本发明涉及海绵城市雨水处理
技术领域：
，更具体地，涉及一种用于生物滞留设施的填料砖。
背景技术：
：生物滞留设施是一种新兴的低影响开发原位径流雨水控制设施，有很好的径流污染控制效果、径流体积削减成果和峰值流量控制效果且经济适用，可广泛应用于城市绿化。但由于径流水质、水量变化的随机性和复杂性，现有生物滞留设施对径流雨水中污染物的去除率波动范围较大，对径流中氮、磷的去除效果不甚理想，且填料土容易发生堵塞，渗滤效果下降，制约了该设施的使用时间，使用很短的时间就需要换土。亟需加强对填料的性能的研究，设计出渗滤效果好、不容易发生堵塞的生物滞留设施。技术实现要素：本发明为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种用于生物滞留设施的填料砖。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于生物滞留设施的填料砖，所述填料砖包括中空的上部设有开口的填料砖壳体、填充在所述填料砖壳体内的填料，所述填料砖壳体的底板为透水底板，所述填料含有如下组分：填料基质、亲水聚氨酯泡沫，所述填料基质由香蒲基质土壤与细砂混合而成。生物滞留池一般包括填料层，填料砖可以紧密排列放置于填料层中。本领域中，香蒲基质土壤一般为香蒲碎屑与土壤混合而成，一般将香蒲剪成长3cm×宽1cm的细条状，与土壤按重量比3:2混合均匀，该土壤的孔隙度一般为35％±5％；香蒲基质土壤与细砂混合作为填料基质时，香蒲基质土壤与细砂的重量比一般为2:1，本领域技术人员可以在此基础上进行合理地调整。香蒲基质土壤在生物滞留设施中使用时，具有脱氮除磷的能力。亲水聚氨酯泡沫一般为聚氨酯软泡，亲水聚氨酯泡沫的密度一般为25～45kg/m3，该亲水聚氨酯泡沫的孔径一般为1.0～100μm，亲水聚氨酯泡沫具有质轻、多孔、比表面积大、亲水性强和耐腐蚀的特点，具有良好的透水性，渗滤性能优良，有效提高填料的有效孔隙率，改善填料的渗滤性能，而且亲水聚氨酯泡沫有利于使填料层富氧，且亲水聚氨酯泡沫有利于微生物的粘附和生长，通过微生物的作用强化填料层的脱氮除磷能力，能有效降低雨水cod；将填料基质与聚氨酯泡沫的颗粒混合，然后填入填料砖壳体内得到填料砖，通过填料砖壳体的支撑作用，使得亲水聚氨酯泡沫能够充分伸展，防止由于压力导致亲水聚氨酯泡沫的颗粒的体积大幅压缩，从而有利于提高填料的有效孔隙率，增强渗滤能力，并有利于微生物的粘附和生长；填料砖壳体的上部设有开口，填料壳体的底板为透水底板，将填料砖置入填料层紧密排列时，上层填料砖的水能够渗透进入下层的填料砖。在填料基质中混合亲水聚氨酯泡沫，然后加入到填料砖壳体中，将得到的填料砖紧密排列在填料层中，有效提高填料层的有效孔隙率，从而改善填料层的渗滤性能，有效防止填料层堵塞，将提高生物滞留设施的雨水渗滤能力，降低生物滞留设施的堵塞概率，使生物滞留设施不容易发生堵塞，而且能够提高生物滞留设施脱氮除磷能力。优选地，所述生物滞留设施自上而下依次为植土层、第一透水土工布层、填料层和排水层，四周和底部设有土工布，所述填料层由填料砖紧密排列而成。在生物滞留设施的四周和底部铺设土工布，能够防止周围原土入侵，该土工布可以是透水土工布。雨水先是在最上层，经植土层的植物和土壤初步过滤、吸收之后，渗透到填料层，在填料层中进一步过滤、吸收，进入排水层。底部为透水土工布时，雨水进入排水层之后能够透过透水土工布排出。优选地，所述亲水聚氨酯泡沫的颗粒的体积为0.1～1.0cm3，所述亲水聚氨酯泡沫与所述填料基质的重量比为0.3％～1.2％。将亲水聚氨酯泡沫制成体积为0.1～1.0cm3的颗粒，亲水聚氨酯泡沫与土壤等材料能够充分混合均匀，颗粒体积过大不利于混合、均匀分散亲水聚氨酯泡沫；亲水聚氨酯泡沫与所述填料基质的重量比为0.3％～1.2％，使得生物滞留设施获得合适的渗滤速度，如果亲水聚氨酯泡沫用量过小，则有效孔隙率提高较少，防堵塞能力不够好，渗滤速度提高较少；如果亲水聚氨酯泡沫用量过大，则有效孔隙率过大，可能使雨水渗透速度过快而导致雨水中的污染物来不及被填料层吸附、分解。更优选地，所述亲水聚氨酯泡沫的颗粒的体积为0.4～0.8cm3，所述亲水聚氨酯泡沫与所述填料基质的重量比为0.6％～0.8％。通过控制亲水聚氨酯泡沫的体积和使用量，亲水聚氨酯泡沫的体积为0.4～0.8cm3，亲水聚氨酯泡沫与填料基质的重量比为0.6％～0.8％时，在保证生物滞留设施具有合适的有效孔隙率以及防堵塞能力的基础上，进一步获得更好的吸附、分解雨水污染物的能力。优选地，所述填料砖壳体的四周设有若干个开口。优选地，所述填料砖壳体的透水底板由如下按重量份计算的原料制备而成：粉煤灰40～45份，普通石子20～23份，钢渣15～18份，陶粒10～15份，水玻璃12～15份，石英砂10～12份。优选地，所述填料砖壳体的四周采用透水混凝土制成。填料砖壳体可以采用如下方法制备得到：s1.制备透水底板，将原料加水混合搅拌成泥料，泥料的含水率为15wt％～18wt％；将泥料干压成型得到具有透水底板形状的板坯，然后进行干燥，干燥的温度为105～108℃，板坯干燥后含水率小于等于6wt％；然后将板坯进行烧结，烧结的条件为：升温速率为3.5～4.0℃/min，升温至1025-1150℃并保温2.5～3.0h后降温，制备得到透水底板；s2.在透水底板上搭建模型，在模型内填充透水混凝土，干燥后得到填料砖壳体，该填料砖壳体的四周采用透水混凝土制备得到，该填料砖壳体的上部开口，透水底板被透水混凝土固定在底部。优选地，所述填料还含有铁粉，所述铁粉与所述填料基质的重量比为2％～4％。铁粉能够促进雨水中磷的去除，通过在填料中混合添加铁粉，使得生物滞留设施获得长期除磷的能力，从而进一步提高生物滞留设施除磷的能力。优选地，所述填料层的厚度为700～900mm。优选地，所述生物滞留设施还包括溢流管，所述溢流管的上端高出植土层10～100cm，所述溢流管的下端与市政管网连通。遭遇暴雨时，生物滞留设施来不及处理的雨水，则通过溢流管流入市政管网，避免生物滞留设施的植物被水淹没。优选地，所述植土层包括覆盖层和土壤层。植土层的覆盖层一般为树皮、树叶，覆盖层下是土壤层。生物滞留设施中的植物种植在土壤层，雨水进入生物滞留设施时，会被土壤和植物初步过滤、吸收，之后进入填料层进一步处理。优选地，所述植土层的厚度为100～200mm。优选地，所述排水层为砾石层。砾石的粒径一般为0.5～3.0cm，能够使填料层过滤后的雨水快速排走。优选地，所述排水层的厚度为200～300mm。所述土工布可以为透水土工布。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在香蒲基质土壤与细砂组成的填料基质中添加亲水聚氨酯泡沫得到填料，然后将填料加入到中空的填料砖壳体中得到填料砖，填料砖紧密排列置入填料层中，有效提高填料层的有效孔隙率，改善填料层的渗滤性能，有效防止填料层堵塞，将提高生物滞留设施的雨水渗滤能力，使生物滞留设施不容易发生堵塞；而且本专利所述亲水聚氨酯泡沫特有多的多孔结构，有利于植物根系的生长，在植物和多孔结构中微生物的协同作用下，将更有利于其对滞留设施中cod、n、p等污染物质的降解与吸收。附图说明图1为使用本发明的填料砖的生物滞留设施的示意图。图2为实施例使用的填料砖壳体的示意图。图3为实施例使用的填料砖壳体的仰视图。图中71为填料砖壳体的四周部分；图中72为填料砖壳体的透水底板。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。1.本发明中使用的香蒲基质土壤可以采用本领域中常用的方法制备而成。实施例中的香蒲基质土壤采用如下制备方法：将香蒲剪成长3cm×宽1cm的细条状，与土壤按重量比3:2混合均匀，该土壤的孔隙度为35％±5％。细砂采用市售的普通细砂。香蒲基质土壤和细砂的重量比为2:1，香蒲基质土壤和细砂混合组成填料基质。2.填料砖，实施例中填料砖采用的填料砖壳体为上部设有开口，底部为透水底板，往填料砖壳体内填充填料，即得到填料砖，填料由填料基质和亲水聚氨酯泡沫混合而成；填料砖壳体的制备：s1.制备透水底板，将原料加水混合搅拌成泥料，泥料的含水率为15wt％；将泥料放入干压成型机中干压成型得到具有透水底板形状的板坯，干压成型机的压力为28mpa，然后放入干燥箱中进行干燥，干燥的温度为108℃，板坯干燥后含水率为5wt％；然后将板坯进行烧结，烧结时以3.8℃/min的速度升温速至1130℃并保温3h后降至室温，制备得到透水底板；s2.在透水底板上搭建可拆模具，在模具内填充透水混凝土，透水混凝土中各成分的重量比为粗集料：水泥：增强纤维：水＝10:5:3:2，干燥固化后得到填料砖壳体，该填料砖壳体的四周采用透水混凝土制备得到，该填料砖壳体的上端敞开，四周密闭，透水底板被透水混凝土固定在底部，制备得到填料砖壳体，如图2所示。实施例中使用的填料砖的尺寸为长20cm×宽10cm×高5cm。3.亲水聚氨酯泡沫亲水聚氨酯可以通过市售得到，也可以通过如下方法制备得到：以下步骤中，在没作特别说明的条件下，控制原料温度为25℃，搅拌速度为1500rpm；s1.在25ml烧杯(1#)中将0.1g三乙醇胺溶解在0.2g去离子水和10g三羟基聚醚(分子量2000～4000)中；s2.在50ml烧杯(2#)中依次加入25g三羟基聚醚、10g甲苯二异氰酸酯和0.1g二月桂酸二丁基锡，搅拌均匀60s，可观察到有反应热放出；s3.然后在1#烧杯中加入0.1～0.2g硅油，搅拌均匀后倒入2#烧杯，搅拌均匀，当反应混合物变稠后，搅拌停止，迅速将混合物平稳地转移到发泡箱(自制:20cm×20cm×25cm)中；s4.在室温下放置10分钟后，将发泡箱置于烘箱中熟化；在此之前不能震动发泡箱，特别是泡沫上升过程中；泡沫放入在100℃的烘箱中熟化0.5h，得到亲水聚氨酯泡沫，切割成体积为0.1、0.4、0.8、1.0cm3的颗粒。使用上述方法制备的亲水聚氨酯泡沫的密度为25～45kg/m3，该亲水聚氨酯泡沫的孔径为1.0～100μm。4.使用本发明的填料砖的生物滞留设施的结构使用实施例1～11以及对比例1～3填料砖填充填料层，得到对应的生物滞留设施，各个实施例对应的生物滞留设施只有填料层存在差异，其他保持一致；生物滞留设施的结构如下：一种生物滞留设施，如图1所示，该生物滞留设施从下到上依次为植土层1、第一透水土工布2、填料层3和排水层4，该生物滞留设施的四周铺设防渗土工布5，该生物滞留设施的底部铺设透水土工布5，该生物滞留设施还包括溢流管6，溢流管6的上端61高出植土层20cm，溢流管6的下端62与市政管网连通；排水层4为砾石层4，砾石层4的厚度为250mm，砾石的粒径为0.5～3.0cm；填料层3的厚度为800mm，填料层采用填料砖紧密排列而成；植土层1包括覆盖层和土壤层，覆盖层为树皮、树叶，覆盖层下是土壤层，植物种植在土壤层，植土层的厚度为200mm。生物滞留设施的长为100m，宽为1.5m。5.测定有效孔隙率的方法有效孔隙率，是指多孔介质内相互连通的微小孔隙内的总体积与该多孔介质的外表面体积的比值。(1)试样制备阶段①体积密度试样：取尺寸为50mm左右的试样；②密度试样：选择1000g左右试样，将表面清扫干净，并粉碎到颗粒小于5mm，以四分法缩分到150g，再用瓷研钵研磨成粉末并通过200目标准筛，将粉样装入称量瓶中，放入(105±2)℃烘箱内干燥4h以上，取出稍冷后，放入干燥器内冷却到室温。(2)体积密度测定①将试样用刷子清扫干净放入(105±2)℃烘箱中干燥2h，取出，冷却到室温，称其质量(m0)，精确到0.02g；②将试样放入室温的蒸馏水中，浸泡48h后取出，用拧干的湿毛巾擦去表面水分，并立即称量质量(m1)，精确到0.02g；接着把试样挂在网篮中，将网篮与试样浸入室温的蒸馏水中，称量其在水中的质量(m2)，精确到0.02g。(3)密度测定称取试样三份，每份50g(m′0)，将试样分别装入洁净的密度瓶内，并倒入蒸馏水。倒入的蒸馏水不超过密度瓶体积的一半，将密度瓶放入蒸馏水中煮沸10～15分钟，使试样中气泡排除，或将密度瓶放在真空干燥器内排除气泡。气泡排除后，擦干密度瓶，冷却到室温，用蒸馏水装满至标记处，称量质量(m′2)。再将密度瓶冲洗干净，用蒸馏水装满至标记处，并称质量(m′1)，m′0、m′1、m′2，精确到0.002g。(4)实验分析与计算①体积密度：体积密度ρb(g/cm3)按下式计算：ρb＝ρw×m0/(m1-m2)式中m0——干燥试样在空气的质量，gm1——水饱和试样在空气中的质量，gm2——水饱和试样在水中的质量，gρw——试验时室温水的密度，g/cm3②密度ρt(g/cm3)按下式计算：ρt＝ρw×m0/(m1+m0-m2)式中m0——干粉试样在空气的质量，gm1——只装蒸馏水的密度瓶的质量，gm2——装粉样加水的密度瓶质量，gρw——试验时室温水的密度，g/cm3③孔隙率：根据测定所得的体积密度和密度，孔隙率ρa(％)按下式计算ρa＝(1-ρb/ρt)×100％式中ρb——试样的体积密度，g/cm3ρt——试样的密度，g/cm36.雨水处理效果的测定方法分别取地表雨水、生物滞留设施的排水层雨水，测定氨氮、总氮、总磷的含量，然后计算氨氮去除率、总氮去除率、总磷去除率；测定方法如表1所示。生物滞留设施建好30天后，下完雨后，进行测定。表1测定参数测定方法标准氨氮nh4+-n纳氏试剂分光光度法hj535-2009总氮tn过硫酸钾氧化gb11894-89总磷tp钼锑抗分光光度法gb11893-897.长期渗滤性能监测测试方法为：测试前，先往生物滞留设施中加水，水面不至于漫过溢流口，当生物滞留设施的渗滤速度稳定时，此时生物滞留设施处于饱和状态；然后取出一部分水，使生物滞留设施的覆盖层上的水深度为5cm，然后开始计时，记录生物滞留设施的覆盖层上的水消失的时间；时间越短，渗滤速度越快。通过监测渗滤速度随时间的变化，比较填料不同的生物滞留设施的防堵塞能力。为了减少水分蒸发对测试结果的影响，在测试时，生物滞留设施的上部采用薄膜覆盖。实施例1本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为0.1cm3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为0.3％。实施例2本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为0.1cm3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为0.6％。实施例3本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为0.1cm3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为1.2％。实施例4本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为0.4cm3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为0.6％。实施例5本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为0.4cm3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为0.8％。实施例6本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为0.8cm3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为0.3％。实施例7本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为0.8m3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为0.6％。实施例8本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为0.8cm3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为0.8％。实施例9本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为1.0cm3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为0.3％。实施例10本实施例的填料砖内的填料中，亲水聚氨酯泡沫颗粒的体积为1.0cm3，亲水聚氨酯泡沫颗粒与填料基质的重量比为1.2％。实施例11本实施例与实施例4的区别在于，填料砖内的填料还含有铁粉，铁粉与填料基质的重量比为3％。对比例1本对比例与实施例4的区别在于，不使用填料砖，使用不含有亲水聚氨酯泡沫的填料；对应的生物滞留设施为填料层3直接加入填料基质，不含有亲水聚氨酯泡沫。对比例2本对比例与实施例4的区别在于，填料砖内的填料只有填料基质，没有亲水聚氨酯泡沫。对比例3本对比例与实施例4的区别在于，不使用填料砖，使用含有亲水聚氨酯泡沫的填料；生物滞留设施的填料层3直接加入填料，不使用填料砖；在填料层中亲水聚氨酯泡沫由于压力存在会被挤压，故而测试有效孔隙率时，应当参考使用时的挤压程度进行适当夯实。性能测试：实施例1～11以及对比例1～3使用的填料的原料使用量如表2所示；实施例1～11以及对比例1～3使用的填料有效孔隙率和对应的生物滞留设施的性能测试如表3所示；实施例4和对比例1对应的生物滞留设施的长期渗滤性能监测如表4所示。表2表3表4测试序号测试时期实施例4对比例11初始0.7h2.0h2隔1周0.7h2.1h3隔1周0.8h2.4h4隔1周0.8h2.8h5隔1月1.0h3.5h6隔1月1.1h4.3h7隔1月1.1h4.9h8隔1月1.2h5.6h9隔1月1.3h6.0h10隔3月1.5h6.9h11隔3月1.8h7.4h根据表2和表3，与对比例1相比，本发明的实施例1～11的填料砖使用的填料明显具有更高的有效孔隙率，填料填充到填料砖壳体中得到填料砖，将获得具有良好渗滤性能填料砖。在生物滞留设施的填料层中紧密排列填料砖，使得填料层的渗滤性能获得改善，防止填料层堵塞，从而有效提高生物滞留设施的防堵塞能力。而且，在长期实验结果表明，如表4所示，实施例4对应的生物滞留设施在1年内都能保持良好的渗滤性能，而对比例1对应的生物滞留设施则在3个月后渗滤性能明显下降。对比例2的填料砖中使用的填料不含有亲水聚氨酯泡沫，对比例3对应的生物滞留设施则直接在填料层中加入填料，实施例4与对比例2和对比例3相比，实施例4具有更大的有效孔隙率，渗滤性能更好，将使得生物滞留设施具有更好的防堵塞能力。而且，本发明的实施例1～11对应的生物滞留设施还具有优良的处理雨水中氨氮、总氮、总磷的能力，实施例1～11对应的生物滞留设施处理雨水中氨氮、总氮、总磷的效果明显优于对比例1。其中，实施例4、5、7、8对应的生物滞留设施处理雨水中氨氮、总氮、总磷的效果优于其他实施例，同时，实施例4、5、7、8具有适中的孔隙率，保证了一定的渗滤性能和防堵塞能力。实施例11相对于实施例4，填料砖内的填料还添加有铁粉，能够赋予生物滞留设施长期除磷的能力。表3中，实施例11对应的生物滞留设施的除磷能力与实施例4对应的生物滞留设施相差不大，是因为，填料基质和亲水聚氨酯泡沫组成的填料制得的填料砖使得生物滞留设施本身具有优良的除磷能力，短期内，生物滞留设施还能保持优良的除磷能力。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。当前第1页12