CN102251459A

CN102251459A - 一种路面雨水集蓄净化利用***

Info

Publication number: CN102251459A
Application number: CN2011101146219A
Authority: CN
Inventors: 李家科; 李怀恩; 杜光斐; 黄池钧
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-05-05
Also published as: CN102251459B

Abstract

本发明提供一种路面雨水集蓄净化利用***，包括沟槽及设置在沟槽内的一个或多个填料单元，每个填料单元的两侧分别设置有挡板，相邻两个填料单元首尾端的两个挡板之间形成通气井，位于沟槽两端的挡板与沟槽内侧壁之间形成通气井；每个填料单元底面设置有一混凝土箅子，混凝土箅子与沟槽内底面之间形成集水槽，集水槽与所有的通气井彼此相通；混凝土箅子上的填料单元由从下往上依次设置的鹅卵石层、砾石层、基质层和种植土层组成，种植土层上种植有植物。雨水经过本发明***净化后，能够满足农业用水及一般景观用水需求。

Description

一种路面雨水集蓄净化利用***

技术领域

本发明属于雨水集蓄净化利用技术领域，具体涉及一种路面雨水集蓄净化利用***。

背景技术

水资源是十分重要又特殊的自然资源，是人类赖以生存的基本物质和人类可持续发展的制约因素。随着世界人口膨胀，缺水问题已对全球构成威胁。我国属于水资源贫乏的发展中国家，人均占有水量2400~2500 m³/a，为世界人均占有量的四分之一。同时，我国还面临严重的水环境污染问题，水体污染主要有两大类：即点源污染（Point Source Pollution）和非点源污染（Non-point Source Pollution）。非点源污染主要是指在降雨径流（包括灌溉）的淋溶和冲刷作用下，大气中、地面和土壤中的污染物进入江河、湖泊水库和海洋等水体而造成的水污染，这种污染也称为面源污染，是普遍存在的。按非点源污染的来源，可以将其分为城市非点源和农业非点源。城市非点源污染随城市化水平的提高而加重。美国环保局（USEPA）已把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。

目前，城市水资源短缺及水污染问题亟待解决，而雨水作为最根本、最直接、最经济的水资源是进行“开源节流”的首要措施。同时，国内外的实践证明，生态技术是解决非点源污染的根本途径之一。非点源污染治理的生态技术主要是通过控制生态***的物质平衡和物质流动等途径来控制污染物的措施，充分利用土地、植被及水体的净化能力，截留氮、磷、泥沙等物质。生态技术具有费用较低，多方受益，适合多种条件等优点，是一种实用有效的非点源污染控制途径。

由此可见，需要利用生态技术研究开发一种新型的雨水集蓄净化利用装置对城市降雨径流进行收集、处理并予以回用，以实现开发淡水资源与控制城市非点源污染的双重目的。人工湿地是发展较早的雨水集蓄净化利用生态技术，它是利用自然生态***中物理、化学和生物的三重协同作用来实现对所汇入原水的净化作用。它是目前世界上价格最为低廉的低投资、低能耗、行之有效的水处理***，是一种非常适应于绿色城市建设、生态环境保护、生活污水净化、雨水收集净化的方法。

人工湿地处理装置主要有水平流人工湿地处理床和垂直流人工湿地处理床，水平潜流人工湿地床高约0.6~0.8m，采用较粗基质如砾石作为处理介质，原水在人工湿地的地表下呈水平流动，并在基质层中种植有泌氧能力的大型挺水植物如芦苇、香蒲和水葱等，利用水生植物的泌氧能力为人工湿地基质上的生物膜分解原水中的有机物质提供氧气。垂直流人工湿地床高1.0m以上，通常采用较细的基质如砂作为渗滤介质，原水在自表层向下的垂直渗滤过程中得到处理，其采用的植物大多数为芦苇、风车草和香根草等。

存在的不足之处有：（1）水平流人工湿地处理床存在好氧条件不足等缺点，它虽能很好地去除SS，并且能去除一些BOD。但是，他通常对氨氮的去除效果不好。由于它不能完成大部分废水的硝化过程，即使其具有较强的反硝化作用能力，因而也不能独立完成废水的硝化和反硝化两个处理过程，以达到废水脱氮处理的目的。（2）垂直流人工湿地处理床对废水中耗氧有机物的处理能力和硝化能力较强，它比水平流人工湿地具有更好的好氧条件，且对废水中BOD₅和COD的去除效果都较好，但对SS的去除效果较水平流人工湿地差，并且极易发生堵塞现象；虽然它对废水的硝化能力很强，但是其反硝化作用能力也较水平流人工湿地差，因而也不能单独完成废水的硝化和反硝化两个处理过程，以达到废水脱氮处理的目的。（3）垂直流人工湿地处理床和水平流人工湿地处理床两种人工湿地对原水中磷的去除能力都较差（＜30~40%），而且现行广泛采用的砂、砾石等基质对磷的吸附饱和使用寿命较短，一般2~3年：即使将水平流人工湿地与垂直流人工湿地串联起来组成复合***，如仍采用砂、砾石基质，其对磷的去除率仍小于60%。（4）目前的人工湿地处理床一般呈封闭的圆形或者方形，占地面积较大，需要有较大面积的空旷场地提供方能完成人工湿地的建设，建设条件受到限制，不能广泛使用。（5）目前人工湿地所采用的植物多数为一年生的灌木或草本植物，夏季处理效果固然理想，但是到了冬季植物枯萎后，不仅影响的处理效果，而且影响美观。

发明内容

本发明的目的是提供一种路面雨水集蓄净化利用***，是基于垂直流人工湿地而改建的城市道路雨水集蓄净化处理设施，处理后的水经收集可直接回用于城市市政及景观用水。

本发明所采用的技术方案是，一种路面雨水集蓄净化利用***，包括沟槽及设置在沟槽内的一个或多个填料单元，每个填料单元的两侧分别设置有挡板，相邻两个填料单元首尾端的两个挡板之间形成通气井，位于沟槽两端的挡板与沟槽内侧壁之间形成通气井；每个填料单元底面设置有一混凝土箅子，混凝土箅子与沟槽内底面之间形成集水槽，集水槽与所有的通气井彼此相通；混凝土箅子上的填料单元由从下往上依次设置的鹅卵石层、砾石层、基质层和种植土层组成，种植土层上种植有植物。

其中，集水槽呈倾斜设置。

其中，集水槽的低端设置有与外界相通的出水管。

其特征还在于，鹅卵石层的厚度为0.05—0.2m，砾石层的厚度为0.1—0.3m，基质层的厚度为0.1—0.3m，种植土层的厚度为0.2—0.5m；填料单元的总厚度为0.45—1.3m。

其中，基质层为粉煤灰层、高炉渣层、沸石层或混合物层；所述混合物层为粉煤灰、高炉渣、沸石中任意两种或三种以任意比例组成的混合物。

其特征进一步在于，每个填料单元里布置有多根通气管道，通气管道的底部位于鹅卵石层的上表面，通气管道的顶部高于种植土层的上表面；位于填料单元内的通气管道长度为H，从种植土层上表面到种植土层上表面向下1/8H处之间的通气管道上设置有多个小孔，从鹅卵石层上表面到鹅卵石层上表面向上2/5H处之间的通气管道上设置有多个小孔。

其中，挡板的上端高于种植土层上表面。

本发明的有益效果是，

1.以垂直流人工湿地为基础，原水流经所有填料层，较水平潜流人工湿地处理效果好，处理效率高，抗冲击负荷能力强。填料层中采用鹅卵石、砾石、粉煤灰（或高炉渣或沸石或它们的搭配组合）、种植土等基质填料，对原水中有机物、氮（N）、磷（P）、重金属等污染物的有较强的处理能力。对化学需氧量(COD)的去除率为50%~70%，对总氮（TN）的去除率为40%~60%，对氨氮（NH₃-N）的去除率为50%左右，对可溶性正磷酸盐（DP）的去除率为70%~90%，对总磷（TP）的去除率为70%~90%，对重金属铅（Pb）的去除率为30%~40%，对重金属铬（Cr）的去除率为20%~30%，对重金属镉（Cd）的去除率为30%~40%。同时本***与城市绿化紧密结合，扩大其应用范围，以将雨水充分有效地利用。经过本发明***净化后，出水中总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH₃-N）、化学需氧量（COD）、悬浮物（SS）、重金属（主要是铅、铬、镉）等主要水质指标针对降雨径流初期雨水，出水可基本达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920—2002）和《城市污水再生利用景观用水水质》（GB/T18921-2002）的相关要求。针对降雨径流中后期雨水，出水可基本达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类水水质，以满足农业用水及一般景观用水需求。

2. 通过设置通气井和通气管道提高大气复氧强度，避免了垂直流人工湿地底部由于厌氧造成水质恶化、变臭的现象，保证了出水水质。

附图说明

图1是本发明路面雨水集蓄净化利用***的沟槽内设置一个填料单元的俯视图；

图2是本发明路面雨水集蓄净化利用***的沟槽内设置一个填料单元的纵向剖面图；

图3是本发明路面雨水集蓄净化利用***的沟槽内设置多个填料单元的纵向剖面图；

图4是本发明路面雨水集蓄净化利用***设置在道路中间的示意图；

图5是本发明路面雨水集蓄净化利用***设置在道路两侧的示意图；

图6是通气管道埋设在填料单元内的结构示意图。

图中，1.沟槽，2.挡板，3.通气井，4.混凝土箅子，5.集水槽，6.鹅卵石层，7.砾石层，8.基质层，9.种植土层，10.出水管，11.通气管道，12.金属滤网，13. 路面雨水集蓄净化利用***，14.道路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供一种路面雨水集蓄净化利用***，包括沟槽1及设置在沟槽1内的一个填料单元，填料单元的两侧分别设置有挡板2，挡板2与沟槽1内侧壁之间形成通气井3；填料单元底面设置有混凝土箅子4，混凝土箅子4与沟槽1内底面之间形成集水槽5，集水槽5与两个通气井3彼此相通形成“U”形通气廊道；集水槽5呈倾斜设置，其坡度为0.01~0.015（11），集水槽5的低端设置有与外界相通的出水管10。

本发明雨水集蓄净化利用***可布置在道路14的中间或两侧，根据所需长度在沟槽1内的设置多个填料单元，如图3所示，每个填料单元的两侧分别设置有挡板2，相邻两个填料单元首尾端的两个挡板2之间形成通气井3，位于沟槽1两端的挡板2与沟槽1内侧壁之间也形成通气井3；每个填料单元底面设置有一混凝土箅子4，混凝土箅子4与沟槽1内底面之间形成集水槽5，集水槽5与所有通气井3彼此相通，集水槽5呈倾斜设置，其坡度为0.01~0.015（11），集水槽5的低端设置有与外界相通的出水管10。

混凝土箅子4上的填料单元由从下往上依次设置的厚度为0.05—0.2m的鹅卵石层6、厚度为0.1—0.3m的砾石层7、厚度为0.1—0.3m的基质层8和厚度为0.2—0.5m种植土层9组成；鹅卵石的粒径为50—100mm，砾石的粒径为10—30mm，种植土的粒径为2—5mm；基质层8为粒径1—3mm的粉煤灰层、粒径5—10mm的高炉渣层、粒径3—5mm的沸石层或粒径3—8mm的混合物层，混合物层为粉煤灰、高炉渣、沸石任意两种或三种以任意比例组成的混合物。每层之间用土工布隔开，以免细小颗粒随处理水向下迁移而堵塞下层滤料或者进入底部集水槽5，影响出水水质或通气效果。每个填料单元里布置有多根通气管道11。挡板2上端高于种植土层9，防止原水下渗过慢造成溢流而使得原水未经处理直接流入底部通气集水槽5。通气井3上端盖有金属滤网12，以免路面沉积物落入。种植土层9用于栽种植物，为城市道路常用绿化植物，如小叶女贞、黄杨、麦冬草和石菖蒲，植物的根系不仅可以起到泌氧的效果，还可以为微生物的生长提供环境，从而提高本***对N、P、重金属等污染物质的去除效果。基质层8用于吸附去除N、P、重金属等污染物质，砾石层7用于吸附磷，鹅卵石层6主要起承托作用，也能吸附少量的P。

本发明雨水集蓄净化利用***可布置在道路14的中间或两侧，修建时以城市或小区道路路面为基准，填料单元的上表面需低于路面5~10cm，以防止降雨量过大时，雨水来不及下渗而溢出；而通气井3顶部需高于路面5~20cm，以防止路面雨水径流沿通气井3进入底部集水槽5而影响沟槽1出水水质，同时在通气井3顶部加盖金属滤网12，一方面出于美观和安全的考虑，另一方面可以防止路面沉积物通过通气井3进入底部集水槽而引起集水槽的堵塞。

雨水经过路面横向坡降，如图4所示，当本发明路面雨水集蓄净化利用***13布置在城市或小区道路14的中间时，雨水以双边（即路面径流从本发明***的两侧汇入其内）的方式汇入到本发明路面雨水集蓄净化利用***13中；如图5所示，当本发明路面雨水集蓄净化利用***13布置在城市或小区道路14的两侧时，雨水以单边（即路面径流从本发明***的单侧汇入其内）的方式汇入到本发明路面雨水集蓄净化利用***13中；雨水经过填料单元的过滤再通过混凝土箅子4汇入到集水槽5，因集水槽5设置有一定的坡度，过滤后的雨水顺延集水槽5，通过出水管10排到储水处，最终回用，回用的雨水可以供城市绿化用。设置通气井3的主要目的是便于集水槽5通风，防止处理后的水变质发臭。如图6所示，每个填料单元中布置有多根通气管道11，管径50mm，通气管道11的底部位于鹅卵石层6的上表面，通气管道11的顶部超出种植土层9上表面，以防止原水进入。埋在填料单元内的通气管道11长度为H，从种植土层9上表面到种植土层9上表面向下1/8H处之间的通气管道11上设置有多个小孔，从鹅卵石层6上表面到鹅卵石层6上表面向上2/5H处之间的通气管道11上设置有多个小孔，小孔的孔径为5mm，孔间距为2.5cm，目的是为填料单元的上部及底部提供通风条件，使得填料单元达到好氧—兼氧—厌氧—兼氧—好氧的氧气分布规律，缓解由于厌氧造成的处理水水质恶化、变臭的现象，保证出水水质。

本发明在垂直流人工湿地的基础上主要通过改变***内部的氧气分布状态和处理后水的收集方式，以保证出水水质；本发明将填料单元设置在沟槽1中，沟槽1的形状狭长，在生产实践中可应用于城市道路14中间及两侧，相比人工湿地其应用范围得到扩大。另外，通过设置通气井3和通气管道11提高大气复氧强度，避免了垂直流人工湿地底部由于厌氧造成水质恶化、变臭的现象，保证了出水水质。采用四季常青的城市道路常用绿化植物作为本发明***的栽种植物，为微生物提供适宜的生长环境，进而辅助***整体提高对降雨径流中污染物的净化能力，同时冬季来临时，在不影响城市美观的情况下，保证***出水水质，这样也将城市非点源污染控制及雨水的集蓄净化利用与城市绿化紧密结合，具有较好的发展前景，适宜推广使用。

下面通过试验对本发明路面雨水集蓄净化利用***的效果作进一步说明：

试验分五组：原水经配水桶和布水管，以双边进水的方式进入本发明路面雨水集蓄净化利用***，本发明***的总高度1050mm，由下向上分别是：标高0~100mm为集水槽5；标高100~200mm为鹅卵石层6，粒径为50~100mm；标高200~450mm为砾石层7，粒径为10~30mm；标高450~650mm为基质层8（1组为粉煤灰，粒径为1~3mm；2组为高炉渣，粒径为5~10mm；3组为沸石，粒径为3~5mm；4组为高炉渣与沸石按体积比为1:1混合，粒径为3~8mm；5组为粉煤灰、高炉渣、沸石按体积比为1:1:1混合，粒径为3~8mm）；标高650~950mm为种植土层9，粒径为2~5mm；标高950~1050mm为超高（防止原水外溢）。

试验一：原水根据降雨径流初期雨水资料进行配水，化学需氧量（COD）为453.66mg/L，氨氮（NH₃-N）为 2.97mg/L，总氮（TN）为16.12mg/L，可溶性正磷酸盐（DP）为1.15mg/L，总磷（TP）为 5.19mg/L，重金属铅（Pb）为0.36mg/L，重金属铬（Cr）为0.32mg/L，重金属镉（Cd）为0.018mg/L。运行水力负荷2.0m³/m²·d。通过本发明***的处理，出水基本达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920—2002）和《城市污水再生利用景观用水水质》（GB/T18921-2002）的相关要求。五组试验对各污染物指标的去除率（试验一）如表1所示：

试验二：原水根据降雨径流中后期雨水资料进行配水，化学需氧量（COD）为138.65mg/L，氨氮（NH₃-N）为 1.45mg/L，总氮（TN）为5.76mg/L，可溶性正磷酸盐（DP）为0.32mg/L，总磷（TP）为 1.38mg/L，重金属铅（Pb）为0.15mg/L，重金属铬（Cr）为0.12mg/L，重金属镉（Cd）为0.015mg/L。所用试验装置同试验一。运行水力负荷2.0m³/m²·d。通过本发明***的处理，出水基本达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类水水质，可以满足农业用水及一般景观用水需求。五组试验对各污染物指标的去除率（试验二）如表2所示：

从上述两组试验的去除效果比较可以看出，本发明***对于降雨径流污染物的去除效果比较稳定。针对降雨径流不同阶段（初期和中后期）雨水，装填有粉煤灰基质的试验装置对于可溶性正磷酸盐（DP）的去除效果最佳，去除率可达85%左右，对总磷（TP）的去除率达80%左右；装填有高炉渣基质或沸石基质的试验装置对于可溶性正磷酸盐（DP）和总磷（TP）的去除率均可达80%左右，对于COD和NH₃-N的去除效果较好，可分别达到55%或75%左右和45%或70%左右；以上五组装置对于重金属Pb、Cr、Cd的去除效果可分别达到35%、25%、35%左右。装填有高炉渣和沸石1:1混合填料与粉煤灰、高炉渣、沸石按1:1:1混合填料的试验装置对各污染指标的去除效果基本上优于单一填料，并且装填粉煤灰、高炉渣、沸石按1:1:1混合填料的试验装置的处理效果最为理想。由此可见，不同的基质（填料）对于各种污染物的去除具有选择性，同时通过填料的搭配混合可以比较显著地提高净化效果。

Claims

1.一种路面雨水集蓄净化利用***，其特征在于：包括沟槽（1）及设置在沟槽（1）内的一个或多个填料单元，每个填料单元的两侧分别设置有挡板（2），相邻两个填料单元首尾端的两个挡板（2）之间形成通气井（3），位于沟槽（1）两端的挡板（2）与沟槽（1）内侧壁之间形成通气井（3）；每个填料单元底面设置有一混凝土箅子（4），混凝土箅子（4）与沟槽（1）内底面之间形成集水槽（5），集水槽（5）与所有的通气井（3）彼此相通；混凝土箅子（4）上的填料单元由从下往上依次设置的鹅卵石层（6）、砾石层（7）、基质层（8）和种植土层（9）组成，种植土层（9）上种植有植物。

2.根据权利要求1所述的路面雨水集蓄净化利用***，其特征在于：所述集水槽（5）呈倾斜设置。

3. 根据权利要求2所述的路面雨水集蓄净化利用***，其特征在于：所述集水槽（5）的低端设置有与外界相通的出水管（10）。

4. 根据权利要求1所述的路面雨水集蓄净化利用***，其特征在于：所述鹅卵石层（6）的厚度为0.05—0.2m，砾石层（7）的厚度为0.1—0.3m，基质层（8）的厚度为0.1—0.3m，种植土层（9）的厚度为0.2—0.5m；填料单元的总厚度为0.45—1.3m。

5. 根据权利要求1或4所述的路面雨水集蓄净化利用***，其特征在于：所述基质层（8）为粉煤灰层、高炉渣层、沸石层或混合物层；所述混合物层为粉煤灰、高炉渣、沸石中任意两种或三种以任意比例组成的混合物。

6. 根据权利要求1所述的路面雨水集蓄净化利用***，其特征在于：所述每个填料单元里布置有多根通气管道（11），通气管道（11）的底部位于鹅卵石层（6）的上表面，通气管道（11）的顶部高于种植土层（9）的上表面；位于填料单元内的通气管道（11）长度为H，从种植土层（9）上表面到种植土层（9）上表面向下1/8H处之间的通气管道（11）上设置有多个小孔，从鹅卵石层（6）上表面到鹅卵石层（6）上表面向上2/5H处之间的通气管道（11）上设置有多个小孔。

7. 根据权利要求1所述的路面雨水集蓄净化利用***，其特征在于：所述挡板（2）的上端高于种植土层（9）上表面。