CN106830506A - 一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：在城市中利用已有低洼地块构建形成生物滞留池，通过管道、人工汇水通道或者自然地形将附近产生的地表径流汇集至生物滞留池中蓄集并进行净化处理，处理后的雨水用于城市绿化回用水或者补充地下水，或直接排放至附近水域；生物滞留池包括：前置的初沉区，过滤区和净水反应区三部分，三部分依次相通。优点：集“渗、滞、蓄、净、用、排”多种技术为一体，重点在“净”水功能中发挥强化作用，出水水质稳定；整个工程构造简单、施工方便、造价低廉。
Description
技术领域
本发明是一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，可直接应用到海绵城市建设或者城市面源污染控制工程。属于环保污水处理领域。
背景技术
随着我国城市化的飞速发展，城市排水压力日益增大。城市土地的硬质化，导致城市地表径流量显著增加，汇水速度加快，洪峰产生时间缩短，特别是在大雨或者暴雨时期，城市的雨水管网无法及时排走所汇集的雨水，最终在城市水文活跃区引发内涝现象。城市雨水除带来内涝灾害外，还会通过冲刷城市表面的沉积物和淋洗大气中的污染物而产生面源污染。从我国前期城市非点源污染研究成果来看，城市雨水水质有相当程度的污染，尤其是雨水初期，氮磷的浓度远高于受纳水体，因此控制径流中氮、磷污染物意义重大。
近来，“海绵城市”的理念在解决城市内涝方面越来越多地受到关注，陆续被写入各级地市的建设规划当中。国务院下发的《关于推进海绵城市建设的指导意见》更是推动了海绵城市建设的高潮。海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，通过“渗、滞、蓄、净、用、排”等多种技术，实现城市良性水循环。生物滞留池是一种采用分散方法，从源头削减雨水和控制污染物迁移的高效低影响开发措施，符合海绵城市建设的技术要求。生物滞留池可以有效去除雨水径流中的多种污染物，但对N、P的去除效果变化较大，特别是NO3 --N的去除率较低，部分滞留池甚至有NO3 -的生成，由于雨水间隔期内发生过氨化及硝化作用，晴天时NO3 -积累在生物滞留池的土壤中，降雨后又释放出来，因此导致NO3 -的去除率偏低。已公开的发明专利（CN204803077U）提出了通过提高出水口的位置，创造淹水区，营造厌氧反硝化环境，但这种方法导致淹没区的介质失去了水量调蓄作用，并且对NO3-去除效果也不尽满意。已公开的发明专利（CN 106006966A）提出在设施上层的填料层中添加高C/N的有机物，利用木屑强化好氧微生物的生长，促使上层设施在进水期和落干期中呈现厌氧好氧交替发生的状态，使得反硝化作用能在上层填料层中发生，但这种方法不适合应用于城市海绵城市建设之中，忽略了城市径流雨水中大量悬浮杂质的特性，并且交替的好氧厌氧环境不宜控制，NO3 --N的去除率不一定会提高。就目前来看，已有的生物滞留池要实际应用于海绵城市的建设之中，尚存在一定的局限性，特别是在净水方面。
本发明将充分考虑已有生物滞留池在海绵城市建设中的不足，创新性地提出前置初沉区，用于去除城市径流雨水中的大部分杂质，静沉后的径流雨水通过三级过滤区后和直接落下雨水一起进入净水反应区，先通过白色鹅卵石铺面层，再通过田园土和中粗砂混合层，到达零价铁反应层，经过零价铁/微生物耦合系统，强化雨水中的有机物和氮磷的去除，最后通过沸石层，保障了出水水质。本发明具有：原理简单，施工方便，运行费用低廉，出水水质好等优点。
发明内容
本发明提供一种简单适用，运行管理方便，造价低廉，同时净水效果好，出水水质稳定的应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池。旨在克服现有生物滞留池中存在的不足。
本发明的技术解决方案：一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：在城市中利用已有低洼地块构建形成生物滞留池，通过管道、人工汇水通道或者自然地形将附近产生的地表径流汇集至生物滞留池中蓄集并进行净化处理，处理后的雨水用于城市绿化回用水或者补充地下水，或直接排放至附近水域；生物滞留池包括：前置的初沉区，过滤区和净水反应区三部分，三部分依次相通。
本发明的优点：
（1）本生物滞留池集“渗、滞、蓄、净、用、排”多种技术为一体，重点在“净”水功能中发挥突出作用；
（2）分为前置初沉区、三级过滤区和净水反应区，各区域相辅相成，前两区域可以拦截去除了绝大部分悬浮颗粒物和部分有机物，净水反应区的零价铁和微生物协同作用提高了处理效率，强化了出水水质；
（3）利用廉价易得的木屑作为外加碳源，有利于反硝化细菌的生长，提高总氮的去除率，将木屑和零价铁混合在反应箱内，不利于有机物的淋溶；零价铁反应箱下方设置沸石层，更是保障了出水水质；
（4）通过将排水管的出口设置在零价铁反应层的上端同一水平高度的位置，创造了零价铁反应箱的淹水区，从而有利于创造反硝化菌生长繁殖的厌氧环境和提升零价铁的使用寿命；同时也不影响田园土和中粗砂混合层的水量调蓄的功能；
（5）利用已有低洼地块，不需要占用其他土地资源，在生物滞留池顶部铺设植生砖，边坡种植湿生植物，净水反应区上层铺设灰白色鹅卵石，净化污染物的同时营造了良好的生态环境和亲水空间；
（6）零价铁反应箱内填料易于更换，便于管理与维护；
（7）整个工程材料价格低廉、易于获取且对环境不会产生二次污染；
（8）整个工程构造简单、施工方便、功能稳定、造价低廉、使用方便。
附图说明
附图1 是一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池示意图。
附图2 是一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池平面示意图。
附图3 是零价铁反应箱示意图 。
图中的1是雨水收集管、2是前置初沉区、3是三级过滤区、4是20～30mm圆形砾石、5是10～20mm中等砾石和6是5～10mm碎小砾石零价铁渗滤墙、7是净水反应区、8是灰白色鹅卵石铺面层、9是田园土和中粗砂混合层、10是零价铁反应箱、11是沸石层、12是穿孔收集管、13是放空管、14是控制闸阀、15是排水管、16是溢流管、17是警示牌、18是隔板、19是φ15的钢筋骨架、20是钢丝网面、21是海绵铁、22是铁刨花、23是废铁屑、24是木屑。
具体实施方式
一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：在城市中利用已有低洼地块构建形成生物滞留池，通过管道、人工汇水通道或者自然地形将附近产生的地表径流汇集至生物滞留池中蓄集并进行净化处理，处理后的雨水用于城市绿化回用水或者补充地下水，或直接排放至附近水域；生物滞留池包括：前置的初沉区，过滤区和净水反应区三部分，三部分依次相通。
前置的初沉区内置数块隔板，将初沉区分成若干小室，使雨水在内部呈“S”形流动，增加雨水的水力停留时间，有利于悬浮颗粒物的沉降。
过滤区从初沉区的末端开始，顺序逐层铺设不同粒径砂石填料形成三级过滤区，过滤填料分别为20～30mm圆形砾石、10～20mm中等砾石和5～10mm碎小砾石；过滤区的进、出水端均用可渗透的多孔无砂砼进行加固，顶端覆土铺设植生砖或者种植树木。
净水反应区从上至下依次为灰白色鹅卵石铺面层，田园土和中粗砂混合层，透水土工布层和零价铁反应层和沸石层；田园土和中粗砂按照重量比约为1:2进行混匀；零价铁反应层由若干个便携可移动式零价铁反应箱组装而成；零价铁反应层下面铺设沸石层，沸石层下方布设穿孔收集管，在收集管的表面设置一层微孔滤网，保证填料颗粒不会从出水中流出；在净水反应区的边坡上种植湿生植物。
零价铁反应箱以φ15的钢筋作为其骨架，以钢丝网作为其6个面，形成正方体的空间结构，反应箱一面的钢丝网设置为可开启式，钢丝网的孔径小于内部填料的直径。
零价铁反应箱内填料由海绵铁、铁刨花和废铁屑三种中的一种或者多种组合而成，同时按照比例外加木屑。
穿孔收集管的底部与放空管相连，并通过闸阀进行控制；顶部与溢流管相连通，用于应急排水；出水管设置在零价铁反应层的上端同一水平高度的位置，保证零价铁反应层形成淹水区，创造厌氧的环境；同时不影响田园土和中粗砂混合层的水量调蓄功能。
生物滞留池、前置初沉区和净化反应区的底部和侧边经过防渗处理，顶部铺设植生砖，并在岸边设置警示牌：雨天水深，禁止入内。
蓄集、净化雨水的过程包括如下步骤：
1）初沉区：雨水经过管道、人工汇水通道或者自然地形收集排入初沉区，进行自然沉降，去除雨水中大部分的悬浮颗粒物；
2）过滤区：经过初沉区静沉后的雨水通过可渗透的多孔无砂砼进入过滤区，三级过滤层对雨水中的杂质起到充分拦截和过滤的作用，同时砾石填料表面附着有微生物，形成生物膜对雨水中的有机物起到生物降解的作用；
3）净水反应区：净水反应区处理的雨水包括两部分，一部分来着过滤区的径流雨水，一部分是直接落下的雨水；反应区从上至下依次为灰白色鹅卵石铺面层，田园土和中粗砂混合层，透水土工布层和零价铁反应层沸石层；灰白色鹅卵石铺面层主要的目的是拦截直接落下的雨水中的杂质，同时，鹅卵石表面会形成生物膜对雨水中的污染物进行生物降解，另外灰白色鹅卵石位于最上层可以美观城市景观，营造亲水的环境；田园土和中粗砂混合层起到过滤和控制净化反应区水力停留时间的作用，也为下部的零价铁反应层创造厌氧的环境，同时土壤中含有大量的土著微生物，利于污染物的降解；零价铁反应层则内置表面积较大的含铁填料和木屑，为微生物的生长提供了良好的生长条件，从而形成零价铁/微生物耦合系统，净化了雨水中NO3 --N和有机物的去除，同时生成的Fe2+/Fe3+具有很好的絮凝作用，利于磷的去除；沸石层具有很好的吸附功能，起到最后的吸附污染物的作用，保障了出水水质，同时将吸附层设置在最后，延长了吸附层的使用寿命；在净水区的边坡上种植湿生植物，既利用植物的根茎的吸收作用去除雨水中的部分污染物，也美化了环境。
下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案：
利用城市低洼地块构建生物滞留池，具体实施过程如附图1，附图2和附图3所示，城市地表径流雨水，通过集水管道1（人工汇水通道或者自然地形）汇集进入前置初沉区2，前置初沉区2内设置隔板18；初沉池的出水通过可渗透多孔无砂砼进入三级过滤区3，三级过滤区3依次为20～30mm圆形砾石4、10～20mm中等砾石5和5～10mm碎小砾石6，5～10mm碎小砾石6的出水端经过可渗透多孔无砂砼进入净水反应区7；净水反应区从上至下分别为灰白色鹅卵石铺面层8、田园土和中粗砂混合层9、零价铁反应箱层10和沸石层11，其中灰白色鹅卵石铺面层8高度约为0.2m，田园土和中粗砂层9高度为0.4~0.5m，田园土和中粗砂按照重量比约为1:2进行混匀；田园土和中粗砂层的下端铺设一层透水土工布；零价铁反应箱层10是由若干个正方体形的单体零价铁反应箱平铺而成；单体零价铁反应箱是以φ15的钢筋骨架19作为支撑，以钢丝网面20作为其六个面，钢丝网面的孔径略小于铁质填料的粒径，其上表面设置为可开启式；零价铁反应箱尺寸大小可为50cm×50cm×50cm或者60cm×60cm×60cm；零价铁反应箱内部装填比表面积较大的含铁填料（海绵铁21、铁刨花22和废铁屑23三种中的一种或者多种组合而成）和木屑24，木屑24的体积约占整个反应箱的10%；零价铁反应层10的下方为沸石层11，沸石层的高度约为0.3m，沸石的粒径为2.5~5mm；沸石层11的底部铺设穿孔收集管12，穿孔收集管12的表面设置一层微孔滤网，滤网网孔的直径为2~2.5mm；穿孔收集管12的末端分别连有放空管13，排水管15和溢流管16，放空管与穿孔收集管在同一水平位置，并且设有控制闸阀14；排水管15设置在与零价铁反应层上端在同一水平高度的位置，溢流管设置在顶部低于岸面0.5m的位置；在滞留池的岸边设置警示牌17，警示牌上写有：雨天水深，禁止入内；在滞留池的边坡上种植湿生植物，空地上种植花草或者树木。
一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其蓄集和净化雨水包括如下步骤：
1）前置初沉区：城市地表径流雨水通过集水管道1（人工汇水通道或者自然地形）收集进入前置初沉区2，前置初沉区内置数块隔板18，将初沉区分成若干小室，使雨水在内部呈“S”形流动，增加了雨水的水力停留时间，达到去除雨水中大部分的悬浮颗粒物的目的；
2）过滤区：经过初沉区2静沉后的雨水通过可渗透的多孔无砂砼进入三级过滤区3，由20～30mm圆形砾石4和10～20mm中等砾石5以及5～10mm碎小砾石6组成的三级过滤区3对雨水中的杂质起到充分拦截和过滤的作用，同时砾石填料表面附着有微生物，形成生物膜对雨水中的有机物起到生物降解的作用；
3）净水反应区：经过三级过滤区3处理后的雨水通过可渗透的多孔无砂砼和直接落下的雨水一起进入净水反应区7中进行蓄集和净化；反应区的边坡上长有湿生植物，利用植物的根系对蓄集的雨水起到一定的净化作用；反应区蓄集的雨水首先透过灰白色鹅卵石铺面层8，该层的目的主要是拦截直接落下的雨水中的杂质，同时鹅卵石表面会形成生物膜对雨水中的污染物进行生物降解，另外灰白色鹅卵石位于最上层可以美观城市景观，营造亲水的环境；经鹅卵石层8处理后的雨水进入到田园土和中粗砂混合层9，该层的渗透率较低，主要起到控制净化反应区的水力停留时间的作用，也为下部的零价铁反应层创造厌氧的环境，同时土壤中含有大量的土著微生物，利于污染物的降解；田园土和中粗砂混合层9的下方设置一层透水土工布，目的是确保不会有颗粒物进入下层的零价铁反应器中；经田园土和中粗砂混合层9渗滤后的雨水进入核心的零价铁反应层10，该层是由若干个零价铁反应箱构成，零价铁反应箱内置表面积较大的含铁填料（海绵铁21、铁刨花22和废铁屑23三种中的一种或者多种组合而成）和木屑24，为反硝化微生物的生长提供了良好的生长条件，从而形成零价铁/微生物耦合系统，强化了雨水中NO3 --N和有机物的去除，同时生成的Fe2+/Fe3+具有很好的絮凝作用，利于磷的去除；经过零价铁反应层10处理后的雨水经过沸石层11，沸石具有很好的吸附功能，起到最后的吸附污染物的作用，保障了出水水质，同时将吸附层设置在最后，延长了吸附层的使用寿命；沸石层下方布设穿孔收集管12，在穿孔收集管12的表面设置一层微孔滤网，保证上层的颗粒不会从出水中流出；穿孔收集管的底部与放空管13相连，并通过闸阀14进行控制，顶部与溢流管16相连通，用于应急排水；排水管15的出口设置在零价铁反应层10的上端同一水平高度的位置，保证零价铁反应层形成淹水区，创造厌氧的环境，同时不影响田园土和中粗砂混合层9的水量调蓄功能。
Claims (9)
1.一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：在城市中利用已有低洼地块构建形成生物滞留池，通过管道、人工汇水通道或者自然地形将附近产生的地表径流汇集至生物滞留池中蓄集并进行净化处理，处理后的雨水用于城市绿化回用水或者补充地下水，或直接排放至附近水域；生物滞留池包括：前置的初沉区，过滤区和净水反应区三部分，三部分依次相通。
2.根据权利要求1所述的一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：前置的初沉区内置数块隔板，将初沉区分成若干小室，使雨水在内部呈“S”形流动，增加雨水的水力停留时间，有利于悬浮颗粒物的沉降。
3.根据权利要求1所述的一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：过滤区从初沉区的末端开始，顺序逐层铺设不同粒径砂石填料形成三级过滤区，过滤填料分别为20～30mm圆形砾石、10～20mm中等砾石和5～10mm碎小砾石；过滤区的进、出水端均用可渗透的多孔无砂砼进行加固，顶端覆土铺设植生砖或者种植树木。
4.根据权利要求1所述的一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：净水反应区从上至下依次为灰白色鹅卵石铺面层，田园土和中粗砂混合层，透水土工布层和零价铁反应层和沸石层；田园土和中粗砂按照重量比约为1:2进行混匀；零价铁反应层由若干个便携可移动式零价铁反应箱组装而成；零价铁反应层下面铺设沸石层，沸石层下方布设穿孔收集管，在收集管的表面设置一层微孔滤网，保证填料颗粒不会从出水中流出；在净水反应区的边坡上种植湿生植物。
5.根据权利要求4所述的一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：零价铁反应箱以φ15的钢筋作为其骨架，以钢丝网作为其6个面，形成正方体的空间结构，反应箱一面的钢丝网设置为可开启式，钢丝网的孔径小于内部填料的直径。
6.根据权利要求4所述的一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：零价铁反应箱内填料由海绵铁、铁刨花和废铁屑三种中的一种或者多种组合而成，同时按照比例外加木屑。
7.根据权利要求4所述的一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：穿孔收集管的底部与放空管相连，并通过闸阀进行控制；顶部与溢流管相连通，用于应急排水；出水管设置在零价铁反应层的上端同一水平高度的位置，保证零价铁反应层形成淹水区，创造厌氧的环境；同时不影响田园土和中粗砂混合层的水量调蓄功能。
8.根据权利要求1所述的一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于：生物滞留池、前置初沉区和净化反应区的底部和侧边经过防渗处理，顶部铺设植生砖，并在岸边设置警示牌：雨天水深，禁止入内。
9.根据权利要求1所述的一种应用于海绵城市建设的强化脱氮除磷生物滞留池，其特征在于蓄集、净化雨水的过程包括如下步骤：
1）初沉区：雨水经过管道、人工汇水通道或者自然地形收集排入初沉区，进行自然沉降，去除雨水中大部分的悬浮颗粒物；
2）过滤区：经过初沉区静沉后的雨水通过可渗透的多孔无砂砼进入过滤区，三级过滤层对雨水中的杂质起到充分拦截和过滤的作用，同时砾石填料表面附着有微生物，形成生物膜对雨水中的有机物起到生物降解的作用；
3）净水反应区：净水反应区处理的雨水包括两部分，一部分来着过滤区的径流雨水，一部分是直接落下的雨水；反应区从上至下依次为灰白色鹅卵石铺面层，田园土和中粗砂混合层，透水土工布层和零价铁反应层沸石层；灰白色鹅卵石铺面层主要的目的是拦截直接落下的雨水中的杂质，同时，鹅卵石表面会形成生物膜对雨水中的污染物进行生物降解，另外灰白色鹅卵石位于最上层可以美观城市景观，营造亲水的环境；田园土和中粗砂混合层起到过滤和控制净化反应区水力停留时间的作用，也为下部的零价铁反应层创造厌氧的环境，同时土壤中含有大量的土著微生物，利于污染物的降解；零价铁反应层则内置表面积较大的含铁填料和木屑，为微生物的生长提供了良好的生长条件，从而形成零价铁/微生物耦合系统，净化了雨水中NO3 --N和有机物的去除，同时生成的Fe2+/Fe3+具有很好的絮凝作用，利于磷的去除；沸石层具有很好的吸附功能，起到最后的吸附污染物的作用，保障了出水水质，同时将吸附层设置在最后，延长了吸附层的使用寿命；在净水区的边坡上种植湿生植物，既利用植物根茎的吸收作用去除雨水中的部分污染物，也美化了环境。
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