CN115611412A - 生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，涉及生物滞留设施技术领域。包括以下步骤；S1、材料的确定，并且对材料进行性能分析；S2、材料的实验，将每个材料的加入原料溶剂，形成使用试剂进行实验；S3、材料去除杂质的效果体现，通过实验得出最后的效果，本发明具有对不同的填料进行实验取证，得到煤渣对TP的吸附效果较好，沸石对TN和氨氮的吸附效果较好，火山岩、蛭石和煤渣对COD的吸附效果较好，添加特殊填料有利于改善生物滞留池对SS、TP、氨氮、TN和COD的去除效果；SS是最不容易被冲洗出来的污染物，对填料内部空隙和孔隙的堵塞风险较高，长期积累会导致系统功能受到影响，所以应该定期采取措施进行恢复。
Description
技术领域
本发明涉及生物滞留设施技术领域，特别涉及生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法。
背景技术
生物滞留设施指在地势较低的区域，通过植物、土壤和微生物系统蓄渗、净化径流雨水的设施，生物滞留设施分为简易型生物滞留设施和复杂型生物滞留设施，按应用位置不同又称作雨水花园、生物滞留带、高位花坛、生态树池，生物滞留设施的填料能够净化道路降雨，生物滞留设施配合内部的填料能形成生物滞留系统。
在生物滞留系统中，填料的作用是影响净化效果的关键，一方面填料可为微生物提供附着表面，另一方面填料还有吸附、离子交换等作用，使得径流污染物得以净化，传统的生物滞留填料常以沙、土为基质，其对径流中主要污染物浓度去除率约为40％，马里兰州推荐约50％的沙、30％的土、20％的有机质组成混合填料，北卡罗莱州则推荐在填料中加入3％～5％的有机质，而澳洲莫纳什大学生物滞留技术推广协会则推荐在填料系统添加10％～20％的矿物质以提高填料的净化性能，尽管生物滞留池已在我国得到了较为广泛的研究和应用，但在填料的选择和配比上仍然呈现出较为粗犷的模式，因此，为了提升生物滞留池设计规范性，明确各组成部分的作用效果，进一步加强对径流雨水的净化效果，有必要系统性展开生物滞留设施不同填料对苏州市雨水径流的净化效果研究。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，解决了在生物滞留系统中，填料的作用是影响净化效果的关键，一方面填料可为微生物提供附着表面，另一方面填料还有吸附、离子交换等作用，使得径流污染物得以净化，传统的生物滞留填料常以沙、土为基质，其对径流中主要污染物浓度去除率约为40％，马里兰州推荐约50％的沙、30％的土、20％的有机质组成混合填料，北卡罗莱州则推荐在填料中加入3％～5％的有机质，而澳洲莫纳什大学生物滞留技术推广协会则推荐在填料系统添加10％～20％的矿物质以提高填料的净化性能，尽管生物滞留池已在我国得到了较为广泛的研究和应用，但在填料的选择和配比上仍然呈现出较为粗犷的模式，因此，为了提升生物滞留池设计规范性，明确各组成部分的作用效果，进一步加强对径流雨水的净化效果，有必要系统性展开生物滞留设施不同填料对苏州市雨水径流的净化效果研究的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，包括以下步骤；S1、材料的确定，并且对材料进行性能分析；S2、材料的实验，将每个材料的加入原料溶剂，形成使用试剂进行实验；S3、材料去除杂质的效果体现，通过实验得出最后的效果。
优选的，所述S1中的材料的确定为选定细砂和草炭土，特殊填料为沸石、火山岩、煤渣、蛭石、珍珠岩五种填料，并且对材料进行比面积、持水率、渗水率、有机质含量的性能进行分析。
进一步，所述S2中的材料的实验为先使用砂基填料构建了6个生物滞留装置，之后从初选的填料火山岩、沸石、煤渣、蛭石和珍珠岩五种填料，按照雨水浓度配制NH4+-N溶液、TN溶液、TP溶液和COD溶液，各取150mL置于250mL锥形瓶中，取填料颗粒12g于锥形瓶中，将锥形瓶防止恒温振荡器中，在25℃温度下以160r/min匀速振荡，并且在25℃温度下以160r/min匀速振荡，并分别在10、20、30、40、60、90、120、150、180、210、240、270、 300、330、360、720、1440mim取样并检测各污染物浓度，之后利用生物滞留池装置，将细砂和草炭土混合作为细砂基质填料，并掺加火山岩、沸石、煤渣、蛭石和珍珠岩五种辅料。
更进一步，所述S3中的材料去除杂质的效果体现包括填料静态吸附效果、动态去污效果、生物滞留池清洗特性研究，所述填料静态吸附效果是通过五种填料颗粒的静态吸附效果，确定每个填料去除的微量元素。
更加进一步，所述动态去污效果包括SS的去除率、TP的出水浓度及去除率、NH4+-N的出水浓度及去除率、TN的出水浓度及去除率、COD的出水浓度及去除率，体现填料的除污效果。
更加进一步，所述生物滞留池清洗特性研究为使用清水冲洗的方式，冲洗五个生物滞留系统，利用出水去除率来表示冲洗情况，得出去除率越大，则表示污染物越不容易被清水冲洗出来的效果。
(三)有益效果
本发明提供了生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法。
具备以下有益效果：
1、本方法通过对不同的填料进行实验取证，得到煤渣对TP的吸附效果较好，沸石对TN和氨氮的吸附效果较好，火山岩、蛭石和煤渣对COD的吸附效果较好，添加特殊填料有利于改善生物滞留池对SS、TP、氨氮、TN和COD 的去除效果；SS是最不容易被冲洗出来的污染物，对填料内部空隙和孔隙的堵塞风险较高，长期积累会导致系统功能受到影响，所以应该定期采取措施进行恢复。
附图说明
图1为本发明填料吸附0.003-0.027条形统计图；
图2为本发明填料吸附0.00-0.12条形统计图；
图3为本发明填料吸附0.00-0.30条形统计图；
图4为本发明填料吸附0.0-1.6条形统计图；
图5为本发明SS的去除条形统计图；
图6为本发明TP的去除条形统计图；
图7为本发明NH4+-N的去除条形统计图；
图8为本发明TN的去除条形统计图；
图9为本发明COD的去除条形统计图；
图10为本发明重金属的去除条形统计图；
图11为本发明火山岩生物滞留池清洗条形统计图；
图12为本发明沸石生物滞留池清洗条形统计图；
图13为本发明煤渣生物滞留池清洗条形统计图；
图14为本发明蛭石生物滞留池清洗条形统计图；
图15为本发明珍珠岩生物滞留池清洗条形统计图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，如图1-15所示。
实施例一：
本发明实施例提供生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，包括以下步骤；S1、材料的确定；S2、材料的实验；S3、材料去除杂质的效果体现，S1中的材料的确定，本方法确定的材料为，细砂和草炭土，特殊填料为沸石、火山岩、煤渣、蛭石、珍珠岩，五种特殊填料性能如表1所示，表1填料性能分析
，S2中的材料的实验为使用砂基填料构建了6个生物滞留装置，细砂与草炭土的质量比为20:1，在填料表层按24株/㎡的密度种植鸢尾，各结构层如表 2所示，本次将含不含添加剂、质量比10％火山岩、质量比10％沸石、质量比 10％煤渣、质量比5％蛭石、质量比5％珍珠岩6种砂基填料的体系分别称为S、 SVR、SZ、SC、SV和SP装置，添加剂的比例为质量比。在研究中，我们将S 作为对照，对其他填料的去除率进行评估，以更好地了解无机添加剂在生物滞留系统填料中的作用和效果，表2六组生物滞留装置结构组成，
，本研究对生物滞留设施不同填料去污效果的研究分为三部分，第一部分试验，从初选的填料火山岩、沸石、煤渣、蛭石和珍珠岩五种填料，按照雨水浓度配制NH4+-N溶液、TN溶液、TP溶液和COD溶液，各取150mL置于250mL 锥形瓶中，取填料颗粒12g于锥形瓶中，将锥形瓶防止恒温振荡器中，在25℃温度下以160r/min匀速振荡，并分别在10、20、30、40、60、90、120、150、 180、210、240、270、300、330、360、720、1440mim取样并检测各污染物浓度，第二部分试验，利用生物滞留池装置，将细砂和草炭土混合(20:1质量比)作为细砂基质填料，并掺加火山岩、沸石、煤渣、蛭石和珍珠岩五种辅料(填料配置情况如表2所示)，种以鸢尾花，根据市政道路雨水径流浓度进行人工配水(配水水质如表3所示)，以0.5a重现期、10:1汇流比进行 2h模拟降水试验，自装置出水口出流起每隔10min取样一次并检测各污染物浓度，表3生物滞留设施实验原水配水水质
第三部分试验，在浓度试验结束后，利用不含污染物的清水模拟降雨重现期为5a、汇流比为10:1的2h降雨，试验过程中从底部出水口稳定出水时起每隔10min取样一次并检测各污染物浓度，完成浓度测定后，利用以下公式计算清洗去除率以此来表征污染物的冲洗难度，以及生物滞留池的污染状况和清洗特性。
式中：η——出水去除率，％；
Ci——进水浓度，mg/L；
Ce——出水浓度，mg/L，保证填料的数据准确，保证能够对道路降雨的净化效果。
实施例二：
本发明实施例提供生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，根据具体实施例一中的内容进行进一步扩充：
其中，S3中的材料去除杂质的效果体现包括填料静态吸附效果、动态去污效果、生物滞留池清洗特性研究，填料静态吸附效果五种填料颗粒的静态吸附效果，煤渣是较好的TP吸附剂，其饱和吸附量为0.0195mg/g，因为煤渣中的Ca，Fe，Al和Mg等金属元素可以与水中的磷酸盐产生沉淀，从而增强了对磷的吸附性能[5]，蛭石是一种富含镁和铁的层状硅酸盐矿物，其中金属离子也有助于化学除磷[6]，蛭石和沸石对NH4+-N的吸附效果相对较好，饱和吸附量分别为0.066mg/g和0.073mg/g，明显高于珍珠岩、火山岩和煤渣。蛭石结构层之间具有永久性负电荷[7]，阳离子交换性能较强，有利于去除 NH4+-N[8,9]；沸石中带负电荷的硅酸盐骨架以及发达的微孔结构、大比表面积都有利于它对NH4+-N的吸附[10,11]，几种吸附剂中，沸石对TN的吸附效果最好，饱和吸附量为0.203mg/g，因为本研究中TN由NH4+-N和NO3--N组成，由于NO3--N阴离子不容易被添加剂吸附，因此对TN的去除效果主要受 NH4+-N的吸附影响，对于COD来说，火山岩，蛭石和煤渣的吸附量分别为0.840 mg/g，1.061mg/g和0.866mg/g，这些添加剂中，因为蛭石结构中存在羟基，氧化和还原位等活性基团，可以通过电结合，极性吸附，配位和羟基缩合与某些有机物发生反应，从而表现出良好的有机净化性能和COD去除率，火山岩和煤渣的COD去除率明显优于沸石，主要是由于火山岩和煤渣中Fe2O3的含量较高，从而增强了COD的吸附[12]，动态去污效果包括SS的去除，SS的出水浓度及去除率，随着降雨量的增加，各填料对TSS的去除率基本稳定在 95％～100％之间。多个系统出水中SS的比例可能是由于泥沙从填料中冲出，导致降雨过程初期SS去除率略有下降，因此，只有首次使用的滤料，SS去除率才会呈下降趋势，而多次使用的滤料则没有明显下降趋势，SS去除率仅随降雨持续时间的增加呈“稳中有升”的趋势，是因为随着过滤时间的增加，细砂颗粒之间的孔隙逐渐被占据，从而有利于颗粒物的截留，从而提高SS的去除率，最终，填料和水颗粒之间的粘附力通过施加在颗粒上的水力剪切力来平衡，并且去除率稳定，总体来看，不同添加剂的生物滞留池系统对SS的去除率均在95％以上，且含有添加剂的系统更有利于SS的去除，TP的出水浓度及去除率从图中可以看出，生物滞留系统对TP的去除效果也很高，尤其不添加辅料的生物滞留池，总磷去除率大于95％。这可能是因为草炭土颗粒整体呈酸性且带有正电荷，容易吸附带负电荷的磷酸盐(PO43-)，并且磷酸盐易于与草炭土中大量的Ca2+，Fe3+、Al3+发生化学反应[13]，许多研究已经证明了溶解磷去除的关键机理，如有机磷和磷酸盐物种在介质上的吸附，以及选择具有特定特性的介质如何对TP去除性能起关键作用[14,15]。研究结果表明，与草炭土相比，添加剂对TP的去除效果不明显。这是因为草炭土的除磷效果明显高于试验选用的添加剂，因此从除磷的角度来看，草炭土本身就是一种很好的填料添加剂，随着降雨历时的增加，TP去除呈现出明显的“稳中有升”的趋势。结果表明，TP浓度变化趋势与TSS变化趋势基本一致。一项研究发现，TP很容易吸附在悬浮颗粒上，因此通过过滤将其与SS一起去除 [16]，这与本研究的结果一致。过滤是去除颗粒物最有效的方法之一，因此 TP的去除率很高。事实上，城市径流中的颗粒磷通常是通过生物滞留系统中的过滤机制有效去除的，NH4+-N的出水浓度及去除率生物滞留池中添加辅料后，氨氮的去除率显著提高，因为氨氮的去除主要通过填料吸附和硝化转化作用[17,18]，含添加剂的砂基填料层由于孔结构的变化而更有利于有氧状态，有利于硝化反应，这可能也是氨氮去除率升高的原因，在沸石、蛭石和珍珠岩作为添加剂的生物滞留系统中，氨氮的去除率超过80％，明显高于砂基填料，所以沸石、蛭石和珍珠岩是去除氨氮的良好添加剂。并且动态试验与静态吸附结果吻合，表明氨氮主要通过生物滞留系统中的填料吸附去除，这意味着可以根据静态吸附实验选择用于去除氨氮的生物滞留池填料添加剂，TN的出水浓度及去除率，生物滞留池对TN的稳定去除率相对较低，保持在10％-30％。因为本研究中TN由NH4+-N和NO3--N组成的，而TN出水浓度主要受NO3--N的影响，因为阴离子NO3-很难去除[19,20]，一方面，反硝化需要缺氧条件和足够的碳源，而常规的生物滞留池具有快速的排水结构，并缺氧环境不易形成；另一方面，NH4+-N向NO3--N的转化增加了生物滞留池中 NO3--N的浓度。TN的去除率呈现明显的下降趋势，在短时间内去除率从50％ -70％下降到10％-30％。考虑到氨氮的去除基本稳定，因此，趋势可能主要受到硝酸盐氮的影响。另外，以沸石和蛭石为添加剂的生物滞留系统具有较好的TN去除效果，并进一步证明了NO3--N的影响，因此，下降趋势可能是由NH4+-N转化为NO3--N引起的，COD的出水浓度及去除率，六个生物滞留系统的COD去除效率随降雨持续时间的增加呈“下降-稳定”趋势。COD去除机理可分为过滤、吸附、植物吸收以及微生物去除过程[21]，由于植物的吸收和微生物降解过程相对缓慢，因此COD去除率随时间的增加而降低。在当前的研究中，试验添加剂的COD吸附等级分别为蛭石>煤渣>火山岩>珍珠岩>沸石。与其他填料相比，SV和SC对COD的去除效率较高，这与静态吸附的结果一致，两种添加剂对COD的去除率相差15％～25％，说明添加剂的吸附性能对 COD的去除起到一定的作用，加入COD吸附效果好的填料有助于去除溶解性有机物，四种重金属的出水浓度和去除率，生物滞留系统出水中4种重金属浓度较低，6种系统对Cu、Zn、Pb、Cd均有较好的去除效果，去除率基本稳定在90％～100％左右，有些系统甚至可以完全去除Zn和Pb，这主要是因为土壤对重金属有很好的吸附作用，这一点已经被许多研究所证实[22-26]。重金属都通过吸附固体颗粒而保留在土壤表层20～30cm处截留了4种重金属，这与前面的结果一致，说明草炭土对重金属也有很好的去除效果，重金属以溶解相存在于雨水中，但大部分金属通常与悬浮固体结合，例如，Hieh等[27]发现铅有很大的倾向于吸附到悬浮物上并随之过滤去除。同一系统对重金属的去除效果不同，这可能是由于重金属与悬浮物的结合电位不同，通过对不同的填料进行实验取证，得到煤渣对TP的吸附效果较好，沸石对TN和氨氮的吸附效果较好，火山岩、蛭石和煤渣对COD的吸附效果较好，添加特殊填料有利于改善生物滞留池对SS、TP、氨氮、TN和COD的去除效果；SS是最不容易被冲洗出来的污染物，对填料内部空隙和孔隙的堵塞风险较高，长期积累会导致系统功能受到影响，所以应该定期采取措施进行恢复。
实施例三：
本发明实施例提供生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，根据具体实施例一中的内容进行进一步扩充：
其中，生物滞留池清洗特性研究为清水冲洗时污染物的冲出情况在用清水冲洗五个生物滞留系统时，几种污染物被冲出的情况，利用出水去除率来表示冲洗情况，得出去除率越大，则表示污染物越不容易被清水冲洗出来的效果，从上图可以看出，SS是最不容易被冲洗出来的污染物，随着清洗时间增加，SS清洗废水中的浓度始终很小，因此SS对填料内部空隙和孔隙的堵塞风险较高。随着清洗时间的增加，清洗废水中的NH3-N、TN、TP和COD浓度都呈“减小-稳定”的趋势，说明截留在生物滞留池中的这几种污染物容易被冲洗出来，但相比之下，COD和总氮被冲洗出来的难度较大，可能是由于植物对营养物质和有机物的吸收作用，根据清洗试验结果，应该重视SS在生物滞留池系统中积累和堵塞问题，SS不易被冲洗出来，长期积累会导致系统功能受到影响，所以应该定期采取措施进行恢复。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，其特征在于：包括以下步骤；
S1、材料的确定，并且对材料进行性能分析；
S2、材料的实验，将每个材料的加入原料溶剂，形成使用试剂进行实验；
S3、材料去除杂质的效果体现，通过实验得出最后的效果。
2.根据权利要求1所述的生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，其特征在于：所述S1中的材料的确定为选定细砂和草炭土，特殊填料为沸石、火山岩、煤渣、蛭石、珍珠岩五种填料，并且对材料进行比面积、持水率、渗水率、有机质含量的性能进行分析。
3.根据权利要求1所述的生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，其特征在于：所述S2中的材料的实验为先使用砂基填料构建了6个生物滞留装置，之后从初选的填料火山岩、沸石、煤渣、蛭石和珍珠岩五种填料，按照雨水浓度配制NH4+-N溶液、TN溶液、TP溶液和COD溶液，各取150mL置于250mL锥形瓶中，取填料颗粒12g于锥形瓶中，将锥形瓶防止恒温振荡器中，在25℃温度下以160r/min匀速振荡，并且在25℃温度下以160r/min匀速振荡，并分别在10、20、30、40、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330、360、720、1440mim取样并检测各污染物浓度，之后利用生物滞留池装置，将细砂和草炭土混合作为细砂基质填料，并掺加火山岩、沸石、煤渣、蛭石和珍珠岩五种辅料。
4.根据权利要求1所述的生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，其特征在于：所述S3中的材料去除杂质的效果体现包括填料静态吸附效果、动态去污效果、生物滞留池清洗特性研究，所述填料静态吸附效果是通过五种填料颗粒的静态吸附效果，确定每个填料去除的微量元素。
5.根据权利要求4所述的生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，其特征在于：所述动态去污效果包括SS的去除率、TP的出水浓度及去除率、NH4+-N的出水浓度及去除率、TN的出水浓度及去除率、COD的出水浓度及去除率，体现填料的除污效果。
6.根据权利要求4所述的生物滞留设施填料对道路降雨径流的净化效果研究方法，其特征在于：所述生物滞留池清洗特性研究为使用清水冲洗的方式，冲洗五个生物滞留系统，利用出水去除率来表示冲洗情况，得出去除率越大，则表示污染物越不容易被清水冲洗出来的效果。
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| KR20120009940A (ko) * | 2010-07-22 | 2012-02-02 | 주식회사 한국이엔시 | 친환경적인 초기우수처리 및 빗물의 재이용 방법 |
| CN104876335A (zh) * | 2015-06-01 | 2015-09-02 | 北京建筑大学 | 具有同步脱氮除磷功能的两相生物滞留池及其构建方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 高晓丽: "道路雨水生物滞留系统内填料的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》, no. 02, 15 February 2015 (2015-02-15), pages 027 - 616 * |
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