专利名称：湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，对湖滨区污染区域产生的暴雨径流加以收集，将污染较为严重的初期暴雨径流与后期较轻污染的暴雨径流分离，采用四级人工湿地对收集的初期雨水进行净化处理。属于人工湿地污水处理的技术领域。
背景技术：
近年来，在城市湖滨区周围，频繁的人类活动和高强度的开发在给城市带来巨大的经济效益的同时也给湖泊的生态环境带来了负面效应。湖泊周边流域内产生的面源污染物质会随着暴雨径流而被直接带入水体，造成湖泊内氮、磷含量达到富营养化水平，并且富营养化程度会日益严重。由于夏季暴雨量很大，很难将所有的降雨都收集起来进行处理后再排入水体，湖滨区污染物含量80％以上都是被初期暴雨径流所携带。因此，只要将这部分初期暴雨径流截留并加以处理就能够减少污染物进入湖泊，从而能在一定程度上控制或减轻湖泊的富营养化水平。
目前，对于城市合流制管道收集系统而言，初期雨水的收集是通过雨水跳越式分流井来实现的，即初期小流量的降雨进入进水管临近排水井槽中，通过排水截留管进入市政污水管网；当管道内的雨量大到一定程度时，由于水跃现象雨水可以通过跳越过排水井槽而进入雨水井槽中，从而实现初期雨水和后期雨水的分流。但是，这种雨水跳越式分流井的缺点在于不能够选择性地根据降雨时段来分离初期雨水径流和后期雨水径流，而只是根据不同时段雨水管道中的流量大小来实现雨水分流。这样的结果有可能导致部分初期雨水进入分流雨水管道而直排入水体造成污染，部分后期雨水则有可能进入分流污水管道增加污水管网的负荷。
对于初期暴雨径流，国内外普遍采用投资少、运行费用低、管理简便的人工湿地技术来处理。人工湿地是在一定长宽比及底面坡降的洼地中，按照一定的坡度填充砾石(具有一定的级配)或者生态土壤，并在表层土壤中种植一些处理性能良好、生长周期长、美观和具有经济价值的水生植物，构成一个人为强化的湿地生态系统。湿地系统大体可以分为自由表面流湿地、潜流型湿地和垂直流湿地三种类型。但是，传统的人工湿地技术处理初期暴雨径流存在组合单一、对氮磷的去除效率不高等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对污染较为严重的初期暴雨径流，提供一种行之有效的湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，能够收集污染区域产生的暴雨径流，将污染较为严重的初期雨水径流和较为洁净的后期雨水径流有效分离，并能去除初期雨水径流中的悬浮物、有机物、以及氮磷污染物。
为实现这样的目的，本发明在雨水截留沟中敷设雨水集流管和填充生态砾石，雨水集流管汇集的雨水进入雨水分流井，通过管径与标高均相同的进水管与分流管，将污染较为严重的初期暴雨分离送入雨水调节池内，雨水调节池的底部敷设小口径布水管，将初期暴雨缓冲成小流量通过人工湿地进水井进入人工湿地进行分级生态净化，处理达标后的雨水再经人工湿地出水井中的出水管排放到湖泊水体，整个四级人工湿地的上部敷设土壤种植与周围生态景观相协调的生态草坪。
本发明的集成系统具体结构为在湖滨区污染下游设置雨水截留沟进行雨水收集，雨水截留沟中敷设雨水集流管，集流管外部填充生态砾石，雨水集流管下部两侧等间距地开设进水孔，可使截留沟内的雨水进入集流管，截留沟内填充的砾石可起过滤作用，防止雨水径流中夹带的泥沙进入雨水集流管而引起淤积。
本发明采用雨水分流井和雨水调节池将初期雨水与后期雨水相分离。雨水截留沟内的雨水集流管汇集连接到一个雨水分流井的进水管，雨水分流井的另一侧则布置分流管，进水管与分流管的管径与标高均相同，雨水分流井通过边侧底部的雨水调节池进水孔与雨水调节池相连，雨水调节池进水孔的尺寸与进水管相同，雨水调节池进水孔的孔顶标高与进水管的管底标高相同。雨水调节池的底部敷设一根小口径布水管连接到人工湿地进水井，人工湿地进水井的布水墙连通依次布置的四级人工湿地，第四级人工湿地连通人工湿地出水井，人工湿地出水井的出水管连通湖泊水体。整个四级人工湿地的上部敷设通气性土壤，种植与周边生态环境相协调的生态草坪。
本发明针对初期雨水处理设计的四级人工湿地依次为第一级粗粒径砾石人工湿地，第二级人工沸石湿地，第三级功能填料人工湿地以及第四级小粒径砾石人工湿地。
湖滨污染区域的初期暴雨径流流入雨水截留沟，经沟内的大粒径填充砾石过滤截留住雨水径流中的泥沙后，通过雨水集流管上开设的进水孔进入雨水集流管。雨水集流管汇集的雨水经进水管输送至雨水分流井，再经雨水分流井与雨水调节池底部的进水孔流入雨水调节池，然后再通过底部一个小口径布水管进入人工湿地处理系统。雨水调节池的容积可根据当地的暴雨强度计算公式和污染区面积以及初期降雨历时20分钟计算而得，调节池内的最高水位设置为进水管的管顶标高。雨水调节池用于存储前期降雨20分钟的暴雨径流量，超过这部分容积的后期洁净雨水进入分流井后会造成水位上升，水位超过分流管管底标高后就会通过分流管直接排入湖泊水体。
雨水调节池底部的小口径布水管将雨水调节池内存储的前20分钟暴雨径流缓冲成为更长时段(12小时或24小时)的小流量后进入后续的强化生态湿地，这样可以减小人工湿地处理系统的规模。
针对传统的人工湿地技术组合单一、对氮磷的去除效率不高的缺点，本发明采用四级人工湿地系统来提高系统对氮磷的处理效率。
雨水调节池收集的雨水通过小口径的管道重力流至处理系统的进水井。从进水井流出的水通过布水墙进入人工湿地，人工湿地第一级填充生态砾石，砾石粒径为15～30cm，利用砾石间空隙的物理截留作用以及其上附着的生物膜去除雨水径流中的悬浮物和有机物。同时，可以将污水中的部分有机氮转化成为氨氮。
在生态砾石段之后，采用人工沸石作为湿地填料，利用人工沸石选择性吸附NH4+-N的功能，强化氨氮的去除，人工沸石的粒径为10～15cm。根据人工沸石对NH4+-N的最大吸附量计算出沸石的吸附饱和周期，定期更换，以保持整个系统对NH4+-N的去除率。
此外，在沸石填料之后，湿地系统中还装填了除磷功能填料，利用功能填料对磷的吸附作用，强化磷的去除。功能填料形状为高5cm，直径3.5cm的圆柱形，分装于不易腐烂的、能透水的尼龙袋中。功能填料对磷的最大吸附量为4mg·g-1，与炉渣相比，吸附量提高了16倍。根据功能填料对磷的最大吸附量计算出吸附饱和周期，进行填料定期更换，保持整个系统对磷的去除率。
为防止功能填料出水中夹带有细微的悬浮性物质影响出水水质，在功能填料后又增设了粒径为5cm的生态砾石层，用于截留功能填料中溶出的细小悬浮性物质。砾石层出水通过布水墙进入出水井后排放入水体。
最后，在湿地处理系统的上部覆盖20mm的通气性土壤，表面种植草坪，与周围生态景观协调一致。
本发明的集成系统具有如下优点1.以生态的方式，在不影响环境景观的前提下收集污染区域的暴雨径流；2.以雨水分流井的形式，通过与雨水调节池相结合，实现了污染严重的初期暴雨径流与较为洁净的后期暴雨径流的有效分离，既能够防止污染雨水对受纳湖泊水体的污染，又能够最大程度地减小处理系统的规模；3.采用“粗砾石—沸石—功能填料—细砾石”四级人工湿地系统，能够实现对悬浮物、有机物、氮、磷、含磷悬浮颗粒的分级去除；与传统湿地系统相比，能够有效地提高对氮、磷的去除效果；更换填料方便，管理简单，能够有效地应用于湖滨区富含有机物和氮磷的初期暴雨径流的净化。
图1为本发明中雨水截留沟的结构剖面图。
图1中，1为填充砾石，2为雨水集流管。
图2为雨水集流管开孔位置示意图。
图2中，2为雨水集流管，3为进水孔。
图3为本发明中雨水分流井与初期雨水调节池的结构平面图。
图3中，4为雨水分流井，5为分流井进水管，6为分流井分流管，8为雨水调节池，9为人工湿地进水管。
图4为本发明中雨水分流井与初期雨水调节池的结构剖面图。
图4中，4为雨水分流井，6为分流井分流管，7为雨水调节池进水孔，8为雨水调节池，9为小口径布水管。
图5为初期雨水处理用人工湿地系统的剖面图。
图5中，9为小口径布水管，10为人工湿地进水井，11为第一级粗粒径砾石人工湿地，12为第二级人工沸石人工湿地，13为第三级功能填料人工湿地，14为第四级小粒径砾石人工湿地，15为草坪，16为人工湿地出水井，17为人工湿地出水管。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的工作原理和实施方式。
本发明在湖滨区污染下游设置雨水截留沟进行雨水收集，雨水截留沟的结构如图1所示，雨水截留沟中敷设雨水集流管2，集流管2外部填充生态砾石1，雨水集流管2下部两侧等间距的开设进水孔。
雨水集流管开设进水孔的位置如图2所示，雨水集流管2下部两侧距管中心45°位置开设两个进水孔3，可使截留沟内的雨水进入集流管2，由于砾石1的过滤作用可防止雨水径流中夹带的泥沙进入雨水集流管2而引起淤积。
本发明中的雨水分流井与雨水调节池的结构如图3、图4所示，可将初期雨水与后期雨水相分离。雨水截留沟内的雨水集流管2连接到一个方形的雨水分流井4，雨水分流井4的一侧与雨水调节池8相连，另一侧则连通分流管6，进水管5与分流管6的管径与标高均相同，雨水分流井4与雨水调节池8相连一侧开设与进水管5尺寸相同的圆孔洞作为雨水调节池进水孔7，雨水调节池进水孔7的孔顶标高与进水管5管底标高相同。在雨水调节池8的底部敷设一根小口径布水管9作为人工湿地进水管，将雨水调节池8内存储的前20分钟暴雨径流缓冲成为更长时段(12小时或24小时)的小流量后进入后续的强化生态湿地处理系统，这样可以减小处理系统的规模。
本发明针对初期雨水处理设计的四级人工湿地的结构如图5所示，小口径布水管9连接到人工湿地进水井10，人工湿地进水井10的布水墙连通依次布置的第一级粗粒径砾石人工湿地11，第二级人工沸石人工湿地12，第三级功能填料人工湿地13以及第四级小粒径砾石人工湿地14，第四级小粒径砾石人工湿地14连通出水井16，出水井16设置人工湿地出水管17连通湖泊水体。在整个四级人工湿地的上部敷设通气性土壤，种植生态草坪15，与周边生态环境相协调。
湖滨污染区域的初期暴雨径流流入雨水截留沟，经沟内的大粒径填充砾石1过滤截留住雨水径流中的泥沙后，通过雨水集流管2上开设的进水孔3进入雨水集流管2。整个收集系统采用地下沟渠形式，不至于影响周围景观。
雨水集流管2汇集连通雨水分流井进水管5，由雨水分流井进水管5将收集的雨水输送至雨水分流井4，初期雨水经过分流井4与雨水调节池8底部的进水孔7流入雨水调节池8，然后再通过底部一个小口径布水管9进入人工湿地处理系统。初期暴雨径流进入雨水调节池8后，雨水调节池8中的水位逐渐升高，当水位升高至设计水量时，即水位升高至雨水调节池进水孔7的孔顶(即分流井进水管5及分流井分流管6的管底)标高时，后期进入的雨水就会通过雨水分流井分流管6直排入湖泊水体。
雨水调节池8内收集的初期雨水通过小口径布水管9进入人工湿地进水井10，通过人工湿地进水井10的布水墙均匀进入第一级粗粒径生态砾石人工湿地11、第一级粗粒径生态砾石人工湿地11能够有效去除进水中的悬浮物和有机物，而且砾石上生长的生物膜可以去除一部分氮、磷。同时，进水中的部分有机氮可以在生态砾石人工湿地中转化为氨氮，使氨氮浓度上升，有利于第二级人工沸石的吸附作用。
第一级粗粒径生态砾石人工湿地11的出水推流式进入第二级人工沸石湿地12。人工沸石具有对氨氮的选择性吸附的功能，在较短的时间内通过吸附作用可以使进水的氨氮迅速下降。但是，人工沸石经过一段时间后，吸附量会达到饱和。本发明根据人工沸石的最大饱和量计算出更换周期和所需用量，将人工沸石预先装入不易腐烂的、能透水的尼龙袋，再放入第二级湿地中。根据更换周期，定期更换饱和的人工沸石，操作简单，可以长期保证人工湿地氨氮去除率。
第二级人工沸石湿地12的出水进入第三级功能填料人工湿地13。本发明采用功能填料，通过化学和物理吸附将湖滨区的初期暴雨径流中含有的磷吸附。与直接以炉渣为填料的常规湿地相比，在相同的停留时间、进水水质相似的条件下，功能填料湿地对磷的去除率显著提高，并且出水的pH在7～8之间，不需对pH进行调整即可达标排放。同时，根据功能填料的最大饱和量计算出更换周期和所需用量，将功能填料分装入不易腐烂的、能透水的尼龙袋，再放入第三级湿地中。当功能填料达到吸附饱和后更换填料，通过这样的方式可以长期保证人工湿地对磷的去除效率。
雨水流经第三级功能填料人工湿地13时，出水中会夹带一些细小的含磷悬浮颗粒，这些颗粒直接影响出水的水质。为此，设置了第四级小粒径生态砾石人工湿地，用于截留这些悬浮颗粒，以确保出水水质的全面达标。
本发明的一个具体实施例如下根据湖滨区地形布置1％坡度的雨水收集分流及生态净化集成系统收集1.86公顷污染区域的暴雨径流，不需能耗，在重力作用下将暴雨径流截留于雨水截留沟内的雨水集流管2内，再汇入雨水分流井4。雨水集流管2每隔200mm间距在下部两侧距管中心45°位置开设直径为25mm的进水孔，雨水集流管2外部的截留沟内填充粒径30～50mm的砾石。
雨水分流井4的长宽高为1.0m*1.0m*1.2m，雨水调节池8的长宽高为60.0m*5.0m*1.0m，有效容积150m3，用于存储污染区域的初期20分钟暴雨径流。
小口径布水管9采用1根DN50的管道，将雨水调节池8内的初期雨水引入人工湿地进水井10，通过布水墙，污水以推流的方式均匀进入长宽高为10m*5.0m*1.0m的第一级生态砾石人工湿地11，停留时间为1小时。
第二级人工沸石湿地12的长宽高为5.0m*5.0m*1.0m，污水停留时间为30分钟。沸石可以采用钠型沸石，更换周期为520天。
第三级功能填料人工湿地13的长宽高为5m*5.0m*1.0m，污水停留时间为30分钟。功能填料的主要成份为粉煤灰与水泥，更换周期为325天。
第四级小粒径砾石人工湿地14的长宽高为3.0m*5.0m*1.0m，污水停留时间为18分钟。
第四级小粒径砾石人工湿地14的出水进入人工湿地出水井16中，再通过人工湿地出水管17排入湖泊水体中。
在系统试运行的1年5个月期间，对暴雨径流期间湿地系统的进出水水质进行了检测分析，发现系统对悬浮物、有机物、总氮和总磷的平均去除率分别为92％、68％、56％和64％，达到了强化湿地系统对氮磷的去除效果。
权利要求
1.一种湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，其特征在于在雨水截留沟中敷设雨水集流管(2)，集流管(2)外部填充生态砾石(1)，雨水集流管(2)下部两侧等间距的开设进水孔(3)，雨水集流管(2)汇集连接到雨水分流井(4)一侧的进水管(5)，雨水分流井(4)的另一侧布置分流管(6)，进水管(5)与分流管(6)的管径与标高均相同，雨水分流井(4)通过边侧底部的雨水调节池进水孔(7)与雨水调节池(8)相连，雨水调节池进水孔(7)的尺寸与进水管(5)相同，雨水调节池进水孔(7)的孔顶标高与进水管(5)的管底标高相同，雨水调节池(8)的底部敷设一根小口径布水管(9)连接到人工湿地进水井(10)，人工湿地进水井(10)的布水墙连通依次布置的第一级粗粒径砾石人工湿地(11)，第二级人工沸石人工湿地(12)，第三级功能填料人工湿地(13)以及第四级小粒径砾石人工湿地(14)，第四级小粒径砾石人工湿地(14)连通人工湿地出水井(16)，人工湿地出水井(16)设置人工湿地出水管(17)连通湖泊水体，整个四级人工湿地的上部敷设通气性土壤，种植生态草坪(15)。
2.根据权利要求1的湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，其特征在于所述进水孔(3)直径为25mm，每隔200mm间距开设在雨水集流管(2)下部两侧距管中心45°位置。
3.根据权利要求1的湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，其特征在于所述集流管(2)外部填充的生态砾石(1)的粒径为30～50mm。
4.根据权利要求1的湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，其特征在于所述雨水分流井(4)的长宽高为1.0m*1.0m*1.2m。
5.根据权利要求1的湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，其特征在于所述雨水调节池(8)的长宽高为60.0m*5.0m*1.0m，有效容积150m3。
6.根据权利要求1的湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，其特征在于所述第一级生态砾石人工湿地(11)的长宽高为10m*5.0m*1.0m，砾石粒径为15～30cm。
7.根据权利要求1的湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，其特征在于所述第二级人工沸石湿地(12)的长宽高为5.0m*5.0m*1.0m，人工沸石采用钠型沸石，粒径为10～15cm，分装于能透水的尼龙袋中。
8.根据权利要求1的湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，其特征在于所述第三级功能填料人工湿地(13)的长宽高为5m*5.0m*1.0m，采用的功能填料形状为高5cm，直径3.5cm的圆柱形，分装于能透水的尼龙袋中。
9.根据权利要求1的湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，其特征在于所述第四级小粒径砾石人工湿地(14)的长宽高为3.0m*5.0m*1.0m，砾石的粒径为5cm。
全文摘要
一种湖滨区初期雨水收集、分流及生态净化集成系统，在雨水截留沟中敷设雨水集流管和填充生态砾石，雨水集流管汇集的雨水进入雨水分流井，通过管径与标高均相同的进水管与分流管，将污染较为严重的初期暴雨分离并送入雨水调节池内，调节池底部敷设小口径布水管将初期暴雨缓冲成小流量，进入“粗砾石—沸石—功能填料—细砾石”四级人工湿地进行分级生态净化，处理达标后的雨水再排放到湖泊水体，整个人工湿地上部敷设土壤种植与周围生态景观相协调的生态草坪。本发明能在不影响生态景观的前提下收集暴雨径流并将污染较为严重的初期暴雨有效分离净化，既能够防止污染雨水对受纳湖泊水体的污染，又能够最大程度地减小处理系统的规模。
文档编号C02F1/52GK1635227SQ20051002329
公开日2005年7月6日 申请日期2005年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者何圣兵, 严立, 吴德意, 孔海南 申请人:上海交通大学