一种基于“量质效应”分区处理雨水的改良型生物滞留池

本发明涉及基于“量质效应”分区处理雨水的改良型生物滞留池，属于雨水处理的。

背景技术：

1、作为海绵城市改造建设的内容之一，生物滞留池将雨水收集处理后排放，具有净化雨水和控制溢流，实现渗滤、蓄和排水等功能。能缓解雨水径流污染等引发的水环境问题，同时推动解决城市内涝、黑臭水体治理等问题，有效控制城市面源污染。例如，已公开文献cn210065316u(具有渗、滞、蓄、净、用、排功能的生物滞留池)，包括：池本体，内设有土壤层和砾石层，池本体上设有出水口，砾石层位于土壤层的下方，出水口位于砾石层的下方；储水槽，在竖直方向上储水槽的内顶面的高度小于等于砾石层上表面的高度，储水槽与池本体构成u型连通器，砾石层具有厌氧状态和好氧状态且厌氧状态和好氧状态交替出现以去除水中的氮元素；引水件，一端设在土壤层内且另一端设在储水槽内以将储水槽内的水引导至土壤层内。

2、但此类生物滞留池对对不同雨量雨质无差别、单一化处理会导致处理效果不稳定等缺陷。同时，对于不同情况下雨水径流的管理没有详细的应对方式，导致设施成本和维护成本高，且有些情况下处理效果不能达到预计目标。

技术实现思路

1、为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种基于“量质效应”分区处理雨水的改良型生物滞留池，其具体技术方案如下：

2、一种基于“量质效应”分区处理雨水的改良型生物滞留池，所述生物滞留池划分为相互独立的初期雨水处理区和非初期雨水处理区，入流通过进水管输送到三通管道的进水端，三通管道的其中一个出水端通过初期雨水和短时暴雨时通过管联通到初期雨水处理区，三通管道的另一个出水端通过非初期雨水时通过管联通到非初期雨水处理区；

3、所述三通管道中设置有调节阀门，所述调节阀门连接有用于感应判断来水性质的“雨量-雨质”感应装置，调节阀门切换入流流向初期雨水和短时暴雨时通过管或非初期雨水时通过管，或者按照比例分配入流流向初期雨水和短时暴雨时通过管和非初期雨水时通过管，初期雨水和短时暴雨时通过管管顶与覆盖层底层边缘的距离不应小于50mm，非初期雨水时通过管管顶与植被及种植土层底层边缘的距离不应小于50mm；

4、所述初期雨水和短时暴雨时通过管进入初期雨水处理区后弯折向上，延伸到初期雨水处理区蓄水层；

5、所述非初期雨水时通过管进入非初期雨水处理区后弯折向上，延伸到非初期雨水处理区蓄水层。

6、进一步的，所述初期雨水处理区自上而下依次包括超高层、进水口、蓄水层、覆盖层、复合填料层、砾石排水层，所述砾石排水层分布多个等距分布的pvc穿孔管。

7、进一步的，所述非初期雨水处理区自上而下依次包括超高层、进水口、蓄水层、植被及种植土层、填料层、砾石排水层及调蓄层，所述砾石排水层分布多个等距分布的pvc穿孔管。

8、进一步的，所述“雨量-雨质”感应装置基于swmm模型对雨量、雨质快速调节，包括如下步骤：

9、步骤1：建立swmm模型，模拟当前水质水量特征，计算排入受纳水体的污染物总量，计算污染物净量控制量；

10、步骤2：根据步骤1计算的污染物净量控制量，计算初期雨水污染最小值，其步骤包括：2.1.按照所有汇水分区的单位流量对污染物浓度自大到小依时排序；2.2.按照步骤2.1的排序依次取单位流量累加求和，对相应瞬时流量积分，至该雨水量内包含的污染物净量满足污染物净排量的控制目标；

11、

12、

13、

14、

15、式中：

16、qinirain，min——初期雨水污染水量较小值，m3；

17、qi，i(tj)——汇水分区i在j时刻的瞬时流量，m3/s；

18、ci，i，tss(tj)——汇水分区i在j时刻污染物的瞬时浓度，以tss表示，kg/m3或×103mg/l；

19、imaxi，jmaxj——按照瞬时流量内tss浓度自大至小依产汇流时间排序后的汇水分区编号和时间编号，i＝1～nimax，j＝1～njmax；

20、nimax——汇水分区微分单元总数；

21、njmax——单一汇水分区流量及水质微分单元总数，每个汇水分区讨论的产汇流时间相同，故统一为njmax；

22、tsscontrol——污染物净量控制指标，以tss表示，kg；

23、步骤3：根据步骤1计算的污染物净量控制量，计算初期雨水污染最大值，是控制排水口污染物净排量至满足要求的情况下所需控制的最小水量，并将此确定为排入初期雨水处理区的径流量，其步骤包括：

24、按照排水口的单位流量依时排序；

25、按照步骤2.1的排序依次取单位流量累加求和；

26、如果污染物净量控制满足要求，则输出初期雨水污染最大值；

27、步骤4：调节阀门主要由流量计构成，在初期雨水污染水量最大值内的径流量由阀门控制进入初期雨水处理区，当检测到入流径流量超过该值后，由阀门控制将入流径流进入非初期雨水处理区；

28、

29、式中：

30、qinirain，max——初期雨水污染水量较大值，m3；

31、qo(t)——排水口在t时刻的瞬时流量，m3/s；

32、co，tss(t)——排水口在t时刻的瞬时污染物浓度，以tss表示，kg/m3或×103mg/l；

33、tsscontrol——污染物净量控制指标，以tss表示，kg；

34、t0，o——排水口处汇流总时间，s；

35、根据感应结果，将进水管中的雨水径流在初期雨水和短时暴雨时通过管排入初期雨水处理区进行精细处理，非初期雨水时通过管排入非初期雨水处理区进行快速处理。

36、进一步的，所述生物滞留径流设计径流体积控制量v按公式v＝10dfψ计算，式中d为生物滞留设计年径流总量控制率对应的设计降雨量(mm)，f为汇水面积(hm2)，ψ为径流系数；生物滞留完全排空时间不应大于48h；选用入渗型生物滞留时，根据土壤介质层厚度(mm)ds、土壤介质层孔隙率ns、排水层厚度(mm)dg、排水层孔隙率ng、蓄水层蓄水深度(mm)dp、生物滞留结构底部原有土层的稳定入渗率(mm/h)fd确定完全排空时间生物滞留池表面积为

37、进一步的，所述初期雨水处理区的超高层高度为100mm；进水口设在蓄水层内，蓄水层高度为200mm，对雨水量起一定的调节作用，以便于后续的截污、滞留和渗滤；覆盖层由100mm厚度机质组成；复合填料层是本装置的核心，高度为800mm，按体积百分比由55％粗砂+5％细沙+25％种植土+5％火山岩+5％沸石+5％铁改性生物炭均匀混合而成，对水质净化和滞留起着决定性作用，同时上下层设有取自污水厂剩余污泥与填料混合培养直至稳定并完成生物量积累所得到的生物膜，其含氧量有差异，创造适宜假单胞菌、氨化菌和反硝化菌等相应菌落生长反应的环境；砾石排水层采用粒径30～40mm的砾石，上覆土工布以防填料进入砾石层而流失，厚度为200mm，并在其底部埋置直径为100m的pvc穿孔管。

38、进一步的，所述非初期雨水处理区的超高层高度为100mm；蓄水层高度为200mm，进水口设在蓄水层内；种植土层种植草本植物，厚度为250mm；填料层高度为500mm，按体积百分比由55％粗砂+5％细沙+30％种植土+5％火山岩+5％沸石均匀混合而成；砾石排水层厚度为200mm，并在其底部埋置直径为100m的pvc穿孔管；在穿孔管底部设置300mm的砾石调蓄层。

39、本发明的工作原理是：

40、根据《化工建设项目环境保护设计标准》(gb 50483-2019)，初期雨水定义为“污染区域降雨初期产生的雨水，取一次降雨初期15min～30min雨量，或降雨初期20mm～30mm厚度的雨量。”

41、入流的雨水径流经基于感应型涡街流量传感器调节后进行分区，根据初期雨水的定义，降雨30min前的雨量设置为初期雨水，由传感器控制经初期雨水和短时暴雨时通过管进入初期雨水处理区，降雨30min后的雨水设置为非初期雨水，由传感器控制经非初期雨水时通过管进入非初期雨水处理区。

42、当入流为初期雨水时，雨水径流经初期雨水和短时暴雨时通过管流入初期雨水处理区，储存在蓄水层，同时超高层可防止溢流，覆盖层中的树皮等有机质起到保持土壤水份的作用，保证地表植物生长，同时可改变雨水下渗速度并阻拦部分杂物进入生物滞留池，复合填料层通过过滤吸附作用去除大颗粒杂物及小颗粒污染物，同时复合填料中的铁改性生物炭可吸附氨氮并捕获do，再经硝化作用形成硝态氮，生物炭孔内可形成缺氧微环境，有利于缺氧反硝化，同时生物炭可释放有机质促进异养反硝化，实现去除雨水径流中的氮。复合填料层上下设生物膜，进行进一步净化水质，同时过滤微小颗粒的污染物，防止进入砾石排水层，防止堵塞排水管道。砾石排水层具有厌氧状态和好氧状态且厌氧状态和好氧状态交替出现以进一步去除水中的氮元素，处理后的雨水经出水管道进入市政雨水管。

43、当入流雨水为非初期雨水时，雨水径流经非初期雨水时通过管进入非初期雨水处理区，储存在蓄水层，超高层可防止溢流，植被及种植土层可起到初步拦截大颗粒杂物作用，并为植物提供养分，通过植物作用初步去除雨水中的污染物，同时种植的植物起到景观作用。填料层中各填料的组合可过滤并吸附雨水径流中的污染物，提高水质，处理后的雨水径流进入砾石排水层，并通过出水管排出进入市政雨水管。最底部设置砾石调蓄层，起到改变出水速度，提高生物滞留池调蓄体积的作用，可接收更多的非初期雨水径流。此外砾石层具有厌氧状态和好氧状态且厌氧状态和好氧状态交替出现，可去除水中的氮元素。

44、本发明的有益效果是：

45、本发明将住宅小区内的生物滞留池划分为初期雨水处理区和非初期雨水处理区。基于多因素影响的“量-质协同”效应优化调蓄设计方法，在生物滞留池前设置“雨量-雨质”感应装置以实现对初期雨水的分量、分质、分区灵活处理，即初期雨水流入初期雨水处理区进行精细处理，非初期雨水流入非初期雨水处理区进行快速处理，并将改性生物炭应用于初期雨水处理区的“有氧-缺氧”双层生物滞留池中，提高对初期雨水中氮磷等污染物的去除率。

46、本发明克服传统雨水滞留池对不同雨量雨质无差别、单一化处理所带来的处理效果不稳定、氮磷及新兴污染物的去除率较低等问题，提升生物滞留池处理初期雨水的效率和效益，减轻污水处理厂负担，促进雨水资源化利用，为海绵城市建设提供良好支撑。

47、本发明分为初期雨水处理区和非初期雨水处理区两部分，通过前置传感器根据雨质雨量进行分区处理。在初期雨水和短时暴雨时，雨水径流进入初期雨水处理区，经过蓄水层、覆盖层、复合填料层、砾石排水层实现对雨水径流的净化和滞留，同时设置生物膜，对雨水径流进行深度处理。在非初期雨水时，雨量大、流速快，雨水径流进入非初期雨水处理区，经蓄水层、植被及种植土层、填料层、砾石排水层及调蓄层，可通过调整超高层的宽度来防止溢流，避免造成二次污染。

48、本发明基于“量质效应”的生物滞留池能适应不同地区的生物滞留池改建。可根据建设地点的降雨特征、雨水径流特点、土壤特性、气候等调整合适的分区比例，可在原滞留池的基础上建立合适的分区进行处理。在改造的过程中可以减少对已有城市园林绿地系统的影响，防止由此导致城市风险。

49、本发明兼具排灌功能、蓄水功能、生物功能和景观功能，还具有雨水沉淀、拦截、吸附和蓄水、渗滤功能；相比于常规水池，其在旱季的池水蒸发量(单位时间内的池水蒸发量)更小，较常规水池的池水蒸发量减少约50％，具有实时、自适应性调整入流进水的能力，池周植物也具有一定保水蓄水作用，能够更好地保证了区域用水。

50、本发明合理利用有机覆盖层可减少更换补充频率、降低二次污染。生物滞留池运行过程中，有机覆盖层仅在非初期雨水时期发挥作用，初期雨水时期依靠综合填料层9内填料的吸附作用、铁改性生物炭氧化吸附及微生物作用实现脱氮除磷，减少了碳源的使用量。初期雨水雨量小，流速慢，上述步骤能有效脱氮。

51、本发明生物滞留池结构简单，管理维护方便。顶层覆盖的有机碳源降低了更换的难度，各维护结构包括传感器、覆盖层、排水管等布置在表面易于检查维修。