然兴起，这种概念提倡的是把城市的水循环管理整合到城市设计和规划中。城市的水循环包括：城市饮用水，城市雨水溢流，自然水系的生态健康，污水处理和水资源回收利用。这些原本独立分散的水管理，被组成了一个经过整合的圈，从而达到综合管理的模式。在这种设计理念的指导下，雨水这一原本造成城市内涝，生态污染的有害资源，将通过城市的相关设计和规划被转化为可利用的水资源。这样一个结合点同时解决了两大困扰城市发展的难题。而事实上雨水的主要污染物为悬浮固形物等不可溶物质，而溶解的有毒化学物质，重金属，致病菌等，实际要低于我们的传统城市水源水质。本专利发明的雨水采集生物滤池，就是在城市水敏感这一理念的指导下应运而生的。他可以处理并采集雨水，为城市提供大量高质量的水源做选择性使用，同时解决暴风雨对城市造成的环境问题。从生态角度看，雨水采集生物滤池可以很好的充当或代替城市现有绿化，具有环境友好，兼容性强的特点。

传统型的雨水生物滤池（非回收采集）：

生物滤池技术是一项通过使用生物活性过滤介质来达到物理过滤，生物分解，化学吸附及分解的三位一体的水处理技术。其中的一个分支，雨水生物滤池，比如具体到雨水生物滞留池和雨水花园，就是其中已经被广泛应用在城市水敏感设计中的成熟技术。其主要的设计目的是收集城市高污染的雨水后通过土壤自然渗透和溢流排把雨水排放到附近的自然水体或城市排水系统中。起到一个滞留雨水，减少地表径流峰量的作用。但是在目前的实践中传统的雨水生物滤池并不能大规模应用于雨水的处理和采集回收。虽然现在有一部分传统型的雨水生物滤池也被用作雨水采集的尝试，但是因为设计初衷与于实际应用存在的技术差距，所以并不具备大规模应用推广的能力。其中归纳的最主要的技术差距为以下几点：

1.雨水中污染物处理性能力的低下

传统型的雨水生物滤池是以收集容纳雨水和主要去除雨水中的悬浮颗粒物为设计目标的，经过简单处理的雨水将被排放至自然土壤或城市排水系统中。他对城市雨水中含有的TN，TOC，重金属，致病菌等的处理能力低于可回收利用的标准，只能勉强达到甚至在特定情况下低于环境排放标准。

2.传统雨水生物滤池的自持能力差，对季节环境温度等高度敏感

对于仅仅用做于城市绿化美观及雨水排放来说，传统雨水生物滤池的处理水平的稳定性和自持性并没有受到重视。但稳定的处理水平其实对于雨水回收来说是一个非常重要的考虑因素。结合有关文献以及实际的测验，传统型的雨水生物滤池在长期少雨的情况下的下一次雨水处理能力会大大下降。这主要由于过滤介质土壤的水含量下降而导致的微生物以及化学活性的降低。缺雨还可以造成土壤的细微干裂，从而导致未处理的水直接经细缝流出而大大降低处理效果。同时，偶尔的少雨和气候的不稳定性也可能造成植物的缺水死亡或者增加人工维护的成本。在实际的应用中，维持植物的健康生长一直是保证生物滤池健康活性的一个关键点和难点。

3.长期运行下的土壤透水率大大降低而导致的处理回收效率下降

由于传统的雨水生物滤池的敞开式设计，地表径流直接被滤池所接收，造成固形物在土壤表面淤积，堵塞过滤介质。在实际应用中80%的雨水生物滤池在运作半年后土壤的渗透率大大低于可规模化处理雨水的标准。在这种情况下，大部分未经过滤的雨水会被直接溢流，导致生物滤池功能的丧失。在另一方面，当地自然土壤常被用作传统雨水生物滤池的过滤介质，但是当粘土（clay）的含量大于3%时，会大大降低土壤的透水率从而使传统的雨水生物滤池不具备大规模采集高稳定性高产量的处理过的雨水的能力。

传统型的雨水生物滤池由植物低洼槽，支持植物生长的下层渗透性介质（通常为自然土壤），溢流管以及在最底部的水排泄管组成（如图5）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，处理并采集雨水，为城市提供大量高质量的水源做选择性使用，同时解决暴风雨对城市造成的环境问题的城市雨水采集生态滤池。

本发明的技术解决方案是：

一种城市雨水采集生态滤池，其特征是：包括滤池的池体，池体中装过滤介质层，过滤介质层下方设置支撑过滤介质层的过渡介质层，在过滤介质层上表面覆盖有堆肥覆盖层，堆肥覆盖层上种植有植物；池体的下部设置将处理后的雨水排出的排水管，池体的上部设置使未处理雨水溢流的溢流管；池体中过滤介质层上方部位为雨水滞留区域。

在过渡介质下方设置水饱和的沉浸区，沉浸区中放置有掺有碳源的复合沙砾层。

排水管与高于排水管的排水出口相通；或排水管与低于排水管的排水出口相通，且排水出口与溢流管相通。

池体的池壁为防水形式。

在滤池的池体前设置收集、储存雨水、并将雨水输送给滤池的沉降池。

将雨水输送给滤池的水出口的水头高于沉降池的入水水头。

沉降池中设置应急排水装置。

所述过滤介质层采用壤质砂土与细碎矿物的混合物，且壤质砂土中粘土和泥沙的总含量≤过滤介质总重量的3％，所述细碎矿物是蛭石，珍珠岩，或沸石中的一种或几种，细碎矿物的体积为过滤介质总体积的10~20%；过滤介质层的厚度为400~600mm；所述堆肥覆盖层木屑、树皮及树叶堆肥覆盖层，堆肥覆盖层的体积为过滤介质层体积的3~10%；所述过渡介质层采用单层级配砂或上层为细纱、下层为中粗砂的双过渡层，过渡介质层的厚度≥100mm；所述植物为苔草类植物和石楠属、白千层属灌木植物中的一种或几种，且苔草类植物的种植密度≥10株/平方米，石楠属、白千层属灌木植物的种植密度为1株/平方米。

所述沉浸区的的厚度不小于300mm。

沉浸区中碳源为占沉浸区总体积5%的树叶和占沉浸区总体积5%的树皮木屑。

本发明结构合理，可以处理并采集雨水，为城市提供大量高质量的水源做选择性使用，同时解决暴风雨对城市造成的环境问题。从生态角度看，雨水采集生物滤池可以很好的充当或代替城市现有绿化，具有环境友好，兼容性强的特点。

本发明同时具有下列优点：

提高对目标污染物的去除效果（重金属，TN，TOC，致病菌以及微量污染物）以达到更有针对性的雨水回收的应用标准；提高雨水生物滤池处理污染物的稳定性，增强其对环境气候可变因素的抵抗力和自持能力；通过工艺改进，杜绝或大大减慢雨水采集生物滤池透水率的下降从而达到大规模处理回收的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2、图3是其他结构的沉浸区示意图。

图4是沉降池示意图。

图5是传统生物滤池示意图。

具体实施方式

一种城市雨水采集生态滤池，包括滤池的池体1，池体的池壁为防水形式，池体中装过滤介质层2，过滤介质层下方设置支撑过滤介质层的过渡介质层3，在过滤介质层上表面覆盖有堆肥覆盖层，堆肥覆盖层上种植有植物5；池体的下部设置将处理后的雨水排出的排水管6，池体的上部设置使未处理雨水溢流的溢流管7；池体中过滤介质层上方部位为雨水滞留区域8。

在过渡介质下方设置水饱和的沉浸区9，沉浸区中放置有掺有碳源的复合沙砾层。

排水管与高于排水管的排水出口10相通；或排水管与低于排水管的排水出口相通，且排水出口与溢流管7相通（图2所示）；或排水管与高于排水管的排水出口相通，且排水出口与溢流管7相通（图3所示）。

在滤池的池体前设置收集、储存雨水、并将雨水输送给滤池的沉降池11，将雨水输送给滤池的水出口12设置在沉降池的上部（图4中还有满溢水位线13、地表水位线14）。沉降池中设置应急排水装置15。经过储存沉淀的水到达满溢水位时可以在水位差的情况下通过自然重力流入雨水采集生物滤池。必要的水泵和阀门作为辅助设备可以自由的开关进/出水以备维修或特殊运行模式，应急排水管及泵设施可以保证在水位低于满溢水位情况下的排水和日常清理维护需要。这一辅助工艺的使用可以大大降低流入雨水生物滤池的悬浮颗粒物，从而保护过滤介质，达到维持实用高透水率的目的。但在实际设计中，视当地雨水中固形物的浓度情况和成本，空间等因素。这一配套设施可以被简化或省略。经过预沉淀的未处理雨水被引入本专利设计的雨水采集生物滤池。

所述植物为苔草类植物和石楠属、白千层属灌木植物中的一种或几种，且苔草类植物的种植密度为≥10株/平方米，石楠属、白千层属灌木植物的种植密度为1株/平方米。采用经过论证测试的复合植物对于不同植物在雨水生物滤池中的作用以及各自特性，本专利申请者已经在长期实验中经过论证并得出最优化结果。和传统雨水生物滤池种植单一观赏类植物相比新型雨水采集生物滤池将采用苔草类植物（狗尾巴草，薰衣草等）复合石楠属或白千层属灌木来达到最好的综合效果。

苔草类植物的特点是高强的环境适应能力相对较高的生长速度，矮小的植株，和浅层的根系。在实验中发现，这类植物对营养物质特别是氮磷和其他营养污染物还有金属元素的吸收普遍好于其他植物，这可能归咎其快速生长的生物量。而生物量的制造就是通过对土壤中的残存滞留的营养物质和金属元素的吸收来实现的。所以实验发现这类植物有助于加快生物滤池的自身代谢清洁过程和降低滤池内部污染物的背景浓度。而石楠或与其类似的白千层属灌木则有相对较高的植株，发达粗壮深入土层的根系。在实验中发现，其粗壮发达的根系对维持过滤层的高透水率有很大的帮助，而这类植物对有机氮的分解和去除有非常高效的表现，对铁有着比其他植物更好的去处能力。铁元素，这一在原来环境排放标准中和传统雨水生物滤池设计中不被重视的金属却会在雨水回收应用中造成问题。溶解的三价铁在很低的浓度下（>0.3mg/L）可以通过他的气味（铁锈味）和颜色（黄褐色）被人所察觉。所以铁的去除直接影响回收后的雨水的等级和应用范围。这也体现了新型雨水采集生物滤池比传统环境保护型滤池的更针对性的设计。不同于其他植物的是，在石楠属/白千层木的根系周围发现了丛枝菌根真菌和其他共生菌膜。在实验中还检测到石楠属/白千层木类植物的根系会分泌溶解态的氧（DOC），这也许是解释真菌与其他细菌存在其根系周围土壤的理由。这些活性细菌和土壤中的氧含量为硝化作用（Nitrification）提供了绝佳的发生环境。

同时采用苔草类和石楠类/白千层类灌木可以大大维持过滤介质在浅层和深层的透水率，加快生物滤池内污染物的植物吸收和自身代谢分解以降低背景浓度。对比试验证明这两者的结合最大化了对氮及其他营养物质和金属元素的去除。

经过试验和论证，苔草类植物的种植密度应该至少维持在10株/平方米上，而石楠/白千层类灌木的目密度可以保持1株/平方米。同时在植物种植后应该允许半年以上的生长适应期，雨水采集生物滤池才可以正式投入使用。

所述过滤介质层采用壤质砂土与细碎矿物的混合物，且壤质砂土中粘土和泥沙的总含量≤过滤介质总重量的3％，所述细碎矿物是蛭石，珍珠岩，或沸石中的一种或几种，细碎矿物的体积为过滤介质总体积的10~20%；过滤介质层的厚度为400~600mm；所述堆肥覆盖层木屑、树皮及树叶堆肥覆盖层，堆肥覆盖层的体积为过滤介质层体积的3~10%。采用经过论证过的复合过滤材料和新滤池结构

雨水采集型生物滤池的过滤介质的设计不仅仅要考虑他的物理化学特性对去除污染物的能力，同时过滤介质应该为植物和微生物营造合适的环境以促进生物降解的活性。最后，这类物质必须有稳定的化学结构和相对较高的透水率从而保证雨水采集生物滤池的长期运行寿命。

经过规模化测试论证后的雨水采集生物滤池采用分层复合介质，包括过滤介质、过渡介质；

过滤介质：

壤质砂土因为他的粘土含量少，和排水性好，可以很好的保持过滤介质的导水率。而且这是自然材料，所以用作过滤介质的主体可以大大节约成本。加入的破碎矿物诸如蛭石和珍珠岩，在化学上有很强的阳离子交换能力，在实验中证明他们的存在可以减少已吸附重金属的再度分解流失，所以可以很好的控制重金属污染物的再度浸出。另外这类破碎矿物有着稳定的自身化学性质，在长期使用过程中不会被分解也不会造成二次污染。从物理学角度看蛭石和珍珠岩有着多孔的结构，这样可以大大增加过滤介质的表面积增大吸附效率同时维持良好的透水率。除此之外，在主题过滤介质的上层，需用一层木屑树皮和树叶堆肥覆盖。在实验中证实，溶解有机物可以大大提高重金属的被吸附效率，同时树叶堆肥也可以为植物缓慢地提供稳定的营养物质，来抵御环境的变化因素。更重要的是，这层覆盖物可以很好的防止土壤的水分蒸发，保持过滤层的湿润和生物化学活性同时也防止环境对土壤表层的侵蚀风化。所以这类有机覆盖物的体积量应该被控制在3%和百分之10%之间，因为过多的有机物有可能造成污染物浸出的问题。按照此方法配置的过滤介质，在长期使用过程中透水率可以维持在200-400毫米/小时。从而达到较高的雨水采集产量。过滤介质的深度应该控制在400毫米到600毫米之间。过浅的过滤介质容易被植物根系穿透从而导致雨水的直接流出，过深的过滤介质会降低介质中的氧含量，从而抑制过滤介质中好氧微生物的活性。

所述过渡介质层采用单层级配砂或上层为细纱、下层围中粗砂的双过渡层，过渡介质层的厚度≥100mm。

过渡介质的主要作用是支撑上层的过滤介质，防止细小的土壤颗粒被冲刷到下层的排水层，起到很好的隔绝和支撑的效果。在这点上和传统的雨水生物滤池的设计基本相同，采用单层好级配沙，或者也可以采用双过渡层。双过渡层由上层细沙和下层中粗沙组成。对于雨水收集来说，双过渡层可以更好的降低滤出雨水的浑浊度和固形颗粒物的浓度。但是这种方法会增加成本和生物滤池的复杂性，所以具体选择可以视情况而定。不管是采用单层的好级配砂还是使用双层的不同颗粒的砂，其总厚度不应低于100毫米。

所述沉浸区的的厚度不小于300mm。

沉浸区中碳源为占沉浸区总体积5%的树叶和占沉浸区总体积5%的树皮木屑。

现有的雨水处理生物滤池不具备沉浸区的设计。而新型雨水采集型生物滤池将会在生物滤池的底部构造一个水饱和的沉浸区。这是通过抬高生物滤池外部的排水出口而得以实现的（排水口与滤池底部存在水位差）。传统的雨水处理生物滤池的排水管位于排水层的底部，这样出水口和滤池底部具有相同的水头，理论上，在雨水排空后整个滤池内部为水不饱和状态。这样大大降低了介质中孔隙水的存留时间和存留量。这样的缺点首先是过滤只是瞬间完成的机制，雨水处理的平均滞留时间很短，处理效率低下。其次，较少的孔隙水残留不能保证植物在少雨期的自我存活，过滤介质的化学活性和微生物活性也会因为水含量的降低而大大降低。从而导致传统型雨水生物滤池处理能力的低下和不稳定。

沉浸区的一个作用是在雨水采集生物滤池底部创造了一个缺氧区，和厌氧性微生物的活跃区。在这样的环境下，反硝化菌可以很好的还原硝酸盐，结合发生在过滤层的硝化作用，他们构成了处理氮的完整反应。这一特殊的化学环境是传统雨水处理生物滤池很难达到的。所以对比传统型的滤池，新型雨水采集生物滤池有着加强型的氮和有机物的处理能力。沉浸区的另外一个作用是加大了孔隙水在滤池内部的体积，延长其停留时间。实验中证明这样一部分储存在滤池内部的雨水，在直接过滤后，还可以通过进一步的生物化学反应来降低污染物的浓度。这些残存的水在下一次过滤时混合新鲜滤液稀释降低下次滤液的污染物浓度使得整体处理能力得以提高。所以沉浸区体积越大，孔隙水体积越多，那么雨水滤液的综合等效滞留时间就越长，处理效果越好。最后，沉浸区的积水可以为植物在缺水期提供水源，增强雨水采集生物滤池的抗旱性和自持性，从而提高处理表现的稳定性，降低规模化应用后的维护需求。但是值得注意的是，沉浸区必须被限制在过滤层和过渡层以下，排水层以内。因为一旦过滤层被水饱和，已被吸附固定的污染物在后期会被慢慢浸出造成二次污染。沉浸区的厚度一般可以使用450毫米，但是视实际情况而定，不得低于300毫米。另外，300毫米的沉浸区可以抵御连续5周的干旱从而保持滤池内部的化学生物活性。在此基础上，每增加120毫米的厚度可以让滤池抵御额外一周的干旱。

在实际设计应用中值得注意的是，如果当地降雨量稳定且充沛，流入雨水氮含量较低或采集后雨水的利用对氮不敏感（灌溉）的情况下，雨水采集生物滤池中的沉浸区可以被省略。在雨水充沛的地区，由于过滤介质中的水含量可以被稳定维持，得益于雨水采集滤池所采用的的复合植物和新型过滤材料，其仍然可以保持较高的污染物处理水平。

最后，雨水采集生物滤池的面积，由其集水流域的面积所决定。一般来说，雨水采集生物滤池的面积应该被控制在其集水流域的非渗透性面积的2%到4%左右。例如，一个市民广场的面积为10000平方米，通过地面坡度设计或者相应的排水设计，雨水将平均分配到4个雨水采集生物滤池。市民广场地面的非渗透面积比例为80%，设计使用3%的面积比。那么雨水采集生物滤池的总面积可以被计算为：

A=1000m²×80%×3%

总面积为240平方米，而每个雨水采集生物滤池面积为60平方米。因为生物滤池的外观和普通植物种植区和绿化区的相似性，所以这样的设计可以很好的融入到任何城市环境设计中。既达到绿化的目的又可以净化城市，创造大量的高质量的水资源。

Claims (8)

1.一种城市雨水采集生态滤池，其特征是：包括滤池的池体，池体中装过滤介质层，过滤介质层下方设置支撑过滤介质层的过渡介质层，在过滤介质层上表面覆盖有堆肥覆盖层，堆肥覆盖层上种植有植物；池体的下部设置将处理后的雨水排出的排水管，池体的上部设置使未处理雨水溢流的溢流管；池体中过滤介质层上方部位为雨水滞留区域；在过渡介质下方设置水饱和的沉浸区，沉浸区中放置有掺有碳源的复合沙砾层；所述过滤介质层采用壤质砂土与细碎矿物的混合物，且壤质砂土中粘土和泥沙的总含量≤过滤介质总重量的3%，所述细碎矿物是蛭石、珍珠岩或沸石中的一种或几种，细碎矿物的体积为过滤介质总体积的10～20%；过滤介质层的厚度为400～600mm；所述堆肥覆盖层木屑、树皮及树叶堆肥覆盖层，堆肥覆盖层的体积为过滤介质层体积的3～10%；所述过渡介质层采用单层级配砂或上层为细纱、下层为中粗砂的双过渡层，过渡介质层的厚度≥100mm；所述植物为苔草类植物和石楠属、白千层属灌木植物中的一种或几种，且苔草类植物的种植密度≥10株/平方米，石楠属、白千层属灌木植物的种植密度为1株/平方米。

2.根据权利要求1所述的城市雨水采集生态滤池，其特征是：排水管与高于排水管的排水出口相通；或排水管与低于排水管的排水出口相通，且排水出口与溢流管相通。

3.根据权利要求1所述的城市雨水采集生态滤池，其特征是：池体的池壁为防水形式。

4.根据权利要求1、2或3所述的城市雨水采集生态滤池，其特征是：在滤池的池体前设置收集、储存雨水、并将雨水输送给滤池的沉降池。

5.根据权利要求4所述的城市雨水采集生态滤池，其特征是：将雨水输送给滤池的水出口的水头高于沉降池入水的水头。

6.根据权利要求5所述的城市雨水采集生态滤池，其特征是：沉降池中设置应急排水装置。

7.根据权利要求1所述的城市雨水采集生态滤池，其特征是：所述沉浸区的厚度最低为300mm。

8.根据权利要求7所述的城市雨水采集生态滤池，其特征是：沉浸区中碳源为占沉浸区总体积5%的树叶和占沉浸区总体积5%的树皮木屑。

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