CN107010730A - 一种生物滞留池过滤层填料及加工方法 - Google Patents

一种生物滞留池过滤层填料及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种生物滞留池过滤层填料及加工方法，其中生物滞留池过滤层填料由天然有机质和连续级配的粗砂、连续级配的中砂以及连续级配的细沙组成，其中粗砂、中砂、细砂以及天然有机质的重量百分比为：粗砂45~60%，中砂10~25%，细砂25~35%，天然有机质1~2%。本发明采用连续级配的砂料，相比现有的配比结构层更加稳定，在保证植物生长的前提下去掉了原土的成分，解决了生物滞留池运行过程中由于土壤板结造成的堵塞问题。同时本发明还公开了这种配合比的工厂化加工方法，将码头运来的原材烘干到含水率1~3%，即可搅拌均匀，且初始渗透系数也满足技术要求。本发明所述的配比使用的原料为连续级配，免去了筛分的过程，工厂化生产无需完全烘干，简化了工序，降低了成本。

Description

一种生物滞留池过滤层填料及加工方法
技术领域
本发明涉及海绵城市建设领域，尤其涉及一种采用本土化材料的生物滞留池过滤层填料及加工方法。
背景技术
现有的生物滞留池技术，主要是针对城市化不断发展，不透水面积快速增长所导致的雨水径流污染以及城市内涝频发等问题而产生的一种雨洪管理的新技术，也是海绵城市建设中一项关键技术。
常用的生物滞留池结构如图1所示，自上而下分别是滞留层、过滤层、过渡层、保水层和排水层。滞留层是系统预留的调蓄容积，有缓解洪峰的作用；过滤层是通过物化、生物处理等作用去除雨水径流中的污染物，同时也有缓解洪峰流量的作用；过渡层主要用于防止过滤层填料的冲刷损失；保水区(又叫淹没区)由粗砂和碳源或碎石和碳源组成，包含一个永久的含水区，在干旱季节用以植物和微生物群落的生长，同时提高了氮的去除率，保水层根据当地土壤类型和气候条件决定是否需要。本发明主要针对生物滞留池的过滤层提出一种填料的配合比。
生物滞留池过滤层主要通过填料的截留作用来去除雨水中的污染物，同时也是植物和微生物生长的载体，通过生物处理去除雨水中的污染物；生物滞留池过滤层还能通过滞留洪峰径流来减少生物滞留系统的进流和出流，缓解暴雨事件下城市市政排水系统的排涝压力。
过滤层填料的渗透系数需要满足一定的要求，在满足一定停留时间的同时也要达到一定的水力负荷要求；昆山地区目前多以澳大利亚生物滞留池设计指南为指导，过滤层渗透系数推荐范围是100～300mm/h。澳大利亚全年降雨较少，而昆山地区雨量充沛，雨季瞬时降雨负荷较大，渗透系数不宜过小；渗透系数也不宜过大，这会降低填料层的保水性，不利于植物的生长，所以设计渗透系数定为200～400mm/h。
昆山地区现有的生物滞留池过滤层材料由原土、细砂、中砂组成，参考成分为每100体积单位原土中添加150体积单位粗砂(粒径在1～2mm之间)、695体积单位中砂(粒径在0.25～1mm之间)，该配比使用原材料为断级配砂料，所得的混合料的结构稳定性差，雨水冲刷下填料损失严重，渗透系数难以保持稳定，运行一段时间水文水质效应退化明显。运行前后级配曲线如图2所示，运行前0.3mm以下的砂占比为48.4％，运行一段时间后占比降为22.8％，损失率为52.9％，细级料的损失严重。
现有的生物滞留池过滤层配合比为了保证植物生长，掺配一定比例(10～15％)的原土，比例较大，但是填料的初始渗透系数达到800～1000mm/h，超出了设计要求；昆山地区土壤为黏性土壤，渗透系数较小，运行一段时间土壤会出现板结问题，渗透系数降至100mm/h一下，波动幅度大，后期水文、水质效果差。
现有的生物滞留池过滤层配合比工厂化生产过程中，需要对原料进行筛分，原土进行粉碎烘干在混合搅拌，增加了生产的难度和成本。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对上述现有生物滞留池过滤层配合比存在的不足，而提供一种原材料易得，水文水质效应持久，工厂化生产工序简单、成本较低的生物滞留池过滤层填料及加工方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种生物滞留池过滤层填料，其特征在于：由天然有机质和连续级配的粗砂、连续级配的中砂以及连续级配的细沙组成，其中天然有机质、粗砂、中砂以及细砂的重量百分比为：
所述粗砂细度模数为3.1～3.8，中砂细度模数为1.8～2.7，细砂的细度模数为0.5～1.6，天然有机质为营养土、龙糠或木屑中的一种或任意组合，要求其中有机物含量(总有机碳TOC)的比例达到65％以上。
所述粗砂、中砂、细砂的重量百分比为：
所述粗砂、中砂和细砂均为黄河砂。黄河砂量大，易得，货源充足，采购方便。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明填料采用的粗砂、中砂和细砂均为连续级配，而不是筛分成不同粒径范围的几档料，没有破坏天然的砂结构，所得混合料结构相比现有的配比更加稳定，耐雨水冲刷，不会出现砂料流失造成的结构层破坏，从而导致渗透系数变大，水文水质效果下降。填料配合比中不含原土，昆山地区土壤多为黏性土，渗透系数小，且容易板结，自然条件下雨水下渗极其缓慢，配比中去掉原土，能提高生物滞留池长期运行稳定性。
2、单纯使用粗砂或中砂作为生物滞留池填料，运行前后细级料的损失率在10％以下；单纯使用粗砂或中砂时，砂粒之间孔隙较大，导致过滤层渗透系数偏大，滞留以及截留作用不足，需要与细砂混合来填补孔隙；单纯使用细砂时，由于细砂颗粒小，质地轻，雨水冲刷下稳定性不足，系统容易崩溃失效，且因为质地轻，水分蒸发的作用下也会使孔隙增大，从而造成渗透系数波动较大。所以本发明通过将粗砂、中砂和细砂按照45～60％：10～25％：28～32％混合来降低孔隙率，得到适宜的渗透系数；采用技术方案中的比例混合，能使渗透系数保持在200～400mm/h，运行前后细级料的损失率在5％以下，结构相对稳定。
3、填料配比范围进一步缩小后，级配曲线更加接近一条直线，结构更加稳定，初始的渗透系数在350～380mm/h，接近设计要求的上限值，效果更佳，因为实际工程中随着雨水冲刷的作用，填料进一步密实，渗透系数会出现小幅的下降。
4、填料配合比中通过外掺法(将天然有机质作为外加剂加入配比中)掺入质量百分比为1～2％的天然有机质，营养土为树叶、细枝经过粉碎后堆肥发酵的产物，天然有机质可以选择为营养土、龙糠、木屑等。用天然有机质替代原土在保证植物生长的同时，质量百分比相比原土(10～15％)也大大降低。且天然有机质如营养土等的结构松散，加之含量较少，不会造成填料的堵塞。当天然有机质含量超过2％时，配比渗透系数偏大，不满足规范要求；天然有机质含量取1～2％，足以保证植物的初期生长，国内雨水径流污染严重，富含天然有机质，可以满足生物滞留池后期运行过程中植物的生长需求。
5、本发明填料的配比中，粗砂、中砂及细砂均为连续级配的原材料，相比现有配比，省去了对原材料的筛分处理，同时去掉了原土也省去了对土壤的烘干与粉碎。考虑到现场施工时不能用干砂装填，重力作用会造成填料的二次分级，破坏混合料的结构，所以工厂化生产无需将砂料完全烘干。原材料含水率超过3％时，搅拌机无法将混合料搅拌均匀，结构不稳定；将原材料烘干至含水率1～3％，混合料即可完全搅拌均匀。该配合比生产方法减少了工序，节约了成本，也提高了施工质量。
附图说明
图1是生物滞留池的结构示意图；
图2为现有填料层运行前后级配曲线；
图3为实施例1原材料及混合料的级配曲线；
图4为实施例2原材料及混合料的级配曲线；
图5为实施例3原材料及混合料的级配曲线；
图6为实施例4原材料及混合料的级配曲线；
图7为实施例5原材料及混合料的级配曲线；
图8为实施例6原材料及混合料的级配曲线；
图9为实施例7原材料及混合料的级配曲线。
具体实施方式
实施例1：
本发明一种生物滞留池过滤层填料，包括以下重量百分比的成分：
在本实施例中，砂料均为黄河砂，所选粗砂细度模数为3.702，中砂细度模数为1.887，细砂的细度模数为0.625，天然有机质为营养土，是松针经过粉碎后堆肥发酵产物，单位质量有机物的质量百分比为67％。
将上述粗砂、中砂、细砂分别烘干至初始含水率1％后与营养土混合，并采用搅拌机搅拌均匀后形成填料。图3为实施例1原材料及混合料的级配曲线，所用粗、中、细砂均为连续级配的黄河砂，混合料级配接近一条直线，说明混合料各层级的砂砾料比例相当，雨水冲刷一段时间后，渗透系数没有大幅度上升，稳定在310～330mm/h之间，没有出现填料随雨水冲刷大量流失的现象，结构稳定。
实施例2：
本发明一种生物滞留池过滤层填料，包括以下重量百分比的成分：
在本实施例中，砂料均为黄河砂，所选粗砂细度模数为3.702，中砂细度模数为1.887，细砂的细度模数为0.625，天然有机质为营养土，是树叶经过粉碎后堆肥发酵产物，单位质量有机物的质量百分比为73％。
将上述粗砂、中砂、细砂分别烘干至初始含水率2％后与营养土混合，并采用搅拌机搅拌均匀后形成填料。
图4为实施例2原材料及混合料的级配曲线，所用粗、中、细砂均为连续级配的黄河砂，混合料级配接近一条直线，说明混合料各层级的砂砾料比例相当，雨水冲刷一段时间后，通过常水头渗透系数测定法测其渗透系数，具体方法为：取3～4kg混合料加入70型渗透仪中，加水至填料饱和，在保持液位高度不变的情况下连续进水一小时后，记录相应的数据，计算渗透系数(表1)，连续监测一段时间后，渗透系数没有大幅度上升，稳定在340～360mm/h之间，没有出现填料随雨水冲刷大量流失的现象，运行后混合料的级配曲线相比运行前的级配，0.3mm以下的细级料损失率仅为3％，基本没有影响结构的稳定性。
表1
实施例3：
本发明一种生物滞留池过滤层填料，包括以下重量百分比的成分：
在本实施例中，砂料均为黄河砂，所选粗砂细度模数为3.702，中砂细度模数为1.887，细砂的细度模数为0.625，天然有机质为营养土，是松针叶经过堆肥发酵后的产物，单位质量有机物的质量百分比为85％。
将上述粗砂、中砂、细砂分别烘干至初始含水率2.5％后与营养土混合，并采用搅拌机搅拌均匀后形成填料。
图5为实施例3原材料及混合料的级配曲线，所用粗、中、细砂均为连续级配的黄河砂，混合料级配接近一条直线，说明混合料各层级的砂砾料比例相当，雨水冲刷一段时间后，渗透系数没有大幅度上升，稳定在350～370mm/h之间，没有出现填料随雨水冲刷大量流失的现象，结构稳定。
实施例4：
本发明一种生物滞留池过滤层填料，包括以下重量百分比的成分：
在本实施例中，砂料均为黄河砂，所选粗砂细度模数为3.702，中砂细度模数为1.887，细砂的细度模数为0.625，天然有机质为细木屑，单位质量有机物的质量百分比为87％。
将上述粗砂、中砂、细砂分别烘干至初始含水率1.5％后与营养土混合，并采用搅拌机搅拌均匀后形成填料。
图6为实施例4原材料及混合料的级配曲线，所用粗、中、细砂均为连续级配的黄河砂，混合料级配接近一条直线，说明混合料各层级的砂砾料比例相当，雨水冲刷一段时间后，渗透系数没有大幅度上升，稳定在310～330mm/h之间，没有出现填料随雨水冲刷大量流失的现象，结构稳定。
实施例5：
本发明一种生物滞留池过滤层填料，包括以下重量百分比的成分：
在本实施例中，砂料均为黄河砂，所选粗砂细度模数为3.702，中砂细度模数为1.887，细砂的细度模数为0.625，天然有机质为营养土，是松针经过粉碎后堆肥发酵产物，单位质量有机物的质量百分比为85％。
将上述粗砂、中砂、细砂分别烘干至初始含水率2％后与营养土混合，并采用搅拌机搅拌均匀后形成填料。
图7为实施例5原材料及混合料的级配曲线，所用粗、中、细砂均为连续级配的黄河砂，混合料级配接近一条直线，说明混合料各层级的砂砾料比例相当，雨水冲刷一段时间后，通过常水头渗透系数测定法测其渗透系数，具体方法为：取3～4kg混合料加入70型渗透仪中，加水至填料饱和，在保持液位高度不变的情况下连续进水一小时后，记录相应的数据，计算渗透系数(表2)，连续监测一段时间后，渗透系数没有大幅度上升，稳定在330～350mm/h之间，没有出现填料随雨水冲刷大量流失的现象，运行后混合料的级配曲线相比运行前的基本吻合，0.3mm以下的细级料损失率仅为2.7％，基本没有影响结构的稳定性。
表2
实施例5对雨水径流污染的处理情况如下表：
表3
SS(mg/L) TN(mg/L) TP(mg/L)
进水 51 1.84 0.34
出水 12 1.06 0.09
去除率(％) 76.5 42 73.5
设计去除率(％) 75～90 33～45 60～70
实施例5对雨水径流污染物SS、TN、TP的去除率均能达到设计要求。
实施例6：
本发明一种生物滞留池过滤层填料配，包括以下重量百分比的成分：
在本实施例中，砂料均为黄河砂，所选粗砂细度模数为3.702，中砂细度模数为1.887，细砂的细度模数为0.625，营养土为松针经过粉碎后堆肥发酵产物，单位质量有机物的质量百分比为80％。
将上述粗砂、中砂、细砂分别烘干至初始含水率1％后与营养土混合，并采用搅拌机搅拌均匀后形成填料。
图8为实施例6原材料及混合料的级配曲线，所用粗、中、细砂均为连续级配的黄河砂，混合料级配接近一条直线，说明混合料各层级的砂砾料比例相当，雨水冲刷一段时间后，渗透系数没有大幅度上升，稳定在310～330mm/h之间，没有出现填料随雨水冲刷大量流失的现象，结构稳定。
实施例7：
本发明一种生物滞留池过滤层填料配，包括以下重量百分比的成分：
在本实施例中，砂料均为黄河砂，所选粗砂细度模数为3.702，中砂细度模数为1.887，细砂的细度模数为0.625，天然有机质为龙糠，单位质量有机物的质量百分比为86％。
将上述粗砂、中砂、细砂分别烘干至初始含水率3％后与营养土混合，并采用搅拌机搅拌均匀后形成填料。
图9为实施例7原材料及混合料的级配曲线，所用粗、中、细砂均为连续级配的黄河砂，混合料级配接近一条直线，说明混合料各层级的砂砾料比例相当，雨水冲刷一段时间后，渗透系数没有大幅度上升，稳定在370～390mm/h之间，没有出现填料随雨水冲刷大量流失的现象，结构稳定。

Claims (5)

1.一种生物滞留池过滤层填料，其特征在于：由天然有机质和连续级配的粗砂、连续级配的中砂以及连续级配的细沙组成，其中粗砂、中砂、细砂以及天然有机质的重量百分比为：
所述粗砂细度模数为3.1～3.8，中砂细度模数为1.8～2.7，细砂的细度模数为0.5～1.6，所述天然有机质中有机物含量的比例达到65％以上。
2.根据权利要求1所述的生物滞留池过滤层填料，其特征在于：所述粗砂、中砂、细砂的重量百分比为：
。
3.根据权利要求2所述的生物滞留池过滤层填料，其特征在于：所述粗砂、中砂和细砂均为黄河砂。
4.根据权利要求1-3任一所述的生物滞留池过滤层填料，其特征在于：天然有机质为营养土、龙糠或木屑中的一种或任意组合，天然有机物中总有机碳TOC的比例达到65％以上。
5.一种如权利要求1、2、3或4所述生物滞留池过滤层填料的加工方法，其特征在于：在无需筛分的前提下将连续级配的粗砂、中砂和细砂分别烘干至初始含水率1～3％；按比例将烘干后的粗砂、中砂、细砂及天然有机质进行混合搅拌均匀。
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