一种生物炭强化脱氮效果的渗透铺装结构的制作方法

1.本发明属于绿色基础设施技术领域，涉及一种生物炭强化脱氮效果的渗透铺装结构。


背景技术：

2.随着城市的不断发展，不透水下垫面面积快速增加，雨水径流冲刷不透水下垫面后将各种污染物带入水体，造成面源污染；降水下渗和土壤水分蒸发受阻，城市热岛效应日益严重。渗透铺装作为一种典型的低影响开发技术，已被广泛使用以替代部分传统不透水铺面。透水铺装具有滞留、积蓄雨水，截留地面径流污染，降低地表温度，缓解城市热岛问题等作用。
3.发明专利cn201711437591.9提出了一种新型渗透铺装设施，该设施在降雨时截留、存储大部分雨水径流，晴天时蓄滞的雨水通过毛细柱的毛细吸水作用向上传导，水分经面层蒸发后可降低面层温度，有效缓解城市热岛问题。蓄水层的设置保证了设施的水量供应，毛细柱的设置加强了蒸发效果，从而延长设施缓解热岛效应的作用时间。
4.雨水径流已被证实为重要的氮污染源，现有渗透铺装设施因内部缺乏反硝化作用发生的条件，难以去除径流中总氮。上述新型渗透铺装设施虽然蒸发效果强，有效减少了降雨事件中发生出流的频次与水量，但因设施在降雨间隔期不能发生脱氮反应，设施内积水中的氮素存在浓缩与累积现象。暴雨事件中设施发生溢流时，总氮含量高的出水排放，导致氮素的面源污染负荷并未降低。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了提供一种生物炭强化脱氮效果的渗透铺装结构，以有效提升新型渗透铺装设施脱氮能力，减少城市面源污染等
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种生物炭强化脱氮效果的渗透铺装结构，由自上而下设置的透水面层、找平层、透水土工布、以及设置有毛细柱的复合结构层组成，所述找平层由中砂铺设而成，且中砂中掺加有生物炭颗粒。
8.进一步的，所述的生物炭颗粒的粒径为0.5
‑
3mm，找平层的中砂的粒径为 0.5
‑
1.0mm。
9.进一步的，所述的找平层中，生物炭颗粒的质量占比为3％
‑
15％。
10.进一步的，所述的生物炭颗粒为椰壳炭或竹炭。
11.进一步的，所述的生物炭颗粒的密度为0.8
‑
1.5g/cm3。
12.进一步的，所述的找平层的厚度为25～30mm。
13.进一步的，所述的复合结构层由级配碎石、以及布置在级配碎石中的毛细柱组成，所述的复合结构层的底部还铺装有防渗膜，并在防渗膜的上方还设有溢流管，使得复合结构层的底部区域形成蓄水区，所述毛细柱的上端还连接所述透水土工布。
14.更进一步的，复合结构层中，毛细柱按照1/8～1/16的面积比分散布置。
15.更进一步的，所述的毛细柱由陶土烧制而成，其长度为250
‑
350mm；
16.所述级配碎石的公称粒径为24
‑
28mm。
17.进一步的，所述的透水面层采用陶土砖或砂基透水砖组成。
18.与现有技术相比，本发明利用生物炭良好的吸水性和保水性，配合新型渗透铺装的储水区存储雨水、毛细柱提升水分的作用，可使设施找平层在落干期保持湿润，有利于反硝化细菌在降雨期间快速恢复活性，从而提高新型渗透铺装设施对氮素的去除效果，此外，当雨水由透水面层流经找平层，氮素经生物炭的吸附作用和颗粒炭表面与内部空隙中微生物的生化作用得到去除，从而强化新型渗透铺装设施的除氮效果。减少设施溢流排放的含氮污染物，提高对城市面源污染的控制效果。
附图说明
19.图1为本发明的结构示意图；
20.图2为各设施出水nh4
‑
n、no3‑
‑
n、tn、cod浓度；
21.图3为各设施反硝化功能基因丰度；
22.图中标记说明：
23.1为透水面层，2为找平层，3为生物炭颗粒，4为透水土工布，5为级配碎石， 6为毛细柱，7为溢流管，8为hdpe防渗膜。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
25.以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
26.为提升新型渗透铺装设施脱氮能力，减少城市面源污染等，本发明提供了一种生物炭强化脱氮效果的渗透铺装结构，其结构参见图1所示，由自上而下设置的透水面层1、找平层2、透水土工布4、以及设置有毛细柱6的复合结构层组成，所述找平层2由掺加有生物炭颗粒3的砂砾铺设而成。
27.在一些实施方式中，所述的生物炭颗粒3的粒径为0.5
‑
3mm，找平层2中砂砾的粒径为0.5
‑
1.0mm。
28.在一些实施方式中，所述的找平层2中，生物炭颗粒3的质量占比为3％
‑
15％。
29.在一些实施方式中，所述的生物炭颗粒3为椰壳炭或竹炭。
30.在一些实施方式中，所述的生物炭颗粒3的密度为0.8
‑
1.5g/cm3。
31.在一些实施方式中，所述的找平层2的厚度为25～30mm。
32.在一些实施方式中，所述的复合结构层由级配碎石5、以及布置在级配碎石5 中的毛细柱6组成，所述的复合结构层的底部还铺装有防渗膜8(可采用hdpe防渗膜)，并在防渗膜8的上方(约150
‑
200mm处)还设有溢流管7，使得复合结构层的底部区域形成蓄水区，所述毛细柱6的上端还连接所述透水土工布4。
33.更具体的实施方式中，复合结构层中，毛细柱6按照1/8～1/16的面积比分散布置。
34.更具体的实施方式中，所述的毛细柱6由陶土烧制而成，其长度为250
‑
350mm；
35.所述级配碎石5的公称粒径为24
‑
28mm。
36.在一些实施方式中，所述的透水面层1采用陶土砖或砂基透水砖组成。
37.以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
38.下面结合具体实施例来对上述实施方式进行进一步的详细说明。
39.实施例1：
40.基于以上实施方式，本实施例提供了一种生物炭强化脱氮效果的渗透铺装结构，如图1所示，雨水从透水面层1下渗，与找平层2中生物炭颗粒3接触，其中的氮素经生物炭的吸附作用和微生物的生物转化作用得到去除。净化后的雨水经过透水土工布4、级配碎石5，进入蓄水区，供非降雨日的蒸发降温所需，超过存储容量雨水通过溢流管7排放。
41.构建6组渗透单元，其中4组渗透单元结构层设置陶土毛细柱，2组不设置陶土毛细柱，将生物炭颗粒与中砂按一定的质量比例混合后，填入找平层。根据添加生物炭的情况进行编号，如表1。
42.表1装置的基质组成
[0043][0044]
实验开始前，向各设施接种2l污水厂二沉池出水，形成生物膜后，淋洗至无氮素残留。用自来水配制人工径流作为实验进水，no3‑
‑
n浓度为3mg/l，nh
4
‑
n 浓度为1mg/l，tp浓度为0.4mg/l，cod浓度为80mg/l。
[0045]
固定降雨总量为40mm，控制降雨强度分别为10mm/h、20mm/h、40mm/h，进行模拟降雨。收集各设施的出水水样，并于24h内检测相关水质指标，对比各设施脱氮效果，考察有机物淋出情况。在5～10℃进行10mm/h的模拟降雨，考察设施在低温条件下的运行效果。
[0046]
图2为各设施出水nh4
‑
n、no3‑
‑
n、tn、cod浓度。由图可知，空白设施在低温和降雨强度高的条件下均会发生no3‑
‑
n、tn淋出的现象。设施cgp1、cgp2、 bbp在夏季10mm/h的no3‑
‑
n去除率达48.6％、51.5％、54.0％，tn去除率达52.6％、 56.3％、57.7％，除氮效果显著优于bcp1，说明添加生物炭可有效强化设施脱氮能力。设施cgp3的出水浓度显著高于cgp2，说明在添加相同种类和相同比例的生物炭条件下，设置毛细柱的设施添加生物炭的强化脱氮效果比未设置毛细柱的好。在高雨强和低温的条件，cgp1、cgp2、bbp均能取得良好稳定的运行效果，且不会造成有机物的淋出，提高了对城市面源污染的控制效果。
[0047]
在实验后期，从各设施找平层中收集基质样品，进行dna提取、qpcr检测，得到样品拷贝数，分析反硝化功能基因丰度，使用nirs和nirk基因评估反硝化微生物的数量。图3为
各设施反硝化功能基因丰度。由图可知，与bcp2相比，cgp3 的nirs、nirk基因丰度分别增加了3.04倍和1.29倍；与bcp1相比，cgp1、cgp2、 bbp的nirs、nirk基因丰度分别增加了5.50～8.46倍和3.74～5.29倍。故生物炭的添加显著提高了设施中nirs和nirk的基因丰度，即添加生物炭可设施内提高生物量。结合出水水质结果可知，各设施的基因拷贝数与脱氮效果呈正相关。nirs的基因丰度可反映环境的缺氧状态，添加生物炭的设施nirs基因拷贝数显著高于空白对照，说明添加生物炭有助于形成局部缺氧环境。
[0048]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。