CN112225408A

CN112225408A - 城市径流雨水资源生态控污处理的系统和方法

Info

Publication number: CN112225408A
Application number: CN202011173157.6A
Authority: CN
Inventors: 张锦霞; 何军; 张海霞; 王宁; 郑娇丽; 王明惠; 申方凡
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2021-01-15

Abstract

本发明涉及一种城市径流雨水资源生态控污处理的系统和方法，该系统包括依次串联的透水铺装设施、滤水井和生物滞留设施；滤水井包括外井和套设在外井中的内井，外井进水管与设置在透水铺装设施中的集水管相连通；内井在透水板上堆填有滤水填料，并设有内井排水管；生物滞留设施在生物滞留池内自上而下依次设置蓄水层、纤维毯、填料层、分隔层和砾石层，纤维毯含有植物种子或生长有植物植株；生物滞留池的进水管与滤水井的内井排水管相连通，砾石层内设有相连通的穿孔集水管和排水管。该系统和方法对城市径流雨水的径流量、洪峰流量削减作用大，能有效削减和控制雨水资源中的污染物总量和浓度，填料易更换和再生，操作简单，运行维护成本低。

Description

城市径流雨水资源生态控污处理的系统和方法

技术领域

本发明属于水文水资源技术领域，具体涉及一种城市径流雨水资源生态控污处理的系统和方法。

背景技术

随着我国城市建设和工业化程度的不断提高，工业用水与城市生活用水的矛盾也不断增大，为解决日益严重的城镇用水需求问题，人们逐渐将目光投向雨水资源。雨水是自然界水循环的重要一环，也是江河湖泊、水库溪流等蓄水水利的主要水源，许多城市乡村的用水以及地下水主要依赖于雨水的补给。城市雨水管理的传统方式是铺设排水管道等灰色基础设施，通过排水管网泄入江河湖泊、水库等收纳水体。但是，随着城镇化的快速推进，交通道路、建筑物屋面、公共广场等不透水面积急速增加，雨水无法下渗，不仅造成城市地下水水位下降，而且雨水在地表形成积水及径流，导致径流总量增加、汇流时间缩短、径流峰值增大，严重时形成城市内涝，造成人员、财产损失。因此，如何削减城市雨水径流并对雨水资源加以收集利用，逐渐引起人们的重视。

影响城市径流雨水资源直接回收利用的重要因素是城市雨水径流携带复杂污染物，主要来自大气、地表、管网等，如降雨过程中对大气污染物的干湿沉降效应、降雨及径流对地表污染物的冲刷作用、汇流对市政管网管道中污染物的裹挟积累作用等；这些污染物成分复杂、种类多样，主要有TSS、氮、磷、有机污染物、重金属、细菌病毒等。这些污染物随雨水径流进入受纳水体，长期汇流积累，不仅会造成收纳水体水质下降、富营养化甚至恶臭，还会进入地下径流并下渗到地下水层中污染地下水，造成地下水水质恶化，造成饮水风险。因此需要对城市径流雨水的污染进行控制，以满足回收利用的需要，避免收纳水体污染累积和地下水水质恶化。

针对上述问题，现有的城市雨水径流处理不仅要求削减雨水径流总量、洪峰流量，还要降低径流雨水中污染物的浓度、控制污染物总量，以减少降雨对管网负荷的压力、减少径流雨水污染对城市水环境和水生态的影响，并在缺水时能对雨水进行收集和利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市径流雨水资源生态控污处理的系统，能有效削减雨水径流总量、洪峰流量，降低径流雨水中污染物的浓度、控制污染物总量，且操作简单方便。

本发明的第二个目的是提供一种城市径流雨水资源生态控污处理的方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：城市径流雨水资源生态控污处理的系统，包括依次串联的透水铺装设施、滤水井和生物滞留设施；

所述滤水井包括井体和井盖，所述井体包括外井和套设在外井中的内井，外井和内井通过内井壁隔开；所述外井的底部设有集泥区，在集泥区的上方设有外井进水管和弃流管，所述外井进水管与设置在透水铺装设施中的集水管相连通；所述内井位于集泥区的上方，内井底部设有连通外井与内井的透水板，内井内在透水板上堆填有滤水填料，在内井中上部设有内井排水管和排气孔；所述井盖包括与外井井口对应装配的外井透水井盖和与内井井口对应装配的内井密封井盖；

所述生物滞留设施包括生物滞留池，所述生物滞留池内自上而下依次设置有蓄水层、纤维毯、填料层、分隔层和砾石层，所述纤维毯含有植物种子或生长有植物植株，包括自上而下依次设置的上定型网、上纤维层、营养土层、纤维土层、下纤维层和下定型网；所述生物滞留池设有与蓄水层相连通的进水管，所述进水管与滤水井的内井排水管相连通；所述砾石层内设有相连通的穿孔集水管和排水管。

所述透水铺装设施包括自上而下依次设置的透水面层、过滤层和透水基层，所述透水基层设置在土基之上；所述集水管设置在透水基层中。优选的，所述透水面层的厚度为50-300mm，过滤层的厚度为20-200mm，透水基层的厚度为300-500mm。所述透水铺装设施的渗透速率为30-80mm/h。优选的，透水面层可为透水砖或透水沥青混凝土面层；过滤层可为砂层或透水砂浆层；透水基层可为级配碎石层或水泥稳定碎石层。

所述生物滞留池中，蓄水层的厚度为100-300mm；填料层的厚度为300-1000mm；砾石层的厚度为100-400mm。分隔层采用克重为100-300g/m²的土工布。

所述生物滞留池内设有竖直方向的溢流管，所述溢流管上端高出蓄水层50-100mm，下端与所述排水管相连通。生物滞留池的渗透速率为25-150mm/h，设计渗透时间≤48h。

所述纤维毯的克重为1000-2000g/m²，上定型网与下定型网均为塑料网，下定型网的网孔小于上定型网的网孔；上纤维层与下纤维层均由植物长纤维制成，下纤维层的克重大于上纤维层的克重；纤维土层由植物短纤维与营养土按照质量比为1:3-5的比例混合制成；植物种子位于营养土层中。所述植物可选挺水植物如菖蒲、黄菖蒲、水葱、芦苇、马莲等。

所述纤维毯由各层材料摊铺、缝合制成；压实厚度为30-60mm。优选的，上定型网的克重为40-80g/m²，下定型网的克重为100-140g/m²。上纤维层的克重为100-200g/m²，下纤维层的克重为200-500g/m²。营养土层的克重为150-250g/m²，纤维土层的克重为400-700g/m²。

本发明的城市径流雨水资源生态控污处理的系统，包括依次串联的透水铺装设施、滤水井和生物滞留设施。透水铺装设施通过改变城市下垫面条件、增加城市地表透水面积，使降雨下渗至地面以下，减少地面径流，避免地面径流对城市交通、日常生活的影响；透水铺装设施对降雨进行第一级的径流流量削减，通过过滤和吸附对雨水进行第一级的污染物总量和浓度削减、控制。滤水井通过弃流和滤水填料进行第二级的径流流量削减，和第二级的污染物总量和浓度削减、控制。滤水井起到过渡、集水和选择弃流的作用，可根据需要对降雨中污染物总量和浓度较大的初期雨水进行弃流，一方面从总体上减少需要处理雨水资源的污染物总量和浓度，为低污染出水、雨水的循环利用和收纳水体的接纳打下基础；另一方面也减少了进入后续生物滞留设施的污染物总量和浓度，减轻生物滞留池的负担，不会对池内生物造成污染冲击，保证生物滞留池的长期有效运行。生物滞留设施通过生物滞留池进行第三级的径流流量削减，并通过池内生物与填料的协同作用进行第三级的污染物总量和浓度削减、控制。进水在前期已经经过透水铺装设施和滤水井(滤水填料)过滤和消能，无论是径流冲击力还是污染物总量(包括浓度)都经过大幅削减，对生物滞留池的冲击力比较低，生物滞留池省去了传统池内的覆盖层和种植土层，采用纤维毯作为植物定植和生长的基础完全满足使用要求，长成的植物植株不会出现移位、倒伏现象，植物生长状态良好，生物滞留池对雨水资源中的污染物总量和浓度具有显著的削减和控制作用，出水水质好，满足回收利用的要求。

采用上述系统的城市径流雨水资源生态控污处理的方法，包括以下步骤：

1)设施准备：建设透水铺装设施、滤水井和生物滞留设施的基础工程，并连接管道；其中滤水井的弃流管连接市政管网或污水处理设施；

2)植株养成：生物滞留池中，将含有植物种子的纤维毯铺设在填料层上，洒水养护至植物植株长成；或是将含有植物种子的纤维毯在温室中养护至植物植株长成，再将生长有植物植株的纤维毯铺设在填料层上；

3)初期养护：系统建设完成后，透水铺装设施受纳的初期雨水经集水管进入滤水井，经弃流管直接弃流；后期雨水进入滤水井后，经内井排水管、生物滞留池的进水管进入生物滞留池，至水位与纤维毯上表面齐平，养护7-21d；

4)正常运行：每次降雨时，透水铺装设施受纳的初期雨水经集水管进入滤水井，初期地表径流经外井透水井盖进入滤水井，经弃流管直接弃流；后期雨水和后期地表径流进入滤水井后，经内井排水管、生物滞留池的进水管进入生物滞留池，处理后经排水管排出，至收纳水体或回收利用；

5)填料更换：当生物滞留池出现填料堵塞或出水水质不达标时，切断进水，排出生物滞留池内蓄水，掀开纤维毯连带植物植株一起移除另放，对填料层填料进行部分或全部更换；填料更换完成后，将原来的纤维毯连带植物植株再一起铺设在填料层上，养护后即可正常运行。

步骤2)中，植物植株长成是指单位面积内90％以上的植物植株高度超过100mm，或是单位面积内90％以上的植物均有根系穿出纤维毯下定型网长度在20mm以上。

步骤3)中，所述初期雨水是指自降雨开始至20-50min内汇流的雨水；步骤4)中，所述初期雨水和初期地表径流是指自降雨开始至10-40min内汇流的雨水。该时间段已含雨水汇流时间。

上述城市径流雨水资源生态控污处理的方法在运行过程中，当纤维毯残留克重或厚度低于初始克重或厚度的30％，掀开纤维毯连带植物植株一起移除另放，在填料层上铺设新纤维毯后，将旧纤维毯连带植物植株再一起铺设在新纤维毯上，养护后即可正常运行。所述新纤维毯可根据需要选择含或不含植物种子，其余与上述纤维毯一致。

上述城市径流雨水资源生态控污处理的方法，还包括步骤6)填料再生：将更换出的填料自然晾干后，轻碾、搅拌并振动筛分，去除浮土、泥渣和碎屑，即可循环使用。

本发明的生物滞留池采用纤维毯作为植物定植、移栽、生长的载体，通过在填料层上铺设含有植物种子或生长有植物植株的纤维毯的方式种植、移栽植物进入池内，操作简单方便，能迅速建植且植物成活率高。所用纤维毯包括自上而下依次设置的上定型网、上纤维层、营养土层、纤维土层、下纤维层和下定型网，其中上定型网和上纤维层作为覆盖层使用；营养土层、纤维土层所含的种植土少，供植物萌发生长；植物扎根在下纤维层和下定型网上，并将根系深入到填料层中，不易倒伏；纤维毯的多层材料缝合在一起，结构稳定、使用方便。采用纤维毯替换传统生物滞留池内的覆盖层和种植土层，在进行城市径流雨水资源生态控污处理运行时，一方面避免了大量种植土随水流进入填料层造成填料层堵塞，延长了生物滞留池的正常运行时间和系统运行稳定性；另一方面在前期建设、填料更换、填料再生等工序中均简化了操作步骤，解决了现有生物滞留池填料更换困难、填料再生需要复杂处理的问题。

本发明的城市径流雨水资源生态控污处理的方法，采用上述系统，对城市径流雨水的径流量、洪峰流量削减作用大，能有效削减和控制雨水资源中的污染物的总量和浓度，操作方便，运行维护成本低，适合推广使用。

附图说明

图1为城市径流雨水资源生态控污处理的系统的结构示意图；

图2为图1中透水铺装设施的结构示意图；

图3为图1中滤水井的结构示意图；

图4为图1中生物滞留设施的结构示意图；

图5为图4中纤维毯的结构示意图；

其中，1-透水铺装设施、2-滤水井、3-生物滞留设施、4-集水管、5-透水面层、6-过滤层、7-透水基层、8-外井、9-内井、10-排气孔、11-集泥区、12-外井进水管、13-弃流管、14-支架、15-透水板、16-滤水填料、17-内井排水管、18-外井透水井盖、19-内井密封井盖、20-生物滞留池、21-蓄水层、22-纤维毯、23-填料层、24-分隔层、25-砾石层、26-进水管、27-穿孔集水管、28-溢流管、29-格栅、30-缓冲区、31-排水管、32-上定型网、33-上纤维层、34-营养土层、35-纤维土层、36-下纤维层、37-下定型网。

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，实施例1的城市径流雨水资源生态控污处理的系统，如图1所示，包括依次串联的透水铺装设施1、滤水井2和生物滞留设施3；

如图2所示，所述透水铺装设施1包括自上而下依次设置的透水面层5、过滤层6和透水基层7，所述透水基层7设置在压实土基之上，透水基层7中贴近压实土基设有集水管4，集水管4位于透水基层7中的管段上设有穿孔，用于收集滤水；其中，透水面层5为透水砖，厚度为80mm；过滤层6为砂层(细砂)，厚度为20mm；透水基层为水泥稳定级配碎石蓄水层，厚度为400mm。该透水铺装设施的设计渗透速率为50mm/h。

所述透水铺装设施1在运行时，降雨落到透水面层5表面，依次经透水面层5、过滤层6、透水基层7下渗过滤，滤水蓄积在透水基层7中，少部分下渗到下方压实土基中补充地下水，大部分被集水管4收集排出；集水管5沿设计水流方向向下倾斜坡度为5°。透水铺装设施1对降雨进行第一级的径流流量削减，减少及避免在地表形成雨水径流；通过三层过滤对雨水进行第一级的污染物总量和浓度削减、控制，减轻后续设施控污负担。

如图3所示，所述滤水井2包括井体和井盖，所述井体包括外井8和套设在外井中的内井9，外井8和内井9通过内井壁隔开；所述外井8的底部设有集泥区11，在集泥区11的上方设有外井进水管12和弃流管13，分别用于向外井进水和雨水弃流，外井进水管12设置在弃流管13上方；所述外井进水管12与设置在透水铺装设施1中的集水管4相连通，用于将透水铺装设施受纳的雨水输送至滤水井；所述弃流管13上设有弃流阀，可根据需要对进入滤水井中的雨水进行弃流；所述内井9位于集泥区11的上方，通过支架14可拆卸地连接在外井井壁，支架14对内井起支撑作用；内井9底部设有连通外井与内井的透水板15，外井中的水通过透水板15向上进入内井；内井9内在透水板15上堆填有滤水填料16(粒径为10-30mm的火山岩)，在内井9上部设有内井排水管17和排气孔10；所述内井排水管17的位置低于外井进水管12，用于排出内井中的水；排气孔10的位置靠近井盖，内井9中滤水填料16的高度高于内井排水管17、低于排气孔10；所述井盖包括与外井8井口对应装配的外井透水井盖18和与内井9井口对应装配的内井密封井盖19。

所述滤水井2设置在地面以下，井盖上表面低于所在地地表，且低于透水铺装设施1的上表面。所述滤水井2在运行时，透水铺装设施1受纳的雨水经集水管4、外井进水管12进入外井8，携带的泥沙沉积在集泥区11；需要弃流时，打开弃流阀，雨水经弃流管13弃流至市政污水管网或污水处理设施；不需弃流时，关闭弃流阀，雨水向上经透水板15进入内井9，经滤水填料16过滤后，经内井排水管17排出。如降雨量大，超过透水铺装设施1收纳负荷，会形成地表雨水径流，经外井透水井盖18进入滤水井，同上进行弃流或处理。滤水井2根据需要对进入雨水进行选择弃流，避免降雨初期污染物总量和浓度较大的雨水进入后续生物滞留设施，且通过内井滤水填料进行第二级的径流流量削减，和第二级的污染物总量和浓度削减、控制。

如图4所示，所述生物滞留设施3包括生物滞留池20，所述生物滞留池20的截面为上大下小的等腰梯形，池内自上而下依次设置有蓄水层21、纤维毯22、填料层23、分隔层24、砾石层25和衬底砂层，所述衬底砂层设置在经压实的原始土层上，生物滞留池的四周内壁上设有防渗层；所述纤维毯22含有植物种子或生长有植物植株，用于植物种植和/或移栽；所述生物滞留池20设有与蓄水层21相连通的进水管26，所述进水管26与滤水井2的内井排水管17相连通，连通管道沿设计水流方向向下倾斜坡度为5°；生物滞留池20内在进水管26管口下方设有截面为三角形的槽状缓冲区30，所述缓冲区30内填充有碎石，用于缓冲消能，降低进水冲击力；所述砾石层25内设有相连通的穿孔集水管27和排水管31；所述生物滞留池20内还设有竖直方向的溢流管28，所述溢流管28上端高出蓄水层50mm且端口处设有格栅29，防止杂物进入溢流管28内，下端与所述排水管31相连通。该透水铺装设施的设计渗透速率为70mm/h。

如图5所示，所用纤维毯22包括自上而下依次设置的上定型网32、上纤维层33、营养土层34、纤维土层35、下纤维层36和下定型网37。

所述生物滞留池20所用材料及规格如表1所示：

表1生物滞留池所用材料及规格

所述生物滞留设施3在运行时，滤水井2中的雨水经内井排水管17、生物滞留池的进水管26输送至生物滞留池20内，经缓冲区30消能缓冲后，溢流进入蓄水区21，向下依次经过生长着植物的纤维毯22、填料层23、分隔层24进入砾石层25，通过植物、微生物的吸附吸收、生物降解作用和填料的吸附作用对雨水进行处理，蓄积在砾石层25中的雨水，少部分通过衬底砂层下渗补充地下水，大部分经砾石层25中的穿孔集水管27收集，经排水管31排入受纳水体或回收利用。生物滞留设施通过生物滞留池进行第三级的径流流量削减，并通过池内生物与填料的协同作用进行第三级的污染物总量和浓度削减、控制。

实施例2的城市径流雨水资源生态控污处理的方法，采用上述实施例1的城市径流雨水资源生态控污处理的系统，包括以下步骤：

1)设施准备：建设透水铺装设施、滤水井和生物滞留设施的基础工程，并连接管道；其中滤水井的弃流管连接市政污水管网；

2)植株养成：生物滞留池中，将含有植物种子的纤维毯铺设在填料层上，洒水养护至每m²内90％以上的植物植株高度超过100mm；此处所用的植物种子为芦苇种子与马莲种子质量比为1:1的混合物；

其他实施例中，也可将含有植物种子的纤维毯在温室中养护至植物植株长成(每m²内90％以上的植物植株高度超过100mm)，再将生长有植物植株的纤维毯铺设在填料层上；

3)初期养护：系统建设完成后，透水铺装设施受纳的初期雨水(自降雨开始至40min内汇流的雨水)经集水管进入滤水井，经弃流管直接弃流；该部分初期雨水对初始建成的透水铺装设施和滤水井进行冲刷清洗，污染物总量及浓度高，需要弃流；

40min后汇流的后期雨水进入滤水井后，经内井排水管、生物滞留池的进水管进入生物滞留池，至水位与纤维毯上表面齐平，养护14d；

4)正常运行：每次降雨时，透水铺装设施受纳的初期雨水(自降雨开始至30min内汇流的雨水)经集水管进入滤水井，自降雨开始至30min内汇流的初期地表径流经外井透水井盖进入滤水井，经弃流管直接弃流；30min后汇流的后期雨水和后期地表径流进入滤水井后，经内井排水管、生物滞留池的进水管进入生物滞留池，处理后经排水管排出，至受纳水体或回收利用；

雨水携带的泥沙沉积在滤水井的集泥区，定期清理，避免引起后续管道和/或设施拥堵；

5)填料更换：当生物滞留池出现填料堵塞或出水水质不达标时，切断进水，排出生物滞留池内蓄水，掀开纤维毯连带植物植株一起移除另放(纤维毯底部植物根系会纠缠部分填料颗粒，可手工或机械清理掉，尽量少伤及植物根系)，对填料层填料进行部分或全部更换；填料更换完成后，将原来的纤维毯连带植物植株再一起铺设在填料层上，养护后即可正常运行。

经检测和计算，上述系统和方法在正常工况下运行时，对于重现期≤20a的降雨，径流总量的削减率可达96％，径流峰值的削减率可达98％，整体可减少汇流面积内约95％的地表雨水径流汇流，对城市径流雨水的径流量、洪峰流量削减作用大。对于后期雨水(非弃流)控污处理效果如表2所示：

表2城市径流雨水资源生态控污处理的系统和方法控污处理效果

从表2可以看出，本发明的城市径流雨水资源生态控污处理的系统和方法，能有效削减和控制雨水资源中的污染物的总量和浓度，出水达到地表水水质的IV类标准，符合城市景观环境用水水质要求。

其他实施例中，将更换出的填料自然晾干使其干透后，经轻碾、搅拌并振动筛分，去除浮土、泥渣和碎屑，即可循环使用。残留的浮土、泥渣、碎屑收集另作处理。

其他实施例中，当生物滞留池中纤维毯残留克重或厚度低于初始克重或厚度的30％，掀开纤维毯连带植物植株一起移除另放，在填料层上铺设不含植物种子的新纤维毯后，将旧纤维毯连带植物植株再一起铺设在新纤维毯上，养护后即可正常运行。

Claims

1.城市径流雨水资源生态控污处理的系统，其特征在于：包括依次串联的透水铺装设施、滤水井和生物滞留设施；

所述生物滞留设施包括生物滞留池，所述生物滞留池内自上而下依次设置有蓄水层、纤维毯、填料层、分隔层和砾石层；所述纤维毯含有植物种子或生长有植物植株，包括自上而下依次设置的上定型网、上纤维层、营养土层、纤维土层、下纤维层和下定型网；所述生物滞留池设有与蓄水层相连通的进水管，所述进水管与滤水井的内井排水管相连通；所述砾石层内设有相连通的穿孔集水管和排水管。

2.根据权利要求1所述的城市径流雨水资源生态控污处理的系统，其特征在于：所述透水铺装设施包括自上而下依次设置的透水面层、过滤层和透水基层，所述透水基层设置在土基之上；所述集水管设置在透水基层中。

3.根据权利要求1所述的城市径流雨水资源生态控污处理的系统，其特征在于：所述生物滞留池中，蓄水层的厚度为100-300mm；填料层的厚度为300-1000mm；砾石层的厚度为100-400mm。

4.根据权利要求1所述的城市径流雨水资源生态控污处理的系统，其特征在于：所述生物滞留池内设有竖直方向的溢流管，所述溢流管上端高出蓄水层50-100mm，下端与所述排水管相连通。

5.根据权利要求1所述的城市径流雨水资源生态控污处理的系统，其特征在于：所述纤维毯的克重为1000-2000g/m²，上定型网与下定型网均为塑料网，下定型网的网孔小于上定型网的网孔；上纤维层与下纤维层均由植物长纤维制成，下纤维层的克重大于上纤维层的克重；纤维土层由植物短纤维与营养土按照质量比为1:3-5的比例混合制成；植物种子位于营养土层中。

6.采用上述权利要求1-5中任一项所述的系统的城市径流雨水资源生态控污处理的方法，其特征在于：包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的城市径流雨水资源生态控污处理的方法，其特征在于：步骤3)中，所述初期雨水是指自降雨开始至20-50min内汇流的雨水；步骤4)中，所述初期雨水和初期地表径流是指自降雨开始至10-40min内汇流的雨水。

8.根据权利要求6所述的城市径流雨水资源生态控污处理的方法，其特征在于：运行过程中，当纤维毯残留克重或厚度低于初始克重或厚度的30％，掀开纤维毯连带植物植株一起移除另放，在填料层上铺设新纤维毯后，将旧纤维毯连带植物植株再一起铺设在新纤维毯上，养护后即可正常运行。

9.根据权利要求6所述的城市径流雨水资源生态控污处理的方法，其特征在于：该方法还包括步骤6)填料再生：将更换出的填料自然晾干后，轻碾、搅拌并振动筛分，去除浮土、泥渣和碎屑，即可循环使用。