一种用于城市面源总氮控制的生物炭改良生物滞留池

本发明涉及城市面源污染控制及雨水径流生态处理 ，尤其是涉及一种用于城市面源总氮控制的生物炭改良生物滞留池。

背景技术：

1、城市化发展导致不透水面积增加，降雨径流在冲刷道路、屋面、绿地及其他硬化下垫面过程中，易携带氮、磷、有机物和悬浮物等污染物进入城市排水系统及受纳水体，形成典型城市面源污染。该类污染具有来源分散、受降雨过程影响显著、污染物输出呈脉冲式变化等特点。其中，总氮是城市面源污染控制中的重要指标，也是近岸海湾、城市河道和湖库富营养化控制中的关键污染物。

2、生物滞留池、雨水花园等低影响开发设施是城市雨水径流污染控制的重要技术单元，通常通过表层蓄水、填料过滤、植物吸收、微生物转化和底部排水等过程削减径流污染负荷。该类设施结构相对灵活、施工适应性较强，适合在城市绿地、道路边带、校园、公园和居住区等场景中分散布设，已成为海绵城市建设中常用的雨水径流控制措施。

3、然而，传统生物滞留设施对总氮的控制效果仍存在不稳定的问题。氮素在设施内部涉及氨氮吸附、硝化、硝态氮迁移、有机氮释放、植物吸收和微生物转化等多个过程，若填料组成和植物配置不合理，设施可能主要依靠径流水量削减降低外排总氮负荷，而难以稳定实现出水总氮浓度降低，甚至可能出现出水总氮浓度升高的情况。同时，为促进硝态氮的厌氧反硝化，传统设施常采用设置抬高出水结构形成内部淹没区的设计，这不仅增加了施工复杂度，也对进水碳源提出了更高要求，进一步限制了其在低有机质雨水场景下的适用性。

4、因此，亟需开发一种结构简单、材料易得、适合城市绿地及雨水花园改造应用，并能够兼顾水量削减和总氮负荷削减的改良生物滞留池，特别是能够在无需设置内部淹没区和复杂出水调节装置的情况下，依靠填料与植物的协同作用稳定改善出水水质。

5、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：“传统生物滞留池无法在结构简单、无需额外碳源的低维护条件下，稳定实现降雨径流中总氮浓度的有效削减”。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种用于城市面源总氮控制的生物炭改良生物滞留池，包括：

4、池体，为上部开口结构；

5、蓄水层，设于池体内上部，用于在降雨过程中对雨水径流进行滞蓄；

6、生物炭改良填料层，设于蓄水层下方，生物炭改良填料层包括基础土壤与生物炭的混合物；

7、过渡层，设于生物炭改良填料层下方，由透水介质装填而成；

8、排水层，设于过渡层下方，用于汇集下渗径流；

9、出水口，置于池体的底壁或侧壁底部，并与排水层连通，出水口用以实现对池体的自由排水，确保池体内不形成内部淹没区；

10、植物，种植于生物炭改良填料层上部，其根系伸入生物炭改良填料层内。

11、在一些实施例中，生物炭包括椰壳生物炭，椰壳生物炭的粒径为2～4mm，且椰壳生物炭按其干质量占基础土壤干质量1.5%的比例与基础土壤均匀混合。

12、在一些实施例中，椰壳生物炭的碘吸附值为937mg/g，水分为4.231%，灰分为4.22%，表观密度为0.531g/cm3，ph值为7.4。

13、在一些实施例中，透水介质包括透水颗粒材料，透水隔离层由透水颗粒材料装填形成。

14、在一些实施例中，透水颗粒材料为粒径1～3 mm的粗砂，排水层为由粒径约3 cm的砾石装填形成的砾石排水层。

15、在一些实施例中，植物包括鸢尾或肾蕨。

16、在一些实施例中，生物炭改良填料层与植物共同作用，使生物炭改良生物滞留池对总氮的浓度去除率由负值转为正值，并同时实现nh4+-n和no3--n的正向去除。

17、在一些实施例中，蓄水层、生物炭改良填料层、过渡层和排水层的厚度分别为15cm、25cm、10cm和20cm，且各层之间均设置有筛网，用于减少不同层间材料掺混。

18、在一些实施例中，还提供一种利用本发明的生物炭改良生物滞留池处理城市降雨径流的方法，包括以下步骤：

19、雨水径流进入池体的蓄水层，在蓄水层中形成滞蓄，以降低径流冲刷强度并延缓下渗过程；

20、经滞蓄后的径流向下进入生物炭改良填料层，在生物炭改良填料层中，通过生物炭的吸附作用、微生物的转化作用以及植物根系的吸收作用，对径流中的总氮进行削减；

21、经生物炭改良填料层处理后的径流穿过过渡层，并进入排水层，由排水层汇集下渗；

22、经排水层汇集的径流通过出水口排出，且出水口保持常开状态，以实现对池体的自由排水，确保池体内不形成内部淹没区。

23、本发明具有如下有益效果：

24、本发明提供的一种用于城市面源总氮控制的生物炭改良生物滞留池，通过池体、蓄水层、生物炭改良填料层、过渡层、排水层、出水口及植物的集成与协同作用，实现了在无内部淹没区条件下对城市降雨径流中总氮的稳定、高效削减。

25、具体而言，池体为上部开口结构，为各功能层的布置提供了容纳空间与结构支撑；蓄水层设于池体内上部，用于在降雨过程中对雨水径流进行滞蓄，其通过降低径流下渗速度和削减水流冲刷强度，为下游填料层提供了稳定、均匀的水力负荷，同时为后续的物理过滤、吸附和生物反应赢得了充足的水力停留时间；生物炭改良填料层设于蓄水层下方，生物炭改良填料层包括基础土壤与生物炭的混合物，生物炭因其高比表面积和多孔结构，能够通过物理截留、表面吸附和离子交换作用高效拦截径流中的氨氮及部分有机氮，同时，生物炭的多孔结构可为微生物附着和局部微环境形成提供载体条件，并与植物根系作用共同参与氮素吸附、滞留和转化过程；过渡层设于生物炭改良填料层下方，由透水介质装填而成，其能够有效阻隔生物炭改良填料层中的细颗粒物料向下迁移，防止下部层间堵塞，并改善下渗水流在下部断面上的均匀分布；排水层设于过渡层下方，用于汇集下渗径流，为经处理后的出水提供顺畅的收集和导排通道；出水口置于池体的底壁或侧壁底部，并与排水层连通，出水口用以实现对池体的自由排水，确保池体内不形成内部淹没区，该设置避免了传统生物滞留池因内部淹没区而必须依赖外部碳源投加以维持反硝化过程的复杂操作，简化了设施结构，同时消除了因长期淹没厌氧导致的填料层还原性物质累积和出水水质恶化的风险；植物种植于生物炭改良填料层上部，其根系伸入生物炭改良填料层内，植物根系在生长过程中能够直接吸收利用径流中的硝态氮和氨氮，同时根系分泌物的释放和根系周围氧环境的营造，可改善生物炭改良填料层中的根际微环境，促进根际有益脱氮微生物的活性，并进一步改善填料层的渗透性能。

26、显然，上述技术特征并非简单叠加，而是构成了一个多机制耦合的总氮削减系统：蓄水层的水力缓冲、生物炭改良填料层的物理吸附与微生物转化、植物的根系吸收与根际效应、过渡层的级配防堵、排水层的顺畅导排以及出水口的自由排水模式，从径流进入、滞蓄、过滤、吸附、吸收、转化到最终排出，每一环节环环相扣。该生物滞留池在无需设置内部淹没区的条件下，通过在生物炭改良填料层中构建兼具物理吸附、植物吸收和微生物转化的三维脱氮体系，有效克服了传统设施依赖淹没区反硝化带来的结构复杂、碳源依赖性强以及低有机质降雨条件下硝态氮去除效果差的缺陷，显著提高了出水总氮浓度的削减率与稳定性，实现了总氮从水量削减到水质改善的全面控制，是一种结构简单、运行稳定、无需额外投加碳源的城市面源总氮控制生态设施。

27、本发明的其他有益效果将在下文中进一步述及。