一种卧式高速公路雨水脱氮除磷生物滞留池的制作方法

本实用新型属于高速公路雨水资源利用技术领域，具体涉及一种卧式高速公路雨水脱氮除磷生物滞留池。

背景技术：

截至2016年底，我国高速公路通车里程已达13万km。随着公路交通事业的不断发展及各省市公路网的陆续形成，频繁的交通活动使路面径流污染十分严重。路面降雨径流含有相当数量的悬浮颗粒物、营养盐和有机污染物，其未经处理排入受纳水体，易引发水体富营养化和水生态系统破坏。

近年来，“海绵城市”的理念在城市雨水管理中越来越受到重视。2015年10月，国务院办公厅印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》，明确指出通过海绵城市建设，综合采取“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施，促进雨水资源的利用和生态保护。海绵城市的理念改变了我国城市排水系统只排不蓄、只排不用的缺陷。生物滞留池作为海绵城市低影响开发技术中的一种，不仅能够处理径流中的污染物，还能削减洪峰流量，减少径流体积。

标准生物滞留池通常由植物、介质和排水管组成，径流雨水经过植物，然后垂直流经过滤介质，处理后的水可以由过滤介质底部排水管收集或渗透入周围土壤。标准生物滞留池能有效地去除TSS、COD、重金属等污染物，但氮、磷去除效果不稳定。除氮方面，标准生物滞留池NO3--N去除效率低；除磷方面，标准生物滞留池通过填料的吸附、离子交换和沉淀过滤去除磷，但是长期运行后，颗粒态P会出现大量积累，很可能在厌氧条件下重新释放出来。生物滞留池长期运行，污染物通过转移、释放、固定等方式聚集在生物滞留池内，为了保证生物滞留池良好的运行状况，必须进行定期的维护管理，但目前的生物滞留池形态不便于后期维护。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种卧式高速公路雨水脱氮除磷生物滞留池，具有原理简单、运行费用低、出水水质稳定等特点。

本实用新型解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种卧式高速公路雨水脱氮除磷生物滞留池，包括种植结构和填料结构，所述种植结构安装于填料结构上端，所述种植结构和填料结构之间设有第四透水墙，所述种植结构包括种植土层，所述填料结构包括砾石层、中粗砂层、细砂层和强化吸附层，所述砾石层和强化吸附层位于填料结构的两端，所述砾石层和中粗砂层相邻，所述中粗砂层和细砂层相邻，所述细砂层和强化吸附层相邻，所述砾石层、中粗砂层、细砂层和强化吸附层两两之间依次夹有第一透水墙、第二透水墙和第三透水墙，所述砾石层的顶端设有集水装置，所述强化吸附层设有排水装置。

作为进一步改进的技术方案，所述种植土层采用砂质土壤，纵向厚度为250～300mm，所述种植土层中砂子含量为60％～85％，有机成分含量为5％～10％，粘土含量不超过5％。

作为进一步改进的技术方案，所述种植土层对称分为植物一区和植物二区，所述植物一区位于砾石层和中粗砂层的正上方，所述植物二区位于细砂层和强化吸附层的正上方，所述植物一区和植物二区彼此不重叠。

作为进一步改进的技术方案，所述砾石层所采用的填料包括砾石，所述砾石的粒径为10～20mm，所述砾石层的横向厚度为0.2～0.3m，所述中粗砂层所采用的填料包括中粗砂和第一碳源，所述中粗砂层的横向厚度为1～1.5m，所述中粗砂填充整个中粗砂层，所述中粗砂的粒径为2～5mm，所述第一碳源位于中粗砂层的下部，所述细砂层所采用的填料包括细砂和第二碳源，所述细砂层的横向厚度为1～1.3m，所述细砂填充整个细砂层，所述细砂的粒径为0.5～2mm，所述第二碳源位于细砂层的下部，所述强化吸附层的横向厚度为0.4～0.6m。

作为优选的技术方案，所述强化吸附层所采用的填料为沸石、铝污泥、陶粒、石英砂、粉煤灰、活性炭、蛭石中的一种。

作为进一步改进的技术方案，所述集水装置包括雨水收集管，所述雨水收集管安装于砾石层顶端，所述排水装置包括微孔滤网、穿孔收集管和排水管，所述穿孔收集管竖直设置于强化吸附层内，所述穿孔收集管的顶端与排水管连接，所述排水管通向填料结构外部，所述微孔滤网设置于穿孔收集管表面。

作为优选的技术方案，所述第一透水墙、第二透水墙、第三透水墙和第四透水墙所采用的透水材料的透水系数≥15cm/s。

作为优选的技术方案，所述第一碳源填充的最高高度为0.5m，所述第二碳源填充的最高高度为0.5m，所述第四透水墙的高度为1.2～1.75m。

作为优选的技术方案，所述第一碳源、第二碳源采用报纸、木屑、树叶、秸秆等中的一种或多种。

作为优选的技术方案，所述排水管的出水高度为0.4～0.6m。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1.砾石层孔隙大，置于填料区最前端，当进水水量大时起到短暂储水，延缓进水对后续填料层的水力冲击的作用；

2.通过在中粗砂层和细砂层下部添加报纸、木屑、树叶、秸秆等廉价碳源，为反硝化作用提供电子供体，促进反硝化细菌的生长，提高氮的去除率，添加碳源也能提高重金属去除率，填料区末端设置强化吸附区，通过填料强化对磷的吸附，使磷的去除效果稳定，同时延长了强化吸附区的使用寿命，通过提高出水高度形成淹没区，创造厌氧环境，利于反硝化细菌的生长，促进反硝化作用，提高N的去除率，也有利于提高重金属去除效率，TSS不超过出水高度，对TSS的去除效果也较好；

3.填料区各层以透水材料分隔，填料易于更换，便于管理与维护，整个工程功能稳定、材料价格低廉、易于获取且不会对环境产生二次污染。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

附图标记说明：

1、种植结构；2、填料结构；3、雨水收集管；4、砾石层；5-1、第一透水墙；5-2、第二透水墙；5-3、第三透水墙；5-4、第四透水墙；6、中粗砂层；7、中粗砂；8-1、第一碳源；8-2、第二碳源；9、细砂层；10、细砂；11、强化吸附层；12、穿孔收集管；13、微孔滤网；14、排水管；15、种植土层；16、植物一区；17、植物二区。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种卧式高速公路雨水脱氮除磷生物滞留池，包括种植结构1和填料结构2，种植结构1安装于填料结构2上端，种植结构1和填料结构2之间设有第四透水墙5-4，种植结构1包括种植土层15，填料结构2包括砾石层4、中粗砂层6、细砂层9和强化吸附层11，砾石层4和强化吸附层11位于填料结构2的两端，砾石层4和中粗砂层6相邻，中粗砂层6和细砂层9相邻，细砂层9和强化吸附层11相邻，砾石层4、中粗砂层6、细砂层9和强化吸附层11两两之间依次夹有第一透水墙5-1、第二透水墙5-2和第三透水墙5-3，砾石层4的顶端设有集水装置，强化吸附层11设有排水装置。

种植土层15采用砂质土壤，纵向厚度为250～300mm，种植土层15中砂子含量为60％～85％，有机成分含量为5％～10％，粘土含量不超过5％。

种植土层15对称分为植物一区16和植物二区17，植物一区16位于砾石层4和中粗砂层6的正上方，植物二区17位于细砂层9和强化吸附层11的正上方，植物一区16和植物二区17彼此不重叠。种植结构1种植的植物选用多年生，可短时间耐水涝、耐旱植物，种植一区16种植的植物选用禾本科、莎草科中小型的湿生植物和具有一定耐涝能力的草坪草和观赏草，包括旱伞草、细叶莎草、多穗苔草、花叶卡开芦、矮蒲苇、细叶芒，以16株/m²的种植密度进行种植；种植二区17种植的植物选用耐旱同时耐水湿的植物，包括马蹄金、斑叶芒、花叶燕麦草，以16株/m²的种植密度进行种植。

砾石层4所采用的填料包括砾石，砾石的粒径为10～20mm，砾石层4的横向厚度为0.2～0.3m，中粗砂层6所采用的填料包括中粗砂7和第一碳源8-1，中粗砂层6的横向厚度为1～1.5m，中粗砂7填充整个中粗砂层6，中粗砂7的粒径为2～5mm，第一碳源8-1位于中粗砂层6的下部，细砂层9所采用的填料包括细砂10和第二碳源8-2，细砂层9的横向厚度为1～1.3m，细砂10填充整个细砂层9，细砂10的粒径为0.5～2mm，第二碳源8-2位于细砂层9的下部，强化吸附层11的横向厚度为0.4～0.6m。

强化吸附层11所采用的填料为沸石、铝污泥、陶粒、石英砂、粉煤灰、活性炭、蛭石中的一种。

集水装置包括雨水收集管3，雨水收集管3安装于砾石层4顶端，排水装置包括微孔滤网13、穿孔收集管12和排水管14，穿孔收集管12竖直设置于强化吸附层11内，穿孔收集管12的顶端与排水管14连接，排水管14通向填料结构2外部，微孔滤网13设置于穿孔收集管12表面，用以防止强化吸附层11中的填料随水流流出。雨水分别经由种植结构1和填料结构2净化，经种植结构1净化后的雨水依靠重力自流至填料结构2中的各填料层进一步净化，同时经由雨水收集管3进入填料结构2的砾石层4的雨水，由左向右依次经过各填料层，经填料结构2的各填料层完成净化过程，最后通过穿孔收集管12和排水管14排出系统。

第一透水墙5-1、第二透水墙5-2、第三透水墙5-3和第四透水墙5-4所采用的透水材料的透水系数≥15cm/s。

第一碳源8-1填充的最高高度为0.5m，第二碳源8-2填充的最高高度为0.5m，第四透水墙5-4的高度为1.2～1.75m。

第一碳源8-1、第二碳源8-2采用报纸、木屑、树叶、秸秆等中的一种或多种。

排水管14的出水高度为0.4～0.6m。

实施例

如图1所示，一种卧式高速公路雨水脱氮除磷生物滞留池，包括种植结构1和填料结构2，种植结构1安装于填料结构2上端，种植结构1和填料结构2之间设有第四透水墙5-4，种植结构1包括种植土层15，填料结构2包括砾石层4、中粗砂层6、细砂层9和强化吸附层11，砾石层4和强化吸附层11位于填料结构2的两端，砾石层4和中粗砂层6相邻，中粗砂层6和细砂层9相邻，细砂层9和强化吸附层11相邻，砾石层4、中粗砂层6、细砂层9和强化吸附层11两两之间依次夹有第一透水墙5-1、第二透水墙5-2和第三透水墙5-3，砾石层4的顶端设有集水装置，强化吸附层11设有排水装置。

本实施例中的卧式生物滞留池长度为3.35m，宽度为3m，高度为2m，砾石层4、中粗砂层6、细砂层9和强化吸附层11依次沿长度方向设置，砾石层4的横向厚度为0.3m，中粗砂层6的横向厚度为1.3m，细砂层9的横向厚度为1.1m，强化吸附层11的横向厚度为0.5m，第一透水墙5.1、第二透水墙5-2、第三透水墙5-3和第四透水墙5-4的厚度为0.05m，第四透水墙5-4的高度为1.75m。

本实施例中，种植土层15采用砂质土壤，纵向厚度为250mm，种植土层15中砂子含量为85％，有机成分含量为10％，粘土含量为5％。

本实施例中，种植土层15对称分为植物一区16和植物二区17，植物一区16位于砾石层4和中粗砂层6的正上方，种植一区16种植的植物选用旱伞草，以16株/m²的种植密度进行种植；种植二区17种植的植物选用斑叶芒，以16株/m²的种植密度进行种植。

本实施例中，砾石层4所采用的填料包括砾石，砾石的粒径为15mm，堆积密度为1800kg/m³；中粗砂层6所采用的填料包括中粗砂7和第一碳源8-1，中粗砂7填充整个中粗砂层6，中粗砂7的粒径为5mm，堆积密度为1500kg/m³，渗透系数为10cm/h，第一碳源8-1位于中粗砂层6的下部，第一碳源8-1填充的最高高度为0.5m；细砂层9所采用的填料包括细砂10和第二碳源8-2，细砂10填充整个细砂层9，细砂10的粒径为2mm，堆积密度为1200kg/m³，渗透系数为12cm/h，第二碳源8-2位于细砂层9的下部，第二碳源8-2填充的最高高度为0.5m。

本实施例中，强化吸附层11所采用的填料为20目的蛭石。

本实施例中，集水装置包括雨水收集管3，雨水收集管3安装于砾石层4顶端，排水装置包括微孔滤网13、穿孔收集管12和排水管14，穿孔收集管12竖直设置于强化吸附层11内，穿孔收集管12的顶端与排水管14连接，排水管14通向填料结构2外部，微孔滤网13设置于穿孔收集管12表面，用以防止强化吸附层11中的填料随水流流出。穿孔收集管12的长度为40cm，管径为5cm，孔径为1cm，孔距为2cm，排水管14的管径为5cm，排水管14的出水高度为0.5m。通过雨水收集管3进入砾石层4的高速公路地表径流雨水的水流方式为水平流潜流式，自然落下雨水的水流方式为垂直流潜流式。

本实施例中，第一透水墙5-1、第二透水墙5-2、第三透水墙5-3和第四透水墙5-4所采用的由陶瓷透水砖构成，陶瓷透水砖的透水系数为18cm/s。第一透水墙5-1、第二透水墙5-2和第三透水墙5-3能防止填料受水力冲击作用流失，且便于独立更换填料，第四透水墙5-4能够防止种植土层15随水流流失。

本实施例中，第一碳源8-1、第二碳源8-2采用木屑，木屑粒径为3mm。

本实施例的生物滞留池进水采用间歇进水方式模拟高速公路雨水径流，SS的进水浓度为126±20mg/L，CODCr的进水浓度为127±20mg/L，TN的进水浓度为4.14±0.3mg/L，NH4⁺-N的进水浓度为1.95±0.3mg/L，TP的进水浓度为0.8～0.57mg/L，自然落下的雨水进水水质与模拟高速公路雨水径流水质相同，自然落下的雨水落到种植结构1，种植一区16和种植二区17的植物可以吸收、净化雨水中携带的多种污染物，种植土层15为植物根系吸附以及微生物降解有机物、金属离子、营养物质和其他污染物提供了一个很好的场所，有较好的过滤和吸附作用，随后雨水进入填料结构2各层与由通过雨水收集管3进入填料结构2的雨水一道进一步进化，模拟高速公路径流雨水通过雨水收集管3进入砾石层4，砾石表面附着有微生物，形成生物膜对雨中有机物进行生物降解，经砾石层4缓冲后雨水第一透水墙5-1进入中粗砂层6，中粗砂层6上部主要靠表层吸附、截留、离子交换和沉淀等作用去除污染物，并添加第一碳源8-1，促进反硝化作用，提高N的去除率及重金属的去除率，经过中粗砂层6的净化后，雨水经第二透水墙5-2进入细砂层9，进一步去除TSS、N、P、重金属等，随后雨水经第三透水墙5-3进入强化吸附层11，通过填料对磷酸根等阴离子的强吸附作用强化除磷效果。

本实用新型的工作原理：

自然落下的雨水经种植结构1的种植一区16、种植二区17所种植的植物和种植土层15的吸收、净化、过滤后去除部分有机物、金属离子、营养物质和其他污染物，随后雨水进入填料结构2的各层与由通过雨水收集管3进入填料结构2的雨水一道进一步进化，汇集的高速公路地表径流雨水，通过雨水收集管3进入砾石层4，雨水在砾石层4内通过砾石的过滤、吸附、生物膜的微生物降解等作用得到净化，雨水经砾石层4缓冲、净化后经第一透水墙5-1进入中粗砂层6，中粗砂层6上部主要靠表层吸附、截留、离子交换和沉淀等作用去除污染物，下部添加第一碳源8-1促进反硝化作用，提高N的去除率及重金属的去除率，经过中粗砂层6的净化后，雨水经第二透水墙5-2进入细砂层9，进一步去除TSS、N、P、重金属等，随后雨水经第三透水墙5-3进入强化吸附层11，通过填料对磷酸根等阴离子的强吸附作用强化除磷效果，整个填料结构2的排水管14以下高度部分为厌氧环境，利于反硝化细菌生长，促进反硝化作用，提高N的去除率及重金属的去除率，处理后的雨水经0.4～0.6m高度处的排水管14排出，出水可贮存于蓄水池，回用做杂用水。

试验结果显示，通过卧式生物滞留池处理得到的水质具有较大的改善，SS去除率为80％，COD去除率为70％，氨氮去除率为90％，TN去除率为80％，TP去除率为80％，卧式生物滞留池中各填料层卧式放置增加了雨水的水力停留时间，设置淹没区形成厌氧环境与外加加碳源耦合，促进反硝化作用，提高N的去除率及重金属的去除率，各填料层以透水材料相分隔，可独立更换填料，易于管理与维护，整个装置中雨水依靠重力自留，无需额外动力，去污成本低，实用价值高。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。