一种颗粒状生物滞留设施生长介质的制作工艺及其制备装置的制作方法

1.本发明涉及环境保护工程技术领域，具体为一种颗粒状生物滞留设施生长介质的制作工艺及其制备装置。


背景技术：

2.生物滞留设施指在地势相对较低的区域，通过植物、土壤和微生物系统蓄渗、净化径流雨水的设施，是海绵城市建设中最典型的“细胞体”，因其兼具良好的水量控制、水质处理和景观功能，在海绵城市建设中得到广泛的应用，而生长介质是生物滞留设施的重要组成部分，应用于生物滞留设施的种植层，对径流调控、污染物去除和植物生长有着重要影响。
3.一般来说，生长介质由50%
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60%的砂、40%
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50%的壤土/壤质砂土/砂质壤土组成，为避免粘土过多会造成介质堵塞的问题，导致介质的渗透性降低，介质中粘土含量应最小化，最好小于5%，且作为生长介质原料的土壤中不能含有重金属污染，以避免生长介质中as，cu和zn等重金属元素输出，导致受纳水体和地下水受到污染，同时为满足植物生长需求，还会添加适量的有机质。
4.目前在国内海绵城市施工的生物滞留设施中，应用最为广泛的种植层生长介质为中粗砂与椰糠混合的生长介质，其主要成为中粗沙（60-80%），椰糠（10-20%）和直径大于5微米的种植土（10-20%），椰糠由于具有良好的吸水性、保水性和耐腐性，能极大地改善了土壤的性能。但近年来，由于椰糠的市场供应偏窄，价格极容易波动，同时由于大多数地区开始禁止河沙的采集，导致河沙价格近来猛涨，直接影响到海绵城市施工时生物滞留设施的施工成本。此外，也有基于粗沙和腐殖土的混合生长介质，但腐植土质量难以控制，在设施长期运行过程中，会有部分营养物和重金属浸出，导致存在污染出水水质的风险。同时椰糠和腐殖质在自然降解时，会导致生长介质的板结和堵塞，极大增加维护成本和减少设施的生命周期。另外，基于河沙的生长介质不仅成本高，而且河沙属于不可再生资源，碳足迹大，不符合当今的碳达峰、碳中和发展目标。
5.因此，本发明提供一种颗粒状生物滞留设施生长介质的制作工艺及其制备装置来解决目前存在的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种制作成本降低同时减少碳足迹的颗粒状生物滞留设施生长介质的制作工艺及其制备装置。
7.为实现上述目的，本发明提供一种颗粒状生物滞留设施生长介质的制作工艺：s1:现场取土，并将土壤自然晾晒干，使得土壤含水率降至30%以下；s2:将s1中经过干燥的含水率小于30%的土壤通过转送带运至粉碎机进行粉碎；s3:将s2中粉碎后的土壤转运至筛分机进行筛分；s4：将s3中筛分后粒径2mm以上的砾石直接回填至生物滞留设施砾石层，粒径2mm
以下的土壤准备造粒；s5:将粘合剂稀释于水中制备得到粘合剂稀释液；s6：将s4中粒径2mm以下的土壤导入至造粒机内，并添加s5中制备的粘合剂稀释液进行混合再造粒。
8.由此可见，本工艺中使用通过专业调配的黏合剂对现场土壤的物理性质和结构等性能进行改良，并提出一套施工现场制作生长介质的生产工艺，将现场开挖出来的原土改造成较基于河沙的生长介质更为便宜、功能更好的生长介质，同时本工艺降低生长介质的材料和制作成本，且具有便于施工以及减少碳足迹的效果，同时基于本黏合剂制成的生长介质具有较高的保水功能，对营养物的吸附效率远远高于基于河沙的生长介质，因此适用于大多数景观种植的植物，并提供充足的养分和水分，景观设计师可以根据自己的爱好，打造出既有海绵功能，又有美感的各种景观。
9.进一步的，粘合剂由pam、nasio和固化酶组成，pam是由单体丙烯酰胺聚合而成的高分子有机物，固化酶含有至少20%的蛋白酶和10%的土壤酶。
10.在预处理后的现场土中加入pam 后会发生水解、缩聚反应，生成线性高聚物，在线的两端分别连接颗粒，故可在相距较远的颗粒间实现架桥连接，使微粒团聚成较大颗粒，由于预处理的现场土中含有一定量的黏土矿物，与亲水基团酰胺基（-conh）形成h键，起到吸附作用，现场土在大部分季节含水率较高（30-40%），需要采用固化酶将土壤颗粒间的水张力破坏，打破颗粒间双电层结构，促使颗粒聚集，在pam和固化酶的作用下，土壤形成网状结构，宏观表现为内聚力、内摩擦角和抗剪强度的提高，一般现场土颗粒间存在带正电的碱金属阳离子，加入nasio的目的是使现场土中的阳离子与带负电的sio相互吸引，sio聚集在土颗粒表面，排列更加紧密，另一方面，sio与溶液中的h和黏土矿物中的ca 发生化学反应，生成的硅酸凝胶（hsso）和硅酸钙凝胶（casio）充填在土壤孔隙中，土颗粒被硅酸凝胶和硅酸钙凝胶包裹联结形成团粒，最后在蛋白酶和压力的作用下，团粒化颗粒进一步胶结，这些团粒化颗粒在胶结过程中产生一些空隙和通道，在土壤颗粒之间进一步形成有效的作用力，并且保留部分活性成分，在较长的时间内稳定地增加强度，土壤酶的作用是将余泥中的有机物中的纤维碳化，增加对污染物的吸附能力。
11.进一步的，s5中的粘合剂和水的比例为1：100。
12.通过将粘合剂和水按照1；100的比例进行混合，可对粘合剂起到最好的稀释效果，从而便于其和土壤混合。
13.进一步的，s6中的粘合剂稀释液的添加比例为0.6%。
14.通过按照0.6%的比例将粘合剂稀释液添加至土壤内部可发挥较好的凝聚胶结效果。
15.本发明还提供一种颗粒状生物滞留设施生长介质的制备装置，包括破碎机、振动筛选机、圆盘造粒机和添料装置，破碎机顶部设置有进料口，破碎机的一侧设置有排料口，振动筛选机的顶部设置有入料口，振动筛选机的外侧分别设置有排料管a和排料管b，添料装置包括设置于圆盘造粒机一侧的立柱、设置于立柱顶部的储存罐以及固定于储存罐底部一侧的计量泵，计量泵进流端相通连接有进流管，计量泵的排流端相通连接有排流管，进流管末端和储存罐的底部相通连接，排流管的末端对准于圆盘造粒机，排流管的末端处还安装有喷淋盘，喷淋盘上还设置有可促使粘合剂稀释液均匀喷洒的喷淋装置，破碎机和振动
筛选机之间设置有输送带，输送带呈倾斜状设置，振动筛选机和圆盘造粒机之间设置有绞龙输送机，绞龙输送机呈倾斜状设置。
16.由此可见，通过破碎机可将现场土破碎成颗粒状，便于和粘合剂充分混合进行造粒，通过振动筛选机可将粒径大于2mm的颗粒状的砾石和粒径小于2mm的土壤进行筛分，并分别从排料管a和排料管b排出，实现较好的筛选效果。
17.由于在添加粘合剂稀释液时，使用喷头将稀释液喷在圆盘造粒机内和土壤进行混合时，由于圆盘造粒机的盘径较大，传统的喷头的喷射范围一定，在喷头将稀释液喷出时不能覆盖整个造粒盘的内部，导致造粒盘内的土壤和粘合剂稀释液混合不够均匀充分，通过添料装置和喷淋装置的有效配合可将粘合剂稀释液均匀的大面积的喷洒在造粒盘的内部，使得粘合剂稀释液能够充分的混合于土壤内部，便于提高颗粒物的造粒质量。
18.进一步的，输送带的进料端对接于排料口，输送带的排料端对接于入料口。
19.通过输送带的两端分别对接于排料口和入料口，可由输送带方便的将破碎机破碎后的颗粒从入料口导入至振动筛选机内部，实现物料从破碎机转运到振动筛选机的效果。
20.进一步的，绞龙输送机的入料端和排料管b相通连接，绞龙输送机的出料端对准于圆盘造粒机。
21.通过绞龙输送机可将由排料管b排出的粒径小于2mm的颗粒转移至圆盘造粒机内部进行造粒处理，从而实现物料从振动筛选机转运到圆盘造粒机的效果。
22.进一步的，喷淋盘（8）内部开设有和排流管相通的内腔，内腔内底壁呈环形排列等距设有六贯通于喷淋盘底部的连通孔，喷淋装置包括呈环形排列等距安装于喷淋盘底部的六喷淋头、转动安装于内腔内底壁中间处的转轴、固定套接于转轴外部的转动盘、等距分布安装于转动盘上表面的六组挡叶以及贯通设置于转动盘上的导流孔，六喷淋头的喷淋口朝向和喷淋盘的中心轴向的夹角为135
°
，六连通孔和六连通孔一一对应相通，六挡叶均呈倾斜状设置于挡叶上，转动盘的下方和内腔的内底壁滑动贴合，导流孔距离喷淋盘的中心轴线距离和连通孔距离喷淋盘的中心轴线距离保持一致，喷淋盘底部安装有驱动马达，转轴的底端贯穿至喷淋盘的底部并和驱动马达的输出端同轴固定连接。
23.在粘合剂稀释液喷淋时，通过计量泵可将稀释液从储存罐内由排流管导入至内腔内部，同时驱动马达工作带动转轴和转动盘转动，转动盘上呈倾斜设置的挡叶随着转动盘转动，可将内腔内的稀释液进行搅拌，使其保证均匀的浓度，同时随着转动盘转动带动导流孔和某个连通孔对齐时，由于内腔内的压力作用，可将稀释液从连通孔压入至喷淋头内部，随着转动盘转动一周，喷淋盘底部的六喷淋头可依次向造粒盘内部喷出稀释液与土壤进行混合，由于六组喷淋头呈向外侧倾斜设置，进而使得稀释液喷射路线向外扩散，提高了喷液的范围，同时通过六喷淋头逐次喷淋，保证造粒盘内部的土壤大面积能和粘合剂稀释液均匀混合，同时通过在转动盘上只设置一组导流孔，可避免内腔内稀释液过度分流从连通孔流出，从而可保证内腔内部的压力，进而有助于提升喷淋头的喷淋效果。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明使用通过专业调配的黏合剂对现场土壤的物理性质和结构等性能进行改良，并提出一套施工现场制作生长介质的生产工艺，将现场开挖出来的原土改造成较基于河沙的生长介质更为便宜、功能更好的生长介质，同时本工艺降低生长介质的材料和制作成本，且具有便于施工以及减少碳足迹的效果；
2.目前海绵城市建设指南要求生物滞留设施需要去除50%以上的悬浮物，对营养物去除没有要求，而本发明中，基于本黏合剂制成的生长介质对悬浮物去除率大于80%，对总磷的去除率为40-90%，对氨氮的去除率为40-60%,对总氮的去除率为20-40%，满足住建部海绵城市建设指南生物滞留设施对污染物去除的标准；3.本发明中基于本黏合剂制成的生长介质具有较高的保水功能，对营养物的吸附效率远远高于基于河沙的生长介质，因此适用于大多数景观种植的植物，并提供充足的养分和水分，景观设计师可以根据自己的爱好，打造出既有海绵功能，又有美感的各种景观，满足景观设计师对植物种植的要求；4.本发明中由于六组喷淋头呈向外侧倾斜设置，进而使得稀释液喷射路线向外扩散，提高了喷液的范围，同时通过六喷淋头逐次喷淋，保证造粒盘内部的土壤大面积能和粘合剂稀释液均匀混合。
附图说明
25.图1为本发明的颗粒状生物滞留设施生长介质的制作工艺流程示意图；图2为本发明的颗粒状生物滞留设施生长介质的制备装置结构示意图;图3为本发明的喷淋盘外表面局部结构示意图;图4为本发明的喷淋盘剖面结构示意图；图5为本发明的转动盘结构安装示意图。
26.图中标号说明：1、破碎机；101、进料口；102、排料口；2、输送带；3、振动筛选机；301、入料口；302、排料管a；303、排料管b；4、绞龙输送机；5、圆盘造粒机；6、储存罐；601、立柱；7、计量泵；701、进流管；702、排流管;8、喷淋盘；801、内腔；802、喷淋头；803、连通孔；804、转轴；805、转动盘；806、挡叶；807、导流孔；808、驱动马达。
具体实施方式
27.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。
28.请参阅图1，本发明实施例提供一种颗粒状生物滞留设施生长介质的制作工艺：s1:现场取土，并将土壤自然晾晒干，使得土壤含水率降至30%以下；s2:将s1中经过干燥的含水率小于30%的土壤通过转送带运至粉碎机进行粉碎；s3:将s2中粉碎后的土壤转运至筛分机进行筛分；s4：将s3中筛分后粒径2mm以上的砾石直接回填至生物滞留设施砾石层，粒径2mm以下的土壤准备造粒；s5:将粘合剂稀释于水中制备得到粘合剂稀释液；s6：将s4中粒径2mm以下的土壤导入至造粒机内，并添加s5中制备的粘合剂稀释液进行混合再造粒。
29.本工艺中使用通过专业调配的黏合剂对现场土壤的物理性质和结构等性能进行改良，并提出一套施工现场制作生长介质的生产工艺，将现场开挖出来的原土改造成较基
于河沙的生长介质更为便宜、功能更好的生长介质，同时本工艺降低生长介质的材料和制作成本。
30.具体的，粘合剂由pam、nasio和固化酶组成，pam是由单体丙烯酰胺聚合而成的高分子有机物，固化酶含有至少20%的蛋白酶和10%的土壤酶。
31.在预处理后的现场土中加入pam 后会发生水解、缩聚反应，生成线性高聚物，在线的两端分别连接颗粒，故可在相距较远的颗粒间实现架桥连接，使微粒团聚成较大颗粒，由于预处理的现场土中含有一定量的黏土矿物，与亲水基团酰胺基（-conh）形成h键，起到吸附作用；现场土在大部分季节含水率较高（30-40%），需要采用固化酶将土壤颗粒间的水张力破坏，打破颗粒间双电层结构，促使颗粒聚集，在pam和固化酶的作用下，土壤形成网状结构，宏观表现为内聚力、内摩擦角和抗剪强度的提高，一般现场土颗粒间存在带正电的碱金属阳离子，加入nasio的目的是使现场土中的阳离子与带负电的sio相互吸引，sio聚集在土颗粒表面，排列更加紧密，另一方面，sio与溶液中的h和黏土矿物中的ca 发生化学反应，生成的硅酸凝胶（hsso）和硅酸钙凝胶（casio）充填在土壤孔隙中，土颗粒被硅酸凝胶和硅酸钙凝胶包裹联结形成团粒；最后在蛋白酶和压力的作用下，团粒化颗粒进一步胶结，这些团粒化颗粒在胶结过程中产生一些空隙和通道，在土壤颗粒之间进一步形成有效的作用力，并且保留部分活性成分，在较长的时间内稳定地增加强度，土壤酶的作用是将余泥中的有机物中的纤维碳化，增加对污染物的吸附能力。
32.具体的，s5中的粘合剂和水的比例为1：100，通过将粘合剂和水按照1；100的比例进行混合，可对粘合剂起到最好的稀释效果，从而便于其和土壤混合。
33.具体的，s6中的粘合剂稀释液的添加比例为0.6%，通过按照0.6%的比例将粘合剂稀释液添加至土壤内部可发挥较好的凝聚胶结效果。
34.请参阅图2-5，本发明实施例提供一种颗粒状生物滞留设施生长介质的制备装置包括破碎机1、振动筛选机3、圆盘造粒机5和添料装置，破碎机1顶部设置有进料口101，破碎机1的一侧设置有排料口102，振动筛选机3的顶部设置有入料口301，振动筛选机3的外侧分别设置有排料管a302和排料管b303，添料装置包括设置于圆盘造粒机5一侧的立柱601、设置于立柱601顶部的储存罐6以及固定于储存罐6底部一侧的计量泵7，计量泵7的进流端相通连接有进流管701，计量泵7的排流端相通连接有排流管702，进流管701末端和储存罐6的底部相通连接，排流管702的末端对准于圆盘造粒机5，排流管702的末端处还安装有喷淋盘8，喷淋盘8上还设置有可促使粘合剂稀释液均匀喷洒的喷淋装置，破碎机1和振动筛选机3之间设置有输送带2，输送带2呈倾斜状设置，振动筛选机3和圆盘造粒机5之间设置有绞龙输送机4，绞龙输送机4呈倾斜状设置；本装置通过破碎机1可将现场土破碎成颗粒状，便于和粘合剂充分混合进行造粒，通过振动筛选机3可将粒径大于2mm的颗粒状的砾石和粒径小于2mm的土壤进行筛分，并分别从排料管a302和排料管b303排出，实现较好的筛选效果，通过添料装置可将粘合剂稀释液均匀的喷洒再圆盘造粒机5内部，经圆盘造粒机5可将粘合剂稀释液和土壤充分均匀的混合并造出颗粒物。
35.具体的，输送带2的进料端对接于排料口102，输送带2的排料端对接于入料口301，
通过输送带2的两端分别对接于排料口102和入料口301，可由输送带2方便的将破碎机1破碎后的颗粒从入料口301导入至振动筛选机3内部，实现物料从破碎机1转运到振动筛选机3的效果。
36.具体的，绞龙输送机4的入料端和排料管b303相通连接，绞龙输送机4的出料端对准于圆盘造粒机5，通过绞龙输送机4可将由排料管b303排出的粒径小于2mm的颗粒转移至圆盘造粒机5内部进行造粒处理，从而实现物料从振动筛选机3转运到圆盘造粒机5的效果。
37.具体的，喷淋盘8内部开设有和排流管702相通的内腔801，内腔801内底壁呈环形排列等距设有六贯通于喷淋盘8底部的连通孔803，喷淋装置包括呈环形排列等距安装于喷淋盘8底部的六喷淋头802、转动安装于内腔801内底壁中间处的转轴804、固定套接于转轴804外部的转动盘805、等距分布安装于转动盘805上表面的六组挡叶806以及贯通设置于转动盘805上的导流孔807，六喷淋头802的喷淋口朝向和喷淋盘8的中心轴向的夹角为135
°
，六连通孔803和六连通孔803一一对应相通，六挡叶806均呈倾斜状设置于挡叶806上，转动盘805的下方和内腔801的内底壁滑动贴合，导流孔807距离喷淋盘8的中心轴线距离和连通孔803距离喷淋盘8的中心轴线距离保持一致，喷淋盘8底部安装有驱动马达808，转轴804的底端贯穿至喷淋盘8的底部并和驱动马达808的输出端同轴固定连接，在粘合剂稀释液喷淋时，通过计量泵7可将稀释液从储存罐6内由排流管702导入至内腔801内部，同时驱动马达808工作带动转轴804和转动盘805转动，转动盘805上呈倾斜设置的挡叶806随着转动盘805转动，可将内腔801内的稀释液进行搅拌，使其保证均匀的浓度，同时随着转动盘805转动带动导流孔807和某个连通孔803对齐时，由于内腔801内的压力作用，可将稀释液从连通孔803压入至喷淋头802内部，随着转动盘805转动一周，喷淋盘8底部的六喷淋头802可依次向造粒盘内部喷出稀释液与土壤进行混合，由于六组喷淋头802呈向外侧倾斜设置，进而使得稀释液喷射路线向外扩散，提高了喷液的范围，同时通过六喷淋头802逐次喷淋，保证造粒盘内部的土壤大面积能和粘合剂稀释液均匀混合，同时通过在转动盘805上只设置一组导流孔807，可避免内腔801内稀释液过度分流从连通孔803流出，从而可保证内腔801内部的压力，进而有助于提升喷淋头802的喷淋效果。
38.本发明还提供了污染物去除效果的试验，通过委托珠海深圳清华大学研究院创新中心,测定本技术实施例所制得的颗粒状生物滞留设施生长介质层填料前后的水样中悬浮物、氨氮浓度、总磷浓度、总氮浓度、化学需氧量浓度以及溶解性总固体浓度，测试方法及检测出限、仪器设备信息如表1所示，净化性能评价内容和要求如表2所示，样品信息内容如表3所示，试验结果如表4所示:表1 测试方法及检测出限、仪器设备信息
表2 净化性能评价内容和要求表3 样品信息内容
表4 试验结果目前海绵城市建设指南要求生物滞留设施需要去除50%以上的悬浮物，对营养物去除没有要求，综合试验结果来看，通过本发明的颗粒状生物滞留设施生长介质的制作工艺及其制备装置制得的该10mm
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100mm颗粒状生物滞留设施的生长介质，具有长期连续浸泡在水中不散和在强降雨冲刷下不散的特征，孔隙率大于40%，长期稳定渗透率为150mm/hr — 200mm/hr，对ss的去除率大于80%，对总磷的去除率大于60%，适合于各种植物的生长，同时该生长介质不仅仅能有效去除雨水径流中的ss，而且还可以有效去除雨水径流中的营养物，保护受纳水体不受雨水径流污染。
39.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
40.不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。