本发明涉及一种用于道路雨水排涝净化的下凹式绿地改良层填料。
背景技术：
在传统城市建设模式下，由于缺乏雨洪管理措施，造成地表径流量增多、城市内涝、水污染加剧(面源污染)、水资源流失等问题。国际上在城市雨洪管理上已经取得很多成果，从最佳管理实践(BMP)发展到低影响开发(LID)，从绿色雨水基础设施(GSI)到水敏感性城市设计(WSUD)，而在我国一种基于低影响开发雨洪管理理念的海绵城市建设模式正在逐步推广。
下凹式绿地是海绵城市建设中具体实施措施之一，其主要是通过下凹式绿地对径流雨水进行汇集、渗流、净化、补给，达到及时排涝，净化雨水和补给地下水源的目的。
国内外关于下凹式绿地的设计主要包括以下部分：蓄水层、覆盖层、改良层，排水层等。其中，改良层的设计对及时排涝以及雨水净化起到关键作用。传统改良层填料主要组分是黏土和砂。但是目前传统改良层填料主要有以下缺陷：
(1)目前针对下凹式绿地的净化作用研究多集中在有机物污染上，削减有机物污染行之有效，但对于路面径流雨水中的重金属污染的完全削减净化不能保障。
(2)传统改良层结构针对雨水净化短期内及时有效，但设计时较少考虑长期针对污染物的吸附效果，长期有效性不能保障。
(3)我国传统下凹式绿地改良层填料选材方面比较单一，应该选取满足国内道路雨水滞蓄净化需求及市场特点的综合效益较高的填料，对及时排涝、净化水质、补给水源以及全面应用推广等都具有重要意义。
技术实现要素：
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于道路雨水排涝净化的下凹式绿地改良层填料，该改良层填料具有良好的渗透性，能够净化路道路雨水径流中重金属污染，同时具有长效性，且填料组分经济适宜推广。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用一种用于道路雨水排涝净化的下凹式绿地改良层填料，所述的改良层填料按干重之比，包括以下组分：
黏土：砂：钢渣：腐植酸＝15～20:80～85:5～7:5～10
作为优选方案，所述的黏土为低液限黏土。
作为优选方案，所述的砂的粒径为0.25～2mm。
作为优选方案，所述的钢渣的粒径在1～2mm。
作为优选方案，所述的腐植酸中，腐植酸纯度>70％。
作为优选方案，所述的改良层中，腐植酸含量大于钢渣含量。
作为优选方案，所述的改良层按干重之比，包括以下组分：
黏土：砂：钢渣：腐植酸＝16:85:5:6。
有益效果：与现有下凹式绿地相比，本发明实施例具有以下有益效果：
1.本发明改良层渗透速率在10-4cm/s数量级，具有优良的渗透能力。另外，本发明实施例的改良层填料对道路雨水径流中重金属Pb，Cd，Zn具有良好的吸附性能。通过实验可以验证，经改良层填料处理后的道路雨水径流中重金属基本完全消除。
2.具有吸附长效性。该填料预计吸附约5～10倍的道路使用年限内(最大20年)累积道路雨水重金属量。
3.本发明实施例成本低廉，有利于废物利用，节能环保。本发明实施例的改良层填料的钢渣对重金属具有良好的吸附能力，且钢渣粒径较大，可有效提高改良层的渗透能力，同时为土壤提供肥力。另外，钢渣属工业废料，价格低廉，适宜推广。黏土、中粗砂，价格低廉，取材广泛。腐植酸对重金属具有一定吸附能力，同时为土壤提供肥力，与钢渣混合调和土壤碱性使得渗流雨水pH满足地表水排放标准。此外，腐植酸肥料价格低廉，取材广泛，适宜推广。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例的一种用于道路雨水排涝净化的下凹式绿地改良层填料，所述的改良层填料按干重之比，包括以下组分：
黏土：砂：钢渣：腐植酸＝15～20:80～85:5～7:5～10。
在上述实施例的改良层填料中，黏土为低液限黏土。砂的粒径为0.25～2mm。钢渣的粒径在1～2mm。腐植酸纯度>70％。
上述实施例的改良层填料具有良好的渗透性，能够净化路道路雨水径流，设计考虑长期性，排放雨水符合地表水环境标准，且填料组分经济适宜推广。本实施例的改良层填料中，钢渣和腐植酸均可提高土壤肥力。本填料中钢渣对重金属具有吸附作用，并以化学吸附和化学沉淀作用；腐植酸对重金属的吸附作用主要来源于腐植酸的螯合作用。
下面通过试验，来说明本发明实施例的改良层具有优良效果。
通过土柱试验对改良层填料的渗透能力、重金属吸附能力、渗流雨水pH值进行评定。其中，渗透速率通过达西定律计算可得；重金属浓度由Thermo iCE 3000系列原子吸收光谱仪测定；pH值由HORIBA PH METER D-54测试仪测定；渗流雨水pH参考《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)。吸附试验参照ASTM D4646-03规范。
试验材料
1.黏土
所用黏土产于南京，为低液限黏土。其主要的物理化学性质指标如表1所示。
表1试验用黏土的物理化学指标
2.中粗砂
所用砂经过筛后，粒径在0.25～2mm，为中粗砂。
3.钢渣
来源自某钢厂，主要成分为CaO(38％)、Fe2O3(28％)、SiO2(18％)、MgO(6％)、Al2O3(4％)等氧化物。粒径在1～2mm。
4.腐植酸
南京化学试剂股份有限公司生产，BR级别，粉末状。
试验标准
1.渗透性要求：当下凹式绿地渗透速率大于5.4×10-5cm/s时即可满足海绵城排水性能要求，但同时渗透速率不宜过大，需控制在0.001cm/s，否则易造成土壤沙化。
2.路面雨水重金属设计浓度，如表2所示：
表2土柱试验设计路面雨水重金属浓度
3.pH值
根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，排放雨水pH应在6-9。
试验对象
试验对象如表3所示，其中实例1为采用本发明技术方案，但是钢渣含量大于腐植酸含量，实例5采用本发明技术方案的改良层填料，且钢渣含量等于腐植酸含量，实例2、3、4、6、7采用本发明技术方案的改良层填料，且钢渣含量小于腐植酸含量。对比例1和对比例2为现有技术方案。
表3不同比例组分的填料土柱试验方案
试验过程
采用土柱试验，具体过程如下：
土柱由上往下依次为碎石层(3cm左右，避免倒入模拟雨水时引起上层土颗粒悬浮)，改良层(30cm)，土工布(避免改良层颗粒渗出淤堵下部碎石层)，碎石层(3cm左右)，钢丝网，排水管。设计土柱内径20cm，其中的改良层厚度为30cm，按压实度略大于90％对应含水率下进行拌合，砂土混合后湿密度2.2g/cm3左右，钢渣和腐殖酸其密度分别为1.33g/cm3、0.27g/cm3。
在填充模型柱过程中，采用分5层添加压实的方法，每次利用重锤压实至指定高度，并在下一层土倒入之前用土工刀将压实后的表面拉毛，依此类推最终填至30cm高。
土柱填充完成，加入事先配置好的污染液。污染液pH约为7.20。污染液中Pb、Cd、Zn的实际平均离子浓度分别为0.13mg/L、0.33mg/L、1.64mg/L(设计值为0.2mg/L、0.4mg/L、2.0mg/L)。将总共3L污染液倒入土柱表面，使土柱开始渗流饱和，至单位时间内下渗污染液体积不变时视为渗流稳定。测定每小时下渗液体积，同时进行pH值测定，且采集2份10mL渗滤液进行重金属浓度测定。
渗透速率通过达西定律计算可得；重金属浓度由Thermo iCE 3000系列原子吸收光谱仪测定；pH值由HORIBA PH METER D-54测试仪测定。
试验结果
如表4所示：
表4土柱试验结果汇总
从上述试验结果可以看出：本发明技术方案的改良层填料具有优良的渗透能力和重金属吸附能力，在重金属吸附能力上效果远远优于对比例。
实例1—实例7中，对重金属完全吸附，而对比例1和对比例2对重金属不能完全吸附。
实例1—实例7中以及对比例1和对比例2的渗透速率均能满足设计要求。
实例2、3、4、6、7处理后污染水pH值小于9，符合地表水排放标准。实例1和实例5处理后污染水pH值大于9，不符合地表水排放标准。作为优选，在填料中，腐植酸的比例略大于钢渣的比例才能使渗流雨水pH满足标准。
在具体工程实施过程中应因地制宜，针对道路污染程度和当地雨水强度可以选择不同的比例(要求腐植酸比例大于钢渣比例)。
另外，对本发明实施例的填料进行吸附试验，以验证设计填料考虑吸附长效性。
采用基础配比即黏土：砂：钢渣：腐植酸＝80:20:5:6进行吸附试验。并以黏土：砂＝80:20作对照组。吸附试验参照ASTM D4646-03规范进行，保持固液比1:20。
试验设计
根据《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)主干道红线宽度取最大值40m，最大使用年限20年。《城市道路绿化规划设计规范》种乔木的要求，绿化带宽度至少为1.5m，两侧总绿化带宽度3m以上。设地区年平均降水量1047.0mm，将适量放大，取1200mm。初步吸附层厚度设计为1m，密度约为2.2x103kg/m3，按20年内单位质量工
程土的总累积重金属吸附量为：
吸附试验设计采用固液比1:20，10g填料对应污染雨水200mL，根据上式得到污染雨水重金属浓度为：
Pb＝0.029×10×5＝1.45mg/L
Zn＝0.29×10×5＝14.5mg/L
Cd＝0.058×10×5＝2.90mg/L
考虑安全系数，将该浓度进行放大(约10倍进行试验)，如表5所示。
表5吸附试验设计路面雨水重金属浓度
试验结果
在设计浓度Pb＝15mg/L，Zn＝150mg/L，Cd＝30mg/L时，利用0.1mol/L的NaOH调节污染液pH使其满足某地区路面雨水径流调研结果7.1～7.3后，实际初始Pb＝5.97mg/L，Zn＝139.79mg/L，Cd＝29.53mg/L，按照ASTM D4646-03规范进行吸附试验操作，保持固液比1:20，结果如表6。
表6吸附试验前后浓度对比
吸附试验结果表明，基础配比(即黏土：砂：钢渣：腐植酸＝80:20:5:6)相比较于对照组(黏土：砂＝80:20)吸附效果优势显著，且对于设计浓度基本达到100％吸附，满足设计要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。