CN111118998A - 一种透水铺装设施及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透水铺装设施及其制备方法，包括以下步骤：将煤矸石经煅烧、破碎和筛分，按照粒径分级后备用；将砾石按照粒径分级后备用；准备砂子和透水砖；将煤矸石和/或砾石和/或砂子组成填料按照一定的比例填入透水铺装设施内。本发明将不同粒径以及不同配比的煤矸石用于透水铺装设施中，进而评价煤矸石用于透水铺装设施中的环境效应。由于煤矸石有较大的强度，对水中的污染物具有良好的去除效果，因此可将其作为再生资源重新利用，将其用作我国“海绵城市”所急需的透水铺装改良型填料，既满足了生态环境保护的需要，又实现了可持续发展的目标，对地表径流雨水起到截留控污效果，也提高了煤矸石的回收利用率。

Description

一种透水铺装设施及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于固体废物综合利用技术领域，具体涉及一种透水铺装设施及其制备方法和应用。
背景技术
随着矿产资源的开发利用，在煤炭的挖掘开采和洗选加工过程中，会产生大量煤矸石等工业固体废弃物。我国煤矸石产量巨大，截至目前，我国已累计堆积的煤矸石达80亿吨以上，形成1100多座煤矸石山，占地11万多公顷，且仍以每年3.0–3.5亿吨的速度不断上升，预计到2020年我国煤矸石年排放量可达7.29亿吨。煤矸石本身作为废弃物含有一定的有害成分，难以实现产业化且运输成本太高，大量煤矸石不能及时妥善的处理而堆积成山，不仅占用了大量土地，还对周围的大气、土壤等环境造成了严重的污染。因此，煤矸石的处理与综合利用逐渐引起人们高度重视。
透水铺装设施是“海绵城市”的主要技术措施，主要通过介质截留、吸附作用消减径流中的污染物，填料介质界面是径流中污染物被截留、吸附去除的重要载体和场所。透水铺装设施各层结构主要由砂、砾石和碎石等材料构成，由于这些介质的表面特性使其吸附能力非常有限，对污染物的去除主要是通过介质孔隙的截留作用，并且，随着系统的长期运行，截留能力逐渐降低。因此，提升透水铺装设施介质对污染物的吸附能力对于降低其水质风险具有积极作用。
目前，国内众多研究发现，煤矸石对于部分常规污染物、重金属和有机物均具有一定的去除效果，提出煤矸石可作为吸附剂用于水处理中。Ding等人以新排出的煤矸石和自燃后的煤矸石为实验原料对磷酸盐溶液进行吸附实验，发现离子交换（磷酸根与氢氧根）在此吸附过程中起主导作用。新排出的煤矸石对磷的最大吸附量可达2.504 mg/g；自燃后的煤矸石对磷的最大吸附量可达7.076 mg/g。自燃后的煤矸石较新排出的吸附能力更强是由于其表面的SiO2、Al2O3等金属氧化物含量升高，增强了其对磷酸盐的吸附能力。Jabłonska等人将未经处理的煤矸石与经600℃煅烧后的煤矸石作比较，吸附工业废水中的铅、镍、铜，发现在三种金属溶液初始浓度均为5 mg/L时，煤矸石对不同金属的吸附效果有所差异，煅烧后的煤矸石对铅的吸附能力增强，可从27 mg/g升高至33 mg/g；对铜也从17 mg/g升高至22 mg/g；但煅烧后对镍的吸附能力减弱，从25 mg/g减少至15 mg/g。在废水中重金属离子浓度较高，pH较低时，离子交换占主导作用；在pH较高时，部分金属离子可能通过沉淀而被去除。煤矸石被分类为废石，具有一定的强度，因此十分适合作为骨料等建筑材料。许多学者尝试用煤矸石制作的环境友好型再生骨料如透水砖、透水沥青等，并对其所可能含有的环境风险污染物进行析出检测，发现其析出量未超出国家相关标准。我国从20世纪60年代就开始用与黏土成分类似的煤矸石制砖，技术已相对成熟，制砖也成为煤矸石再利用的主要途径。Xu等人用煤矸石作为骨料制备烧结砖，在1200℃下烧制的砖的抗压强度达到45.61MPa，符合我国烧结砖MU10，MU15，MU20，MU30级标准。并对其做了重金属析出实验，发现析出的重金属均未超出国家地表水质量标准。因此，可将煤矸石应用于透水铺装设施中以去除径流中COD、TN、TP和NH4-N等径流污染物。然而此种方法尚未有相关报道。
专利申请号为201910838070的发明专利公开一种煤矸石基烧结型透水砖及其制备方法，涉及工业固体废弃物处理和透水铺装材料技术领域，以质量百分比为30％～70％的煤矸石和黏土进行混合，并加入混合料10％的水，按照混合料体积的30％～150％加入膨胀珍珠岩，通过混料、搅拌均匀后在万能压力试验机下压制成型并干燥，最后放入高温烧结炉中烧制成品，但是该专利制备方法复杂，并不适用于大型透水铺装设施中使用，其仅仅实现了废物利用的目的，对水体中的污染物去除效果欠佳。
发明内容
本发明提供一种透水铺装设施及其制备方法，将煤矸石用于透水铺装设施，本发明将煤矸石用于透水铺装设施中，并与传统填充方法填充下的设施进行比较，进而评价煤矸石用于透水铺装设施中的环境效应。煤矸石不仅有较大的强度，而且对水中的污染物具有良好的去除效果，可将其作为再生资源重新利用，将其用于我国“海绵城市”所急需的透水铺装改良型填料中，既满足了生态环境保护的需要，又实现了可持续发展的目标，对地表径流雨水起到截留控污的效果，也提高了煤矸石的回收利用率。
一种透水铺装设施，采用煤矸石和/或砾石和/或砂子、透水砖填入透水铺装设施内制成。
优选的是，所述煤矸石粒径范围为1-0.5 mm和5-20 mm。
上述任一方案中优选的是，所述砾石粒径范围为5-20 mm。
上述任一方案中优选的是，所述砂子包括中砂和/或粗砂。
上述任一方案中优选的是，所述砂子粒径范围为0.5-0.25 mm的中砂或1-0.5 mm的粗砂。
上述任一方案中优选的是，所述透水砖为水泥透水砖。
上述任一方案中优选的是，所述透水铺装设施为PVC箱，长400mm，宽200 mm，高650mm。
上述任一方案中优选的是，所述砾石、砂子和透水砖从下往上的填充顺序依次为砂子、砾石、砂子、透水砖。
上述任一方案中优选的是，所述砾石、砂子的铺设量分别为50 mm砂子、350 mm的砾石、30 mm砂子，表面铺设透水砖。
上述任一方案中优选的是，所述煤矸石、砾石、和透水砖从下往上的填充顺序依次为煤矸石、砾石、煤矸石、透水砖。
上述任一方案中优选的是，所述煤矸石、砾石、的铺设量分别为50 mm的煤矸石、350 mm的砾石、30 mm的煤矸石，表面铺设透水砖。
上述任一方案中优选的是，所述煤矸石、砂子和透水砖从下往上的填充顺序依次为砂子、煤矸石、砂子、透水砖。
上述任一方案中优选的是，所述砂子、煤矸石的铺设量分别为50 mm砂子、350 mm的煤矸石、30 mm砂子，表面铺设透水砖。
上述任一方案中优选的是，从下往上的填充顺序依次为50 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石、350 mm粒径为5-20 mm的煤矸石、30 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石，表面铺设透水砖。
本发明还提供一种将煤矸石用于透水铺装设施的方法，包括以下步骤：
（1）将煤矸石经煅烧、破碎和筛分，按照粒径分级后备用；
（2）将砾石按照粒径分级后备用；
（3）准备砂子和透水砖；
（4）将煤矸石和/或砾石和/或砂子组成填料按照一定的比例填入透水铺装设施内。
煤矸石煅烧的主要目的是去除其本身所含的氯化物、硫化物等污染物，使其使用起来更加安全。通过静态实验表明，煤矸石煅烧后对磷的去除效果也有所提高，900℃煅烧前磷初始浓度为20mg/L，煤矸石投加量为20g/L时，去除率为42.83%；900℃煅烧后磷初始浓度为20mg/L，煤矸石投加量为20g/L时，去除率可达92.59%。同样的条件，只改变采用没煅烧的煤矸石，磷或者其他污染物的去除效果变差。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石煅烧温度和时间为850-950℃，6小时。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石煅烧温度和时间为850℃，6小时。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石煅烧温度和时间为900℃，6小时。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石煅烧温度和时间为950℃，6小时。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石破碎筛分后，选择0.5-1mm和5-20 mm的粒径范围备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石破碎筛分后，选择0.6 -0.8mm和10-15mm的粒径范围备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石破碎筛分后，选择0.5mm和5mm的粒径备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石破碎筛分后，选择0.8mm和8mm的粒径备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石破碎筛分后，选择1mm和10 mm的粒径范围备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石破碎筛分后，选择1mm和15 mm的粒径范围备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的煤矸石破碎筛分后，选择1mm和20 mm的粒径范围备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中砾石按照粒径分级后，选择5-20 mm的粒径范围备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中砾石按照粒径分级后，选择8-15mm的粒径范围备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中砾石按照粒径分级后，选择5mm的粒径备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中砾石按照粒径分级后，选择10mm的粒径备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中砾石按照粒径分级后，选择15mm的粒径备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中砾石按照粒径分级后，选择20 mm的粒径备用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中的砂子选择0.25-0.5 mm粒径的中砂或1-0.5 mm粒径的粗砂。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中的砂子选择0.3-0.4 mm粒径的中砂或0.6-0.8 mm粒径的粗砂。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中的砂子选择-0.25 mm粒径的中砂或0.5mm粒径的粗砂。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中的砂子选择0.4 mm粒径的中砂或0.8mm粒径的粗砂。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中的砂子选择0.5 mm粒径的中砂或1mm粒径的粗砂。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中的透水砖为水泥透水砖。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中所述透水铺装设施为PVC箱，长400mm，宽200 mm，高650 mm。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm砂子、350 mm粒径为5-20 mm的砾石、30 mm砂子，表面铺设透水砖。此实施例为模拟传统透水铺装设施，用于改良型设施的效果比较。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石、350 mm粒径为5-20 mm的砾石、30 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石，表面铺设透水砖。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm砂子、350 mm粒径为5-20 mm的煤矸石、30 mm砂子，表面铺设透水砖。上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石、350mm粒径为5-20 mm的煤矸石、30 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石，表面铺设透水砖。
本发明还公开上述方法制备的透水铺装设施在净化水体方面的应用。
有益效果
（1）我国煤矸石产量大，绝大多数未被利用。因此将煤矸石作为填料，节约资源，可为煤矸石资源化利用提供新的途径。由于煤矸石具有一定的强度和良好的吸附性能，成本低，可以用来作为一种填料用于透水铺装设施中以净化水质。
（2）煤矸石代替传统设施中的砾石和砂子，不会造成大量污染物浸出的现象，同时，相对传统设施还能更好的去除径流中的污染物（COD、TN、TP和NH4-N）。
（3）本发明实现水中磷素的高效去除，总磷的去除效果极好，去除率可达99.32%，出水磷浓度可达地表水环境质量标准Ⅰ类水标准。
（4）本发明相对传统设施对氮素的去除效果更好，对氨氮和总氮的去除率可达93.45%和50.95%。
（5）本发明相对传统设施对COD的去除效果更好，去除率可达51.16%。
附图说明
图1为本发明对水中常规污染物去除装置的三个实施例和传统设施的结构示意图；
图2为传统设施和本发明实施例1-3的COD 释放曲线图；
图3为传统设施和本发明实施例1-3的TN 释放曲线图；
图4为传统设施和本发明实施例1-3的TP 释放曲线图；
图5为传统设施和本发明实施例1-3的NH4-N 释放曲线图；
图6为传统设施和本发明实施例1-3的出水COD浓度随降雨历时变化曲线图；
图7为传统设施和本发明实施例1-3的出水TN浓度随降雨历时变化曲线图；
图8为传统设施和本发明实施例1-3的出水TP浓度随降雨历时变化曲线图；
图9为传统设施和本发明实施例1-3的出水NH4-N浓度随降雨历时变化曲线图；
图10为传统设施对四种径流污染物的去除率随降雨重现期（降雨强度）变化曲线图；
图11为实施例1对四种径流污染物的去除率随降雨重现期（降雨强度）变化曲线图；
图12为实施例2对四种径流污染物的去除率随降雨重现期（降雨强度）变化曲线图；
图13为实施例3对四种径流污染物的去除率随降雨重现期（降雨强度）变化曲线图。
具体实施方式
实施例1
一种将煤矸石用于透水铺装设施的方法，包括以下步骤：
（1）将煤矸石经煅烧、破碎和筛分，按照粒径分级后备用；
（2）将砾石按照粒径分级后备用；
（3）准备砂子和透水砖；
（4）将煤矸石和/或砾石和/或砂子组成填料按照一定的比例填入透水铺装设施内。
此实施例的改良透水铺装设施中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石、350 mm粒径为5-20 mm的砾石、30 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石，表面铺设透水砖。透水砖选择水泥透水砖，长200mm，宽100mm，厚50mm。
为了验证本实施例的污染物浸出量较低，对透水铺装设施进行淋洗，淋洗水采用自来水，用蠕动泵控制进水流量为103.34 mL/min（模拟一年一遇降雨强度），淋洗120 min，共淋洗10次，无污染物。为了验证本实施例的净化效果，对透水铺装设施进行模拟人工降雨实验，配制模拟雨水，采用自来水进行配制，用蠕动泵控制进水流量为103.34 mL/min（模拟一年一遇降雨强度），模拟降雨120 min，配置雨水中COD含量350 mg/L，NH4-N含量5.0 mg/L，TN含量11.0 mg/L，TP含量1.5mg/L。
在淋洗实验中，淋洗结束后进行采样，结果表明，本实施例的浸出污染物浓度较低，与传统设施无差别，如图2-5所示。在模拟降雨实验中，降雨初期即前30 min，每5 min采样一次，之后分别于40 min、50 min、60 min、75 min、90 min、120 min时采样一次。结果表明，该实施例的出水COD和TN浓度较传统设施有所降低，但并不显著，出水NH4-N浓度与传统设施无异，出水TP浓度与传统设施相比有明显降低，始终处于0.1 mg/L以下，如图6-9所示。对四种径流污染物的去除率随降雨重现期（降雨强度）变化曲线图，如图11所示。
实施例2
一种将煤矸石用于透水铺装设施的方法，包括以下步骤：
（1）将煤矸石经煅烧、破碎和筛分，按照粒径分级后备用；
（2）将砾石按照粒径分级后备用；
（3）准备砂子和透水砖；
（4）将煤矸石和/或砾石和/或砂子组成填料按照一定的比例填入透水铺装设施内。
此实施例的改良透水铺装设施中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm砂子、350mm粒径为5-20 mm的煤矸石、30 mm砂子，表面铺设透水砖。透水砖选择水泥透水砖，长200mm，宽100mm，厚50mm。
为了验证本实施例的污染物浸出量较低，对透水铺装设施进行淋洗，淋洗水采用自来水，用蠕动泵控制进水流量为103.34 mL/min（模拟一年一遇降雨强度），淋洗120 min，共淋洗10次，无污染物。为了验证本实施例的净化效果，对透水铺装设施进行模拟人工降雨实验，配制模拟雨水，采用自来水进行配制，用蠕动泵控制进水流量为103.34 mL/min（模拟一年一遇降雨强度），模拟降雨120 min其中COD含量350 mg/L，NH4-N含量5.0 mg/L，TN含量11.0 mg/L，TP含量1.5mg/L。
在淋洗实验中，淋洗结束后进行采样，结果表明，本实施例的浸出污染物浓度较低，与传统设施无差别，如图2-5所示。在模拟降雨实验中，降雨初期即前30 min，每5 min采样一次，之后分别于40 min、50 min、60 min、75 min、90 min、120 min时采样一次。结果表明，该实施例的出水COD、NH4-N和TN浓度较传统设施有所降低，但并不显著，出水TP浓度与传统设施相比有明显降低，始终处于0.05 mg/L以下，如图6-9所示。对四种径流污染物的去除率随降雨重现期（降雨强度）变化曲线图如图12所示。
实施例3
一种将煤矸石用于透水铺装设施的方法，包括以下步骤：
（1）将煤矸石经煅烧、破碎和筛分，按照粒径分级后备用；
（2）将砾石按照粒径分级后备用；
（3）准备砂子和透水砖；
（4）将煤矸石和/或砾石和/或砂子组成填料按照一定的比例填入透水铺装设施内。
此实施例的改良透水铺装设施中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石、350 mm粒径为5-20 mm的煤矸石、30 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石，表面铺设透水砖。透水砖选择水泥透水砖，长200mm，宽100mm，厚50mm。
为了验证本实施例的污染物浸出量较低，对透水铺装设施进行淋洗，淋洗水采用自来水，用蠕动泵控制进水流量为103.34 mL/min（模拟一年一遇降雨强度），淋洗120 min，共淋洗10次，无污染物。为了验证本实施例的净化效果，对透水铺装设施进行模拟人工降雨实验，配制模拟雨水，采用自来水进行配制，用蠕动泵控制进水流量为103.34 mL/min（模拟一年一遇降雨强度），模拟降雨120 min其中COD含量350 mg/L，NH4-N含量5.0 mg/L，TN含量11.0 mg/L，TP含量1.5mg/L。
在淋洗实验中，淋洗结束后进行采样，结果表明，本实施例的浸出污染物浓度较低，与传统设施无差别，如图2-5所示。在模拟降雨实验中，降雨初期即前30 min，每5 min采样一次，之后分别于40 min、50 min、60 min、75 min、90 min、120 min时采样一次。结果表明，该实施例的出水COD、NH4-N和TN浓度较传统设施有所降低，但并不显著，出水TP浓度与传统设施相比有明显降低，始终处于0.05 mg/L以下，如图6-9所示。对四种径流污染物的去除率随降雨重现期（降雨强度）变化曲线图，如图13所示。
模拟传统透水铺装设施作为对比实验，用于本申请透水铺装设施的效果比较，和上述实施例不同的是，步骤（4）中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm砂子、350 mm粒径为5-20 mm的砾石、30 mm砂子，表面铺设透水砖。
本发明对水中常规污染物去除装置的三个实施例和传统设施的结构示意图如图1所示，传统设施和本发明实施例1-3的COD 释放曲线图如图2所示，传统设施和本发明实施例1-3的TN 释放曲线图如图3所示，传统设施和本发明实施例1-3的TP 释放曲线图如图4所示，传统设施和本发明实施例1-3的NH4-N 释放曲线图如图5所示。根据以上实验数据-进一步表明，实施例2（50 mm粒径为1-0.5 mm的砂子、350 mm粒径为5-20 mm的煤矸石、30 mm粒径为1-0.5 mm的砂子表面铺设透水砖）对污染物的去除效果是最好的。由图中可以看出，三种实施例相对传统设施浸出的污染物量均不多，且在模拟降雨实验中，三种实施例对COD的去除效果与传统设施差异不大，三种实施例对总磷的去除效果均非常好，而对于NH4-N和TN，随降雨历时的升高，出水污染物浓度稳定后，实施例2的出水NH4-N和TN浓度较小。当然发明人也进行了其他多组对比实验，比如通过粒径的改变或者种类的变化，但是去除效果均比实施例2稍差。
本发明的技术方案中涉及了诸多参数，需要综合考虑各个参数之间的协同作用，才能获得本发明的有益效果和显著进步。而且技术方案中各个参数的取值范围都是经过大量试验才获得的，针对每一个参数以及各个参数的相互组合，发明人都记录了大量试验数据，限于篇幅，在此不公开具体试验数据。

Claims (10)

1.一种透水铺装设施，其特征在于，采用煤矸石和/或砾石和/或砂子、透水砖填入透水铺装设施内制成。
2.根据权利要求1所述的将煤矸石用于透水铺装设施的方法，其特征在于，所述煤矸石粒径范围为1-0.5 mm和5-20 mm。
3.根据权利要求1或2所述的将煤矸石用于透水铺装设施的方法，其特征在于，所述砾石粒径范围为5-20 mm。
4.根据权利要求1所述的将煤矸石用于透水铺装设施的方法，其特征在于，所述砂子粒径范围为0.5-0.25 mm的中砂或1-0.5 mm的粗砂。
5.一种将煤矸石用于透水铺装设施的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将煤矸石经煅烧、破碎和筛分，按照粒径分级后备用；
（2）将砾石按照粒径分级后备用；
（3）准备砂子和透水砖；
（4）将煤矸石和/或砾石和/或砂子组成填料按照一定的比例填入透水铺装设施内。
6.根据权利要求5所述的将煤矸石用于透水铺装设施的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的煤矸石煅烧温度和时间为900℃，6小时。
7.根据权利要求5所述的将煤矸石用于透水铺装设施的方法，其特征在于：所述步骤（4）中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石、350 mm粒径为5-20mm的砾石、30 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石，表面铺设透水砖。
8.根据权利要求5所述的将煤矸石用于透水铺装设施的方法，其特征在于：所述步骤（4）中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm砂子、350 mm粒径为5-20 mm的煤矸石、30 mm砂子，表面铺设透水砖。
9.根据权利要求5所述的将煤矸石用于透水铺装设施的方法，其特征在于：所述步骤（4）中填料从下往上的填充顺序依次为50 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石、350 mm粒径为5-20mm的煤矸石、30 mm粒径为1-0.5 mm的煤矸石，表面铺设透水砖。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的方法制备的透水铺装设施在净化水体方面的应用。
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