一种净化雨水径流的人工快渗系统的制作方法

本实用新型属于污水处理设备技术领域，具体涉及一种净化雨水径流的人工快渗系统。

背景技术：

水体中的污染物类型主要包括无机污染物(如各种氢氰酸、氰化钾、硫酸、硝酸等)、致病微生物(如各种病菌、病毒和寄生虫等)、植物营养素(如硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐和磷酸盐等)、耗氧污染物(如碳水化合物、蛋白质、油脂、木质素、纤维素等)和重金属离子(如镉、铬、铅、砷、汞等)五大类。其中，通过自然源和人为源进入水环境系统的重金属离子，具有毒性、难以降解、易于累积等特征，在导致环境质量恶化的同时，可直接或间接对人类健康造成严重威胁。因此，重金属污染问题一直是人们关注的热点。

随着城市化进程的加快，工业区、商业区和居民区的规模不断增大，不透水面积的增加使得雨水渗入量大减，径流总量相应增大，引起的城市雨水径流污染问题也日趋严重。重金属是城市雨水径流污染中最典型的污染物之一，其主要来源是：通过机动车废气、工业烟尘、燃料燃烧、风沙扬尘等途径进入大气的重金属，通过干、湿沉降进入地表，其中湿沉降主要以降雨的形式携带重金属进入受纳水体，而干沉降累积的重金属在降雨淋溶、冲刷作用下进入雨水径流中。雨水径流污染具有一定的随机性和突发性，污染范围广，雨水中重金属含量的高低受污染源排放、季节、降雨量、降雨时间间隔、风力风向等因素的影响较大，不同地区雨水径流中重金属的含量存在较大差异，最终将不同程度的加剧城市水体的重金属污染，还可能通过污染转移而引发土壤重金属污染。由此可见，对雨水径流中的重金属进行控制，是有效缓解地表环境水体的重金属污染问题的重要途径。

针对雨水径流重金属污染问题，目前研究较多的有土壤渗滤、雨水花园、绿色屋顶、生态树池、可渗透路面、绿地缓冲带等技术，其中土壤渗滤技术对雨水径流污染物的削减作用十分显著，是最具经济效益的雨水径流控制方法之一。但是，土壤渗滤系统往往存在占地面积大、水力负荷低、容易堵塞等问题，在用地日益紧张的城区，该技术的应用和推广难度较大。而人工快渗技术是近年来开发的一种新型污水处理技术，它采用渗透性能良好的天然或人工介质作为主要渗滤材料代替土壤，克服了传统土壤渗滤技术的缺点，为有效控制雨水径流污染提供了可能。然而，现有关于人工快渗技术的研究，多数集中在其对有机物、氨氮、硝态氮、总磷、阴离子表面活性剂、悬浮物等污染物的控制上，填料的选择也多是以去除上述污染物为出发点，对重金属污染控制的研究涉及较少。因此，探寻具有良好的重金属净化效果的人工快渗填料，通过优化填料结构来促进人工快渗池对重金属的过滤性能、吸附性能及微生物代谢性能，在降解水体常见污染物的同时减少重金属的含量，既可以丰富和发展人工快渗技术的应用领域，又能为城市雨水径流重金属污染控制提供新的选择。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种结构简单、可有效控制雨水径流重金属污染的净化雨水径流的人工快渗系统。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种净化雨水径流的人工快渗系统，包括快渗池本体，以及快渗池本体内从上至下依次设置的进水区、截留区、填料区以及排水区，所述截留区内填充有填料一，填料区内填充有填料二，排水区内填充有填料三，其中，填料二包括均匀混合的基础填料和生物炭填料，所述基础填料包括均匀混合的天然河砂、沸石砂以及大理石砂，所述生物炭填料包括均匀混合的改性玉米芯生物炭、改性羊粪生物炭以及改性猪粪生物炭。

优选地，所述填料一包括陶粒，所述陶粒粒径为0.5～3.5mm。

优选地，所述填料三包括石英砂，所述石英砂粒径为0.5～1.5mm。

优选地，所述截留区与填料区之间设置有滤网一，填料区与排水区之间设置有滤网二。

优选地，所述天然河砂、沸石砂、大理石砂的粒径分别为0.2～0.8mm、0.3～1.5mm、0.5～1.5mm。

优选地，所述基础填料和生物炭填料的体积比为(1～4)：1。

优选地，所述天然河砂、沸石砂、大理石砂的体积比为(4～8)：(1～5)：1。

优选地，所述改性玉米芯生物炭、改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭按照体积比(6～8)：(1～3)：1。

优选地，所述进水区、截留区、填料区、排水区占人工快渗系统总体积的体积分数分别为20％～40％、5％～10％、50％～70％、5％～10％。

本实用新型提供的进化雨水径流的人工快渗系统具有以下有益效果：

1、采用天然河砂、沸石砂、大理石砂作为基础填料，可使人工快渗池具有良好的渗透性能，减缓堵塞；

2、采用改性玉米芯生物炭、改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭作为生物炭填料，由于改性生物炭具有巨大的比表面积和发达的孔隙结构，对雨水径流中的重金属离子表现出优良的吸附性能；

3、采用玉米芯、羊粪、猪粪等制备生物炭，可实现废弃动植物生物质材料的资源化利用；

4、通过干湿交替运行，可在人工快渗池内实现好氧、缺氧、厌氧等多种状态，为不同类型的微生物提供丰富的生态位，有利于脱氮除磷。

5、综合来看，本实用新型填料结构简单，占地面积小，建设和运行成本低，二次污染小。在实现对雨水径流中重金属污染的有效控制的同时，对氮、磷、有机污染物等也有一定的去除效果。

附图说明

图1是本实用新型净化雨水径流的人工快渗系统；

图2是本实用新型改性玉米芯生物炭的扫描电镜图；

图3是本实用新型改性羊粪生物炭的扫描电镜图；

图4是本实用新型改性猪粪生物炭的扫描电镜图。

附图标记说明：1、进水区；2、截留区；3、填料区；4、排水区；5、滤网一；6、滤网二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明：

如图1所示，本实用新型的净化雨水的人工快渗系统，包括快渗池本体，以及快渗池本体内从上至下依次设置的进水区1、截留区2、填料区3以及排水区4，截留区2内填充有填料一，填料区3内填充有填料二，排水区4内填充有填料三。

在本实施例中，进水区1、截留区2、填料区3、排水区4占人工快渗系统总体积的体积分数为30％、5％、60％、5％。

填料一包括陶粒，陶粒粒径为0.5～3.5mm。截留区2的作用是去除雨水中较大的悬浮物，防止快渗池堵塞，需要定期对该层进行清理。

填料二包括基础填料和生物炭填料按照体积比1：1均匀混合而成。其中，基础填料采用天然河砂、沸石砂、大理石砂按照体积比6：3：1均匀混合而成，天然河砂、沸石砂、大理石砂粒径分别为0.2～0.8mm、0.3～1.5mm、0.5～1.5mm。采用天然河砂、沸石砂、大理石砂作为基础填料，可使人工快渗池具有良好的渗透性能，减缓堵塞。生物炭填料则采用改性玉米芯生物炭、改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭按照体积比7：2：1均匀混合而成。采用改性玉米芯生物炭、改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭作为生物炭填料，对雨水径流中的重金属离子表现出良好的吸附性能，同时可实现废弃动植物生物质材料的资源化利用。

需要说明的是，前述进水区1、截留区2、填料区3、排水区4的体积分数，基础填料和生物炭的体积比，以及天然河砂、沸石砂、大理石砂，改性玉米芯生物炭、改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭的体积比，均为本发明人经过长期大量实验而获得，为优选值，此外，经本发明人大量实验对比，发现当基础填料和生物炭填料的体积比为(1～4)：1，天然河砂、沸石砂、大理石砂的体积比为(4～8)：(1～5)：1，改性玉米芯生物炭、改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭按照体积比(6～8)：(1～3)：1，进水区1、截留区2、填料区3、排水区4占人工快渗系统总体积的体积分数分别为20％～40％、5％～10％、50％～70％、5％～10％，对净化雨水径流均有更加良好的效果，但前述所有相应的体积比不限于本实施例的优选范围，可以根据实际所处理的污水指标以及处理量进行相应的改变。

如图2-4所示，分别为本实用新型中的改性玉米芯生物炭、改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭的扫描电镜图。改性玉米芯生物炭以废弃玉米芯为原材料制成，本发明人采用的改性方法为：将废弃玉米芯洗净烘干后粉碎过80目筛，取适量于坩埚，盖好放入马弗炉中，在缺氧条件下以23℃/min的升温梯度加热至600℃后恒温180min。冷却至室温后过100目筛，用去离子水清洗，滤后于105℃烘干。称取适量烘干后的玉米芯生物炭到250mL锥形瓶中，以10mL酸/1g生物炭的比例加入1mol/L盐酸，在超声波发生器中以560W功率对其改性60min。结束后用去离子水洗至中性，滤后于105℃烘干，即制得改性玉米芯生物炭。

改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭分别以废弃羊粪和猪粪为原材料制成，本发明人采用的方法为：将废弃羊粪和猪粪风干并拣出石粒、树枝等杂质，捣碎后分别过60目筛，装于坩埚中盖好，放入马弗炉中，密闭条件下以10℃/min的升温梯度加热至700℃后恒温150min。冷却至室温再研磨过80目筛，用去离子水清洗，滤后于105℃烘干。分别取适量羊粪生物炭和猪粪生物炭到250mL锥形瓶中，每20mL硫酸溶液(体积分数为10％)中投加1g生物炭，在功率为200W的超声波下改性90min。结束后，用去离子水反复清洗至中性，滤后于105℃烘干，即制得改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭。

需要说明的是，上述方法的目的是为了得到改性的玉米芯生物炭、羊粪生物炭以及猪粪生物炭，但不限于通过上述方法来获得，也可以采用其他方法或参数制取。当然，生物炭填料还可以包括其他动物废弃粪便制取的相应改性生物炭。在经过本发明人长期大量的实验探索后，发现由改性玉米芯生物炭、改性羊粪生物炭和改性猪粪生物炭组成的生物炭原料具有更好的吸附能力。

基础填料和生物炭填料都可以作为微生物的载体，吸附截留在填料颗粒表面的污染物作为营养源被微生物生长代谢消耗，进而加速污染物的降解和转化。相比基础填料，生物炭填料具有巨大的比表面积和发达的孔隙结构，如：本实用新型所制备的改性玉米芯生物炭的比表面积为106.93m²/g、总孔容为0.103cm³/g，改性羊粪生物炭的比表面积为67.55m²/g、总孔容为0.105cm³/g，改性猪粪生物炭的比表面积为46.25m²/g、总孔容为0.093cm³/g，它们不仅有利于微生物的附着生长，对重金属更是表现出优良的吸附性能。

填料三包括石英砂，石英砂粒径为0.5～1.5mm。排水区4不仅起到承托和集水作用，还可以进一步过滤水质，使出水更加清澈。

为防止填料一、填料二以及填料三流出至其他区域，在截留区2与填料区3之间设置有滤网一5，填料区3与排水区4之间设置有滤网二6。

以下通过具体的实验例对本实用新型的结构和原理进行进一步的详细说明，以进一步展示本实用新型的优点：

采用人工合成雨水作为本实用新型的进水，根据实测和相关参考文献，选取城市道路雨水径流中主要重金属的浓度均值作为合成参考值，Cu、Pb、Zn、Cd的浓度分别为200μg/L、100μg/L、1500μg/L、50μg/L，其他污染物含量如下：SS、COD、NH₃-N、TN、TP浓度分别为2100mg/L、580mg/L、3.5mg/L、10.6mg/L、2.0mg/L，调节pH为6.8～7.5。

本实用新型的运行参数如下：水力负荷为1m/d，水力负荷周期为12h，湿干比(淹水与落干时间之比)为1：2，循环运行。

监测方法：Cu、Pb、Zn、Cd等重金属的浓度采用原子吸收分光光度法测定，SS采用重量法测定，COD采用重铬酸钾法测定，NH₃-N采用纳氏试剂比色法测定，TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，TP采用钼锑抗分光光度法测定。

监测结果表明，该人工快渗池对雨水径流的水质净化效果为：主要重金属Cu、Pb、Zn、Cd的出水浓度分别为5～10μg/L、1～4μg/L、65～120μg/L、1～2μg/L，平均去除率分别为96.3％、97.6％、94.2％、96.6％；其他污染物SS、COD、NH₃-N、TN、TP的平均去除率分别为93.5％、85.8％、87.5％、41.3％、55.4％。由此可见，本实用新型在有效控制雨水径流重金属污染的同时，对SS、COD、NH₃-N也有着较好的去除效果，对TN、TP浓度则起到了一定的削减作用，是一种符合低影响开发理念的减小雨水径流对地表环境水体污染的环保技术。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。