CN105621622A

CN105621622A - 一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置

Info

Publication number: CN105621622A
Application number: CN201610198842.1A
Authority: CN
Inventors: 罗艳红; 陈富强; 王文亮
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2016-06-01

Abstract

本发明公开了一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，涉及生物滞留设施，解决现有设施存在的去鳞、氮低，去除效果不稳定的问题。一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，为圆柱形结构，自上而下由蓄水层、种植土层、填料层、排水层组成，其中所述的填料层为双层填料层，上层填料层內填充高透水性的填料，下层填料层内填充低透水性的填料。本发明结构简单、易于实施和推广，去除磷、氮的效果显著。

Description

一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置

技术领域

本发明涉及生物滞留设施，具体涉及一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置。

背景技术

在我国，继点源污染被有效控制之后，面源污染已成为城市水质恶化的主要原因之一，城市地表径流污染是仅次于农业污染的第二大面污染源，而其中的磷被认为是水体富营养化的最主要因素。

生物滞留设施是一种新兴的低影响开发原位径流雨水控制措施，有很好的径流污染控制效果、径流体积削减效果和峰值流量控制效果，且经济适用，可广泛应用于城市低空间的绿化。然而，现有的设施对磷的处理存在去除率偏低、去除率波动范围较大、运行效果不够稳定等问题，且应用于工程中的生物滞留设施除磷效果更差，有时还出现出水污染负荷高于进水的情况。

国内外学者主要通过改良填料和改进设施的结构来提高生物滞留设施对地表径流中磷的去除率。如在本地土壤填料中添加粘土、金属、沸石、蛭石、石英砂、石灰石、钢丝绒等；Lucas设计的高低出水口对磷的去除率达到90%以上，但这种设计复杂精细、造价高，目前在我国还较难应用和推广；Li增加淹没厌氧区，但Hsieh和王文亮认为该设计主要提高了氮的去除率，对改善除磷效果非常有限；Hsieh增设了一层渗透系数较高的本地土壤，除磷效果也仅可达到85%。

为了解决现有设施存在的上述缺陷，本发明研发了一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置。

发明内容

本发明是为了解决现有设施存在的去鳞、氮低，去除效果不稳定的问题，而提供了一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，为圆柱形结构，自上而下由蓄水层、种植土层、填料层、排水层组成，其中所述的填料层为双层填料层，上层填料层內填充高透水性的填料，下层填料层内填充低透水性的填料。

进一步地，所述的蓄水层的深度为250mm。

所述的种植土层的植被为草本植物时，种植土层的厚度为230-280mm，表层覆盖树叶、树皮的混合物，中下层为土壤层。

所述的填料层厚度为800-1000mm，优选为900mm，上层填料为细石英砂，下层填料质量比为90：5:5的河沙：粉煤灰：秸秆的混合物，在填料层侧壁上自上而下依次开设有取样口。

所述的填料层的取样口依次开设在距填料层表层200mm、250mm、300mm、500mm、700mm、900mm的侧壁上。

所述的填料层的取样口位置设置有十字交叉状的集水管，每个集水管的上半部分打孔；为能够更多地收集下渗水流，在集水管上半部分打大孔，在大孔的边角部位打小孔，以便充分地收集下渗径流，取样口的阀门朝下安装，在装置内的十字形集水管和外部取样口的管内底齐平，管内无剩余水位，保证取样口及集水管的牢固性。

所述的取样口处的圆柱形侧壁内焊接一圈PVC塑料细条，并在内壁均匀粘附直径为2-3mm的小沙砾，此设计可保证取到来自不同填料层的分层水样，避免当进水顺着圆柱壁下渗时易出现的径流短路现象。

所述的排水层由砂滤层和砾石层组成，沙滤层厚度为80-120mm，由粒径为0.6-1mm的砾石组成，砾石层厚度为80-120mm，由粒径为3-6mm的砾石组成。

所述的排水层下部铺设有DN50的穿孔收集管，长450mm。

本发明设计了双层填料结构的生物滞留设施，即在低透水性填料上覆盖一层高透水性填料，主要原理是上层的填料透水性高，能够增加渗透速率，可降低设施发生堵塞的风险；下层的填料透水性低，增加了径流雨水与填料及其中微生物、金属的接触时间，能更有效地滞蓄氮磷，此外，高、低透水性填料结构有助于形成厌氧区，为硝化和反硝化作用提供有利环境，促进硝酸氮和亚硝酸氮转化为一氧化二氮或氮气；其中上、下两层填料优选的主要参照标准为表1。

表1填料的优选标准

考虑因素	透水性	含氮、磷指标	吸附磷能力	解吸率	价格
						上层填料	高	低	强	低	适宜
下层填料	低	低	强	低	适宜

本发明通过动力学吸附实验和填料解吸实验，得出所选单一填料对氮磷的吸附量由大到小依次为粉煤灰>细石英砂(1mm)>粗石英砂（2mm)>炉渣>河沙，从饱和填料对氮磷的解吸量来看，填料释氮磷率依次为炉渣>粉煤灰>河沙>细石英砂>粗石英砂。因此，若为单一填料，细石英砂、粉煤灰是较好的选择。但是填料中粉煤灰所占比例越大，出现粉煤灰流失、灰水较难分离的现象越频繁，且常发生粉煤灰板结现象，所以粉煤灰不宜单独做填料，并且下层填料的反硝化细菌需要外加碳源，因此在粉煤灰中掺和不同比例的河沙、秸秆（碳源）进行第二次筛选，实验结果得出：90%河沙+5%粉煤灰+5%秸秆是最佳的配比。因此，细石英砂、改良填料（90%河沙+5%粉煤灰+5%秸秆）对氮氮磷的吸附能力较强，解吸率低，且性能稳定。

本发明双层填料生物滞留设施，蓄水层能够为暴雨提供暂时的储存空间，使部分沉淀物在此层沉淀，进而促使附着在沉淀物上的有机物和金属离子得以去除，其高度根据周边地形和当地降雨特性等因素而定，但是较深的积水同时带来了维护要求高及设施的堵塞问题，从氮磷去除的角度考虑，氮磷暂时存储在填料层中比其积蓄在表面要好得多，因此本发明综合考虑防止蚊蝇滋生、为下场降雨预留空积水时间、设施维护等问题，选取250mm的积水深度；种植土层的表层为树叶、树皮等覆盖物，主要作用为防止径流对表面土层的直接冲刷，减少水土流失，同时保水蓄水，有效保持填料的湿度，避免表层填料板结而降低设施的渗透性能，也使植物根部保持潮湿状态，为植被和微生物提供媒介和营养物质，有效过滤径流中的污染物；种植土层的中下层为土壤，优选pH为中性、含有机质和金属离子较多的本地土壤，本发明更优选在中下部种植土层中添加玉米秆，在提高蓄水、净化能力的同时，还可有效改变初期种植土层的孔隙结构，通过构筑根孔和自然根孔之间的过渡和不断更新，降低设施发生堵塞的概率；植被主要选取多年生的、平均高度在100-200mm、茎部有较强韧性、能适应雨水的短暂性浸泡造成的湿热环境、根系比较发达、耐旱耐涝、需要的肥量较少的植物，与传统的生物滞留设施植被相比，草类的根系较浅，所需的填料厚度也小，池深也浅，既节约了材料费和人工费，也降低了设施堵塞的风险，易于管理维护；种植土层一般厚度为230-300mm左右；填料与填料厚度对排水、污染物负荷的去除、植物的生长都很重要，生物滞留设施的主要成本是填料和挖掘池身的费用，而且维护费用也随着池身的增加而增加，池身增加，也更容易引起堵塞和滋生蚊蝇，因此填料厚度需在不影响生物滞留设施性能的条件下尽可能地减小，本发明填料层总厚度设为800-1000mm左右，并依次设置有取样口，以寻求去除地表径流中氮磷所需的最佳填料厚度，另外，在种植土层与填料层间添加土工布用于防止种植土层被冲刷入填料层；排水层由砂滤层和砾石层组成，厚度应根据当地的降雨特性、生物滞留设施的服务面积等确定，本发明沙滤层厚度为80-120mm，由粒径为0.6-1mm的砾石组成，防止填料被冲刷出来，砾石层厚度为80-120mm，由粒径为3-6mm的砾石组成，并在其中铺设DN50的穿孔收集管，长450mm。

经验证，本发明装置对磷的平均去除率都达到了90%以上，对总氮的平均去除率分别为86%，对NH4+-N的平均去除率分别为90%，对NO3--N的平均去除率分别为93%。

与现有技术相比，本发明结构简单、易于实施和推广，去除磷、氮的效果显著。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为集水管的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，为圆柱形结构，自上而下由蓄水层1、种植土层2、填料层3、排水层4组成，其特征在于，所述的填料层3为双层填料层，上层填料层內填充高透水性的填料，下层填料层内填充低透水性的填料。

其中，蓄水层1厚度为250mm；种植土层2的表层为北京建筑大学校园内法桐树皮树叶，中下层为pH为中性、含有机质和金属离子较多的褐土，且在褐土中添加了玉米秸秆，厚度为250mm,植被为羊茅草；填料层3总厚度设为900mm，上层填料为细石英砂，下层填料质量比为90：5:5的河沙：粉煤灰：秸秆的混合物，并在距填料表层200mm、250mm、300mm、500mm、700mm、900mm处依次设置取样口，并在种植土层与填料层间添加200g/m²的土工布用于防止种植土层被冲刷入填料层,在填料层3的取样口位置设置有十字交叉状的集水管5，每个集水管5的上半部分打孔，如图2所示，取样口处的圆柱形侧壁内焊接一圈PVC塑料细条，并在内壁均匀粘附直径为2-3mm的小沙砾；排水层的沙滤层厚度为100mm，由粒径为0.6-1mm的砾石组成，防止填料被冲刷出来，砾石层厚度为100mm，由粒径为3-6mm的砾石组成，并在其中铺设DN50的穿孔收集管，长450mm，其纵向坡度为0.5%，即2.25mm。

实施例2

一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，为圆柱形结构，自上而下由蓄水层、种植土层、填料层、排水层组成，其特征在于，所述的填料层为双层填料层，上层填料层內填充高透水性的填料，下层填料层内填充低透水性的填料。

其中，蓄水层厚度为250mm；种植土层的表层为北京建筑大学校园内树皮树叶的混合物，中下层为添加了玉米秸秆的普通土壤，厚度为230mm,植被为羊茅草；填料层总厚度设为1000mm，并在距填料表层250mm、250mm、300mm、500mm、700mm、1000mm处依次设置取样口，并在种植土层与填料层间添加200g/m²的土工布用于防止种植土层被冲刷入填料层,在填料层的取样口位置设置有十字交叉状的集水管，每个集水管的上半部分打孔，取样口处的圆柱形侧壁内焊接一圈PVC塑料细条，并在内壁均匀粘附直径为2-3mm的小沙砾；排水层的沙滤层厚度为80mm，由粒径为0.6-1mm的砾石组成，防止填料被冲刷出来，砾石层厚度为120mm，由粒径为3-6mm的砾石组成，并在其中铺设DN50的穿孔收集管，长450mm，其纵向坡度为0.5%，即2.25mm。

实施例3

其中，蓄水层厚度为250mm；种植土层的表层为北京建筑大学校园内树皮树叶的混合物，中下层为添加了玉米秸秆的普通土壤，厚度为230mm,植被为羊茅草；填料层总厚度设为8000mm，并在距填料表层250mm、250mm、300mm、400mm、550mm、800mm处依次设置取样口，并在种植土层与填料层间添加200g/m²的土工布用于防止种植土层被冲刷入填料层,在填料层的取样口位置设置有十字交叉状的集水管，每个集水管的上半部分打孔，取样口处的圆柱形侧壁内焊接一圈PVC塑料细条，并在内壁均匀粘附直径为2-3mm的小沙砾；排水层的沙滤层厚度为120mm，由粒径为0.6-1mm的砾石组成，防止填料被冲刷出来，砾石层厚度为80mm，由粒径为3-6mm的砾石组成，并在其中铺设DN50的穿孔收集管，长450mm，其纵向坡度为0.5%，即2.25mm。

Claims

1.一种高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，为圆柱形结构，自上而下由蓄水层、种植土层、填料层、排水层组成，其特征在于，所述的填料层为双层填料层，上层填料层內填充高透水性的填料，下层填料层内填充低透水性的填料。

2.根据权利要求1所述的高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，其特征在于，所述的蓄水层的深度为250mm。

3.根据权利要求1或2所述的高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，其特征在于，所述的种植土层的植被为草本植物时，种植土层的厚度为230-280mm，表层覆盖树叶、树皮的混合物，中下层为土壤层。

4.根据权利要求1或2所述的高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，其特征在于，所述的填料层厚度为800-1000mm，上层填料为细石英砂，下层填料质量比为90：5:5的河沙：粉煤灰：秸秆的混合物，在填料层侧壁上自上而下依次开设有取样口。

5.根据权利要求4所述的高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，其特征在于，所述的填料层的取样口依次开设在距填料层表层200mm、250mm、300mm、500mm、700mm、900mm的侧壁上。

6.根据权利要求4所述的高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，其特征在于，所述的填料层的取样口位置设置有十字交叉状的集水管，每个集水管的上半部分打孔。

7.根据权利要求4所述的高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，其特征在于，所述的取样口处的圆柱形侧壁内焊接一圈PVC塑料细条，并在内壁均匀粘附直径为2-3mm的小沙砾。

8.根据权利要求1或2所述的高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，其特征在于，所述的排水层由砂滤层和砾石层组成，沙滤层厚度为80-120mm，由粒径为0.6-1mm的砾石组成，砾石层厚度为80-120mm，由粒径为3-6mm的砾石组成。

9.根据权利要求1或2所述的高效脱氮除磷的双层填料生物滞留装置，其特征在于，所述的排水层下部铺设有DN50的穿孔收集管，长450mm。