CN110759481A

CN110759481A - 一种高效除磷的生物滞留池

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Publication number: CN110759481A
Application number: CN201911071657.6A
Authority: CN
Inventors: 张耀华; 孙永军; 肖雪峰; 庄万元; 张昊; 张旭
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2020-02-07

Abstract

本发明公开了一种高效除磷的生物滞留池，包括滞留池主体，所述滞留池主体从上到下依次包括淹没层、挺水植物层、土壤附着层、填料区和砾石层，所述填料区从上到下设有第一填料层、第二填料层和第三填料层，所述各填料层之间以透水土工布相分隔，所述砾石层内设有穿孔管，所述穿孔管与排水管的一端相连，所述排水管的另一端延伸至所述滞留池外，用于将滞留池处理过的水排出。该生物滞留池能够提供更长的水力停留时间和渗流路径，提高了雨水与植物根系、微生物和填料的接触时间，保证了初期雨水的高效去除，且雨水渗流路径增大，可以使雨水与填料更充分的接触，大大提高了对磷的吸附作用。本发明工艺简单，操作和维护成本低，具有良好的应用前景。

Description

一种高效除磷的生物滞留池

技术领域

本发明涉及水处理设备技术领域，特别的涉及一种高效除磷的生物滞留池。

背景技术

城市雨水径流是城市环境中磷类化合物一个重要的输出载体。高浓度的磷类化合物释放到水体中易造成严重污染，导致水生生态环境的恶化。因此，控制径流中含磷污染物意义重大。由于雨水径流中的大部分磷类污染物都是溶解性的，包括过滤等物理处理方法难以有效去除这些物质。

我国目前的污水深度处理技术多以反硝化为核心，工艺投资和运行成本均较高。人工湿地作为一种生态处理工艺越来越多地应用于污水厂的尾水处理中，具有管理简单、运行费用低等特点，但是存在处理负荷低、占地面积大且布置不灵活等缺点。生物滞留池作为一种简单易行的构筑物，具有布置，形式灵活的优点，同时景观性也优于人工湿地，目前多用于雨水径流的处理。生物滞留池是20世纪90年代由美国马里兰州首次提出，是低影响开发系统的核心工程措施之一。相关技术中的生物滞留池，通过植物生长、基质设置和基质内的微生物菌落共同实现对水质的净化功能，对径流雨水中总悬浮物、重金属以及病原菌等有较好的净化效果。具有应用于污水厂尾水深度处理的潜力，是一种值得研究的技术路径。

生物滞留池主要通过植物、填料和土壤等的共同作用过滤净化水质，达到恢复渗透、改善水质、雨水利用的目的，包括：降解、过滤、吸附、离子交换和各种生物过程。冲刷路面的雨水会携带大量污染物，如NO^3-、SO₄ ^2-、重金属、有机污染物、总固体悬浮颗粒等，还可将雨水暂时滞留起来达到削减洪峰流量的目的。但是，现有生物滞留池对磷等营养物的去除效果波动较大，有研究表明，填料性能特别是填料的化学吸附特性是决定生物滞留池除磷效果的最主要因素，不仅为植物生长提供良好的环境，同时为微生物的生长和繁殖提供适应的环境，填料中的组分还能通过物理化学作用直接去除径流中的污染物。但现有的生物滞留系统中，磷的去除效果不理想主要是填料含磷本底值偏高和磷的饱和解吸附引起的，还有传统的生物滞留设施的结构难以达到生物降解作用所必需的条件：缺氧环境和充足的碳源。并且目前大多数生物滞留设施分为覆盖层、种植土层、土工布层、填料层、土工布层、承托层和排水层，分层多，操作和维护成本高；另外，低影响开发设施的出水受到设施底部距离地下水最高动水位需大于1m的限制，一般不允许直接下渗，需要统一收集后排入市政排水管网。因此，生物滞留设施还有待进一步改进。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种高效除磷的生物滞留池，解决了现有滞留池存在除磷效果不佳，易堵塞，操作和维护成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种高效除磷的生物滞留池，包括滞留池主体，所述滞留池主体从上到下依次为淹没层、挺水植物层、土壤附着层、填料区和砾石层，所述填料区从上到下设有第一填料层、第二填料层和第三填料层，所述各填料层之间以透水土工布相分隔，所述第一填料层的填料为生产性废钢铁，所述废钢铁的碳含量≥2.0%，含铁量≥65%，厚度为100~150mm；所述第二填料层的填料为粉煤灰，所述粉煤灰的孔隙率为50%~80%，厚度为80~130mm；所述第三填料层的填料为木屑，所述木屑的粒径不超5mm，厚度为120~170mm；所述砾石层内设有穿孔管，所述穿孔管与排水管的一端相连，所述排水管的另一端延伸至所述滞留池外，用于将滞留池处理过的水排出。

这样，能够提供更长的水力停留时间和渗流路径，能够使雨水尤其是初期雨水与植物根系以及微生物和填料有更长的接触时间，保证了初期雨水的高效去除。且雨水渗流路径增大，可以使雨水与填料更充分的接触，大大提高了对磷的吸附作用，并且可以改变填料搭配适应不同的处理污染物要求。生产性废钢铁填料释放出来的Fe³⁺与磷酸根离子会发生化学性表面吸附，从而去除径流磷污染物，其反应方程式为2Fe³⁺+2PO₄ ^3-=Fe₂(PO₄)₃，生产性废钢铁价格低廉，且铁含量丰富，能极高效率的除去水中的磷污染物。粉煤灰能保持较好的透水性，并且其中含有的微量铁也可以在雨水渗透过程中为磷的去除提供场所和媒介。木屑成本较低，不引入有害杂质，且颗粒大小适中，保证了一定量的雨水滞留，同时不会造成堵塞问题。粉煤灰和木屑一方面含有大量的C，为微生物提供了碳源，另一方面具有大比表面积，不仅可以通过过滤和吸附作用可以去除径流中无机颗粒和部分溶解的污染物，同时为微生物提供生长附着位点和适宜的生长环境，使得微生物可以与径流中污染物充分的接触。

作为优选的，所述第一填料层的渗透系数为5~20m/d；所述第二填料层的渗透系数为0.5~1m/d；所述第三填料层的渗透系数为1~5m/d。

这样，将填料区分隔为三层，从上至下依次分别填充大孔隙度高渗透性，小孔隙度低渗透性和中孔隙度填料，高渗透性的填料中会有大量的溶解氧，低渗透性和中渗透性的填料中溶氧少，提供了缺氧或厌氧环境，通过好氧和厌氧环境的设置，提高了微生物对磷的吸收。并且也提高了雨水的排出速度，减少了滞留。

作为优选的，所述滞留池主体为剖面是圆形、梯形、矩形或不规则形状的多种坑洞；其水量处理范围为1600~3000m³/h/m²，停留时间为2~6h。

所述滞留池主体需加锯齿形隔墙、栅格型隔墙或网型隔墙中的一种或多种，以保障所述滞留池主体不发生短流现象。

作为优选的，所述淹没区的淹没水深范围为75~100mm，需要满足在200mm-1600mm降雨量的情况下雨水不外渗的坑洼；所述挺水植物层种植的植物需要满足抗旱、抗涝、易生长且符合装置所在地水文条件的要求，优选为菖蒲、黄菖蒲、再力花、鸢尾、东方香蒲、水葱、浮萍、水浮莲、凤眼莲、槐叶萍和满江红中的一种或多种。

作为优选的，所述土壤附着层由砂砾、河泥、黄土、草木灰按体积比（3~5）:（3~6）:（4~7）:（1~3）混合而成，厚度为200~300mm，渗透系数为0.23~0.54，需满足良好的透水性、不引入有害物质、便于挺水植物生长的要求，可以更好地为挺水植物提供养分并保证挺水植物存活，土壤附着层与所述填料区以透水土工布相分隔。

作为优选的，所述透水土工布为等效孔径为0.02~0.7mm的短纤土工布或短纤针刺土工布。这样，有效过滤了泥沙，使得排出雨水泥沙浓度含量更低，有效缓解了泥沙进入排水管道造成堵塞的困境，能更好地保证雨水下渗的流畅度同时保证各层之间的隔离性。

作为优选的，所述滞留池主体内壁完全覆盖有透水土工布，所述透水土工布与滞留池主体内壁间的空隙为0.005~0.01mm，以保证不发生穿透现象。

作为优选的，所述砾石层的砾石颗粒半径为10~40mm，厚度为250~350mm，所述砾石层与填料区以透水土工布相分隔且保证透水性。这样，保障穿孔管不被堵塞。

作为优选的，所述穿孔管的排布方式以井字形、回字型或交错型排布，其中不共线的穿孔管互相连接；所述穿孔管的直径为50~100mm，每隔5~10mm开孔，孔径5~10mm。这样，保证了雨水以合理速率流出，保证装置稳定性。

作为优选的，所述排水管直径为50~100mm，所述排水管的单根管道的流速为28.26~63.58m³/h。这样，保证了雨水以合理速率流向排水管，保证装置稳定性。

附图说明

图1为本发明生物滞留池的结构示意图。

图2为本发明生物滞留池侧视图的结构示意图。

图3为本发明生物滞留池俯视图的结构示意图。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的生物滞留池能够提供更长的水力停留时间和渗流路径，能够使雨水尤其是初期雨水与植物根系以及微生物和填料有更长的接触时间，保证了初期雨水的高效去除。且雨水渗流路径增大，可以使雨水与填料更充分的接触，大大提高了对磷的吸附作用。

2、本发明的填料区以不同渗透性和材料来进行分隔设置，形成了好氧区和厌氧区。其中，生产性废钢铁通过电化学作用释放出的Fe³⁺与磷酸根离子在适宜条件下会生成铁盐沉淀，从而去除磷类污染物；粉煤灰和木屑一方面含有大量的C，为微生物提供了碳源，另一方面具有大比表面积，不仅可以通过过滤和吸附作用可以去除径流中无机颗粒和部分溶解的污染物，同时为微生物提供生长附着位点和适宜的生长环境，使得微生物可以与径流中污染物充分的接触，促使微生物滞留污染物的能力得到最大程度的发挥。因此本发明通过化学沉淀、物理吸附和生物降解的共同作用来实现降低降水径流中的磷的含量。本发明对磷的去除效率达到86.89%~88.12%，对磷具有较高去除效率，可以用于降雨径流中的磷污染物进行截留、吸附和降解等净化处理。

3、本发明针对较强的降雨对污染物的裹挟能力更强，容易导致污染物浓度先期较高，后期则会较好的问题，采取了分层式的填料层设计，使雨水能够均匀的流过不同的填料层，并充分反应，使得雨水净化效果不会随雨流量的改变而变化。透水土工布的设置，有效过滤了泥沙，使得排出雨水泥沙浓度含量更低，有效缓解了泥沙进入排水管道造成堵塞的困境，能更好地保证雨水下渗的流畅度同时保证各层之间的隔离性。本发明结构简单易操作，系统投资成本低，后期维护成本低，适于大规模推广应用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1~3所示，一种高效除磷的生物滞留池，包括滞留池主体，所述滞留池主体从上到下依次为淹没层1、挺水植物层2、土壤附着层3、填料区4和砾石层5，所述填料区4从上到下设有第一填料层、第二填料层和第三填料层，所述各填料层之间以透水土工布相分隔，所述第一填料层的填料为生产性废钢铁，所述废钢铁的碳含量≥2.0%，含铁量≥65%，厚度为100~150mm；所述第二填料层的填料为粉煤灰，所述粉煤灰的孔隙率为50%~80%，厚度为80~130mm；所述第三填料层的填料为木屑，所述木屑的粒径不超5mm，厚度为120~170mm；所述砾石层5内设有穿孔管6，所述穿孔管6与排水管7的一端相连，所述排水管7的另一端延伸至所述滞留池外，用于将滞留池处理过的水排出。

实施时，所述第一填料层的渗透系数为5~20m/d；所述第二填料层的渗透系数为0.5~1m/d；所述第三填料层的渗透系数为1~5m/d。

实施时，所述滞留池主体为剖面是圆形、梯形、矩形或不规则形状的多种坑洞；其水量处理范围为1600~3000m³/h/m²，停留时间为2~6h。

实施时，所述滞留池主体需加锯齿形隔墙、栅格型隔墙或网型隔墙中的一种或多种，以保障所述滞留池主体不发生短流现象。

实施时，所述淹没区的淹没水深范围为75~100mm，需要满足在200mm-1600mm降雨量的情况下雨水不外渗的坑洼；所述挺水植物层种植的植物为挺水、浮水或沉水植物，优选为菖蒲、黄菖蒲、再力花、鸢尾、东方香蒲、水葱、浮萍、水浮莲、凤眼莲、槐叶萍和满江红中的一种或多种。

实施时，所述土壤附着层由砂砾、河泥、黄土、草木灰按体积比（3~5）:（3~6）:（4~7）:（1~3）混合而成，厚度为200~300mm，渗透系数为0.23~0.54，需满足良好的透水性、不引入有害物质、便于挺水植物生长的要求，与所述填料区以透水土工布相分隔。

实施时，所述透水土工布为等效孔径为0.02~0.7mm的短纤土工布或短纤针刺土工布。

实施时，所述滞留池主体内壁完全覆盖有透水土工布，所述透水土工布与滞留池主体内壁间的空隙为0.005~0.01mm，以保证不发生穿透现象。

实施时，所述砾石层的砾石颗粒半径为10~40mm，厚度为250~350mm，所述砾石层与填料区以透水土工布相分隔且保证透水性。

实施时，所述穿孔管的排布方式以井字形、回字型或交错型排布，其中不共线的穿孔管互相连接；所述穿孔管的直径为50~100mm，每隔5~10mm开孔，孔径5~10mm。

实施时，所述排水管直径为50~100mm，所述排水管的单根管道的流速为28.26~63.58m³/h。

实施例1

一种高效除磷的生物滞留池，包括滞留池主体，其为剖面为圆形的坑洞，坑洞的水量处理量为1600m³/h/m²，雨水在所述池主体的停留时间为2h，其中，坑洞还加锯齿形隔墙，保障所述池主体不发生短流现象。

所述坑洞内部从上到下依次包括淹没层、挺水植物层、土壤附着层、填料区、砾石层，所述淹没区满足在1600mm降雨量的情况下雨水不外渗的坑洼，深度为75mm。所述挺水植物层种植的挺水植物需要满足抗旱、抗涝、易生长且符合装置所在地水文条件的要求，选用菖蒲。所述土壤附着层的渗透系数为0.54，由砂砾、河泥、黄土、草木灰按体积比3:5:5:2混合而成，厚度为280mm，需满足良好的透水性、不引入有害物质、便于挺水植物生长的要求，用土工布与填料区隔离且保证透水性，按所述四种材料混合的泥土可以更好地为挺水植物提供养分并保证挺水植物存活。所述填料区从上到下设有第一填料层、第二填料层和第三填料层，所述各填料层之间以透水土工布相分隔，所述第一填料层的填料为生产性废钢铁，所述废钢铁的碳含量≥2.0%，含铁量≥65%，厚度为100mm，渗透系数为20m/d；所述第二填料层的填料为粉煤灰，所述粉煤灰的孔隙率为75%，厚度为80mm，渗透系数为1m/d；所述第三填料层的填料为木屑，所述木屑的单颗粒半径4mm，且不引入其他有害杂质道的生物质材料，厚度为120mm，渗透系数为5m/d。所述砾石层的砾石颗粒半径为10~40mm，厚度为250mm。所述砾石层内设有穿孔管，所述穿孔管直径为100mm，每隔5mm开孔，孔径5mm。该设计保证了雨水以合理速率流出，保证装置稳定性。并且穿孔管的排布方式以井字形排布，其中不共线的穿孔管互相连接，该设计保证了雨水以合理速率流向排水管，保证装置稳定性。所述穿孔管与排水管的一端相连，所述排水管的另一端延伸至所述滞留池外，所述排水管单根管道的流速为61.53m³/h，用于将滞留池处理过的水排出。

实施例2

一种高效除磷的生物滞留池，包括滞留池主体，其为剖面为圆形的坑洞，坑洞的水量处理量为3000m³/h/m²，雨水在所述池主体的停留时间为2h，其中，坑洞还加锯齿形隔墙，保障所述池主体不发生短流现象。

所述坑洞内部从上到下依次包括淹没层、挺水植物层、土壤附着层、填料区、砾石层，所述淹没区满足在1000mm降雨量的情况下雨水不外渗的坑洼，深度为40mm。所述挺水植物层种植的挺水植物需要满足抗旱、抗涝、易生长且符合装置所在地水文条件的要求，选用菖蒲。所述土壤附着层的渗透系数为0.38，由砂砾、河泥、黄土、草木灰按体积比3:4:5:3混合而成，厚度为200mm，需满足良好的透水性、不引入有害物质、便于挺水植物生长的要求，用土工布与填料区隔离且保证透水性，按所述四种材料混合的泥土可以更好地为挺水植物提供养分并保证挺水植物存活。所述填料区从上到下设有第一填料层、第二填料层和第三填料层，所述各填料层之间以透水土工布相分隔，所述第一填料层的填料为生产性废钢铁，所述废钢铁的碳含量≥2.0%，含铁量≥65%，厚度为90mm，渗透系数为15m/d；所述第二填料层的填料为粉煤灰，所述粉煤灰的孔隙率为75%，厚度为75mm，渗透系数为0.8m/d；所述第三填料层的填料为木屑，所述木屑的单颗粒半径4mm，且不引入其他有害杂质道的生物质材料，厚度为120mm，渗透系数为4m/d。所述砾石层的砾石颗粒半径为10~40mm，厚度为350mm。所述砾石层内设有穿孔管，所述穿孔管直径为50mm，每隔5mm开孔，孔径5mm。该设计保证了雨水以合理速率流出，保证装置稳定性。并且穿孔管的排布方式以井字形排布，其中不共线的穿孔管互相连接，该设计保证了雨水以合理速率流向排水管，保证装置稳定性。所述穿孔管与排水管的一端相连，所述排水管的另一端延伸至所述滞留池外，所述排水管单根管道的流速为28.48m³/h，用于将滞留池处理过的水排出。

实施例3

一种高效除磷的生物滞留池，包括滞留池主体，其为剖面为圆形的坑洞，坑洞的水量处理量为2000m³/h/m²，雨水在所述池主体的停留时间为2h，其中，坑洞还加锯齿形隔墙，保障所述池主体不发生短流现象。

所述坑洞内部从上到下依次包括淹没层、挺水植物层、土壤附着层、填料区、砾石层，所述淹没区满足在1600mm降雨量的情况下雨水不外渗的坑洼，深度为65mm。所述挺水植物层种植的挺水植物需要满足抗旱、抗涝、易生长且符合装置所在地水文条件的要求，选用菖蒲。所述土壤附着层的渗透系数为0.49，由砂砾、河泥、黄土、草木灰按体积比3:4:4:2混合而成，厚度为250mm，需满足良好的透水性、不引入有害物质、便于挺水植物生长的要求，用土工布与填料区隔离且保证透水性，按所述四种材料混合的泥土可以更好地为挺水植物提供养分并保证挺水植物存活。所述填料区从上到下设有第一填料层、第二填料层和第三填料层，所述各填料层之间以透水土工布相分隔，所述第一填料层的填料为生产性废钢铁，所述废钢铁的碳含量≥2.0%，含铁量≥65%，厚度为100mm，渗透系数为15m/d；所述第二填料层的填料为粉煤灰，所述粉煤灰的孔隙率为75%，厚度为80mm，渗透系数为0.7m/d；所述第三填料层的填料为木屑，所述木屑的单颗粒半径4mm，且不引入其他有害杂质道的生物质材料，厚度为110mm，渗透系数为4.3m/d。所述砾石层的砾石颗粒半径为10~40mm，厚度为250mm。所述砾石层内设有穿孔管，所述穿孔管直径为100mm，每隔5mm开孔，孔径5mm。该设计保证了雨水以合理速率流出，保证装置稳定性。并且穿孔管的排布方式以井字形排布，其中不共线的穿孔管互相连接，该设计保证了雨水以合理速率流向排水管，保证装置稳定性。所述穿孔管与排水管的一端相连，所述排水管的另一端延伸至所述滞留池外，所述排水管单根管道的流速为58.53m³/h，用于将滞留池处理过的水排出。

其中，上述实施例所述滞留池主体的选址应保证满足雨水径流的合理汇集，应避免大流量人群密集地、人行道等交通干道。

采用实施例1~3的滞留池和常规生物滞留池，在相同条件下用于实际降雨径流处理，分别计算滞留池中磷的去除率，结果如表1所示。

表1

设施名称	磷去除率（%）
		常规生物滞留池	32.67%
实施例1	87.63%
		实施例2	86.89%
实施例3	88.12%

从表1可以看出，与常规生物滞留池相比，本发明对磷具有较高去除效率，达到86%以上，可以用于降雨径流中的磷污染物进行截留、吸附和降解等净化处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高效除磷的生物滞留池，其特征在于，包括滞留池主体，所述滞留池主体从上到下依次包括淹没层、挺水植物层、土壤附着层、填料区和砾石层，所述填料区从上到下设有第一填料层、第二填料层和第三填料层，所述各填料层之间以透水土工布相分隔，所述第一填料层的填料为生产性废钢铁，所述废钢铁的碳含量≥2.0%，含铁量≥65%，厚度为100~150mm；所述第二填料层的填料为粉煤灰，所述粉煤灰的孔隙率为50%~80%，厚度为80~130mm；所述第三填料层的填料为木屑，所述木屑的粒径不超5mm，厚度为120~170mm；所述砾石层内设有穿孔管，所述穿孔管与排水管的一端相连，所述排水管的另一端延伸至所述滞留池外，用于将滞留池处理过的水排出。

2.根据权利要求1所述高效除磷的生物滞留池，其特征在于，所述第一填料层的渗透系数为5~20m/d；所述第二填料层的渗透系数为0.5~1m/d；所述第三填料层的渗透系数为1~5m/d。

3.根据权利要求1所述高效除磷的生物滞留池，其特征在于，所述滞留池主体的水量处理范围为1600~3000m³/h/m²，停留时间为2~6h。

4.根据权利要求1所述高效除磷的生物滞留池，其特征在于，所述淹没区的淹没水深范围为75~100mm；所述挺水植物层种植的植物为抗旱、抗涝和易生长，优选为菖蒲、黄菖蒲、再力花、鸢尾、东方香蒲、水葱、浮萍、水浮莲、凤眼莲、槐叶萍和满江红中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述高效除磷的生物滞留池，其特征在于，所述土壤附着层由砂砾、河泥、黄土和草木灰按体积比（3~5）:（3~6）:（4~7）:（1~3）混合而成，厚度为200~300mm，渗透系数为0.23~0.54，土壤附着层与所述填料区以透水土工布相分隔。

6.根据权利要求1所述高效除磷的生物滞留池，其特征在于，所述滞留池主体内壁完全覆盖有透水土工布，所述透水土工布与滞留池主体内壁间的空隙为0.005~0.01mm。

7.根据权利要求1所述高效除磷的生物滞留池，其特征在于，所述砾石层的砾石颗粒半径为10~40mm，厚度为250~350mm，所述砾石层与填料区以透水土工布相分隔且保证透水性。

8.根据权利要求1~7任一项所述高效除磷的生物滞留池，其特征在于，所述透水土工布为等效孔径为0.02~0.7mm的短纤土工布或短纤针刺土工布。

9.根据权利要求1所述高效除磷的生物滞留池，其特征在于，所述穿孔管的排布方式以井字形、回字型或交错型排布，其中不共线的穿孔管互相连接；所述穿孔管的直径为50~100mm，每隔5~10mm开孔，孔径5~10mm。

10.根据权利要求1所述高效除磷的生物滞留池，其特征在于，所述排水管直径为50~100mm，单根管道的流速为28.26~63.58m³/h。