CN204803077U - 具有同步脱氮除磷功能的两相生物滞留池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有同步脱氮除磷功能的两相生物滞留池，由上向下分别为种植土层、填料层和砾石层，填料层下部和砾石层加起来构成缺氧反应区，缺氧反应区之上的填料部分及种植土层为好氧反应区，缺氧反应区和好氧反应区高度比为40～55:7；缺氧反应区顶部设置出水管。本实用新型针对现有的生物滞留池存在的问题，以生物滞留技术为基础，通过强化生物滞留池中反硝化作用和填料吸附作用，同步提高生物滞留对径流中氮磷的去除效果。本实用新型可应用于道路、城市开放空间等地表径流以及建筑屋面的雨水处理。

Description

具有同步脱氮除磷功能的两相生物滞留池

技术领域

本实用新型属于环境保护领域，具体涉及一种具有同步脱氮除磷功能装置。

背景技术

水体富营养化是中国目前面临的重大水环境问题之一，已成为制约中国经济发展的重要瓶颈。水体中氮和磷的过量输入和富集往往导致水生生态环境的恶化。城市河流水体所接纳的氮、磷类污染物中约1/2以上来自城市降雨径流携带的污染，2/3的河流水环境由于降雨径流氮、磷污染而丧失应有的功能，控制径流雨水中氮、磷污染意义重大。

常规生物滞留池能够有效去除地表径流中的总悬浮固体、重金属、病原菌等污染物质，但对径流中氮、磷的去除效果不佳。径流雨水中的氮以有机氮和氨氮形式存在，生物滞留池主要通过氨化作用、硝化作用将有机氮和氨氮转化成硝酸氮，硝酸氮需要在反硝化作用下以气态形式从径流雨水中去除。但常规生物滞留池中填料的透水透气性较好，不易形成缺氧环境，使得池体内反硝化作用受到抑制。径流雨水中的磷主要是颗粒态磷和溶解态磷形式存在，颗粒态磷主要依附在径流中总悬浮固体(TSS)表面通过过滤和沉降去除；溶解态磷主要通过雨水处理设施中填料的吸附和植物的吸收去除。常规生物滞留池常出现磷的解吸附现象。目前对常规生物滞留池的改进技术往往仅解决了脱氮或除磷单方面的问题，对于两者同步去除的研究不足。

传统的生物滞留池因考虑排水功能，填料选择单一，系统内缺乏反硝化所需的条件，即便存在饱和去设置，但因为其深度设置不当，也造成氮、磷的去除效果较差，还出现氮、磷去除率负值的现象。降雨径流中的氮主要以氨态氮和有机氮的形式存在，有机氮在氨化作用转化成氨态氮，氨态氮经好氧硝化过程转化成硝态氮，最终通过反硝化以N₂O或N₂的形式被去除。生物滞留系统内部硝化作用和反硝化作用过程包括：

(1)硝化反应：

总反应式为：

生物滞留系统中，由于填料颗粒带有负电荷，带正电荷的NH₄ ⁺很容易被填料吸附，所以系统对氨态氮的去除效果较好。Davis等的批量圆柱吸附实验表明：生物滞留设施对雨水径流中氨氮的去除率为60％～80％。(2)反硝化反应：

反硝化反应是指在无氧的条件下，反硝化菌将硝酸盐氮(NO₃ ^-)和亚硝酸盐氮(NO₂ ^-)还原为N₂的过程

硝态氮主要通过反硝化作用以N₂O或N₂的形式被去除，而根据微生物反应机制，反硝化需在严格缺氧和充足碳源的条件下进行。常规生物滞留池通常采用快速排水的结构设计，无法满足严格缺氧条件，且带负电荷的土壤对带负电荷的NO3-不吸附，同时NH₄ ⁺在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下转化成NO₃ ^-也增加了雨水中的NO₃ ^-的含量，因此在某些研究中发现NO₃ ^-不仅没有去除，甚至出现了出水浓度高于进水的现象。

要提高NO₃ ^-的去除效果，需要结合缺氧条件的特点对生物滞留池的结构进行强化设计。

径流雨水中的磷主要是颗粒态磷和溶解态磷形式存在，颗粒态磷主要依附在径流中总悬浮固体表面通过过滤和沉降去除；溶解态磷主要通过雨水处理设施中填料的吸附和植物的吸收去除。常规生物滞留池常出现磷的解吸附现象。

目前对常规生物滞留池的改进技术往往仅解决了脱氮或除磷单方面的问题，对于两者同步去除的研究不足。即使在单项技术方面，也存在填料选择单一、缺氧反应区设置随意性较大的问题。

实用新型内容

针对现有技术中传统生物滞留池存在的不足之处，本实用新型的目的是针对生物滞留池对氮、磷的去除机理对其进行优化改进，设计新型的能同步强化氮、磷去除的生物滞留池—两相生物滞留池，解决道路、城市开放空间、建筑屋面径流污染严重、雨水资源流失以及有效缓解河流水体富营养化问题。

实现本实用新型目的的技术方案为：

一种具有同步脱氮除磷功能的两相生物滞留池，其特征在于，由上向下分别为种植土层、填料层和砾石层，填料层下部和砾石层加起来构成缺氧反应区，缺氧反应区之上的填料部分、种植土层为好氧反应区，好氧反应区和缺氧反应区高度比为40～55:7；缺氧反应区顶部高度与出水管高度相等。

优选地，所述的填料层由沸石、铝污泥、河砂、陶粒、石英砂、麦饭石、无烟煤中的一种铺设而成。

本实用新型中石英砂和河砂均为市购，石英砂为工业净水材料，粒径0.5～2mm，河砂为建筑材料，粒径3～5mm。

更优选地，所述种植土层的厚度为200～300mm，填料层和砾石层总厚度900～1100mm。

其中，在所述种植土层上栽植有植物，所述植物为羊茅草、马蹄莲、红叶景天、石莲花、万年草中的一种或多种。

其中，所述砾石层是由粒径为12mm～35mm的碎砾石铺设而成。

在所述砾石层底部埋设直径50～200mm的穿孔收集管，穿孔孔径为6～12mm，所述穿孔收集管连接出水管，所述穿孔排水管向上弯曲，使出水管高度和缺氧反应区顶部的高度相等。

本实用新型提出的具有同步脱氮除磷功能的两相生物滞留池，通过以下步骤构建：

1)填料的筛选：待选的填料为沸石、陶粒、石英砂、麦饭石、无烟煤、铝污泥中的四种，向待选的填料中加入KH₂PO₄溶液，恒温在20-30℃下搅拌，在搅拌过程中取水样测水中TP的浓度，求得不同填料的总磷吸附效率；将吸附饱和的填料中加入蒸馏水，恒温在20～30℃下搅拌48h后测水样中总磷的浓度，求得不同填料的解吸附量；根据填料吸附效率和解吸附量，筛选出总磷吸附性能好的填料；

2)确定两相区的布置：步骤1)筛选出的填料填充在生物滞留池实验装置内，填料下方为砾石层，在生物滞留池实验装置的侧壁填料层和砾石层部分设置5-6个取水样的出水口，出水口高度位于填料层和砾石层高度的0～60％处，填料层下部和砾石层加起来构成缺氧反应区；将已知氮、磷含量的水从生物滞留池上方通入，由不同高度所取水样的氮、磷含量判断缺氧反应区的适宜高度。

进一步地，所述步骤1)中，每克填料加入20mL浓度为1～10mg/L的KH₂PO₄溶液，恒温搅拌过程中每隔0.5h、1.5h、3h、5h、10h、24h取水样测水中TP的浓度，求得不同填料的总磷吸附效率；每克饱和吸附填料中加入50mL蒸馏水，恒温搅拌48h后测定水样中总磷浓度，求得不同填料的饱和解吸附量；

其中，所述步骤1)中，总磷吸附效率由溶液中总磷的浓度求得，计算公式如(6)所示：

$R=\frac{C_0-C_i}{C_0}\×100\%---\left(6\right)$

式中，R—TP吸附效率，％；C₀—实验开始时水样中TP浓度，mg/L；C_i—不同间隔取样时水样中TP浓度，mg/L；

其中，所述步骤1)筛选填料时，通过溶液中总磷减少的质量算出每种填料的饱和吸附量，计算公式如(7)所示：

$Q_1=\frac{V(C_0-C_e)}{W}---\left(7\right)$

式中Q₁—填料饱和吸附量，mg/g；C₀—实验前溶液中总磷的浓度，mg/L；C_e—吸附平衡时总磷的浓度，mg/L；V—实验中加入的总磷溶液体积，mL；W—实验中加入的填料质量，g；

其中，所述步骤1)中，每克吸附饱和的填料中加入50mL蒸馏水，恒温搅拌48h后测定水样中总磷浓度，求得不同填料的解吸附量。

进一步地，所述步骤1)筛选填料时，通过饱和解吸附后水样中总磷的质量算出每种填料的解吸附量，计算公式如(8)所示：

$Q_2=\frac{V\·C}{W}---\left(8\right)$

式中Q₂—填料解吸附量，mg/g；C—解吸附后水样中总磷的浓度，mg/L；V—实验加入的蒸馏水体积，mL；W—实验加入的填料质量，g；

由吸附平衡时总磷吸附效率和填料的解吸附量筛选出总磷吸附性能好的填料。

进一步地，所述步骤2)中，所述已知氮、磷含量的水，是有机氮浓度为1～2mg/L、硝酸钾KNO₃浓度为3～6mg/L、氯化铵NH₄Cl浓度为4～8mg/L、磷酸二氢钾KH₂PO₄浓度为1～3mg/L的溶液。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型针对现有的生物滞留池存在的问题，以生物滞留技术为基础，通过强化生物滞留池中反硝化作用和填料吸附作用，同步提高生物滞留对径流中氮、磷的去除效果。本发明可应用于道路、城市开放空间等地表径流以及建筑屋面的雨水处理。具体地，

(1)本实用新型将优选的填料进行级配组合，应用于生物滞留池的填料层中，主要用于去除径流雨水中的磷，并为有机氮和氨氮的转化提供场所；

(2)将生物滞留池的出水口提升一定高度，使池体内部形成饱和区，主要集中在砾石层和填料层下部，形成缺氧反应区，为反硝化作用提供场所，并适当添加碳源，作为微生物生命活动的能源，促进反硝化作用对硝酸氮的去除；

(3)优化后的生物滞留池上部为非饱和相结构，下部为饱和相结构，实现同步硝化反硝化；将收集的道路径流雨水汇流入蓄水层，一部分水通过蒸发散失，大部分水通过下渗，在填料、植物和微生物的作用下实现脱氮除磷的目的；

(4)本实用新型提出的装置联合同步脱氮除磷两相技术，使生物滞留池的出水达到排放标准，并且生物滞留池具有造价低，维护管理方便等优点，适于大规模推广应用，有效缓解城市径流污染问题。

附图说明

图1为构建本实用新型的实验装置的正视图。

图2为实验装置侧视角度的结构图。

图3为实验装置柱体俯视图。

图4为构建两相生物滞留池的实验系统图。

图5为实施例1两相生物滞留池的结构图。

图中，1为溢流管，2为上多孔板，3为下多孔板，4为喷头，5为流量调节阀，6为设备层，7为取水口，8为试验容器器壁，9为生物滞留池出水管，10为进水管，11为植物，12为穿孔收集管，13为种植土层，14为填料层，15为砾石层。

具体实施方式

以下以具体实施例来进一步说明本实用新型技术方案。本领域技术人员应当知晓，实施例仅用于说明本实用新型，不用于限制本实用新型的范围。

实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

见图5，一种具有同步脱氮除磷功能的两相生物滞留池，由上向下分别为种植土层13、填料层14和砾石层15，填料层由石英砂组成，填料层厚度600mm，砾石层厚度300mm；填料层下部和砾石层加起来构成厌氧反应区。种植土层厚200mm，种植土层和填料层上部构成好氧反应区。本实施例中，厌氧反应区高度35cm。在砾石层底部埋设直径100mm的穿孔收集管12，穿孔孔径为6mm，穿孔收集管连接生物滞留池出水管9，穿孔收集管12向上弯曲，使出水口的高度位于填料层底部向上5cm高度处，和厌氧反应区高度相等。

两相生物滞留池内，在种植土层13上栽植有植物11，所述植物为羊茅草、马蹄莲、红叶景天、石莲花、万年草中的一种或多种。其中砾石层15是由粒径为12mm～35mm的碎砾石铺设而成。在砾石层底部埋设直径100mm的穿孔收集管12，穿孔孔径为6mm。

水处理实验结果：两相生物滞留池对TP、NH₄-N、NO₃-N、TN的平均去除率分别为78.41％、82.67％、60.80％、65.22％，脱氮除磷的效果明显。

实施例2

一种两相生物滞留池，由上向下分别为种植土层、填料层和砾石层，填料层由麦饭石铺设而成，种植土层厚度200mm，填料层厚度600mm，砾石层厚度300mm。在砾石层底部埋设直径100mm的穿孔收集管，穿孔收集管向上弯曲，其出水口位于填料层的10cm高度处。

用于测试的水质先测定其总磷、氨氮、硝酸盐氮、总氮等指标。水处理实验结果：两相生物滞留池对TP、NH₄-N、NO₃-N、TN的平均去除率分别为73.41％、81.99％、50.81％、63.22％，脱氮除磷的效果明显。

实施例3

一种两相生物滞留池，由上向下分别为种植土层、填料层和砾石层，填料层由陶粒组成，种植土层厚度200mm，填料层厚度600mm，砾石层厚度300mm，在砾石层底部埋设直径100mm的穿孔收集管，穿孔孔径为6mm，穿孔收集管向上弯曲，其出水口位于填料层的10cm高度处。

用于测试的水质为总磷、氨氮、硝酸盐氮、总氮等指标。水处理实验结果：两相生物滞留池对TP、NH₄-N、NO₃-N、TN的平均去除率分别为75.93％、83.56％、52.81％、65.64％，脱氮除磷的效果明显。

本实用新型提出的两相生物滞留池通过以下步骤构建：

(1)填料的筛选

选择沸石、石英砂、麦饭石、陶粒、无烟煤、铝污泥、河砂等填料，分别对筛选的填料进行吸附动力学实验和等温解吸附实验，按照实验结果将优选的填料作为生物滞留池的填料层。填料饱和吸附实验方法：将筛选出的填料在自然通风条件下风干两周，每种填料准确称取5.0g，放入250mL的具塞磨口锥形瓶中，再分别加入预先配置好的100mL、浓度为5.0mg/L的KH₂PO₄溶液，然后将具塞磨口锥形瓶放入SHY-2A型恒温振荡水浴锅内，将温度设置为27±0.5℃，转速设置为170±10r/min，自温度达到设定温度起，每隔0.5h、1.5h、3h、5h、10h、24h分别取水样，采用钼酸铵分光光度法测试水样中TP的浓度，利用公式(2)计算填料对总磷的吸附量；解吸附实验方法：每克吸附饱和的填料中加入50mL蒸馏水，在恒温20～30℃下搅拌48h后，测定水样中总磷浓度，利用公式(3)求得不同填料的解吸附量。实验重复三次以减小误差。

表1：各填料总磷饱和吸附量和解吸附量

根据表1结果筛选饱和吸附量高和解吸附量小的填料，综合考虑沸石价格较低、铝污泥具有吸附量高但吸水膨胀后容易堵塞的特性，优选填料为石英砂、麦饭石、陶粒中的一种。

(2)确定两相区的布置

本实施例使用的实验装置如图1～4。该装置为生物滞留强化脱氮除磷实验模型；装置长×宽×高＝500mm×500mm×1200mm；从上到下以依次为蓄水层、种植层、填料层、砾石层。装置容器为有机玻璃焊接成型，装置内壁打毛处理。该试验容器器壁8上设置取水口7。装置内，填料层与砾石层之间设置上多孔板2并铺设土工布，板厚20mm，板面穿孔，孔径5mm，其他层间不设；底部设置下多孔板3收集下渗水，并铺设土工布防止植物土向下方溢入砾石层。装置底部设置连接喷头4的升流管，升流管上设置流量调节阀5；升流管为DN20/UPVC粘接管，升流管竖向进行固定。

如图4，实验系统为双喷头单控式试验设备，蓄水箱为定型塑料制品。试验容器2台同时进行，试验后取下可换之。设备层安装流量计及控制装置。流量调节阀门可以单独控制对应的喷头4，喷头管为180度回转杆。设备框架为不锈钢材料。

蓄水箱为塑料成型箱，溢流管由硅胶软管直接排入蓄水箱。水泵采用4500升/小时、扬程4米潜水泵。

两相生物滞留池形状为柱体，柱体上端设置有溢水管，柱体内底部放置下多孔板3，下多孔板3上方300mm处放置上多孔板2。下多孔板3上放置厚度30cm的砾石层，由粒径为12mm～35mm的碎砾石组成；上多孔板2上放置填料，总高度600mm，在从柱体底向上0cm，25cm、30cm、35cm、40cm、45cm依次设置取水口7，编号1#至6#。

用已知氮、磷含量的水，其中有机氮浓度为2mg/L(用烟酸配制)、硝酸钾KNO₃浓度为5mg/L、氯化铵NH₄Cl浓度为5mg/L、磷酸二氢钾KH₂PO₄浓度为2mg/L。将已知氮、磷含量的水从喷头4通入，由不同高度所取水样的氮、磷含量判断去除效果，从而判断厌氧反应区的适宜高度。

表2不同反应区深度下组合填料脱氮除磷效果

根据表2的实验结果，根据脱氮和除磷的效果，判定石英砂填料的35cm为最优厌氧反应区高度。厌氧反应区上方为好氧反应区，并确定两相反应区的高度比为51:7。麦饭石和陶粒填料的40cm为最优厌氧反应区高度。厌氧反应区上方为好氧反应区，并确定两相反应区的高度比为25:4。

以上的实施例仅仅是对本实用新型的具体实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有同步脱氮除磷功能的两相生物滞留池，其特征在于，由上向下分别为种植土层、填料层和砾石层，填料层下部和砾石层加起来构成缺氧反应区，缺氧反应区之上的填料部分及种植土层为好氧反应区，好氧反应区和缺氧反应区高度比为40~55:7；缺氧反应区顶部高度与出水管高度相等。

2.根据权利要求1所述的两相生物滞留池，其特征在于，所述填料层由沸石、铝污泥、河砂、陶粒、石英砂、麦饭石、无烟煤中的一种铺设而成。

3.根据权利要求1所述的两相生物滞留池，其特征在于，所述种植土层的厚度为200~300mm，填料层和砾石层总厚度900~1100mm。

4.根据权利要求1所述的两相生物滞留池，其特征在于，在所述种植土层上栽植有植物，所述植物为羊茅草、马蹄莲、红叶景天、石莲花、万年草中的一种或多种。

5.根据权利要求1~4任一所述的两相生物滞留池，其特征在于，所述砾石层是由粒径为12mm~35mm的碎砾石铺设而成。

6.根据权利要求1~4任一所述的两相生物滞留池，其特征在于，在所述砾石层底部埋设直径50~200mm的穿孔收集管，穿孔孔径为6~12mm，所述穿孔收集管连接出水管，所述出水管向上弯曲，使出水管高度和缺氧反应区顶部的高度相等。