CN109279699A

CN109279699A - 一种可用于面源径流污染处理的强化复合填料

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Publication number: CN109279699A
Application number: CN201810853735.7A
Authority: CN
Inventors: 李秀玉; 胡玖坤; 王淼; 张科峰
Original assignee: Dajiang Environment Ltd By Share Ltd
Current assignee: Dajiang Environment Ltd By Share Ltd
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2019-01-29

Abstract

本发明提供一种可用于面源径流污染处理的强化复合填料，主要应用于雨水径流带来的面源污染治理，包括城市和农村输入性面源污染净化。该填料从上至下依次设置为：过滤层填料、过渡层填料和排水层填料；本发明的各层填料之间存在着内在的联系，并且对于填料有明确的粒径分布要求，细化至不同粒径范围内介质的百分比；同时还规定了介质中化学物质的具体含量、pH值的范围，以及介质的渗透系数。此外，强化复合型填料不同分层混合有供植物生长的肥料、吸附颗粒、缓释性碳源和复合微生物制剂，保证生物滞留池能够长期、高效地处理雨水中的污染物质，尤其是对脱氮除磷有着显著的效果。

Description

一种可用于面源径流污染处理的强化复合填料

技术领域

本发明涉及水环境治理技术领域，尤其是一种能够用于有效降低雨水径流峰值和体积，并有效去除径流污染中所含悬浮物、氮、磷等营养物质、重金属、病原菌、碳氢化合物和一些微量有机污染物的过滤性设施的填料，具体地说是一种可用于面源径流污染处理的强化复合填料。

背景技术

现阶段所实施的雨水滞留设施填料大部分均使用土壤或砂土混合物养殖植物，并通过植物生长促进雨水的处理，少部分雨水生物滞留填料使用分层结构。

目前，现有分层结构的雨水滞留设施的填料设置只关注于每层填料的性质，并没有关注于各层填料之间的关系，这样导致了大量滞留设施内的堵塞，对于雨水径流的处理产生了一定的消极影响，需要考虑不同层之间的关系，保证一定的渗透速率，以达到顺畅排水的效果。

另外，现有滞留设施的填料未充分考虑分层添加不同功能性的物质，并有针对性地对不同污染物进行去除，为更好地满足水环境治理需求，需考虑以更大程度增强脱氮除磷的效果，从而得到洁净的水源。

发明内容

本发明的目的是针对填料不同分层之间的关系以及增强填料长时间发挥作用效率问题，提出一种可用于面源径流污染处理的强化复合填料；从填料长时间发挥净化作用的角度，为增加污染物去除效果，增加缓释性碳源和复合微生物制剂，为微生物生长提供条件，形成有益的生态环境，增强脱氮除磷的效能，使填料能够持续发挥良好的污染物去除能力，得到干净的水源。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种可用于面源径流污染处理的强化复合填料，该填料从上至下依次设置为：过滤层填料、过渡层填料和排水层填料，填料中分层添加供植物生长的肥料、吸附颗粒、缓释性碳源和复合微生物制剂；

过渡层填料和过滤层填料所选用的介质原料满足下述筛选条件：D₁₅(过渡层填料)≤

5×D₈₅(过滤层填料)；

过渡层填料和排水层填料所选用的介质原料满足下述筛选条件：

D₁₅(排水层填料)≤5×D₈₅(过渡层填料)。

其中，D₁₅表示使15％质量的介质滞留的滤网的尺寸，D₈₅表示使85％质量的介质滞留的滤网的尺寸；

进一步地，过滤层填料、过渡层填料和排水层填料均满足下述条件：pH：5.5～7.5；总氮含量<1000mg/kg；磷酸盐含量<80mg/kg；有机质含量<5％,其中过滤层填料介质的粒径分布应满足表1要求；

表1

	筛网尺寸(μm)	滞留筛网的百分比
			泥土	<50	<3％
极细颗粒	50-150	5-30％
			细颗粒	150-250	10-30％
中等细颗粒	250-500	40-60％
			粗颗粒	500-1000	25％
极粗颗粒	1000-2000	0-10％
			大颗粒	2000-3400	<3％

进一步地，复合填料的介质渗透系数不超过500mm/hr，最优范围为100～500mm/hr。

进一步地，过滤层填料高度为400～600mm；过渡层填料高度为200～300mm；排水层填料高度为100～200mm。

进一步地，过滤层填料自上表面至下的0～100mm深度处添加供植物生长的肥料；每100m²表面积的填料中添加0～82kg供植物生长的肥料；所述的供植物生长的肥料中含有如下成分：动物有机粪肥61％，过磷酸钙2.4％，硫酸镁3.7％，硫酸钾2.4％，微量元素1.2％，氮磷钾肥4.9％，生石灰24.4％。

进一步地，过滤层填料中层添加吸附颗粒，优选活性炭和零价铁，或者沸石和零价铁；为过滤层填料质量的3％～5％；为经济性考虑，沸石和零价铁的组合为性价比最优选择。

进一步地，在过渡层填料中添加缓释性碳源，优选植物生物质天然碳源，植物生物质天然碳源优选玉米芯、稻壳、木屑或者秸秆，或者由玉米芯、稻壳、木屑或者秸秆经过加工产生的固体碳源；添加的缓释性碳源质量占过渡层填料的1％～3％。

进一步地，过渡层填料中添加复合微生物制剂或者由复合微生物制剂、缓释性碳源以及壳聚糖制备的多层包埋颗粒。

一种面源径流污染处理的强化复合填料的筛选方法，该方法包括以下步骤：

S1、取介质原料进行编号，采用多层筛网对若干种介质原料进行过筛处理，得到各种介质原料的粒度分布曲线；

S2、根据前述粒径分布曲线分别获取各介质原料过筛处理时，能够使15％和85％质量的介质滞留的滤网尺寸D_15i和D_85i,i表示介质原料的编号；

S3、配置过滤层填料介质；

S4、根据各介质原料的D_15i和D_85i筛选能够填充过渡层填料和排水层填料的介质原料，过渡层填料和排水层填料所选用的介质原料分别满足下述筛选条件：

D₁₅(过渡层填料)≤5×D₈₅(过滤层填料)

D₁₅(排水层填料)≤5×D₈₅(过渡层填料)

其中：D₁₅表示使15％质量的介质滞留的滤网的尺寸；D₈₅表示使85％质量的介质滞留的滤网的尺寸；

S5、在符合过渡层填料的介质原料中选择至少一种作为对应的过渡层填料；在符合排水层填料的介质原料中选择至少一种作为对应的排水层填料，完成复合填料的筛选。

进一步地，多层筛网层数不少于6层，能够灵活设置；其中，最大孔径的筛网约为3400微米，最小孔径的筛网约为50微米。

本发明的有益效果：

本发明的复合填料能够以预制的模块结构进行填充，且各层填料之间存在着内在的联系，并且对于填料有明确的粒径分布要求，细化至不同粒径范围内介质的百分比；同时还规定了介质中化学物质的具体含量、pH值的范围，以及介质的渗透系数，以保证输入性径流能够在有效时间内得到过滤处理，并且长时间运行不至于堵塞。此外，强化复合型填料中还混合活性炭、零价铁、缓释性碳源和复合微生物制剂，保证能够高效地处理雨水中的污染物质，尤其是对脱氮除磷有着显著的效果。

本发明的复合填料能够提高对输入径流的处理效率，增强物理处理能力(吸附作用)，化学处理能力(氧化还原反应)，生物处理能力(微生物生化反应)，提高脱氮除磷效率；促进填料中良好生物生态环境形成，增强长时间脱氮除磷效率。

本发明的复合填料主要应用于雨水径流带来的面源污染治理，包括城市和农村输入性面源污染去除和水质净化，涉及道路、停车场、广场、屋顶、绿地、农田等场地的雨水、以及雨污混合污水，应用场景包括生物滞留设施、过滤树池、道路过滤设施、垂直流湿地等过滤性净化设施，该复合填料可长时间保持净化能力，不易堵塞，形成良好的生物净化局部环境；从经济性来讲，该填料性价比高，因其良好的性能可降低维护成本，并可进一步实现工厂化生产。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了候选介质的粒径分布曲线示意图。

图2示出实施例一中，五次连续自然降雨事件前后固体悬浮物TSS浓度对比曲线。

图3示出实施例一中，五次连续自然降雨事件前后总氮TN浓度对比曲线。

图4示出实施例一中，五次连续自然降雨事件前后总磷TP浓度对比曲线。

图5示出实施例二中，十二次降雨事件进水前后固体悬浮物TSS浓度对比曲线。

图6示出实施例二中，十二次降雨事件进水前后总氮TN浓度对比曲线。

图7示出实施例二中，十二次降雨事件进水前后总磷TP浓度对比曲线。

图8示出实施例三中，六次连续自然降雨事件前后固体悬浮物TSS浓度对比曲线。

图9示出实施例三中，六次连续自然降雨事件前后总氮TN浓度对比曲线。

图10示出实施例三中，六次连续自然降雨事件前后总磷TP浓度对比曲线。

具体实施方式

下面将描述本发明的优选实施方式，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

过渡层填料和过滤层填料所选用的介质原料满足下述筛选条件:

D₁₅(过渡层填料)≤5×D₈₅(过滤层填料)；

排水层填料和过渡层填料所选用的介质原料满足下述筛选条件：

D₁₅(排水层填料)≤5×D₈₅(过渡层填料)。

进一步地，过滤层填料、过渡层填料和排水层填料均满足下述条件：pH：5.5～7.5；总氮含量<1000mg/kg；磷酸盐含量<80mg/kg；有机质含量<5％；复合填料的介质渗透系数不超过500mm/hr，最优范围为100～500mm/hr，其中过滤层填料介质的粒径分布应符合表1。

进一步地，过滤层填料高度为400～600mm；过渡层填料高度为200～300mm；排水层填料高度为100～200mm；过滤层填料自上表面至下的0～100mm深度处添加供植物生长的肥料；每100m²表面积的填料中添加0～82kg供植物生长的肥料；所述的供植物生长的肥料中含有如下成分：动物有机粪肥61％(所述的动物为：羊、牛等中等畜牧产生的粪便)，过磷酸钙2.4％，硫酸镁3.7％，硫酸钾2.4％，微量元素(采用Fe，Mn，Zn，B中的一种或多种)1.2％，氮磷钾肥4.9％，生石灰24.4％。

过滤层填料中层添加吸附颗粒，优选活性炭和零价铁，或者沸石和零价铁；为过滤层填料质量的3％～5％，为经济性考虑，沸石为性价比最优选择，添加零价铁对微生物的脱氮除磷过程有协同促进作用。

在过渡层填料添加缓释性碳源，优选植物生物质天然碳源，植物生物质天然碳源优选玉米芯、稻壳、木屑或者秸秆，或者由玉米芯、稻壳、木屑或者秸秆经过加工产生的固体碳源；添加的缓释性碳源质量占过渡层填料的1％～3％。

过渡层填料添加复合微生物制剂或者由复合微生物制剂、缓释性碳源以及壳聚糖制备的多层包埋颗粒。

方案一：复合微生物制剂是由具有脱氮除磷作用的5种微生物混合制成的海藻酸钠包埋颗粒，包括耐低温反硝化作用陶厄氏菌CCTCCNo.M2011497，反硝化作用代尔夫特菌CGMCCNo.4345，除磷的假单胞菌CGMCCNo.4169，解糖假苍白杆菌CGMCC No.8749，分解有机物枯草芽孢杆菌CGMCC No.1.2162，前述菌液的体积比为5:3:2:1:1；复合微生物制剂用量在每立方米100～300g。

方案二：将微生物制剂与缓释性碳源混合在一起，外层包裹壳聚糖制成多层包埋颗粒，前述缓释性碳源为制成颗粒的玉米芯、稻壳、木屑或者秸秆：复合微生物制剂采用陶厄氏菌剂、枯草芽孢杆菌剂和/或假单胞菌剂，当采用三种菌剂时，按3:2:1进行均匀混合，缓释性碳源、微生物制剂和壳聚糖的质量比分别为500:1:10，多层包埋颗粒用量在每立方米300～500g。

本发明提供一种可用于面源径流污染净化处理设施的功能强化复合填料，该填料从上至下依次设置为：过滤层填料、过渡层填料和排水层填料，制备时采用以下步骤：

S1、取介质原料进行编号，采用多层筛网对若干种介质原料进行过筛处理，对滞留在各层筛网的介质进行称重，得到各种介质原料的粒度分布曲线；具体的，以7层筛网为例，各层筛网的孔径从小至大依次为：50微米、150微米、250微米、500微米、1000微米、2000微米和3400微米，采用前述七层筛网对8种介质原料进行过筛处理，称重得到如图1所示的候选介质的粒径分布曲线示意图。

S3、配置过滤层填料的介质，以表2粒径分布情况为例；

表2

	筛网尺寸(μm)	滞留筛网的百分比
			泥土	<50	<3％
极细颗粒	50-150	5-30％
			细颗粒	150-250	10-30％
中等颗粒	250-500	40-60％
			粗颗粒	500-1000	25％
极粗颗粒	1000-2000	0-10％
			大颗粒	2000-3400	<3％

D₁₅(过渡层填料)≤5×D₈₅(过滤层填料)；

D₁₅(排水层填料)≤5×D₈₅(过渡层填料)

其中：D₁₅表示使15％质量的介质滞留的滤网的尺寸；D₈₅表示使85％质量的介质滞留的滤网的尺寸；进一步筛选介质原料的化学物质含量，满足表3要求：

表3

项目	标准数值
		pH	5.5-7.5
总氮含量	<1000mg/kg
		磷酸盐含量	<80mg/kg
有机质含量	<5％

S5、在符合过渡层填料的介质原料中选择至少一种作为对应的过渡层填料；在符合排水层填料的介质原料中选择至少一种作为对应的排水层填料，配置复合填料；

S6、根据筛选出的各层介质原料，配置过滤层填料、过渡层填料和排水层填料，使渗透系数不超过500mm/hr；

S7、在过滤层填料表层添加有机肥料，中层添加活性炭或沸石和零价铁，根据项目应用要求，在过渡层填料添加缓释性碳源和复合微生物制剂或由缓释性碳源、微生物制剂和壳聚糖制成的包埋颗粒。

实施例1

应用在某城市道路旁的5m²小型生物滞留设施中，以过滤净化来自两侧道路的雨水径流，净化后排至雨水管道。其中：填料总体高度0.8m，过滤层填料高度为400mm，过渡层填料高度为300mm，排水层填料高度为100mm，最大渗透速率不超过360mm/hr，化学物质含量及粒径分布性质均符合要求参数，其中在0～100mm填料中增加3kg有机肥料，供植物生长存活；过滤层填料添加活性炭和零价铁混合物70kg；过渡层填料添加以木屑为碳源的复合微生物包埋颗粒填料36kg。待该设施运行稳定后，对5次连续自然降雨事件测试净化前后雨水径流主要的污染物进行测试分析，如图2-4所示，主要污染物去除效率分别为TSS>99％，TN>75％，TP>70％，数据详见表4。

表4

实施例2

应用在某公园的300m²大型生物滞留池中，净化周边绿地、道路、停车场汇集的雨水径流，同时进水中混合周边小区漫流径流，净化后排入河道中。其中：填料总体高度1.1m，过滤层填料高度为600mm，过渡层填料高度为300mm，排水层填料高度为200mm，最大渗透速率不超过500mm/hr，化学物质含量及粒径分布性质均符合文中所载要求参数，其中在0～100mm填料中均匀增加100kg有机肥料；过滤层填料添加沸石和零价铁混合物1000kg；过渡层填料添加以玉米芯及秸秆为固体碳源的复合微生物包埋颗粒制剂100kg。待该设施运行稳定后，对12次降雨事件系统进水前后主要的污染物进行测试分析，如图5-7所示，主要污染物去除效率分别为TSS>99％，TN>70％，TP>70％，数据详见表5。

表5

实施例3

应用在某大型停车场汇水的20m²净化设施中，主要用于净化来自于停车场汇集的径流，净化后排入景观水池中。其中：填料总体高度0.9m，过滤层填料高度为500mm，过渡层填料高度为300mm，排水层填料高度为100mm，最大渗透速率不超过500mm/hr，化学物质含量及粒径分布性质均符合文中所载要求参数，其中在0～100mm填料中增加12k g有机肥料；过滤层填料添加活性炭和零价铁混合物200kg；过渡层填料添加以木屑为碳源的复合微生物包埋颗粒填料100kg。待该设施运行稳定后，对6次连续自然降雨事件测试净化前后雨水径流主要的污染物进行测试分析，如图8-10所示，主要污染物去除效率分别为TSS>99％，TN>75％，TP>70％，数据详见表6。

表6

本发明的各层填料之间存在着内在的联系，并且对于填料有明确的粒径分布要求，细化至不同粒径范围内介质的百分比；同时还规定了介质中化学物质的具体含量、pH值的范围，以及介质的渗透系数。此外，强化复合型填料混合活性炭或沸石、零价铁、天然有机碳源以及复合微生物制剂等，保证生物滞留池能够高效地处理雨水中的污染物质，尤其是对去除固体悬浮物、脱氮除磷有着显著的效果。

根据试验结果证实，本发明的填料对输入性面源径流污染物去除效果明显。

本发明的复合填料能够提高对输入径流的处理效率，增强物理处理能力(吸附作用)，化学处理能力(氧化还原反应)，生物处理能力(微生物生化反应)，提高脱氮除磷效率；促进填料中良好生物生态环境形成，增强长时间脱氮除磷效率。由于填料能够长时间保持良好使用性能，故可降低维护成本，并可实现工业化生产。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims

1.一种可用于面源径流污染处理的强化复合填料，其特征在于，该填料从上至下依次设置为：过滤层填料、过渡层填料和排水层填料；过渡层填料和过滤层填料所选用的介质原料满足下述筛选条件；

D₁₅(过渡层填料)≤5×D₈₅(过滤层填料)；

D₁₅(排水层填料)≤5×D₈₅(过渡层填料)；

2.根据权利要求1所述的可用于面源径流污染处理的强化复合填料，其特征在于，过滤层填料、过渡层填料和排水层填料均满足下述条件：pH：5.5～7.5；总氮含量<1000mg/kg；磷酸盐含量<80mg/kg；有机质含量<5％,其中过滤层填料介质的粒径分布应满足下表：

筛网尺寸(μm) 滞留筛网的百分比泥土 <50 <3％极细颗粒 50-150 5-30％细颗粒 150-250 10-30％中等细颗粒 250-500 40-60％粗颗粒 500-1000 25％极粗颗粒 1000-2000 0-10％大颗粒 2000-3400 <3％

3.根据权利要求1所述的可用于面源径流污染处理的强化复合填料，其特征在于，复合填料的介质渗透系数不超过500mm/hr，最优范围为100～500mm/hr。

4.根据权利要求1所述的可用于面源径流污染处理的强化复合填料，其特征在于，过滤层填料高度为400～600mm；过渡层填料高度为200～300mm；排水层填料高度为100～200mm。

5.根据权利要求1所述的可用于面源径流污染处理的强化复合填料，其特征在于，过滤层填料自上表面至下的0～100mm深度处添加供植物生长的肥料；每100m²表面积的填料中添加0～82kg供植物生长的肥料；所述的供植物生长的肥料中含有如下成分：动物有机粪肥61％，过磷酸钙2.4％，硫酸镁3.7％，硫酸钾2.4％，微量元素1.2％，氮磷钾肥4.9％，生石灰24.4％。

6.根据权利要求1所述的可用于面源径流污染处理的强化复合填料，其特征在于，过滤层填料中添加吸附颗粒，优选活性炭和零价铁混合物，或者沸石和零价铁混合物；二者质量比为5:1，混合物质量为过滤层填料质量的3％～5％。

7.根据权利要求1所述的可用于面源径流污染处理的强化复合填料，其特征在于，在过渡层填料中添加缓释性碳源，优选植物生物质天然碳源，植物生物质天然碳源优选玉米芯、稻壳、木屑或者秸秆，或者由玉米芯、稻壳、木屑或者秸秆经过加工产生的固体碳源；添加的缓释性碳源质量占过渡层填料的1％～3％。

8.根据权利要求1所述的可用于面源径流污染处理的强化复合填料，其特征在于，在过渡层填料中添加复合微生物制剂或者由复合微生物制剂、缓释性碳源以及壳聚糖制备的多层包埋颗粒。

9.一种权利要求1-8之一所述的可用于面源径流污染处理的强化复合填料的筛选方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、取介质原料进行编号，采用多层筛网对若干种介质原料进行过筛处理，得到各种介质原料的粒径分布曲线；

S3、配置过滤层填料的介质；

D₁₅(过渡层填料)≤5×D₈₅(过滤层填料)

D₁₅(排水层填料)≤5×D₈₅(过渡层填料)

10.根据权利要求9所述的可用于雨水径流污染净化处理设施的功能强化复合填料的筛选方法，其特征在于，多层筛网层数不少于6层，从上至下，孔径依次减小；其中，最大孔径的筛网为3400微米，最小孔径的筛网为50微米。