CN117534199A - 生物滞留填料及其制备方法、生物滞留设施 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种生物滞留填料及其制备方法、生物滞留设施，属于雨水处理技术领域，填料包括：接种有全程硝化细菌的沸石、粘土。制备方法包括将沸石进行焙烧；将焙烧后的沸石置于NaCl进行浸泡后，再将沸石进行干燥处理，得到改性沸石；通过污泥富集全程硝化细菌；将改性沸石进行全程硝化细菌接种。生物滞留设施包括基质层，包括上述的生物滞留填料；砾石层，铺设于基质层下方；植土层，铺设于基质层上方；第三透水土工布，设于砾石层底部，并包覆砾石层、基质层、植土层的四周。本发明可使生物滞留设施在低氧环境下将雨水中残留的氨氮转化为硝态氮，进而改善传统生物滞留设施脱氮效果不佳问题。

Description

生物滞留填料及其制备方法、生物滞留设施

技术领域

本发明属于雨水处理技术领域，尤其与一种生物滞留填料及其制备方法、生物滞留设施有关。

背景技术

城市降雨径流脱氮已逐渐成为重要的研究方向，硝化效率低是制约其处理效果的难点问题。随着城市污水处理设施革新及管理水平的升级，点源污染得到了有效控制，以降雨径流污染为代表的面源污染治理成为了城市水环境污染治理的重要方向。以生物滞留设施为代表的径流处理设施多数具有去除悬浮性污染物的功能，但对于氮的去除效果不佳。雨水径流中的氮主要以氨氮（约50%）和硝态氮为主，提高硝化效能是进一步提升总氮去除率的难点问题之一。该问题的主要原因是：生物滞留设施中无氧气补充措施，径流进入设施时，携带的氧气因好氧菌的呼吸代谢作用不断消耗，设施内部逐渐进入低溶解氧状态，传统的两步硝化菌群是严格好氧型微生物，在低溶解氧环境中硝化途径受阻，而好氧段的氧气量难以满足所有氨氮被硝化去除的需要，导致设施硝化效率进一步提升难度大。

发明内容

为了解决上述现有技术缺陷，本申请提供一种生物滞留填料及其制备方法、生物滞留设施，使得生物滞留设施在低氧环境下仍可将雨水中残留的氨氮转化为硝态氮，进而改善传统生物滞留设施脱氮效果不佳问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术：

生物滞留填料，其特征在于，包括：

沸石、粘土，应用时，粘土铺设于生物滞留设施的砾石层上方，且粘土内混合有有机物，应用时，沸石铺设于粘土的上方，沸石、粘土中均接种有全程硝化细菌，用于在缺氧环境下去除雨水中的氨氮，其中，沸石选择经过热处理和Na离子交换的改性沸石。

生物滞留填料制备方法，用于制备上述的生物滞留填料，包括步骤：

S100、将沸石进行焙烧；

S200、将焙烧后的沸石置于NaCl溶液中进行浸泡后，再将沸石进行干燥处理，得到改性沸石；

S300、通过污泥富集全程硝化细菌；

S400、将改性沸石进行全程硝化细菌接种；

S500、将粘土和有机物混合后进行全程硝化细菌接种。

进一步的，步骤S200中的焙烧温度为500°C-550°C。

进一步的，步骤S400、S500中，接种全程硝化细菌时，先将富集好全程硝化细菌的污泥用清水稀释到3000mg/L以上，再将其分多次淋入沸石和粘土。

一种生物滞留设施，包括：

基质层，包括上述的生物滞留设施填料；

砾石层，铺设于基质层下方，且砾石层与基质层通过第一透水土工布隔开；

植土层，铺设于基质层上方，植土层和基质层之间通过第二透水土工布隔开；

第三透水土工布，设于砾石层底部，并包覆砾石层、基质层、植土层的四周。

进一步的，该设施还包括L型壳体，L型壳体内具有容置腔，容置腔内间隔设有多个L型支撑肋条，L型壳体的水平段设有多个竖向的通孔，且水平段设于粘土和沸石之间，L型壳体的竖向段设于第三透水土工布内，且设于植土层和沸石的一侧，且竖向段的顶部具有开口，竖向段延伸出植土层顶部。

进一步的，通孔的直径设置为小于沸石的粒径，用于防止沸石落入容置腔内。

进一步的，植土层顶部的两侧均设有一段轨道，轨道上方设有接种车，接种车包括两对轨道车轮和水箱，两对轨道车轮均转动连接于水箱的底部，轨道车轮通过固定于水箱的一个驱动机构驱动，且两对轨道车轮均卡设于轨道上，水箱底部设有第一出水管和第二出水管，第一出水管的出水口朝向竖向段的开口设置，第二出水管长度方向与轨道车轮的轴向相同，第二出水管底部开设有多个出水孔，且第一出水管、第二出水管的进水端均接入水箱内，并与一个电动阀连接。

进一步的，还包括溢流管，溢流管的顶部高出植土层预定高度，溢流管底部延伸至砾石层内与下水管道连接。

本发明有益效果在于：

1、填料层选择的沸石氨氮的吸附量可达13.4 mg /g以上，能够有效吸附从植土层流下的雨水中的氨氮，且通过接种的全程硝化细菌在缺氧、富氧环境下均可将从植土层流下的雨水中的氨氮，以及沸石中吸附的氨氮转化为硝态氮，被微生物分解利用，防止沸石中吸附的氨氮达到饱和，且填料层选择经过热处理和Na离子交换的改性沸石，能够进一步提高沸石对氨氮的吸附和去除，提高雨水脱氮效果。

2、通过设置L型壳体，在生物滞留设施修建完成后，可从L型壳体顶部注入全程硝化细菌富集液，使全程硝化细菌富集液到达沸石和粘土之间，便于在后续生物滞留设施内全程硝化细菌减少的情况下，直接通过L型壳体向生物滞留设施内添加硝化细菌富集液，提高粘土层的接种效果。

3、植土层顶部的轨道、接种车的设置，结合L型壳体可以同时从植土层上方和基质层的粘土上方同时注入全程硝化细菌富集液，提高接种效率，以及接种的均匀性。

附图说明

图1为本申请实施例的生物滞留设施的整体结构立体图。

图2为本申请实施例的生物滞留设施的剖视图。

图3为图2中A部放大视图。

图4为本申请实施例的生物滞留设施的俯视图。

图5为图4中C部放大视图。

图6为申请实施例的生物滞留设施中接种车的结构立体图。

图7为图6中B部放大视图。

附图标记：植土层-1，基质层-2，砾石层-3，第一透水土工布-4，第二透水土工布-5，第三透水土工布-6，L型壳体-7，轨道-8，轨道车轮-9，水箱-10，溢流管-11，沸石-201，粘土-202，L型支撑肋条-701，水平段-702，竖向段-703，开口-704，第一出水管-1001，第二出水管-1002，出水孔-1003。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请实施例提供一种生物滞留填料，包括沸石201、粘土202，应用时，粘土202铺设于生物滞留设施的砾石层3上方，且粘土202内混合有有机物，作为营养物质供微生物生长，应用时，沸石201铺设于粘土202的上方，沸石201、粘土202中均接种有全程硝化细菌，用于在缺氧环境下去除雨水中的氨氮。

因为沸石201具有多规律孔穴结构，其孔穴与一般物质的分子大小相当，直径约在0.3nm~1nm之间，其比表面积高达400m²/g~800m²/g，特殊的物理结构使沸石具有高效吸附性，能够有效吸附流经的雨水中的氨氮，同时，在缺氧、富氧环境下，被吸附的氨氮均会被沸石上接种的全程硝化细菌转化为硝态氮，后续再被微生物分解利用，可防止沸石201中吸附的氨氮达到饱和。

优选的，选择的沸石201为经过热处理和Na离子交换的改性沸石。沸石201经过热处理后，沸石201中的水逸去，形成疏松多孔的海绵体，可使吸附性能有效提高，沸石201经过Na离子交换后，得到更多的Na离子，能够进一步提高氨氮吸附效果。

填料的制备采用一种生物滞留填料制备方法，具体步骤为：将沸石201在进行焙烧；将焙烧后的沸石201置于NaCl溶液中进行浸泡后，再将沸石201进行干燥处理，得到改性沸石；通过污泥富集全程硝化细菌；将改性沸石进行全程硝化细菌接种；将粘土202和有机物混合后进行全程硝化细菌接种。

具体的，富集全程硝化细菌方法为：先在5L连续流SBR反应器内种接种污水处理厂好氧段污泥1L，在不排水的情况下，连续缓慢输进不高于50mgN/L氨氮浓度的待处理水样。其中，反应器典型进水组成如下：每升含有26.745mg NH₄Cl，50mg KH₂PO₄，75mg KCl，50mgMgSO₄·7H₂O，584mg NaCl，50mg CaCl₂，1mL微量元素溶液。每升微量元素溶液组成如下：34.4mg MnSO₄·1H₂O，50mg H₃BO₃，70mg ZnCl₂,72.6mg Na₂MoO₄·2H₂O，2mg CuCl₂·2H₂O，24mg NiCl₂·6H₂O，80mg CoCl₂·6H₂O，1gFeSO₄·6H₂O。然后控制溶解氧浓度低于1.0mg/L，每个循环进水8h，进水速率为1.45mL/min；沉淀45min，以速率29mL/min出水，再闲置一定时间。最后定期监测反应器内氨氮浓度，当出水氨氮浓度低于0.05mgN/L时，即完成富集。

具体的，焙烧沸石201时，设置焙烧温度为500℃-550℃。因为沸石201具有耐高温特性，但温度太高会破坏其结构使其失去离子交换功能。本实施例在500℃~550℃温度下对沸石201进行焙烧，可提高沸石201机械强度又可加大孔容，增加比表面积，还可增加阳离子的运动活性，使后续Na离子交换进行更充分。

具体的，接种全程硝化细菌时，先将富集好全程硝化细菌的污泥用清水稀释到3000mg/L以上，再将其分多次淋入沸石201和粘土202，可使全程硝化细菌随着清水逐步渗入沸石201和粘土202。

另一方面，如图1-图7所示，本申请提供一种生物滞留设施，包括基质层2、砾石层3、植土层1等。

具体的，参阅图1、图2，基质层2包括上述的生物滞留填料，其中的粘土202铺设于生物滞留设施的砾石层3上方，沸石201铺设于粘土202及有机物的上方，砾石层3铺设于基质层2下方，且砾石层3与基质层2通过第一透水土工布4隔开，植土层1铺设于基质层2上方，植土层1和基质层2之间通过第二透水土工布5隔开，砾石层3底部设有第三透水土工布6，且第三透水土工布6包覆砾石层3、基质层2、植土层1的四周。

雨水流入该生物滞留设施时，先经过最顶层的植土层1进行初步过滤后，向下渗透进入基质层2内，基质层2内接种有全程硝化细菌的沸石201、粘土202会将雨水中的氨氮吸附、转化、分解，实现对雨水的脱氮，后续雨水继续往下流入砾石层3后排入下水管道。

具体的，参阅图1、图4，该生物滞留设施还包括溢流管11，溢流管11的顶部高出植土层1预定高度，溢流管11底部延伸至砾石层3内与下水管道连接，当降雨量过多，生物滞留设施内超出最大蓄水高度时，过多的雨水可从溢流管11直接流入下水管道，防止路面被雨水淹没。

优选的，参阅图1-图2、图4-图5，该生物滞留设施还包括L型壳体7，L型壳体7内具有容置腔，容置腔内间隔设有多个L型支撑肋条701，L型支撑肋条701可用于支撑L型壳体7，防止上方的沸石201下压导致L型壳体7变形，水平段702的顶部和底部均设有多个通孔，具体的，通孔的直径设置为小于沸石201的粒径，用于防止沸石201落入容置腔内，且水平段702设于基质层2的粘土202和沸石201之间，L型壳体7的竖向段703设于第三透水土工布6内，且设于植土层1和沸石201的一侧，且竖向段703的顶部具有开口704，竖向段延伸出植土层1顶部，因为L型支撑肋条701可将容置腔分隔为多个L型的容置空间，从L型壳体7顶部注入全程硝化细菌的富集液后，接种液会被分隔于多个L型的容置空间，形成具有一定高度的水柱，缓慢的从的通孔向下流入粘土202。

接种全程硝化细菌的填料层在使用一段时间后，由于环境原因（例如生物滞留设施中营养物质减少，或者因为降雨较少，流入生物滞留设施内氨氮减少），其内的全程硝化细菌繁殖减缓，导致全程硝化细菌减少，此时需要再次接种全程硝化细菌提高雨水氨氮去除效果，较为直接的方式是直接从植土层1上方淋入全程硝化细菌的富集液，该种方式会使大部的带有全程硝化细菌的污泥粘附于植土层1和沸石201上，而粘土202内接种到的全程硝化细菌较少。设置L型壳体7后，可使全程硝化细菌的富集液直接通过L型壳体7的空腔均匀的流入粘土202内，提高接种的均匀性，提高雨水中氨氮的去除效果。

优选的，参阅图1、图2、图6、图7，植土层1顶部的两侧均设有一段轨道8，轨道8上方设有接种车，接种车包括两对轨道车轮9和水箱10，两对轨道车轮9均转动连接于水箱10底部，轨道车轮9通过固定于水箱10的一个驱动机构驱动，具体的，驱动机构可选择电机，两对轨道车轮9均卡设于轨道8上，水箱10底部设有第一出水管1001和第二出水管1002，第一出水管1001的出水口朝向竖向段703的开口704设置，第二出水管1002长度方向与轨道车轮9的轴向相同，第二出水管1002底部开设有多个出水孔1003，且第一出水管1001、第二出水管1002的进水端均接入水箱10内，并与一个电动阀连接。当需要在生物滞留设施内补充接种全程硝化细菌时，在水箱10内注入稀释得到的全程硝化细菌富集液，然后打开电动阀，同时控制驱动机构带动轨道车轮9转动即可将全程硝化细菌富集液同时注入植土层1上方，以及L型壳体7内，可有效提高接种效率，接种完成后，可通过防水布、防水胶条等方式材料盖住L型壳体7顶部，防止雨水从顶部流入其中即可。

经过测试，该生物滞留设施稳定运行20天后，得到下表关于生物滞留设施污染物平均去除率。

	进水浓度	出水浓度	去除率
				氨氮	28mg/L	0.52±0.25mg/L	85.1±0.9%

经过测试，该生物滞留设施稳定运行50天后，又得到下表关于生物滞留设施污染物平均去除率。

	进水浓度	出水浓度	去除率
				氨氮	28mg/L	0.48±0.51mg/L	85.1±1.8%

具体的，测试方式为，先配置模拟雨水：在200升PE加药桶中加入180L自来水，静置至少24小时以减少余氯的影响。每次测试开始前搅拌曝气，模拟实际雨水高溶解氧特性。再投加配置好的污染物原液，定容到200L并顺时针搅拌15min。其中污染物主要成分来自以下物质，硝酸（KNO₃），氯化铵（NH₄Cl），磷酸二氢钾（KH₂PO₄），甘氨酸（C₂H₅NO₂），乙酸钠（CH₃COONa）。具体浓度污染物浓度选取参考实地检测的城市雨水径流溶解态营养物浓度，取这些研究中较高值并考虑实验室当中自来水自带的游离氮影响。本实验方法的污染物浓度选取为富集全程硝化细菌（Commammox）满负荷时氨氮浓度为28mg/L。

最后，将配置好的模拟雨水通过蠕动泵缓慢蠕动泵运送到15孔布水喷头均匀布入该生物滞留设施上方，定期收集出水并监测水质出水水质即可。

显然与传统生物滞留设施氨氮去除率不足70%相比，该生物滞留设施可大幅增加生物滞留设施对雨水中的氨氮去除率。发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。

Claims (10)

1.生物滞留填料，其特征在于，包括沸石（201）和粘土（202），应用时，粘土（202）铺设于生物滞留设施的砾石层（3）上方，且粘土（202）内混合有有机物，应用时，沸石（201）铺设于粘土（202）上方，沸石（201）、粘土（202）中均接种有全程硝化细菌，用于在缺氧环境下去除雨水中的氨氮。

2.根据权利要求1所述的生物滞留填料，其特征在于，沸石（201）为经过热处理和Na离子交换的改性沸石。

3.生物滞留填料制备方法，用于制备权利要求2所述的生物滞留填料，其特征在于，包括步骤：

S100、将沸石（201）进行焙烧；

S200、将焙烧后的沸石（201）置于NaCl溶液中进行浸泡后，再将沸石（201）进行干燥处理，得到改性沸石；

S300、通过污泥富集全程硝化细菌；

S400、将改性沸石进行全程硝化细菌接种；

S500、将粘土（202）和有机物混合后进行全程硝化细菌接种。

4.根据权利要求3所述的生物滞留填料制备方法，其特征在于，步骤S200中的焙烧温度为500°C-550°C。

5.根据权利要求3所述的生物滞留填料制备方法，其特征在于，步骤S400、S500中，接种全程硝化细菌时，先将富集好全程硝化细菌的污泥用清水稀释到3000mg/L以上，再将其分多次淋入改性沸石和粘土（202）。

6.一种生物滞留设施，其特征在于，包括：

基质层（2），包括权利要求1或2任意一项所述的生物滞留填料；

砾石层（3），铺设于基质层（2）下方，且砾石层（3）与基质层（2）通过第一透水土工布（4）隔开；

植土层（1），铺设于基质层（2）上方，植土层（1）和基质层（2）之间通过第二透水土工布（5）隔开；

第三透水土工布（6），设于砾石层（3）底部，并包覆砾石层（3）、基质层（2）、植土层（1）的四周。

7.根据权利要求6所述的一种生物滞留设施，其特征在于，还包括L型壳体（7），L型壳体（7）内具有容置腔，容置腔内间隔设有多个L型支撑肋条（701），L型壳体（7）的水平段（702）设有多个竖向的通孔，且水平段（702）设于基质层（2）的粘土（202）和沸石（201）之间，L型壳体（7）的竖向段（703）设于第三透水土工布（6）内，且设于植土层（1）和沸石（201）的一侧，且竖向段（703）的顶部具有开口（704），竖向段延伸出植土层（1）顶部。

8.根据权利要求7所述的一种生物滞留设施，其特征在于，通孔的直径设置为小于沸石（201）的粒径。

9.根据权利要求7所述的一种生物滞留设施，其特征在于，植土层（1）顶部的两侧均设有一段轨道（8），轨道（8）上方设有接种车，接种车包括两对轨道车轮（9）和水箱（10），两对轨道车轮（9）均转动连接于水箱（10）的底部，轨道车轮（9）通过固定于水箱（10）的一个驱动机构驱动，且两对轨道车轮（9）均卡设于轨道（8）上，水箱（10）底部设有第一出水管（1001）和第二出水管（1002），第一出水管（1001）的出水口朝向开口（704）设置，第二出水管（1002）长度方向与轨道车轮（9）的轴向相同，第二出水管（1002）底部开设有多个出水孔（1003），且第一出水管（1001）、第二出水管（1002）的进水端均接入水箱（10）内，并与一个电动阀连接。

10.根据权利要求6所述的一种生物滞留设施，其特征在于，还包括溢流管（11），溢流管（11）的顶部高出植土层（1）预定高度，溢流管（11）底部延伸至砾石层（3）内与下水管道连接。