初雨条件下快速截留污染物以稳定净化水质的生态塘系统

技术领域

本发明涉及水生态修复技术领域，特别是涉及初雨条件下快速截留污染物以稳定净化水质的生态塘系统。

背景技术

现有处理初期雨水的技术，在城镇区域常用雨水泵房形式将初期雨水导入污水管网处理，而将初雨之外雨水导入雨水管网，或者是在合流制管网区域的末端设置截留设施，将初雨拦截在污水管网系统，以解决污染河道和雨水积水问题。而在非城镇区域，特别是农业种植区，没有完善的管网系统，通常只能用简单的调蓄塘等系统对初雨进行控制，但对于径流量较大的情况，难以有效应对。

在现有调蓄塘系统的基础上，加强对初雨的控制，现有方法主要是尽可能截留更多初期雨水，如降雨期降低调蓄塘水位或建设前置库以存放更多雨水，但调控往往相对滞后，且增加了额外的用地成本。

对于生态调蓄塘塘体中生物膜，多采用组合填料挂膜、直接绳状挂膜等方式，组合填料挂膜的方式虽然容易长膜且有一定耐冲击特性，但容易缠结，直接绳状垂直挂膜或框式挂膜则不耐初雨期径流冲刷。

现有技术中利用活性炭吸附去除氮磷等污染物，而活性炭是一种具有大量微孔和高比表面积的吸附材料，它可以通过物理吸附和化学吸附去除氮磷等污染物，而且可以通过加热或水洗等方法快速解吸附，但成本较高；现有技术中还使用生物炭吸附去除氮磷等污染物，而生物炭是一种制造于生物质的热解过程中产生的炭材料，它具有与活性炭相似的微孔和比表面积，并且可以通过化学和生物吸附去除氮磷等污染物，同时也可以通过加热或水洗等方法快速解吸附大，但不耐冲刷。

发明内容

本发明的目的是初期雨水往往携带大量BOD、COD、N、P等非点源污染，在非城镇区，为实现自动持续处理初雨污染，除了截留初期雨水外，还需要截留初期雨水中的高浓度污染物，本发明通过吸附填料的方式，结合生态调蓄回用塘工艺，在初雨条件下快速截留污染物。通过降雨期快速截留污染物，可以减少对初期雨水收集的压力，避免建设过多塘体，占用土地，通过强化了生态调蓄塘中生化处理区中生物膜抗径流冲刷能力，使得在降雨结束后，生态调蓄塘可逐步净化降雨期收集的污染物。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

初雨条件下快速截留污染物以稳定净化水质的生态塘系统，包括：

依次设置的固态颗粒物预处理区、营养盐吸附区、生化处理区和外排及回流区；

所述固态颗粒物预处理区，用于拦截雨水中的固态杂质；

所述营养盐吸附区，用于吸附所述雨水中的氮磷污染物；

所述生化处理区，用于对所述雨水进行生物净化；

所述外排及回流区，用于所述雨水进行排出或者回流。

可选地，所述固态颗粒物预处理区包括：

拦渣单元和缓流沉降单元；

所述拦渣单元，用于拦截所述雨水中的固态杂质；

所述缓流沉降单元，用于沉降所述雨水中的细颗粒物；

所述拦渣单元和所述缓流沉降单元连接。

可选地，所述营养盐吸附区包括：生态沟渠，在所述沟渠内部设置有地下填充层，所述地下填充层中央开设有梯形槽，所述梯形槽表面和所述地下填充层外表面均设置有微孔板，地下填充层下部设置有下渗单元。

可选地，所述地下填充层包括：吸附填材料，所述吸附填材料采用陶粒或者改性陶粒。

可选地，所述生化处理区包括：

浮水植物单元、曝气充氧单元、沉水植物单元和清水单元；

所述浮水植物单元，用于对所述雨水进行反硝化；

所述曝气充氧单元，用于对所述雨水进行硝化作用；

所述沉水植物单元，用于对所述雨水进行植物吸收；

所述清水单元，用于对所述雨水进行植物吸收和增氧；

所述浮水植物单元、所述曝气充氧单元、所述沉水植物单元和所述清水单元依次连接。

可选地，所述浮水植物单元包括：

生物强化子单元和反硝化子单元；

所述生物强化子单元，用于利用悬挂星状纤维绳挂膜，提高浮水植物附着能力，强化生物膜的抗冲刷性；

反硝化子单元，用于通过所述浮水植物对所述雨水进行反硝化；

所述生物强化子单元和所述反硝化子单元连接。

可选地，所述悬挂星状纤维绳挂膜包括：

支撑结构、可旋转结构和星状结构网；

所述支撑结构，用于支撑可旋转结构；

所述旋转结构，用于固定所述星状结构网，使所述生物膜的平面方向垂直水流，强化生物膜的抗冲刷性；

所述星状结构网，用于提高浮水植物附着能力；

所述支撑结构、可旋转结构和星状结构网依次连接。

可选地，所述外排及回流区包括：

雨天外排单元和晴天回流单元；

所述雨天外排单元，用于在所述生化处理区末端，设置通往下游河道的溢流口，当初雨期，塘内水位达到溢流口高程时，自动外排进入河道；

所述晴天回流单元，用于当晴天时，将生化处理区处理后的雨水返回所述营养盐吸附区，持续水洗解吸所述氮磷污染物；

所述雨天外排单元和所述晴天回流单元分别与所述生化处理区连接。

本发明的有益效果为：

本发明在初雨期，即附图中的雨天模式，带面源污染的水团迅速过流，水团中污染物大部分被营养盐吸附区的陶粒填料吸附，该填料对水中氮和磷吸附容量分别可达到4.6和2.4mg/g，可一定程度上吸附高浓度氮磷污染，之后污染浓度降低的水团在调蓄塘容量饱和后快速通过尾端溢流口流出。此时因径流冲刷，星状结构网型的生物挂膜会旋转为垂直径流方向，减少水流的冲刷，降低了其上微生物菌团的损失，保持塘体的净水能力。

本发明在晴天时，塘体外部进水较少，在清水区使用水泵将水泵入引流沟，重新回到营养盐吸附区制造塘内循环，此时，来自清水单元的低浓度清水持续冲刷营养盐吸附区，使其中的陶粒吸附材料中的营养盐解吸附，再次进入生化处理区进行降解。从而实现初雨期快速截留污染物，晴天持续解吸附并降解营养盐吸附区存量污染的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的初雨条件下快速截留污染物以稳定净化水质的生态塘系统示意图；

图2为本发明实施例的雨天模式且有大量携带污染物的雨水径流涌入的生态塘系统示意图；

图3为本发明实施例的晴天模式使用水泵制造内循环的生态塘系统示意图；

图4为本发明实施例的星状纤维绳挂膜结构图；

图5为本发明实施例的塘体卫星图；

图6为本发明实施例的生态沟渠横截面图；

其中，1-浮水植物单元，2-曝气充氧单元，3-沉水植物单元，4-清水单元，5-软围隔，6-拦渣网，7-缓流沉降区，8-营养盐吸附区，9-污水返回通道，10-水泵，11-沟渠结构外表面，12-微孔板，13-沟渠梯形内空间A，14-沟渠中间填料层(地下填充层)，15-填料层下的空间B。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

初雨期间，雨水径流前30％中经常携带近90％的污染物，生态塘难以在短期有效处理初期雨水中的污染，而留下污染物的方式有两种，一种是增加前置库，将初期雨水存储，另一种是仅存储初期雨水径流中高浓度的氮磷等农业面源污染物，本发明选择第二种方式，并对常规生态塘的耐冲刷特性进行提高。

如图1和图5所示，一种初雨条件下快速截留污染物以稳定净化水质的生态塘系统，包括由拦渣网、缓流沉降区组成的固态颗粒物预处理区，由可吸附氮磷等污染物的吸附填料组成的营养盐吸附区，由生态调蓄塘塘体形成的生化处理区和外排及回流系统(外排及回流区)。

固态颗粒物预处理区包括：拦渣单元和缓流沉降单元；拦渣单元，用于通过固定孔径的网眼金属格栅或网罩组成的拦渣网，拦截雨水中的固态杂质；缓流沉降单元，用于选择横截面宽大，且坡度低于预设坡度阈值的硬质构筑物，沉降雨水中的细颗粒物；拦渣单元和缓流沉降单元连接，具体为：

其中固态颗粒物预处理区的拦渣网由10mm-20mm孔径的网眼金属格栅或网罩组成，用于拦截植物残体，大的砾石等固态杂质，缓流沉降区为一处横截面宽大的坡度低于1.5‰的硬质构筑物组成，长度和具体宽度根据实地设置，用于沉降细颗粒物。

如图6所示，营养盐吸附区包括：生态沟渠与地下填充层之间通过微孔板相连接，通过生态沟渠的雨水径流可与地下填充层中吸附填充材料充分接触；

营养盐吸附单元与生化处理区连接。

沟渠结构的中间为吸附材料组成的填料层，沟渠内部三个面为带微孔硬质化板材，可防止填料被冲刷出沟渠，同时尽可能让径流下渗经过填料层，从而吸附径流中的污染物。

填料层下部同时架设微孔板(孔径小于填料)，微孔板与沟渠结构底部留有空间B；

雨水径流下渗的同时沿沟渠空间A向生态塘流动，此时部分经过吸附填料层的雨水，下渗到空间B，并流入生态塘。

吸附填充材料采用陶粒或者改性陶粒；具体为：

营养盐吸附区使用地下填充层结合生态沟渠的形式建造，外来水团经过营养盐吸附区后再进入后续生化处理区。选用的吸附填材料优先选择陶粒。

吸附填料选用及改性：

陶粒是一种由天然粘土经高温烧结而成的微孔陶瓷材料，其主要成分为氧化铝(Al

陶粒还可以添加一些辅助材料，如膨润土、石英砂、长石等，以改变其性质和特性，如增加强度、改善孔隙结构和稳定性等；

以陶粒为填料，在污染负荷高时吸附氮磷污染，并在低浓度水团持续的水洗过程中，快速解析出之前吸附的污染物，利于在调蓄塘处理完塘内污染后，通过内循环逐步净化营养盐吸附区存量污染。

吸附材料特性：

污染高浓度时吸附，低浓度快速解吸附特性的材料(使用陶粒，耐冲刷，且可以吸附离子态的氮磷污染物)。

金属材料或碳基材料对陶粒改性，可以提高其吸附能力，用于初雨期快速储存污染物。

晴天的时候生化处理区逐步降解掉塘内污染物后，用水泵将水抽到吸附沉淀区前段，持续冲刷，水洗解吸附出被吸附住的污染物。

生化处理区包括：浮水植物单元、曝气充氧单元、沉水植物单元和清水单元；浮水植物单元，用于对雨水进行反硝化；曝气充氧单元，用于对雨水进行硝化作用；沉水植物单元，用于对雨水进行植物吸收；清水单元，用于对雨水进行进一步植物吸收和沉降；浮水植物单元、曝气充氧单元、沉水植物单元和清水单元依次连接，各处理区之间用软围隔分开；

雨水径流刚汇入生化处理区(塘体内时)，未经过曝气，此时溶解氧浓度相对较低，发生固态颗粒氮磷的沉降、反硝化作用为主，此时过量的硝酸盐中，部分产生氮气脱离水体。当待处理水团进入曝气充氧单元后，溶解氧水平提高，此时发生氨化作用、硝化作用为主，水体中有机物在微生物氨化作用下转变为可被硝化作用利用的氨，之后转化为植物可利用的硝酸盐。

接着在后续的沉水植物单元等，水中的硝酸盐逐步被植物吸收利用，成为植物体营养来源。

对于水体中的磷，主要是通过各单元植物的吸收和在塘体内颗粒态磷的逐步沉积，从而从水体中去除。实验发现，当进水中总磷、COD、氨氮、总氮和悬浮物的浓度分别为1.21mg/L、108mg/L、11.6mg/L、14.4mg/L和60mg/L时，一轮处理后，总磷、COD、氨氮、总氮和SS的削减率分别为86.0％、76.9％、85.2％、56.7％和68.3％。

浮水植物单元包括：生物强化子单元和反硝化子单元；生物强化子单元，用于利用悬挂星状纤维绳挂膜，提高浮水植物附着能力，强化生物膜的抗冲刷性；反硝化子单元，用于通过浮水植物对雨水进行反硝化；生物强化子单元和反硝化子单元连接；

如图4所示，悬挂星状纤维绳挂膜包括：支撑结构、可旋转结构和星状结构网；支撑结构，用于支撑可旋转结构；可旋转结构，用于固定星状结构网，使生物膜的平面方向垂直水流，强化生物膜的抗冲刷性；星状结构网，用于提高浮水植物附着能力；支撑结构、可旋转结构和星状结构网依次连接。

其中浮水植物区是径流进入塘体的直接冲刷区域，通过悬挂星状纤维绳挂膜的方式，提高该区微生物附着能力，强化生物膜的抗冲刷性。星状纤维绳挂膜下部位星状结构的纤维绳网，上部由一个可旋转结构及一根硬质支撑棒组成，具体结构见附图。(可实现随水流，膜平面方向垂直水流，减少冲刷过程的损失。)

如图2和图3所示，外排及回流区包括：雨天外排单元和晴天回流单元；雨天外排单元，用于在生化处理区末端，设置通往下游河道的溢流口，当初雨期，塘内水位达到溢流口高程时，自动外排进入河道；晴天回流单元，用于在生化处理区末端，设置抽水装置和门阀，当晴天时，将生化处理区处理后的雨水泵回营养盐吸附区，持续水洗解析氮磷污染物；雨天外排单元和晴天回流单元分别与生化处理区连接，具体为：

在清水区末端，设置了通往下游河道的溢流口，当塘内水位达到溢流口高程时，自动外排进入河道。此外，在溢流口附近设置了回流渠道，并用水泵和闸门控制，以便在晴天时，将塘内处理后的低浓度水泵回营养盐吸附区，持续水洗解析其中的氮磷营养盐(污染物)。

生化处理区内浮水植物单元、曝气充氧单元、沉水植物单元和清水单元等四个单位系统配置参数，如表1所示：

表1

在初雨期，带面源污染的水团迅速过流，其中污染物大部分被营养盐吸附区吸附，之后污染浓度降低的水团在调蓄塘饱和后快速通过尾端溢流口流出。在晴天时，塘体外部进水较少，水泵将水泵入引流沟，重新回到营养盐吸附区制造内循环，用低浓度清水持续水洗，使吸附材料中的营养盐解析吸附，再次进入生化处理区进行降解。

本发明通过高吸附能力耐冲刷的填料，在初雨期对污染水团中氮磷等污染物迅速吸附，之后晴天时靠内循环水洗填料逐步解吸附，并在后续过程生物净化。(陶粒使用金属或碳基材料改性可提高吸附能力)。

本发明通过星状纤维绳增加微生物吸附载体，同时强化植物根际生物膜，使得生化处理区的微生物群落耐雨水径流冲刷，在降雨后能保持净化能力。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。