CN108585171A - 一种适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，由进水设施、溢流设施、植物、填料层、内部水位调控设施以及排水设施共同组成。所述进水设施通过表层进水管拦截降雨初期水质极差的径流，所述溢流设施包括溢流堰和溢流管，所述植物种植在填料层表面，并根据植物除氮特性优化植物的种植模式，所述填料层通过加入新型脱氮材料实现高效除氮，所述排水设施利用在系统底部设置的穿孔排水管，促进系统内雨水径流的入渗、截留和排放。所述内部水位调控设施为U型管，通过U型管的连通器原理在进水过程中形成内部蓄水层，U型管高度可调整，以营造氮去除所需的好氧和厌氧交替的环境，U型管顶部设置传感器控制进水，以保证对初雨的有效蓄滞。

Description

一种适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统

技术领域

本发明涉及一种适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，属于水处理领域。

背景技术

海绵城市建设已然成为国家治水战略的重中之重。然而在国家大力推进的“海绵城市”建设的背景之下，对海绵城市措施的设计和优化仍有待加强。生物滞留系统以其高效的径流持留能力、削峰减量能力以及污染负荷削减能力成为国内外低影响开发推广应用的主要措施之一。

但现有技术措施侧重内涝的治理及水量的调节，忽略了其对雨水水质尤其是初期雨水的净化功能。研究表明降雨过程中占总径流量20％～25％的初期径流可以冲刷排放50％径流排污量。雨水污染物的浓度高峰区基本处于降雨初期的5 min-15min，雨水溶解空气中大量污染性气体，冲刷屋顶、路面，造成初期雨水污染程度极高，在氮污染严重区域，初雨中的氮含量达到8.0-20.0mg/L，是地表 V类水水质标准的4-10倍。而现有技术未能针对初期雨水的特点，加强对初期雨水的净化和调控。已公开的专利(CN203700035U)：一种增强暴雨径流中氮去除效果的生物滞留池，该专利确定的除氮措施主要加入了反滤回流附件以创造内部缺氧区，但外部储水池的建造对于土地紧缺地区难度较大，且未考虑综合植物和填料的作用，高效除氮的成效有限，同时也未考虑城市雨水的初期效应，可能导致出现初期雨水净化效果不理想等问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，结构合理，运行较好。进入系统中的氮可以通过氨挥发、介质吸附、植物吸收、微生物硝化/反硝化作用等过程得到去除，其中硝化/反硝化是脱氮的主要途径。针对氮污染转化需要好氧-厌氧交替环境的特点，结合多种除氮措施，高效降低雨水中的氮含量。针对初雨水质差水量小的特点，防止后期雨水对初期雨水净化的影响，将初雨有效地单独收集处理。本发明结合最新研究成果，综合并改进多种除氮措施，弥补了传统生物滞留系统除氮能力较低以及忽略初期雨水水质差水量小特点的不足，可为海绵城市建设提供技术参考。

技术方案：一种适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，包括进水设施、溢流设施、植物、填料层、内部水位调控设施以及排水设施。

所述生物滞留系统从上至下依次为覆盖层、填料层和砾石层，生物滞留系统底部及侧壁为非渗透层，其底部高于地下水位至少0.3m，以保证地下水不会受到污染。所述进水设施设在生物滞留系统上方，植物种植在填料层，排水设施设在砾石层内部，内部水位调控设施与排水设施连通，溢流设施设置在生物滞留系统内。

针对氮污染物转化需要好氧-厌氧交替环境的特征，该生物滞留系统结合多种措施，考虑高效脱氮所需条件，促进硝化/反硝化作用在系统内部有效进行，保障系统对高浓度氮污染物的吸收和净化。

针对初期雨水污染物浓度高、流量大、历时短的特点，充分考虑对初雨的有效拦截和蓄滞，综合填料及进、排水设施等的特性，有效控制和滞蓄进入系统的径流总量，设置溢流堰增加蓄滞水量、采取了改进填料增大孔隙率、增设排水设施促进下渗等措施，在生物滞留系统对雨水有限渗滤的条件下加强了其对初雨的拦蓄能力，以保证生物滞留系统对初雨的充分渗滤和净化。

所述填料层高度为100cm，其上为5cm覆盖层，其下为20cm砾石层。所述覆盖层为树皮覆盖。所述砾石层由粒径为15-30mm的碎砾石组成。所述填料层为椰壳、珍珠岩和生物炭负载纳米零价铁的混合物，质量配比为50％的椰壳、 40％的珍珠岩、10％的生物炭负载纳米零价铁。所述砾石层与填料层之间铺设透水土工布。

所述植物种植在填料层表面，植物组合为：再力花+梭鱼草+水葱+香蒲+常绿水生鸢尾，相间种植，种植密度为50株/m²，全部采取地上人工收割，收割时间分别为：再力花和梭鱼草2月，水葱和香蒲11月，常绿水生鸢尾7月。选择再力花、梭鱼草、水葱、香蒲、常绿水生鸢尾五种除氮效果显著的植物，并根据植物除氮特性优化植物的种植模式。

所述进水设施为设置在覆盖层上方的表层进水管。所述进水设施通过表层进水管拦截降雨初期水质极差的径流，优化了以往生物滞留系统与系统外部雨水管相连可能存在雨污混流等问题，不能充分净化初期雨水的弊端。

所述溢流设施包括溢流堰和溢流管，溢流堰为正方形溢流堰，设置于生物滞留系统中部，溢流口超覆盖层高为100mm，溢流管在溢流堰底部。溢流堰和溢流管可以保证有效蓄滞初雨，保障净化效果。

所述排水设施为穿孔PVC排水管，直径为100mm，穿孔孔径为7mm，纵向坡度为0.5％，设置在砾石层内部。促进系统内雨水径流的入渗、截留和排放。

所述内部水位调控设施为U型管，U型管一端与系统内部排水管连接，一端与外部雨水管连接。U型管上部的弯管下设有可伸缩直管，用于调节U型管高度，变化范围为20-70cm。U型管顶部设置传感器，水压达到90Pa即关闭进水管。通过U型管的连通器原理在进水过程中形成内部蓄水层，并增设可伸缩直管调节水深以营造氮去除所需的好氧和厌氧交替的环境，以及传感器以保证对初雨的有效蓄滞。

有益效果：相对于现有技术，本发明提供的适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，综合多种措施提高除氮能力，整个设计简单灵活，适用性强。与传统的生物滞留系统相比，主要是四个部分的改进：

(1)植物：在生物滞留系统中，多种植物配置的脱氮效果好于单一种植，物种多样有利于系统的健康发展。选择再力花、梭鱼草、水葱、香蒲和常绿水生鸢尾组合种植，采取相间种植的方式以减小物种间的相互侵占，五种植物的相关特性如表1所示。

表1种植植物及相关特征

种植的五种植物皆是有较强除氮能力的水生植物，其抗寒耐热能力的差别使得该生物滞留系统的植物作用在全年都能得到有效发挥。在夏季高温时，再力花和梭鱼草生长不受影响；在冬季低温时，常绿水生鸢尾仍能正常生长；水葱和香蒲在全年大多数时间都生长良好。植物除氮机理除了自身吸收利用外还包括促进微生物活性、增强基质填料吸附缓冲能力、提供更多的好氧-厌氧微环境等。生物脱氮的关键在于硝化和反硝化，硝化作用需要大量的氧，而反硝化作用则是在厌氧条件下进行的。植物作用的重要表现之一是植物的根系泌氧能力，根系泌氧作用对硝化和反硝化作用影响显著，根际泌氧能力强，使得根际溶解氧含量相对较高，其根际亚硝化细菌和硝化细菌的数量相对较高，而在根际泌氧能力弱及非根际处反硝化细菌数量较高。该生物滞留系统的氮循环细菌在全年都能保持在一个较高的水平，即使在冬季低温时单位亚硝化细菌、反硝化细菌数量也分别能达到30000g^-1、40000g^-1。

收割方式为地上人工收割，减少对生物滞留系统的影响。确定最佳的收割期时，综合考虑其吸收净化能力、生长特性以及观赏价值。再力花和梭鱼草在10 月后除氮能力逐渐下降，但若此时收割根系安全越冬率仅50％，死亡的根系促进植物腐解，使营养物质大量释放，因此将收割时间确定为2月温度回升之前，以提高根系安全越冬率；水葱和香蒲在11月份地上部分氮含量达到最高值，约 25-35g/kg，此时收割能最大限度地从生物滞留池中带走氮，且不影响此两种植物的安全越冬；常绿水生鸢尾作为冬季除氮的主要贡献者，应在夏季7月收割较为合理，同时也能提高夏季生物滞留系统的通气性。

(2)介质：去除传统生物滞留系统中的土壤层，选择质地更疏松的填料，提高其下渗率可达5mm/min，下渗情况良好，对于不同降雨类型即使是前期雨量大的雨型，也能够有效拦蓄其初期雨水径流，同时增加孔隙率提高了氧含量，利于硝化反应进行。

通过反硝化去除的氮量占总氮量约45％左右，所以应加入碳源以满足反硝化需求。最新研究发现椰子壳是一种很好的慢媒介，为反硝化过程提供了足够的保留时间，同时也可作为碳源，有非常好的脱氮能力和保水能力，亦可为细菌提供附着场所，其对氮的去除的主要机制是生物过程。在快媒介中，珍珠岩具有最佳的处理性能，保留时间较短，物理化学过程占主导地位。在高效除氮需求的生物滞留系统中选择两者的组合作为主要填料介质。同时考虑将纳米材料应用在水处理中，在介质中再加入10％的生物炭负载纳米零价铁进行修正，提高对氮的去除效率。

(3)溢流设施及排水设施：溢流设施包括溢流管和溢流堰，溢流堰主要用于雨水峰值的控制，为正方形溢流堰，设置于生物滞留设施中部，溢流口超高为 100mm，溢流管在溢流堰底部。在初雨雨强较大导致来不及下渗的情况下，也能最大限度的蓄滞初期雨水。在生物滞留系统底部增设排水设施来提高其渗透性能，促进雨水的入渗、截留和排放，缓慢持续地将下渗雨水量排出。关于排水管各部分尺寸，可以采取《海绵城市建设技术指南》中径流总量控制标准，根据 Colebrook-White公式对其管径尺寸进行推算，根据孔口公式对其孔径进行推算。根据南京城区的情况初步确定穿孔PVC排水管直径为100mm，穿孔孔径为7 mm，纵向坡度为0.5％。

(4)内部蓄水层：通过U型管的连通器原理在进水过程中形成内部蓄水层，内部蓄水层使系统内的水力停留时间延长，水中的氮能够与填料、植物以及微生物充分接触，促进填料吸附，植物和微生物的吸收，同时在填料层下部形成缺氧环境，利于反硝化反应进行，提高了硝态氮的去除率。但水力停留时间过长，会出现水温升高、pH值变化、填料解吸附等现象，则导致去除率降低，所以设计一种可以调节高度的U型管，弯管下组合可伸缩直管，根据具体情况调节蓄水层深度，使得蓄水层深度可以在0至50cm范围变化，在U型管顶部设置传感器，当水压达到90Pa时输出信号，进水管前部接收信号，关闭管道。在降雨后期，若进水管收集的雨水径流流量较小，生物滞留系统的净化作用仍能有效进行，雨水仍可进入系统再缓慢排除；若流量较大，则之后的雨水径流直接排放不再进入生物滞留系统，以此防止大量后期雨水进入导致初期雨水无法充分净化。初期的雨水径流停留在U型管形成生物滞留系统的内部蓄水层中进行净化处理，弥补了传统生物滞留系统对城市初雨中含氮污染物去除的不足。

附图说明

图1为生物滞留系统结构示意图；

图中编号：1为覆盖层，2为填料层，3为砾石层，4为植物，5为进水管， 6为溢流堰，7为溢流管，8为排水管，9为U型管。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1：如图1所示，本发明的生物滞留系统包括：覆盖层1、填料层2、砾石层3、植物4、进水管5、溢流堰6、溢流管7、排水管8、U型管9。

生物滞留系统从上至下依次为覆盖层1、填料层2和砾石层3，生物滞留系统底部及侧壁为非渗透层，其底部高于地下水位至少0.3m，进水管5设在生物滞留系统上方，植物4种植在填料层2，穿孔PVC排水管8，直径为100mm，穿孔孔径为7mm，纵向坡度为0.5％，设置在砾石层3内部，溢流堰6高出覆盖层1 100mm，U型管9一端与系统内部排水管8连接，一端与外部雨水管连接， U型管9上部的弯管下设有可伸缩直管，用于调节U型管9高度，变化范围为20-70cm，U型管9顶部设置传感器，水压达到90Pa即关闭进水管5。

收集的雨水径流首先通过进水管5进入生物滞留系统，然后依次经过覆盖层 1、填料层2、砾石层3，进入穿孔排水管8。当蓄水深度达到U型管9的设置，但通过U型管9的排水水压未达到90Pa时正常排放，也可用作市政杂用水或作景观水体补充水；当蓄水深度达到U型管9的设置，但进入系统的水量仍较大使得通过U型管9的排水水压大于90Pa时，进水管关闭，收集的雨水径流直接排放到雨水管道而不进入系统。当径流量过大时，超过下渗能力的径流可由溢流堰6蓄滞，蓄滞水深超过溢流口超高则由溢流管7排放。

植物4选取再力花、梭鱼草、水葱、香蒲和常绿水生鸢尾，相间种植，种植密度为50株/m²，采取地上人工收割，收割时间分别为：再力花和梭鱼草2月，水葱和香蒲11月，常绿水生鸢尾7月。五种植物组合除氮能力强，管理布局合理，也有一定的景观效益。

填料层2由质量为50％的椰壳、40％的珍珠岩、10％的生物炭负载纳米零价铁组成，孔隙率高，能有效截留滤渗初雨。椰壳作为除氮效果好的慢媒介，亦可作为反硝化碳源，与性能好的快媒介珍珠岩组合，并以质量10％的生物炭负载纳米零价铁进行修正。

溢流堰6高为100mm，在进水流量较大时有效蓄滞初雨，保障对初雨的拦截和净化。

穿孔PVC排水管8直径为100mm，穿孔孔径为5mm，纵向坡度为0.5％，排水设施的加入促进雨水下渗，也可以使处理后的雨水得到有效的利用。

U型管9连接排水管，创造了内部蓄水层，适当延长了雨水在生物滞留系统中的停留时间，能够提供稳定的水源，有利于植物的生长，同时缺氧状态利于反硝化的进行。U型管高度可根据具体情况调节，变化范围为20-70cm，对应蓄水深度在20-50cm。另针对初雨特点设置传感器，控制进水，防止后期雨水影响初期雨水的滤渗和净化。

设置三种生物滞留柱模拟降雨试验：利用该生物滞留系统为原型构建的生物滞留柱A，传统以土壤为主要填料的生物滞留柱B及以沸石为填料传统排水管道的生物滞留柱C。使用自来水配置进水TN浓度约为15.0mg/L，进水流速约为4cm/h，其脱氮处理效果如表所示。

表2三种生物滞留柱的脱氮处理效果

由表可知，生物滞留柱A的总氮脱除效果明显优于另两种设置，可见相较于传统生物滞留池，本发明的设计显著提高了对氮的去除率。

本发明综合多种高效除氮措施同时结合初期雨水特点，对于具有相同深度的生物滞留系统，不仅在短时内的脱氮效果明显，在全年内亦能有效去除初雨中的氮元素，大幅度减小初雨中的氮污染。

Claims (9)

1.一种适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，其特征在于，包括进水设施、溢流设施、植物、填料层、内部水位调控设施以及排水设施；

所述生物滞留系统从上至下依次为覆盖层、填料层和砾石层，生物滞留系统底部及侧壁为非渗透层，其底部高于地下水位至少0.3 m，所述进水设施设在生物滞留系统上方，植物种植在填料层，排水设施设在砾石层内部，内部水位调控设施与排水设施连通，溢流设施设置在生物滞留系统内。

2. 如权利要求1所述的适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，其特征在于，所述填料层高度为100 cm，其上为5 cm覆盖层，其下为20 cm砾石层；所述覆盖层为树皮覆盖；所述砾石层由粒径为15-30 mm的碎砾石组成；所述填料层为椰壳、珍珠岩和生物炭负载纳米零价铁的混合物，质量配比为50%的椰壳、40%的珍珠岩、10%的生物炭负载纳米零价铁。

3.如权利要求1所述的适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，其特征在于，所述砾石层与填料层之间铺设透水土工布。

4.如权利要求1所述的适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，其特征在于，所述植物种植在填料层表面，植物组合为：再力花+梭鱼草+水葱+香蒲+常绿水生鸢尾，相间种植，种植密度为50株/m²，全部采取地上人工收割，收割时间分别为：再力花和梭鱼草2月，水葱和香蒲11月，常绿水生鸢尾7月。

5.如权利要求1所述的适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，其特征在于，所述进水设施为设置在覆盖层上方的表层进水管。

6. 如权利要求1所述的适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，其特征在于，所述溢流设施包括溢流堰和溢流管，溢流堰为正方形溢流堰，设置于生物滞留系统中部，溢流口超覆盖层高为100 mm，溢流管设置在溢流堰底部。

7. 如权利要求1所述的适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，其特征在于，所述排水设施为穿孔PVC排水管，直径为100 mm，穿孔孔径为7 mm，纵向坡度为0.5%，设置在砾石层内部。

8.如权利要求1所述的适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，其特征在于，所述内部水位调控设施为U型管，U型管一端与系统内部排水管连接，一端与外部雨水管连接，U型管顶部设置传感器，水压达到90Pa即关闭进水管。

9. 如权利要求1所述的适用于处理氮污染严重区域城市初雨的生物滞留系统，其特征在于，所述U型管上部的弯管下设有可伸缩直管，用于调节U型管高度，变化范围为20-70cm。