CN111456191A - 一种雨水花园系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种雨水花园系统及其应用，属于雨水处理技术领域，所述雨水花园系统包括雨水径流收集系统、雨水净化系统和储存池；所述雨水径流收集系统包括两个坡底相对的斜坡草坪和位于斜坡草坪下的种植土壤；所述雨水净化系统位于两个斜坡草坪之间；所述雨水净化系统自上而下依次包括种植土层、填料净化层和排水层；所述储存池位于雨水径流收集系统种植土壤和排水层的正下方；所述填料净化层填充天然沸石和铁刨花。本发明所述雨水花园系统通过采用沸石和铁刨花的混合介质，强化雨水花园系统的氨氮吸附、自养反硝化脱氮和化学沉淀除磷功能，获得低氮磷含量的优质出水。

Description

一种雨水花园系统及其应用
技术领域
本发明属于雨水处理技术领域，尤其涉及一种雨水花园系统及其应用。
背景技术
随着中国城镇化进程的不断加快，灰色基础设施的快速发展，地表硬化面积比例增大，透水性能下降，地表径流比重增加，城市排水系统负荷过大，难以满足高强度暴雨的快速排放要求，导致“城市看海”现象频繁发生。城市降雨径流中携带大量的悬浮物、营养物质、重金属、油脂和致病菌等，这些污染物通过地表径流直接进入城市受纳水体中，不仅破坏水生态，还会威胁人类健康。
“海绵城市”是指在优先利用自然排水系统的基础上，通过各种生态排水设施，使城市开发建设前后的水文特征基本保持不变，从而实现缓解城市内涝，削减径流污染负荷和改善城市水环境的目标。雨水花园是基于“海绵城市”理念下的一种集雨水渗透、收集、储存和净化为一体的新型绿色雨水基础设施，近年来被广泛应用在居住区、街道、公园、校园和停车场等领域。
雨水花园指在有植物生长的低洼地区，利用植物、土壤和微生物的作用净化雨水水质，通过增加雨水滞留时间和提高土壤渗透性能来减少径流外排量，补给地下水或将收集的雨水回用于景观绿化和冲厕等城市杂用水。雨水花园主要由5部分组成，自上而下依次为蓄水层、覆盖层、种植土层、填料层和砾石排水层，通常还包括预处理设施和溢流设施等。每层结构有不同的生态和结构功能：①蓄水层：储存暴雨径流量，沉淀部分污染物；②覆盖层：选择树皮，营造利于微生物生长的环境，减少径流对填料及土壤的侵蚀；③种植土层：常用砂子、土壤或有机质等，为植物提供营养物质及生长环境；④填料层：选用渗透性较强的天然或人工材料，主要是砂质土壤、炉渣和砾石等，系统控制暴雨径流和污染负荷；⑤砾石排水层：由粒径较小的砾石或碎石组成，底部设排水管，排出下渗雨水。
大量研究表明，雨水花园通过填料的过滤及吸附、微生物的降解和植物的吸收等作用，可以有效去除降雨径流中的悬浮物、重金属、油脂、COD及致病菌，但对氮磷的去除率较低，去除效果不稳定。而雨水花园的净化出水往往会用作景观水体的补充水，对于景观水体而言，由于其流动性较差，故对补充水的氮磷含量要求较高，目的是避免出现景观水体富营养化现象。因此，对于传统的雨水花园，需要进一步提升其氮磷去除效能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种雨水花园系统及其应用；本发明所述雨水花园系统通过采用沸石和铁刨花的混合介质，强化雨水花园系统的氨氮吸附、自养反硝化脱氮和化学沉淀除磷功能，获得低氮磷含量的优质出水。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种雨水花园系统，包括雨水径流收集系统、雨水净化系统和储存池；所述雨水径流收集系统包括两个坡底相对的斜坡草坪和位于斜坡草坪下的种植土壤；所述雨水净化系统位于两个斜坡草坪之间；所述雨水净化系统自上而下依次包括种植土层、填料净化层和排水层；所述储存池位于雨水径流收集系统种植土壤和排水层的正下方；所述填料净化层填充天然沸石和铁刨花。
优选的，所述天然沸石和铁刨花的体积比为1：(1.2～1.8)。
优选的，所述天然沸石的粒径为20～50mm；所述铁刨花的宽度为8～15mm，所述铁刨花的长度为150～250mm。
优选的，所述填料净化层的厚度为180～220mm。
优选的，所述斜坡草坪的坡度为10～30°。
优选的，所述种植土壤的渗透系数大于1.2×10-6m/s。
优选的，所述种植土层的厚度为150～250mm；所述种植土层上种植水生植物。
优选的，所述排水层的厚度为180～220mm，所述排水层放置天然砾石，所述天然砾石的粒径为20～50mm；所述排水层的外围设置穿孔透水墙。
优选的，所述种植土层、填料净化层和排水层之间分别设置透水工布；所述存储池顶部设置开孔板，所述开孔板的开孔孔径为15～25mm，开孔率为2％～3％，所述开孔板与种植土壤之间设置透水土工布。
本发明提供了所述的雨水花园系统在雨水净化中的应用。
本发明的有益效果：本发明提供的雨水花园系统利用斜坡草坪有效收集周边区域的降雨径流；收集的降雨径流进入雨水花园的雨水净化系统，在净化部分的填料净化层，放置天然沸石和铁刨花的混合介质作为填料，利用沸石吸附径流中的氨氮，利用铁刨花完成铁自养反硝化去除硝酸盐，并通过反硝化产生的二价铁和三价铁与径流中的磷酸盐反应生产沉淀从而高效除磷；在底部排水层中放置砾石可以对净化层出水中的铁离子起到拦截作用，从而获得高品质的净化出水。根据实施例记载，本发明所述的雨水花园系统，经2019年全年降雨后监测，存储池中的水体COD、NH3-N、总氮、总磷含量分别为10～18mg/L、0.12～0.35mg/L、0.55～0.87mg/L和0.02～0.05mg/L，达到了地表水III类水水平。
附图说明
图1为本发明所述雨水花园系统的结构示意图，其中1为雨水花园系统，2为雨水径流收集部分的种植土壤，3为存储池的顶部开孔板，4为存储池，5为净化部分的种植土壤，6为透水土工布，7为填料净化层，8为透水土工布，9为排水层，10为排水层的四周穿孔透水墙；11为溢流管，12为雨水收集系统的斜坡草坪，13为净化部分的水生植物。
具体实施方式
一种雨水花园系统，包括雨水径流收集系统、雨水净化系统和储存池；所述雨水径流收集系统包括两个坡底相对的斜坡草坪和位于斜坡草坪下的种植土壤；所述雨水净化系统位于两个斜坡草坪之间；所述雨水净化系统自上而下依次包括种植土层、填料净化层和排水层；所述储存池位于雨水径流收集系统种植土壤和排水层的正下方；所述填料净化层填充天然沸石和铁刨花。
在本发明中，所述雨水花园系统包括雨水径流收集系统，所述雨水径流收集系统包括两个坡底相对的斜坡草坪和位于斜坡草坪下的种植土壤。在本发明中，所述斜坡草坪的坡度优选为10～30°，更优选为15～25°，最优选为20°；在本发明中，所述种植土壤的渗透系数优选的大于1.2×10-6m/s。在本发明中，所述斜坡草坪能够快速有效的收集雨水径流。在本发明中，所述斜坡草坪上优选的设置溢流管，所述溢流管的管径优选的≥DN100；所述溢流管的作用是在发生大暴雨时或者雨水净化系统堵塞时将不能通过雨水净化系统下渗的水体及时排出。
在本发明中，所述雨水净化系统位于两个斜坡草坪之间。在本发明中，所述雨水净化系统包括种植土层；所述所述种植土层的厚度优选为150～250mm，更优选为180～220mm，最优选为200mm；在本发明中，所述种植土层的渗透系数优选的大于1.2×10-6m/s。在本发明中，所述种植土层上优选的种植水生植物，所述水生植物包括黄菖蒲、花叶芦竹、黄花鸢尾和美人蕉中的一种或几种；所述水生植物的种植密度16～25株/m2，更优选为18～22株/m2。在本发明中，所述种植土层通过水生植物的生长同化、土壤基质的吸附拦截、根系微生物和土壤微生物的作用高效去除雨水径流中的悬浮物、有机物和磷酸盐，并能够进行有效的氨化和硝化作用，将雨水径流中的有机氮转化成氨氮，将氨氮硝化成为硝酸盐氮。
本发明在所述种植土层下方设置填料净化层，所述填料净化层填充天然沸石和铁刨花。在本发明中，所述天然沸石和铁刨花的体积比优选为1:(1.2～1.8)，更优选为1:(1.4～1.6)，最优选为1:1.5。在本发明中，所述天然沸石的粒径优选为20～50mm，更优选为30～40mm；在本发明中，所述铁刨花的宽度优选为8～15mm，更优选为10～12mm，所述铁刨花的长度优选为150～250mm，更优选为180～220mm。在本发明中，所述填料净化层的厚度优选为180～220mm，更优选为190～210mm，最优选为200mm。在本发明中，种植土层渗滤下来的水中，会有少量的氨氮和较高含量的硝态氮以及部分磷酸盐，在填料净化层中，天然沸石可以有效吸附残余的氨氮，铁刨花通过自养反硝化途径，将硝酸盐转化成为氮气，产生的二价和三价铁离子能够与磷酸盐高效反应，从而使出水中的氮磷含量均能够保持在较低的水平，满足景观水体补充水的要求。
在本发明中，所述填料净化层下方设置排水层，所述排水层的厚度优选为180～220mm，更优选为190～210mm，最优选为200mm。在本发明中，所述排水层放置天然砾石，所述天然砾石的粒径优选为20～50mm，更优选为30～40mm。在本发明中，所述排水层暴露在储存池的外围优选的设置穿孔透水墙，所述排水层收集的净化水通过穿孔透水墙进入到存储池中待用。
在本发明中，所述种植土层、填料净化层和排水层之间分别设置透水工布。在本发明中，所述透水土工布的规格优选为200～300g/m2，所述透水工布用于分隔种植土层、填料净化层和排水层。
在本发明中，所述储存池位于雨水径流收集系统种植土壤和排水层的正下方。在本发明中，所述存储池顶部设置开孔板，所述开孔板的开孔孔径优选为15～25mm，更优选为18～22mm，最优选为20mm，所述开孔板的开孔率优选为2％～3％，更优选为2.5％。在本发明中，所述开孔板与种植土壤之间设置透水土工布，所述透水土工布的规格优选为200～300g/m2，所述透水工布用以分隔开孔板与种植土壤。在本发明中，所述储存池的高度优选的≥200mm。在本发明中，所述存储池用于储存净化后的雨水，所述净化后的雨水可以用作景观水体的补充水，所述净化后的雨水氮磷含量低，能够避免景观水体富营养化现象的出现。
本发明还提供了所述的雨水花园系统在雨水净化中的应用，本发明所述雨水花园系统处理雨水后，能够获得高品质的净化出水。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
雨水花园系统，结构示意图如图1所示；其中，1为雨水花园系统，包括雨水径流收集、净化和存储三部分。2为雨水径流收集部分的种植土壤，渗透系数大于1.2×10-6m/s；3为存储池的顶部开孔板，开孔孔径为20mm，开孔率为2.5％；4为存储池，高度≥200mm；5为净化部分的种植土壤，渗透系数大于1.2×10-6m/s；6为透水土工布，规格为250g/m2；7为填料净化层，厚度为200mm，放置天然沸石和铁刨花的混合介质，两者的体积混合比例为1：1.5，其中天然沸石的粒径范围为20～50mm，铁刨花的宽度为8～15mm，长度为150～250mm；8为透水土工布，规格为250g/m2；9为排水层，厚度为200mm，放置天然砾石，砾石粒径范围为20～50mm；10为排水层的四周穿孔透水墙；11为溢流管，管径不小于DN100；12为雨水收集系统的斜坡草坪；13为净化部分的水生植物，可以为黄菖蒲、花叶芦竹、黄花鸢尾、美人蕉等水生植物，种植密度为20株/m2。
实验地点为上海市闵行区某校园内一宾馆，内部有草坪约1000m2；有一处景观水体，面积约600m2，水量约500m3。利用草坪构建了10个上述结构的雨水花园，每个雨水花园的平面尺寸为5×5m，其中L1＝1.5m，L2＝2m；H1＝270mm；H2＝H3＝200mm；H4＝500mm；a＝10°。10个雨水花园能够将草坪降雨全部收集后处理，处理后的出水收集在底部存储池中，用作景观水体的补充水。经2019年全年降雨后监测，数据如表1所示；
表1 2019年逐月监测数据
监测时间 COD(mg/L) NH<sub>3</sub>-N(mg/L) TN(mg/L) TP(mg/L)
2019.1.12 15 0.33 0.67 0.02
2019.2.23 12 0.28 0.75 0.02
2019.3.15 15 0.25 0.61 0.03
2019.4.21 18 0.31 0.86 0.02
2019.5.15 18 0.29 0.55 0.03
2019.6.17 16 0.15 0.64 0.04
2019.7.8 14 0.18 0.67 0.04
2019.8.12 12 0.22 0.58 0.05
2019.9.12 16 0.32 0.63 0.05
2019.10.15 12 0.12 0.73 0.03
2019.11.17 15 0.26 0.87 0.02
2019.12.22 18 0.28 0.59 0.02
雨水花园存储池中的水体COD、NH3-N、总氮、总磷含量分别为10～18mg/L、0.12～0.35mg/L、0.55～0.87mg/L和0.02～0.05mg/L，达到了地表水III类水水平。该优质补充水与景观水体内部实施的生态修复措施相结合，也使得宾馆内景观水体水质稳定维持在地表水III类的水平。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种雨水花园系统，其特征在于，包括雨水径流收集系统、雨水净化系统和储存池；所述雨水径流收集系统包括两个坡底相对的斜坡草坪和位于斜坡草坪下的种植土壤；所述雨水净化系统位于两个斜坡草坪之间；所述雨水净化系统自上而下依次包括种植土层、填料净化层和排水层；所述储存池位于种植土壤和排水层的正下方；所述填料净化层填充天然沸石和铁刨花。
2.根据权利要求1所述的雨水花园系统，其特征在于，所述天然沸石和铁刨花的体积比为1：(1.2～1.8)。
3.根据权利要求1或2所述的雨水花园系统，其特征在于，所述天然沸石的粒径为20～50mm；所述铁刨花的宽度为8～15mm，所述铁刨花的长度为150～250mm。
4.根据权利要求3所述的雨水花园系统，其特征在于，所述填料净化层的厚度为180～220mm。
5.根据权利要求1所述的雨水花园系统，其特征在于，所述斜坡草坪的坡度为10～30°。
6.根据权利要求1所述的雨水花园系统，其特征在于，所述种植土壤的渗透系数大于1.2×10-6m/s。
7.根据权利要求1所述的雨水花园系统，其特征在于，所述种植土层的厚度为150～250mm；所述种植土层上种植水生植物。
8.根据权利要求1所述的雨水花园系统，其特征在于，所述排水层的厚度为180～220mm，所述排水层放置天然砾石，所述天然砾石的粒径为20～50mm；所述排水层的外围设置穿孔透水墙。
9.根据权利要求1所述的雨水花园系统，其特征在于，所述种植土层、填料净化层和排水层之间分别设置透水工布；所述存储池顶部设置开孔板，所述开孔板的开孔孔径为15～25mm，开孔率为2％～3％，所述开孔板与种植土壤之间设置透水土工布。
10.权利要求1～9任意一项所述的雨水花园系统在雨水净化中的应用。
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