CN117552497A - 一种脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，它包括生物滞留区（18）和雨水回用区（12），生物滞留区（18）由下至上依次为砾石层（10）、过渡层（9）、黄铜矿基质层（8）、生物炭基质层（7）、种植层（6）、覆盖层（5）和蓄水层（17）；砾石层（10）中设有第一穿孔排水管（11），第一穿孔排水管抬升出水口高度与黄铜矿基质层（8）顶部齐平，第一穿孔排水管（11）出水口接入雨水回用区（12）。本发明的技术效果是：既能去除溶解态氮，又减少了强温室效应气体N2O排放。
Description
技术领域
本发明属于海绵城市技术，具体涉及一种脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园。
背景技术
近年来，城市化进程加快，工程建设导致城市不透水面积大幅增加，城市下垫面环境受到极大影响，地表径流引发的面源污染问题亟待解决。溶解态氮是典型的面源污染物，包括氨氮、硝态氮（硝酸盐氮、亚硝酸盐氮）等无机氮和有机氮，随着径流冲刷进入城市水体，导致富营养化、黑臭水体等一系列水环境安全问题。2013年，我国首次提出“海绵城市”理念。海绵城市是一种雨水管理措施，是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的弹性，也被称为“水弹性城市”。雨水在流经海绵城市的过程中自然存积、自然渗透、自然净化，实现雨量削减、雨水渗蓄、缓排、面源污染控制和水资源回用等目的。
雨水花园是海绵城市的重要组成部分，也称为生物滞留设施、雨水生物滤池等，是一种集蓄渗、净化为一体的径流处理设施，由植物、基质和微生物联合作用，通过植物吸收、截留吸附和生物降解等作用净化水质。氧化亚氮（N2O）是雨水花园处理径流脱氮过程的副产物和中间产物，它是一种强温室效应气体，为了评价各种温室气体对气候变化影响的相对能力，人们采用了一个被称为“全球增温潜势”（global warming potential，GWP）的参数。全球增温潜势是指某一给定物质在一定时间积分范围内与二氧化碳相比而得到的相对辐射影响值。氧化亚氮百年内全球增温潜势是二氧化碳（CO2）的296倍，导致全球气候变暖和臭氧层破坏。
中国专利文献CN110012770B公开了一种高效削减径流流速和污染物的雨水花园，包括用于过滤和防止雨水冲刷的前处理单元、种植陆生植物的花园单元以及蓄水池，解决了雨水花园径流冲刷大、净水能力低、蓄水能力差和基质易堵塞的问题；中国专利文献CN112709308B公开了一种基于阶梯式花园的雨水处理方法，包括高级花园和低级花园，雨水流入高级花园底部，从下往上流动，在高级花园边缘跌水进入低级花园，从上往下流动过滤，提高了雨水花园滞水能力，促进污染物去除；中国专利申请CN201711053691.1公开了一种海绵城市多级雨水花园强化径流污染去除的方法及结构，包括一级雨水花园和二级雨水花园，各级雨水花园设置为上层富氧、下层缺氧/厌氧的环境，雨水中的氨氮经由好氧硝化作用转化为硝态氮，再通过缺氧/厌氧反硝化过程将硝态氮还原为氮气排出系统，提高了雨水花园处理径流脱氮能力。
现有的雨水花园技术存在两个问题：第一，有的雨水花园净水过程是以物理过滤为主，通过填料截留过滤去除雨水中的颗粒态污染物，而难以去除溶解态污染物，尤其是溶解态氮；第二，有的雨水花园在构造上改良，在其内部设置好氧及缺氧/厌氧区或延长滞水时间，促进了系统反硝化脱氮，但却忽视了脱氮过程的中间产物和副产物氧化亚氮N2O，目前未见任何有关雨水花园温室气体N2O减排的研究成果报道。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，它能解决雨水花园系统运行后既去除溶解态氮，又减少强温室效应气体N2O排放的问题。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括生物滞留区和雨水回用区，生物滞留区由下至上依次为砾石层、过渡层、黄铜矿基质层、生物炭基质层、种植层、覆盖层和蓄水层；砾石层中设有第一穿孔排水管，第一穿孔排水管抬升出水口高度与黄铜矿基质层顶部齐平，第一穿孔排水管出水口接入雨水回用区。
优选地，还包括泥沙沉淀区和初期弃流区，泥沙沉淀区和初期弃流区设置在生物滞留区的覆盖层外圈，泥沙沉淀区位于在初期弃流区外围，泥沙沉淀区和初期弃流区内部填装卵石，初期弃流区为斜坡式，初期弃流区内部设置有垂直的溢流管和平铺在底部的第二穿孔排水管，溢流管与第二穿孔排水管连通，第二穿孔排水管出水口接入市政雨水管网。
优选地，雨水回用区底部设置有潜流泵，潜流泵的出水口连接回流管，雨水回用区顶部设有检查井，雨水回用区壁上设有排水管，排水管接入市政雨水管网或景观用水。
本发明的优点是：
1、泥沙沉淀区和初期弃流区有效拦截了雨水径流中携带的泥沙和大颗粒杂物，减缓生物滞留区基质层堵塞，同时弃流初期高污染雨水，有利于雨水花园植物生长健康。
2、生物滞留区独特的生物炭基质层和黄铜矿基质层协同脱氮：上层生物炭的复杂多孔结构和表面带负电荷的特性增强了雨水花园对有机氮和氨氮的去除；下层黄铜矿溶解产生硫促进自养反硝化脱氮，同时结合覆盖层有机物形成自养反硝化与异养反硝化混养体系，进一步强化雨水花园对硝态氮的去除。
3、生物滞留区的黄铜矿基质层溶解产生铜，促进氧化亚氮还原酶合成，提高氧化亚氮还原酶活性，同时黄铜矿作为一种金属矿物具有导电性，促进体系中电子在四种反硝化功能酶间传递，增强氧化亚氮还原酶得电子能力。氧化亚氮被还原为氮气，从而减少雨水花园氧化亚氮气体排放。
4、雨水回用区收集处理后的干净雨水，通过潜流泵将雨水回流至覆盖层灌溉植被，实现了雨水原位处理并回用。
5、雨水花园绿色低碳、经济高效、运行维护简单。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为一个实施例的结构示意图；
图2为图1的俯视图。
图中：1、泥沙沉淀区，2、初期弃流区，3、第二穿孔排水管，4、回流管，5、覆盖层，6、种植层，7、生物炭基质层，8、黄铜矿基质层，9、过渡层，10、砾石层，11、第一穿孔排水管，12、雨水回用区，13、潜流泵，14、排水管，15、检查井，16、溢流管，17、蓄水层，18、生物滞留区。
实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
为了清楚描述发明内容，本专利申请使用方位词“上”、“下”进行区别，所述“上”、“下”是依据以上附图的布设方位来确定的，在本发明的实际使用方向发生改变，其方位的称谓随之改变，不能视为对专利保护范围的限制。
如图1和图2所示，本实施例包括有泥沙沉淀区1、初期弃流区2、生物滞留区18和雨水回用区12。泥沙沉淀区1和初期弃流区2设置在生物滞留区18的覆盖层外圈。泥沙沉淀区1和初期弃流区2内部填装卵石，初期弃流区2为斜坡式，内部设置有垂直的溢流管16和平铺在底部的第二穿孔排水管3，溢流管与第二穿孔排水管连通，第二穿孔排水管3出水口接入市政雨水管网。生物滞留区18由下至上依次为砾石层10、过渡层9、黄铜矿基质层8、生物炭基质层7、种植层6、覆盖层5和蓄水层17。砾石层10中设有第一穿孔排水管11，第一穿孔排水管抬升出水口高度与黄铜矿基质层8顶部齐平，第一穿孔排水管11出水口接入雨水回用区12。雨水回用区12底部设置有潜流泵13，潜流泵的出水口连接回流管4，用于将收集的干净雨水回流到生物滞留区18的覆盖层5中灌溉植物。雨水回用区12顶部设有检查井15、右壁设有排水管14，排水管接入市政雨水管网或景观用水。
作为一个实施例，泥沙沉淀区1设置在初期弃流区2外圈，深度为200mm，宽度为1000mm，内部填充有卵石，粒径为100mm。初期弃流区2连接泥沙沉淀区1与生物滞留区18，为斜坡式结构，深度为300mm，边坡比为1:4，内部填充有卵石，粒径为100mm，卵石中设置有一根垂直的溢流管16和一根水平的第二穿孔排水管3，两根管连通，第二穿孔排水管接入市政雨水管网。溢流管16一端开口于蓄水层17之上，另一端连接至第二穿孔排水管3，所述溢流管16高度为300mm，管径为DN300mm。第二穿孔排水管3平铺在初期弃流区2底部，管径为DN150mm，管上穿孔的孔径为30mm，管外部包裹有两层透水土工布，所述第二穿孔排水管3中部与溢流管16底端连通，第二穿孔排水管出水口接入市政雨水管网。
溢流管16的作用是：当降雨较大时，雨水蓄积在蓄水层17，溢流管16的顶部和蓄水层17最边缘等高，雨水蓄积量过多时，超过蓄积层的雨水从溢流管16向下流入第二穿孔排水管3，并通过第二穿孔排水管3排入市政雨水管网。
初期弃流区2的弃流功能是：径流雨水经过初期弃流区2向生物滞留区18的蓄水层17流动时，冲刷地表会携带路面的泥沙等污染物，在径流雨水进入生物滞留区18之前，泥沙类大颗粒污染物被截留在泥沙沉淀区1，然后经过初期弃流区2，此时的一部分雨水就已经从第二穿孔排水管3流入市政雨水管网，一定程度上达到弃流初期雨水的目的。
初期弃流区2和生物滞留区18的顶部共同构成蓄水层17，深度为250mm，取服务面积比为5%，雨水花园的服务面积为蓄水层17面积的20倍。覆盖层5厚度为100mm，选用碎木屑、树皮有机物覆盖。种植层6厚度为300mm，填充有沙壤土和石英砂，沙壤土粒径为0.5mm，石英砂粒径为0.6mm，二者按体积比1:5混合，填料的渗透速率大于150mm/h；种植层6中种有本土耐水淹、耐干旱、耐污染等抗逆性强的观赏性多年生草本、灌木和乔木。生物炭基质层7厚度为300mm，填充有生物炭（生物质原料高温烧成的炭，包括玉米秸秆、木屑等）和石英砂，生物炭粒径为1mm，石英砂粒径为0.6mm，二者按体积比1:10，生物炭基质层填料的渗透速率不应低于200mm/h。黄铜矿基质层8厚度为500mm，填充有黄铜矿和石英砂，黄铜矿粒径为2mm，石英砂粒径为0.6mm，二者按体积比1:10混合，黄铜矿基质层填料的渗透速率不应低于250mm/h。过渡层9为基质保护层，厚度为100mm，填充有石英砂，粒径为0.6mm。砾石层10为排水层，厚度为300mm，砾石粒径为80mm。砾石层10中铺设有水平的第一穿孔排水管11，所述第一穿孔排水管11管径为DN150mm，管上穿孔的孔径为30mm，管外部包裹有两层透水土工布。
雨水回用区12底部设置有潜流泵13，潜流泵13的出水口连接回流管4，回流管4管径为DN150mm，位于生物滞留区18覆盖层5中的部分均匀布孔，孔径为30mm，管外部包裹有两层透水土工布。雨水回用区12右壁排水管（14）位置低于穿孔排水管（11）出水口，管径为DN150mm。
本实施例实现去除溶解态氮和减排氧化亚氮气体的工作过程：
第一，去除溶解态氮：径流雨水经泥沙沉淀区1和初期弃流区2去除大颗粒杂物和初期高污染雨水后进入生物滞留区18，雨水携带大量溶解氧依次通过覆盖层5和种植层6进入生物炭基质层7。覆盖层5的大分子有机物被分解为小分子有机物随雨水进入下层。在有氧环境下，雨水中的溶解态有机氮被氨化细菌转化为氨氮，部分被种植层6的微生物和植物同化（氨的同化作用是指氨被微生物或植物分解为无机氮，这些无机氮可以被植物细胞利用，从而提供植物必需的氮肥。通常，氨可以在微生物或植物细胞内进行同化作用）。同时，硝化细菌以氧为电子受体，氨氮为电子供体，将氨化作用产生的部分氨氮和雨水中携带的部分氨氮转化为硝态氮；同时，由于生物炭具有复杂多孔结构且表面带负电荷，带正电荷的氨氮极易被生物炭吸附。因此，雨水中绝大部分氨氮被有效去除。此外，生物炭的多孔结构能有效截留雨水溶解氧，保证下层的缺氧/厌氧环境。随后，雨水中的氮主要以硝态氮的形式向下流入黄铜矿基质层8，经由过渡层9和砾石层10流出，最终进入雨水回用区12。砾石层10的第一穿孔排水管11出水口抬升至黄铜矿基质层8顶部，使该层长期处于淹水状态，延长滞水时间保证缺氧/厌氧环境。该阶段，反硝化菌以黄铜矿为自养电子供体，以覆盖层5溶解的有机碳源为异养电子供体，以硝态氮为电子受体，在自养和异养的混合作用下将硝酸盐氮依次反硝化为亚硝酸盐氮、一氧化氮和氧化亚氮，并最终还原为氮气排出体系。
第二，减排氧化亚氮N2O：反硝化过程包括硝酸盐氮还原酶、亚硝酸盐氮还原酶、一氧化氮还原酶和氧化亚氮还原酶四种反硝化功能酶，其中氧化亚氮还原酶是唯一能将氧化亚氮还原为氮气的酶，而其得电子能力在四种酶中最弱，因此，雨水脱氮过程中氧化亚氮极易积累。如前所述，雨水中的氮主要以硝态氮的形式流入黄铜矿基质层8，在该层滞留进行缺氧/厌氧反硝化脱氮。黄铜矿作为一种金属矿物，具有导电性，可以起到电子穿梭体作用，促进反硝化过程中四种反硝化功能酶之间电子传递，增强氧化亚氮还原酶得电子能力；其次，氧化亚氮还原酶含有金属铜辅基（辅基是酶的辅助因子，金属离子是酶最常见的辅助因子），缺少铜会影响其合成与活性，而黄铜矿被微生物氧化溶解产生铜，有效促进氧化亚氮还原酶合成，提高氧化亚氮还原酶活性，促进氧化亚氮还原为氮气，减少了反应体系的氧化亚氮排放。
对本发明的生物滞留区和传统砂生物滞留区进行模拟雨水溶解态氮去除和氧化亚氮气体浓度测试：
假定前期干旱期为120h，模拟雨水污染物浓度为硝酸盐氮3mg/L，溶解性有机氮浓度3mg/L，COD浓度18.2mg/L。
溶解性总氮（TDN）的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）；硝酸盐氮的测定采用紫外分光光度法（HJ/T 346-2007）；氧化亚氮气体的测定采用静态箱气相色谱法。箱法是测量土壤和大气间微量气体交换通量最常用的方法，具体操作是用箱子罩在生物滞留区上原位收集气体，隔绝箱内外气体的交换，随时间的变化测定箱内气体，根据计算得出气体交换通量，一般选择5个时间点取气体样品测定，检测时间间隔20min或者更长。N2O排放通量计算公式如下：
式中，F为N2O气体排放通量（mg/(m2·h））；dc/dt为静态箱内N2O气体浓度随时间的变化率；M为N2O气体摩尔质量（g/mol）；P为静态箱内气压（Pa）；T为取样平均温度（K）；V0、T0和P0分别为标准状态下的气体摩尔体积（L/mol）、温度（K）和气压（Pa）；h为水面以上静态箱高度（m）。
测试结果见表1：
表1 测试结果
| 设施 | TDN去除率（%） | NO3 —N去除率（%） | 氧化亚氮排放通量（ug/(m2·h）） |
| 传统砂设施 | 33.02 | 51.75 | 4.77 |
| 本发明 | 55.58 | 84.01 | 2.36 |
从表1可以看出，本发明对溶解态氮的去除效能优于传统砂生物滞留区，且本发明氧化亚氮气体排放通量显著更低。
Claims (8)
1.一种脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，包括生物滞留区（18）和雨水回用区（12），其特征是：生物滞留区（18）由下至上依次为砾石层（10）、过渡层（9）、黄铜矿基质层（8）、生物炭基质层（7）、种植层（6）、覆盖层（5）和蓄水层（17）；砾石层（10）中设有第一穿孔排水管（11），第一穿孔排水管抬升出水口高度与黄铜矿基质层（8）顶部齐平，第一穿孔排水管（11）出水口接入雨水回用区（12）。
2.根据权利要求1所述的脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，其特征是：还包括泥沙沉淀区（1）和初期弃流区（2），泥沙沉淀区（1）和初期弃流区（2）设置在生物滞留区（18）的覆盖层外圈，泥沙沉淀区（1）位于在初期弃流区（2）外围，泥沙沉淀区（1）和初期弃流区（2）内部填装卵石，初期弃流区（2）为斜坡式，内部设置有垂直的溢流管（16）和平铺在底部的第二穿孔排水管（3），溢流管与第二穿孔排水管连通，第二穿孔排水管（3）出水口接入市政雨水管网。
3.根据权利要求1或2所述的脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，其特征是：雨水回用区（12）底部设置有潜流泵（13），潜流泵的出水口连接回流管（4），雨水回用区（12）顶部设有检查井（15），雨水回用区壁上设有排水管（14）。
4.根据权利要求3所述的脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，其特征是：黄铜矿基质层（8）厚度为300~500mm，填充有黄铜矿和石英砂，黄铜矿粒径为0.5~2mm，石英砂粒径为0.4~0.6mm，二者按体积比1:10混合，填料的渗透速率大于250mm/h。
5.根据权利要求4所述的脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，其特征是：生物炭基质层（7）厚度为200~300mm，填充有生物炭和石英砂，生物炭粒径为0.5~1mm，石英砂粒径为0.4~0.6mm，二者按体积比1:10混合，填料的渗透速率大于200mm/h。
6.根据权利要求5所述的脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，其特征是：种植层（6）厚度大于300mm，填充有沙壤土和石英砂，沙壤土粒径为0.1~0.5mm，石英砂粒径为0.4~0.6mm，二者按体积比1:5混合，填料的渗透速率大于150mm/h；所述的种植层（6）中种有植物。
7.根据权利要求6所述的脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，其特征是：覆盖层（5）厚度为50~100mm，选用碎木屑、树皮中一种或两种的有机物覆盖。
8.根据权利要求7所述的脱氮又减排温室气体氧化亚氮的雨水花园，其特征是：过渡层（9）为基质保护层，厚度为50~100mm，填充有石英砂，粒径为0.4~0.6mm；砾石层（10）为排水层，厚度为200~300mm，砾石粒径为50~80mm。
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