一种生物滞留设施填料、制备方法、应用及生物滞留设施

1.本发明涉及生态环境治理的技术领域，尤其涉及一种生物滞留设施填料、制备方法、应用及生物滞留设施。


背景技术：

2.目前，随着迅速的城镇化发展进程，城市地下垫面的性质和形态特征也随之变化，城市区域内不透水区域增加，导致城市降雨径流量的迅速增加，也使得降雨径流污染加剧。生物滞留设施在国内外被广泛应用于城市雨洪管理、海绵城市建设、城市生态建设领域，其功能主体为基质填料，其主要功能是削减城市降雨径流峰值流量、净化雨水，实现径流总量、径流峰值和径流污染控制等多重目标。
3.但是目前主流的生物滞留设施的填料主要为土壤与沸石、蛭石、珍珠岩等填料混合配制而成的复合基质材料为主，这些不同配比的复合基质材料具有良好的径流削减效果及径流氨氮去除效果，但是对径流中硝氮与磷的去除效果较差，并且由于许多土壤基质富含磷，在降雨径流中还会产生磷的淋溶流失的问题，污染城市水体及城市周边受纳水体。


技术实现要素：

4.本发明提供一种生物滞留设施填料、制备方法、应用及生物滞留设施，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。
5.本发明一方面提供一种生物滞留设施填料，包括：
6.改性沸石和泥炭土，所述改性沸石为阳离子表面活性剂改性天然沸石制得，所述阳离子表面活性剂的添加量为所述天然沸石可交换阳离子容量的10-30％。
7.在一可实施方式中，所述天然沸石为斜发沸石或丝光沸石。
8.在一可实施方式中，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
9.本发明另一方面提供一种生物滞留设施填料的制备方法，该方法包括：
10.制备改性沸石：将天然沸石清洗干净，然后将天然沸石和阳离子表面活性剂放入搅拌装置内，按照固液比1:8-12加入去离子水，30-50℃下搅拌5-20h，冷却至室温后，清洗多次，烘干得到改性沸石；
11.将改性沸石与泥炭土按照添加比例混合后，得到生物滞留设施填料。
12.在一可实施方式中，根据使用区域的降雨特征确定所述改性沸石的添加比例。
13.在一可实施方式中，所述根据使用区域的降雨特征确定所述改性沸石的添加比例，包括：
14.获取生物滞留设施使用区域的降雨强度和生物滞留设施的面积；
15.根据所述降雨强度和所述生物滞留设施的面积确定进水流量，所述进水流量为所述降雨强度条件下的生物滞留设施的进水量；
16.根据目标去除率和所述进水流量确定所述改性沸石的添加比例，所述目标去除率为目标污染物的削减率。
17.本发明再一方面提供一种根据上述方法制备的生物滞留设施填料在生物滞留设施中的应用。
18.本发明又一方面提供一种生物滞留设施，包括：
19.基质层，所述基质层为权利要求4-6任一项所述的方法制备的生物滞留设施填料，所述基质层厚度为500-700mm；
20.覆盖层，所述覆盖层在所述基质层上方，所述覆盖层厚度为30-50mm；
21.渗透型土工布，所述渗透性土工布在所述基质层下方；
22.过滤层，所述过滤层位于所述渗透型土工布下方；以及
23.排水层，所述排水层为平铺在所述过滤层下方的打孔水管。
24.在一可实施方式中，所述覆盖层由绿化用有机覆盖物铺设形成。
25.在一可实施方式中，所述过滤层由粒径为30-50mm的砾石组成，所述过滤层的厚度为100-200mm。
26.在本发明的上述方案中，通过阳离子表面活性剂负载在天然沸石表面对其进行改性，得到改性沸石，不仅能够改善天然沸石对阴离子的吸附性能，并且改性沸石内部腔道依旧保持阳离子交换能力，从而在强化对磷和硝氮等阴离子污染物，同时能够保留原本去除氨氮和其它阳离子污染物的能力。将改性沸石与泥炭土混合后作为生物滞留设施填料，能够有效的去除降雨径流中的氮磷污染物，从而有效缓解雨水径流污染对城市水生态造成的威胁。进一步将包含生物滞留设施填料的生物滞留设施应用在城市地下，属于自然排水系统，是生态排水设施，能够在一定程度上恢复城市的生态功能。生物滞留设施能够充分发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，对于改善城市水生态环境和保障城市水环境安全具有重要的意义。
附图说明
27.图1示出了本发明一实施例提供的一种生物滞留设施的结构示意图；
28.图2示出了天然沸石与改性沸石氮磷去除效果；
29.图3示出了改性沸石在25℃条件下的吸附容量曲线。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。
31.本发明实施例提供一种生物滞留设施填料，包括：
32.改性沸石和泥炭土，所述改性沸石为阳离子表面活性剂改性天然沸石制得，所述阳离子表面活性剂的添加量为所述天然沸石可交换阳离子容量的10-30％。
33.由于天然沸石是含晶格结构、比表面积大、多孔含水的硅铝酸盐晶体，具有独特的吸附和离子交换能力，沸石有许多宽阔的通道和空腔。沸石内部存在的补偿阳离子，主要为碱金属离子和碱土金属离子，这些阳离子与沸石的联系较弱，具有较大的流动性，易与其它阳离子交换，并且这种交换并不破坏沸石结构。天然沸石的铝氧四面体结构的电负性，使得
其可以通过物理吸附和离子交换对溶液中铵根(nh4

)等阳离子污染物进行吸附，但其对于水中磷酸根(po4
3-)、硝酸根(no
3-)等阴离子污染物的去除能力较差。
34.通过阳离子表面活性剂负载在天然沸石表面对其进行改性，得到改性沸石，不仅能够改善天然沸石对阴离子的吸附性能，并且改性沸石内部腔道依旧保持阳离子交换能力，从而在强化对磷和硝氮等阴离子污染物，同时能够保留天然沸石原本去除氨氮和其它阳离子污染物的能力。
35.阳离子表面活性剂的添加量为天然沸石可交换阳离子容量的10-30％，具体根据如下公式(1)计算：
[0036][0037]
其中，f为阳离子表面活性剂与天然沸石可交换阳离子容量的比例，即10-30％；m1为阳离子表面活性剂的质量，单位为g；cec为可交换阳离子容量，单位为mol/g；m2为天然沸石的质量，单位为g；gmw为阳离子表面活性剂的分子量；z为阳离子表面活性剂的阳离子所带的电荷量。
[0038]
天然沸石为斜发沸石或丝光沸石；阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
[0039]
一种生物滞留设施填料的制备方法，该方法包括：
[0040]
制备改性沸石：将天然沸石清洗干净，然后将天然沸石和阳离子表面活性剂放入搅拌装置内，按照固液比1:8-12加入去离子水，30-50℃下搅拌5-20h，冷却至室温后，清洗多次，烘干得到改性沸石；
[0041]
将改性沸石与泥炭土按照添加比例混合后，得到生物滞留设施填料。
[0042]
在一个示例中，确定改性沸石的添加比例，包括：
[0043]
根据使用区域的降雨特征确定所述改性沸石的添加比例。
[0044]
使用区域即生物滞留设施应用的区域，例如生物滞留设施应用在某地区，则降雨特征为该地区的降雨特征，降雨特征表征该地区的降雨强度。
[0045]
在一个示例中，根据使用区域的降雨特征确定所述改性沸石的添加比例，包括：
[0046]
获取生物滞留设施使用区域的降雨强度和生物滞留设施的面积；
[0047]
根据所述降雨强度和所述生物滞留设施的面积确定进水流量，所述进水流量为所述降雨强度条件下的生物滞留设施的进水量；
[0048]
根据目标去除率和所述进水流量确定所述改性沸石的添加比例，所述目标去除率为目标污染物的削减率。
[0049]
具体的，根据降雨强度和生物滞留设施的面积确定进水流量，根据如下公式(2)计算：
[0050]
q＝cia/360
ꢀꢀꢀ
公式(2)
[0051]
其中，q为进水流量，单位为ml/min；c为表面系数，等于1；i为降雨强度，单位为mm/h；a为生物滞留设施的面积，单位为公顷；确定降雨强度i、生物滞留设施面积a后，根据公式(2)计算，即可确定在该地区的降雨条件下，生物滞留设施的进水流量q。
[0052]
具体的，根据目标去除率和进水流量确定改性沸石的添加比例，根据如下模型(3)-(5)计算：
[0053]
c(no)＝0.4q 0.59z1-0.022q2 52.66(r2＝0.88)
ꢀꢀꢀ
公式(3)
[0054]
c(nh)＝0.69q 0.92z2-0.015q2(r2＝0.83)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(4)
[0055]
c(tp)＝0.25z3-0.5q 12.25(r2＝0.83)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(5)
[0056]
其中，c(no)、c(nh)、c(tp)分别代表硝态氮、氨态氮和总磷的削减率(％)，即目标去除率；z代表改性沸石添加的比例(添加比例为体积比，％)；q代表对应降雨量条件下的生物滞留设施的进水流量(ml/min)；r2代表模型的拟合优度。
[0057]
假设硝态氮的目标去除率为95％，确定生物滞留设施的进水流量q后，根据公式(3)，即可确定改性沸石的添加比例z1。同理，根据公式(4)和(5)，也能在确定氨态氮和总磷的目标去除率的前提下，计算出改性沸石的添加比例z2和z3。最终，改性沸石的添加比例z为z1、z2、z3中的最大值，也可以将z1、z2、z3的平均值确定为改性沸石的添加比例。
[0058]
本发明实施例又提供一种生物滞留设施，包括：
[0059]
基质层，所述基质层为根据本发明所述的方法制备的生物滞留设施填料，所述基质层厚度为500-700mm；
[0060]
覆盖层，所述覆盖层在所述基质层上方，所述覆盖层厚度为30-50mm；
[0061]
渗透型土工布，所述渗透性土工布在所述基质层下方；
[0062]
过滤层，所述过滤层位于所述渗透型土工布下方；以及
[0063]
排水层，所述排水层为平铺在所述过滤层下方的打孔水管。
[0064]
在一个示例中，所述覆盖层由绿化用有机覆盖物铺设形成。
[0065]
在一个示例中，所述过滤层由粒径为30-50mm的砾石组成，所述过滤层的厚度为100-200mm。
[0066]
如图1所示为一种生物滞留设施应用的结构示意图，该生物滞留设施由上至下，依次包括覆盖层11、基质层12、渗透型土工布13、过滤层14以及排水层15。覆盖层11由绿化用有机覆盖物铺设形成，覆盖层11具有较好的保温、保水、吸水效果，不仅可以避免基质层12被雨水径流冲刷造成材料流失，还能为植物提供更好的生长环境。
[0067]
下面结合具体实施例对本发明做详细的描述。
[0068]
实施例中天然沸石为斜发沸石，斜发沸石产自浙江省丽水市缙云县，其cec值为1.6475
×
10-3
mol/g。
[0069]
实施例1
[0070]
一种生物滞留设施填料，包括泥炭土和改性沸石，改性沸石为十六烷基三甲基溴化铵改性斜发沸石制得，十六烷基三甲基溴化铵的添加量为斜发沸石cec值的10％；泥炭土和改性沸石的体积比为7:3。
[0071]
该生物滞留设施填料的制备方法，包括以下步骤：
[0072]
步骤s11、将斜发沸石用去离子水清洗数次至上清液澄清，然后将清洗后的斜发沸石与相对应量的十六烷基三甲基溴化铵放入带有搅拌及加热装置的搅拌装置内，按照固液比1:10的比例加入去离子水，于40℃恒温条件下搅拌12h，冷却至室温后，过滤液体后，得到的滤饼用去离子水清洗多次，清洗至上清液样品加入硝酸银后无沉淀即可，然后在105℃烘箱中烘干12h后即可得到改性沸石；
[0073]
步骤s12、泥炭土和改性沸石按照体积比为7:3混合均匀后，得到生物滞留设施填料。
[0074]
对改性沸石进行如下性能测试
[0075]
一、改性沸石脱氮除磷效果：配制模拟污水5mg/l nh
4 -n、5mg/l的no
3-‑
n与1mg/ltp混合组成混合溶液，用于测试天然沸石和改性沸石，验证其脱氮除磷效果。将混合溶液平均分成2份，分别向2份混合溶液中，按照15g/l的添加量，加入天然沸石和改性沸石，一段时间后，再次检测混合溶液中各离子的浓度。
[0076]
验证结果如图2所示，天然沸石对nh
4 -n有较好的去除效果，去除率可达76.3％，但是对no
3-‑
n和tp几乎没有处理效果，去除率仅为1.4％和1％。改性沸石对nh
4 -n去除率略有提升，为79.6％，这是由于阳离子表面活性剂因为基团体积较大，仅附着在沸石表面，无法进入其内部腔道，因此保留了沸石对阳离子的吸附能力，且在改性过程中不断的震荡、加热、冲洗能够使天然沸石内部腔道的一些杂质被洗出，增强了其对阳离子的吸附能力。阳离子表面活性剂改性天然沸石显著提升了改性沸石对于no
3-‑
n和tp这样的阴离子污染物的去除能力，改性沸石对no
3-‑
n和tp的去除率分别达到了86.7％和73.2％，与天然沸石相比，改性沸石脱氮除磷能力大幅提升。
[0077]
二、改性沸石吸附容量测试
[0078]
如图3所示为改性沸石在25℃条件下的吸附容量曲线，改性沸石对污染物的吸附均与langmuir吸附等温模型拟合度较高(r2＞0.97)，为ⅰ类吸附等温线，吸附类型为单层可逆吸附。
[0079]
表1为根据langmuir吸附等温模型计算的改性沸石对不同污染物的理论最大吸附容量。
[0080]
表1 25℃条件下改性沸石对不同污染物最大理论吸附容量
[0081][0082]
实施例2
[0083]
一种生物滞留段设施，包括：
[0084]
基质层，基质层为实施例1制备的生物滞留设施填料，基质层厚度为600mm；
[0085]
覆盖层，所述覆盖层在所述基质层上方，所述覆盖层厚度为30-50mm；
[0086]
渗透型土工布，所述渗透性土工布在所述基质层下方；
[0087]
过滤层，所述过滤层位于所述渗透型土工布下方，过滤层装填粒径30-50mm的砾石，且过滤层厚度200mm；以及
[0088]
排水层，所述排水层为平铺在所述过滤层下方的打孔水管。
[0089]
本实例中模拟试验使用了蠕动泵和土柱来测试生物滞留设施填料的脱氮除磷效果。其中土柱直径20cm，高900cm，土柱中填料层600mm，过滤层200mm。填料层装填泥炭土与改性沸石混合比例为7:3配制的生物滞留设施填料，过滤层装填粒径30-50mm的砾石。为对比改性沸石是否显著提升填料的脱氮除磷能力，同样用相同的土柱测试了天然沸石与泥炭土用相同比例配制的填料的脱氮除磷能力。试验采用土柱的模拟降雨产流的方法，即使用蠕动泵向土柱供水，供水采用模拟的城市降雨径流，以1小时降雨为例，在不同降雨重现期条件下，测试生物滞留设施填料的脱氮除磷效果。模拟径流污染物浓度及不同降雨重现期对应进水流量如下表2所示：
[0090]
表2模拟径流污染物浓度及不同雨量对应进水流量
[0091][0092]
表3展示了不同降雨重现期条件下泥炭土与改性沸石和天然沸石配制的生物滞留设施填料对nh
4 -n、no
3-‑
n和tp的去除率。
[0093]
表3不同降雨重现期条件下不同填料对不同污染物的去除率
[0094][0095][0096]
由表3可知，添加天然沸石的传统生物滞留设施填料对于阴离子污染物去除率很低，尤其是对于tp在降雨径流中还会产生磷淋溶流失的问题，而本发明提供的添加改性沸石制成的生物滞留设施填料能够在不同降雨重现期，大幅提升生物滞留设施对于硝氮和磷这样的阴离子污染物的去除能力，同时能够维持其原有的较高的氨氮去除率。在最常见的1年重现期降雨条件下，氨氮和硝氮去除率均在60％以上，总磷去除率也可达25.3％，具有较好的净水性能。另外，实验对泥炭土与改性沸石混合比例为7:3配制的生物滞留设施填料进行了总磷和总氮吸附容量测定，填料对总磷的吸附容量为0.286mg/g，对总氮的吸附容量为0.235mg/g，根据吸附容量测算填料对于总磷吸附饱和需462年，对于总氮吸附饱和需28年。因此，当泥炭土与改性沸石混合比例为7:3时填料的理论使用最大年限为28年。
[0097]
以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术的
各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本技术为必须采用上述具体的细节来实现。
[0098]
本技术中涉及的诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“如但不限于”，且可与其互换使用。
[0099]
还需要指出的是，在本技术的方法中，各步骤是可以分解和/或重新组合的，这些分解和/或重新组合应视为本技术的等效方案。
[0100]
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本技术。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本技术的范围。因此，本技术不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
[0101]
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。