CN110818196A

CN110818196A - 地表径流水资源净化再利用的系统及方法

Info

Publication number: CN110818196A
Application number: CN201911162337.1A
Authority: CN
Inventors: 张锦霞; 张海霞; 何军; 赵清虎; 陈文静; 韩瑞瑞; 李金亮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2020-02-21

Abstract

本发明涉及一种地表径流水资源净化再利用的系统及方法，该系统包括前置集水槽、生物滞留池和后置集水井，前置集水槽与生物滞留池之间设有整流墙，整流墙内嵌有自前置集水槽向生物滞留池方向向上倾斜的多层平行斜板，多层平行斜板之间的平行通道连通前置集水槽与生物滞留池；生物滞留池包括自上而下依次设置的蓄水层、覆盖层、植生层、上滤层、填料层、砂滤层和砾石层；植生层由原生土壤与复合基质混合后铺设而成；上滤层由沸石与复合基质混合后铺设而成；填料层由复合填料铺设而成。该系统最大限度减少了原生土壤的使用，无二次污染，对地表径流水资源净化能力强，对进水污染物的去除效率高、去除效果好，实现了地表径流水资源的循环再利用。

Description

地表径流水资源净化再利用的系统及方法

技术领域

本发明属于水文水资源技术领域，具体涉及一种地表径流水资源净化再利用的系统及方法。

背景技术

地表径流是指降落到地面的雨水被地面植物截留、土壤吸收和渗入地下后所剩下的地表水经流域地面汇聚流动的水流，最终汇入江河湖海。近年来，随着城镇化的快速推进和公路铁路等基础设施的逐步完善，城市地面硬化率越来越高，改变了原有的自然水文循环机制，也破坏了原有的自然水域循环过程，引发了一系列的城市地表径流水问题，如强降雨的雨水难以下渗，汇流时间缩短，大大增加了地表径流总量、径流洪峰量和持续时间，远远超出市政排水泄洪能力，常常引发城市内涝，地下水水位下降等问题。同时，由于大气污染、雾霾、粉尘等原因，降雨本身携带相当程度的污染物，落到地面后，地表径流冲刷不同材料的下垫面，再加上城市中的工业污染物、建筑堆积物、沥青路面、汽车尾气、生活垃圾等，使得地表径流中悬浮固体、富营养物质、有机物、重金属和病原体等污染物大大增加。地表径流携带高浓度污染物汇入江河湖海、水库等水体，造成严重的环境、生态和安全问题。

针对地表径流具有上述的严重危害性，国内外对径流污染也有一些工程控制措施，一本分为三个方面：源头控制，如地面透水铺装、雨水口截污设施、植草沟、滤沟、植被缓冲带等；扩散途径控制，如生物滞留设施、人工土壤渗滤等；终端治理，如雨水塘、人工湿地等。其中，生物滞留设施是在地势较低的区域，通过植物根系吸收、土壤渗滤吸附、微生物分解作用对地表径流水资源进行净化，净化后的雨水渗透补充地下水或通过在系统底部设置穿孔收集管输送至市政系统等进行再利用，是一种低影响开发措施，具有适应性广、节约用地、建设及运行费用低、景观生态效果好等优点。

常用的生物滞留设施主要有雨水花园、下凹式绿地、雨水湿地和植被浅沟等，可用于城市道路、生态廊道、花园绿地、居民小区、停车场等诸多场所，在滞留和净化雨水的同时还能美化环境，是一种不可多得的分散式生态型雨水控制及再利用措施。但是，现有用于净化地表径流水资源的生物滞留系统多为下沉式绿地，往往结构简单，对地表径流污染的控制作用相对较弱；滤层材料多采用原生土壤，对于地表径流携带的污染物去除效果不佳，还可能不断析出氮磷污染物和重金属，造成二次污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种地表径流水资源净化再利用的系统，最大限度减少了原生土壤的使用，无二次污染，对地表径流污染的控制作用强。

本发明的第二个目的是提供一种采用上述系统的地表径流水资源净化再利用的方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

地表径流水资源净化再利用的系统，包括前置集水槽、生物滞留池和后置集水井，所述前置集水槽与生物滞留池之间设有整流墙，所述整流墙内嵌有自前置集水槽向生物滞留池方向向上倾斜角度为30°-60°的多层平行斜板，多层平行斜板之间的平行通道连通前置集水槽与生物滞留池；所述整流墙的顶部为溢流堰；所述生物滞留池包括自上而下依次设置的蓄水层、覆盖层、植生层、上滤层、填料层、砂滤层和砾石层；所述植生层的上表面不高于所述平行通道在生物滞留池内出口的下沿；所述砾石层中设有穿孔排水管，所述穿孔排水管与后置集水井的进水口相连通；所述后置集水井的进水口处设有阀门；

所述植生层由原生土壤与复合基质按照质量比为1:0.9-1.1的比例混合后铺设而成；所述复合基质主要由以下重量份数的原料制成：菌糠9-11份、铝污泥9-11份、粉煤灰5-6份、生物炭5-6份；

所述上滤层由沸石与复合基质按照质量比为1:0.45-0.55的比例混合后铺设而成；

所述填料层由复合填料铺设而成，所述复合填料主要由以下重量份数的原料制成：铝污泥9-11份、粉煤灰5-6份、菌糠3-3.5份、碳酸钙0.8-1.0份。

其中，所述铝污泥的干物质中Al₂O₃的质量含量为40％以上，SiO₂的质量含量为15％以上。所述铝污泥为自来水厂的脱水污泥，固含量为20％-30％。

所述铝污泥使用前加水配成泥浆，加水的量为复合填料原料(铝污泥、粉煤灰、菌糠、碳酸钙)总质量的30％-40％。

所述前置集水槽底部设有高度为200-500mm的沉降区；所述平行通道在前置集水槽内出口的下沿位于所述沉降区的上方。

所述生物滞留池内设有下端与穿孔排水管相连通，上端竖直向上穿出蓄水层的溢流管；所述溢流管的下端与后置集水井的进水口相连通。

所述溢流管的上端口设有格栅笼，防止水面漂浮杂物进入溢流管。所述溢流管的高度高于蓄水层上表面高度。

所述上滤层与填料层之间、填料层与砂滤层之间、砂滤层与砾石层之间分别设置有上隔离层、中隔离层和下隔离层；上隔离层、中隔离层和下隔离层材料均为透水土工布。

所述生物滞留池中，植生层、上滤层、填料层、砂滤层和砾石层的总厚度为0.4-1.5m；所述植生层、填料层、砾石层的厚度均不低于100mm，所述上滤层和砂滤层的厚度均不低于50mm；所述蓄水层的厚度不低于150mm。

所述多层平行斜板的总厚度为200-500mm；优选的，所述多层平行斜板的总厚度与蓄水层的厚度保持一致。

所述上滤层中所用沸石的粒径为2-5mm；所述填料层中所述填料的粒度为5-20mm；所述砂滤层中所用滤砂的粒径为0.5-2mm；所述砾石层中所用砾石的粒径为20-50mm。

采用上述系统的地表径流水资源净化再利用的方法，包括以下步骤：

1)取配方量的菌糠、铝污泥、粉煤灰、生物炭混合均匀，调节pH值为6.0-7.3，得混合基质；将所得混合基质与原生土壤按设计比例混合，得植生层材料；将所得混合基质与沸石按设计比例混合，得上滤层材料；

取配方量的粉煤灰、菌糠、碳酸钙混合均匀后，加入铝污泥混合造粒后，在110-115℃条件下烘干2-4h，再在420℃-440℃预热30-40min，后升温至900-920℃煅烧15-20min，冷却即得混合填料；

2)取砾石、砂、透水土工布和步骤1)所得复合填料、上滤层材料、植生层材料，按设计要求填充铺设各层并栽种植物，构建生物滞留池；

3)关闭后置集水池进水口处的阀门，将地表径流或附近河道表层水由进水槽的进水口注入系统，至生物滞留池的蓄水区蓄满，停止注水进行静置；

4)每天向系统中注入新的地表径流或附近河道表层水进行静置，持续4-6天即可打开后置集水池进水口处的阀门，正常运行。

步骤4)中，所述河道表层水是指据河道水体表面0-500mm以内的水，不含河道淤泥。

本发明的地表径流水资源净化再利用的系统，由前置集水槽、生物滞留池和后置集水井串联而成，在前置集水槽与生物滞留池之间设置内嵌有沿水流方向向上倾斜的多层平行斜板的整流墙，地表径流进水在前置集水槽进行缓冲、消能后，向上漫延通过多层平行斜板之间的平行通道进入生物滞留池，一方面进一步分散了进水的冲击力，削减径流洪峰，不易对生物滞留池的层状结构及水生植物造成冲击破坏，另一方面多层平行斜板形成一个斜板沉降区，进水携带的固体颗粒物质通过碰撞、聚结、沉降作用，沉积在斜板上并因重力作用滑落至前置集水槽的沉降区，可定期或在干旱时期对沉降区沉积物进行清理，去除该部分固体颗粒物，提高该系统对于TSS的去除率。该部分固体颗粒物事先被去除，可减少生物滞留池对固体悬浮物的负荷，防止过多的固体悬浮物质堵塞生物滞留池的滤层，提高生物滞留池的运行效率和使用寿命。

该系统的生物滞留池包括自上而下依次设置的蓄水层、覆盖层、植生层、上滤层、填料层、砂滤层和砾石层；其中，植生层由原生土壤与复合基质按照质量比为1:0.9-1.1的比例混合后铺设而成；上滤层由沸石与复合基质按照质量比为1:0.45-0.55的比例混合后铺设而成；所述填料层由复合填料铺设而成。对上述多层填料科学设计、合理搭配，尽可能的减少原生土壤的使用，在减少原生土壤释放重金属导致二次污染问题的同时，通过在植生层下方设置上滤层和填料层，提高生物滞留池吸附、吸收和消化进水污染物的能力，增强系统对地表径流水资源的净化效果。

其中，所用复合基质主要由菌糠、铝污泥、粉煤灰和生物炭制成。所用复合填料主要由铝污泥、粉煤灰、菌糠和碳酸钙制成。铝污泥是给水厂在给水处理中产生的副产物，含有大量铝及其聚合物，具有较好的吸附能力和除磷效果。粉煤灰含有多孔玻璃体、多孔碳粒和一定的活性基团，具有比较大的比表面积，对污染物的吸附性强，是一种价格低廉的吸附剂，同时还具有絮凝沉淀和过滤作用，具有一定的脱氮除磷作用。菌糠是一种农业废弃物，本身含有大量的纤维素、半纤维素及木质素，以及因菌体生长降解转化而成的菌体蛋白、高分子多糖、生物酶及其他活性物质，有机质和纤维类含量丰富、营养价值高。将菌糠、铝污泥、粉煤灰与生物炭混合制备复合基质，一方面营养丰富，能够促进植物和微生物的定殖和生长，提高植物根系和微生物吸收分解污染物的效率；另一方面吸附能力强，能截留进水水体中的污染物，锁住原生土壤中的重金属离子等，防止二次污染，提高净化能力。铝污泥、粉煤灰、菌糠和碳酸钙混合制备复合填料，所得填料颗粒表面粗糙、孔隙丰富、开放孔多、吸水性强，具有一定的强度和较好的透水系数，不释放有毒有害物质，适合用于生物滞留池的填料层使用；使用过程中对污染物的吸附吸收能力强，去除效果好，不易堵塞，提高生物滞留池的处理效果和使用寿命，具有较好的削减径流、滞后洪峰效果。

本发明将斜板沉降和生物滞留作用良好的结合起来，经过科学设计、合理搭配生物滞留填料，得到结构稳定、运行可靠的地表径流水资源净化再利用系统。该系统最大限度的减少了原生土壤的使用，避免了因原生土壤释放重金属导致的水体二次污染；对地表径流水资源净化能力强，对进水携带污染物的去除效率高、去除效果好，实现了降雨径流水资源的循环再利用。同时，该系统结构稳定，具有较好的削减径流量、滞后洪峰出现时间，控制地表径流污染的作用，是一种使用效果好的低影响开发措施，适合推广使用。

本发明的地表径流水资源净化再利用的方法，按设计要求填充铺设各层并栽种植物，构建生物滞留池之后，将地表径流或附近河道表层水由进水槽的进水口注入系统，至生物滞留池的蓄水区蓄满后进行静置；每天向系统中注入新的地表径流或附近河道表层水进行静置，持续4-6天即可完成前期驯化准备工作投入使用，操作简单，使用方便。

附图说明

图1为实施例1的地表径流水资源净化再利用的系统的结构示意图；

图中：1前置集水槽、2生物滞留池、3后置集水井、4整流墙、5多层平行斜板、6平行通道、7进水口、8沉降区、9蓄水层、10覆盖层、11植生层、12上滤层、13上隔离层、14填料层、15中隔离层、16砂滤层、17下隔离层、18砾石层、19穿孔排水管、20集水口、21溢流管、22溢流口、23格栅笼、24防渗层、25排水管、26溢流堰、27阀门、28出水管。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

具体实施方式中，所用铝污泥取自城市自来水厂的脱水铝污泥，干物质主要成分为Al₂O₃ 41.51％、CaCO₃ 30.49％、SiO₂ 18.22％、Fe₂O₃ 6.27％、MgO 0.75％；固含率30％。

所用粉煤灰的主要化学成分按质量百分比计为：SiO₂ 44.6％、Al₂O₃ 24.1％、Fe₂O₃6.1％、CaO 16.9％、K₂O 0.86％、Na₂O 1.12％、MgO 1.68％、TiO₂ 1.05％。

所用菌糠为金针菇菌糠，购自某食用菌生产企业，对应的原始金针菇培养基的固体组成为(按重量百分比计)：玉米芯45％、米糠34％、麸皮5％、棉籽壳15％、碳酸钙1％；培养基含水量65％-70％。金针菇培养基收获四茬菌菇后废弃成为菌糠。

所用生物炭为稻壳生物炭，即以稻壳为原材料，在氮气气氛下，以10℃/min的速率升温至550℃热解2h转化而成，粒径为0.5-2mm。

实施例1

本实施例的地表径流水资源净化再利用的系统，如图1所示，包括前置集水槽1、生物滞留池2和后置集水井3，所述前置集水槽1与生物滞留池2之间设有整流墙4，所述整流墙4内嵌有自前置集水槽1向生物滞留池2方向(沿正常水流方向)向上倾斜角度为45°的多层平行斜板5(多层平行斜板的总厚度为200-500mm，此处为200mm；每层通道的垂直高度为20-100mm，此处优选为30mm)，多层平行斜板5之间的平行通道6连通前置集水槽1与生物滞留池2；所述整流墙4的顶部为溢流堰26；

所述前置集水槽1上设有进水口7，所述进水口7的下沿不低于多层平行斜板4的上沿；所述前置集水槽1的底部设有高度为200mm的沉降区8；所述平行通道5在前置集水槽1内出口的下沿位于所述沉降区8的上方；

所述生物滞留池2包括自上而下依次设置的蓄水层9、覆盖层10、植生层11、上滤层12、上隔离层13、填料层14、中隔离层15、砂滤层16、下隔离层17和砾石层18，生物滞留池2的底部和四周均设有防渗层24；所述蓄水层9的上表面不高于溢流堰26的高度；所述植生层11的上表面不高于所述平行通道5在生物滞留池2内出口的下沿；所述砾石层18中设有穿孔排水管19，所述穿孔排水管19的一端穿出生物滞留池2与后置集水井3的集水口20相连通；所述后置集水井3的集水口20处设有阀门27；

所述生物滞留池2内设有下端与穿孔排水管19相连通，上端竖直向上穿出蓄水层9的溢流管21，所述溢流管21的上端溢流口22处安装有格栅笼23，防止蓄水层水面漂浮杂物进入溢流管21；所述砾石层18内还设有排水管25，所述排水管25的一端与所述溢流管21的下端相连通，另一端穿出生物滞留池2与后置集水井3的集水口20相连通；后置集水井3的出水管28与市政雨水/排水管道连通。

实施例1的地表径流水资源净化再利用的系统中，生物滞留池中各层所用材料及规格如表1所示。

表1实施例1-3的生物滞留池所用材料表

注：所用沸石的基质孔隙率为45％-50％，所用砾石的基质孔隙率为40％-45％。

本实施例采用上述系统的地表径流水资源净化再利用的方法，包括以下步骤：

1)取配方量的菌糠、铝污泥、粉煤灰、生物炭混合均匀，用硫酸亚铁调节pH值为6.0-7.3，得混合基质；将所得混合基质与原生土壤按设计比例混合，得植生层材料；将所得混合基质与沸石按设计比例混合，得上滤层材料；

取配方量的粉煤灰、菌糠、碳酸钙混合均匀后，加入铝污泥泥浆(由铝污泥加水制成，加水量为原料铝污泥、粉煤灰、菌糠、碳酸钙总质量的35％)混合造粒，在115℃条件下烘干2h，再在420℃预热40min，后升温至900℃煅烧20min，冷却，筛分即得粒径为5-10mm的复合填料；

2)取砾石、砂、透水土工布、松树皮和步骤1)所得复合填料、上滤层材料、植生层材料，按设计要求填充铺设各层并栽种植物，构建生物滞留池；

4)每天向系统中注入新的地表径流或附近河道表层水进行静置，持续4天即可打开后置集水池进水口处的阀门，正常运行。

实施例2

本实施例的地表径流水资源净化再利用的系统，具体结构同实施例1，其中生物滞留池各层所用材料如表1所示。

取配方量的粉煤灰、菌糠、碳酸钙混合均匀后，加入铝污泥泥浆(由铝污泥加水制成，加水量为原料铝污泥、粉煤灰、菌糠、碳酸钙总质量的40％)混合造粒，在110℃条件下烘干4h，再在430℃预热35min，后升温至910℃煅烧18min，冷却，筛分即得粒径为5-10mm的复合填料；

4)每天向系统中注入新的地表径流或附近河道表层水进行静置，持续5天即可打开后置集水池进水口处的阀门，正常运行。

实施例3

取配方量的粉煤灰、菌糠、碳酸钙混合均匀后，加入铝污泥泥浆(由铝污泥加水制成，加水量为原料铝污泥、粉煤灰、菌糠、碳酸钙总质量的38％)混合造粒，在115℃条件下烘干3h，再在440℃预热30min，后升温至920℃煅烧15min，冷却，筛分即得粒径为5-10mm的复合填料；

4)每天向系统中注入新的地表径流或附近河道表层水进行静置，持续6天即可打开后置集水池进水口处的阀门，正常运行。

实验例

为检测本发明的地表径流水资源净化再利用的系统及方法的应用效果，本实验例依照实施例1的系统和方法建立模拟实验装置至正常运行，设备尺寸及参数如表2所示；所栽植物为菖蒲(25株/m²)；采用模拟地表(雨水)径流水体进水。按照该系统生物滞留池服务面积比为5％、径流系数为0.9计算，该系统正常运行时进水量为1.5m³/次，进水历时4h，进水量相当于服务区域内总降雨量42mm时汇入生物滞留池的水量；重复运行3次(每次进水间隔10h)，定时检测出水水质，取平均值。结果如表3所示。

表2实验装置尺寸及参数

装置	前置集水槽	生物滞留池	后置集水井
				尺寸	长宽高：0.2m×1.0m×0.5m	长宽高：2.0m×1.0m×1.0m	直径0.3×井深1.5m

表3实施例1的地表径流水资源净化再利用的系统及方法检测结果

从表3可以看出，实施例1的地表径流水资源净化再利用的系统及方法对地表径流中污染物的去除效果好，去除效率高，对TSS、COD_Cr、TP、TN的去除率分别达到了95.42％、80.47％、66.31％、75.60％；对于重金属的去除效果显著，对Zn²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的去除率分别高达99.04％、97.17％、98.92％和98.56％；运行过程中未发现有重金属二次污染的问题。在上述实验过程中，记录每次进水时间、出水时间和出水量，计算结果显示，该系统的产流延迟时间为83-90min，在不发生溢流的情况下，洪峰削减率为74.9％-76.3％。实验结果表明，本发明的地表径流水资源净化再利用的系统及方法对地表径流水资源净化能力强，对进水携带污染物的去除效率高、去除效果好，实现了降雨径流水资源的循环再利用；该系统结构稳定，具有较好的削减径流量、滞后洪峰出现时间，控制地表径流污染的作用，是一种使用效果好的低影响开发措施，适合推广使用。

Claims

1.地表径流水资源净化再利用的系统，其特征在于：包括前置集水槽、生物滞留池和后置集水井，所述前置集水槽与生物滞留池之间设有整流墙，所述整流墙内嵌有自前置集水槽向生物滞留池方向向上倾斜角度为30°-60°的多层平行斜板，多层平行斜板之间的平行通道连通前置集水槽与生物滞留池；所述整流墙的顶部为溢流堰；所述生物滞留池包括自上而下依次设置的蓄水层、覆盖层、植生层、上滤层、填料层、砂滤层和砾石层；所述植生层的上表面不高于所述平行通道在生物滞留池内出口的下沿；所述砾石层中设有穿孔排水管，所述穿孔排水管与后置集水井的进水口相连通；所述后置集水井的进水口处设有阀门；

2.根据权利要求1所述的地表径流水资源净化再利用的系统，其特征在于：所述前置集水槽底部设有高度为200-500mm的沉降区；所述平行通道在前置集水槽内出口的下沿位于所述沉降区的上方。

3.根据权利要求1所述的地表径流水资源净化再利用的系统，其特征在于：所述生物滞留池内设有下端与穿孔排水管相连通，上端竖直向上穿出蓄水层的溢流管；所述溢流管的下端与后置集水井的进水口相连通。

4.根据权利要求3所述的地表径流水资源净化再利用的系统，其特征在于：所述溢流管的上端口设有格栅笼。

5.根据权利要求1所述的地表径流水资源净化再利用的系统，其特征在于：所述上滤层与填料层之间、填料层与砂滤层之间、砂滤层与砾石层之间分别设置有上隔离层、中隔离层和下隔离层；上隔离层、中隔离层和下隔离层材料均为透水土工布。

6.根据权利要求1所述的地表径流水资源净化再利用的系统，其特征在于：所述生物滞留池中，植生层、上滤层、填料层、砂滤层和砾石层的总厚度为0.4-1.5m；所述植生层、填料层、砾石层的厚度均不低于100mm，所述上滤层和砂滤层的厚度均不低于50mm；所述蓄水层的厚度不低于150mm。

7.根据权利要求1所述的地表径流水资源净化再利用的系统，其特征在于：所述上滤层中所用沸石的粒径为2-5mm；所述填料层中所述填料的粒度为5-20mm；所述砂滤层中所用滤砂的粒径为0.5-2mm；所述砾石层中所用砾石的粒径为20-50mm。

8.采用如权利要求1-7中任一项所述系统的地表径流水资源净化再利用的方法，其特征在于：包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的地表径流水资源净化再利用的方法，其特征在于：步骤4)中，所述河道表层水是指据河道水体表面0-500mm以内的水，不含河道淤泥。