一种处理初期雨水的海绵小区LID设施及方法与流程

一种处理初期雨水的海绵小区lid设施及方法
技术领域
1.本发明属于污水处理领域，具体涉及一种用固定化填料处理初期雨水的海绵小区lid设施和方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的快速飞跃，城市的不透水土壤面积逐渐减少，工业生产活动也在不断提高，产生的污染物的种类与数量也随之不断增加，从而出现越来越多的水体污染问题。近些年，点源污染的问题逐渐得到了有效的控制，但是，非点源污染对水环境的危害慢慢突显。
3.其中，初期雨水的污染尤为严重，在降雨初期，雨水溶解了空气中大量的含有氮氧化物等污染性气体，降至地面后，又冲刷道路、屋面等，使初期雨水中含有大量的cod、氨氮、tn、tp等污染物质，所造成的污染程度甚至会超出普通市政污水污染。未经处理的初期雨水排入受纳水体中，会导致严重的水体污染，比如水体富营养化、黑臭水体等水环境污染问题。因此，初期雨水的治理和应用对水环境有巨大的意义和价值。
4.我国为解决雨水带来的自然灾害，提出了“海绵城市”这一雨水管理概念。而海绵小区lid(low impact development)设施作为一种低成本、低能耗的综合生态系统，在海绵城市中起着重要的作用。有研究表明，海绵小区lid设施对于水体污染物cod、nh
4+-n、tn、ss、tp的去除率分别为14.13％～31.99％，33.64％～77.42％，24.72％～48.04％，45.44％～76.90％，61.29％～67.20％。目前，海绵小区lid设施中的潜流湿地主要使用砂粒、砾石、碎石作为填料，对于tn即主要为氨氮和硝酸盐氮的去除效果较差，通常出水tn无法达到地表水ⅳ类标准。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供一种用固定化填料处理初期雨水的海绵小区lid设施，以及采用硫自养反硝化与厌氧氨氧化耦合的方法，解决出水tn无法达到地表水ⅳ类标准而产生污染等问题。将厌氧氨氧化污泥固定化后形成菌包，通过向波形潜流湿地深度处理区投加硫粉和菌包，构建了一种基于固定化填料处理初期雨水的海绵小区lid设施。传统反硝化过程是将no
3-‑
n直接还原为n2，本设施通过自养生物脱氮作用，可实现对初期雨水中氨氮和硝酸盐氮的去除。首先，在深度处理区，通过ph定向调控，利用s0为电子供体，将雨水中no
3-‑
n通过硫自养反硝化定向生成no
2-。之后在厌氧氨氧化菌的作用下，以nh
4+
为电子供体，以no
2-为电子受体，将nh
4+
氧化成n2，实现雨水中氨氮和硝酸盐氮的同步自养脱氮，使其出水水质达到地表水ⅳ类标准。
6.为实现上述技术目的，本发明采取的第一个技术方案为：一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，包括：常规处理单元、no
3-检测探头、ph探头、plc控制器和砾石填料，还包括硫粉投加装置、深度处理单元、碱液桶，所述硫粉投加装置包括硫粉药液桶、硫粉药液泵，所述深度处理单元内均匀设有菌包；所述常规处理单元上方第一出水区的第一出水管与深度
处理单元下方第二进水区的第二进水管相连通，所述硫粉药液桶经硫粉药液泵连通第一出水管，所述碱液桶经碱液泵连通第二进水管；所述no
3-检测探头位于常规处理单元内，所述ph探头位于深度处理单元内，且分别与plc控制器电连接。
7.所述常规处理单元下部设有第一进水区，上部设有第一出水区；所述深度处理单元下部设有第二进水区，上部设有第二出水区。
8.所述常规处理单元、深度处理单元的上部分别为土壤层，所述土壤层顶部种植有挺水植物；所述常规处理单元、深度处理单元内部分别在竖向设有隔板且形成相互连通的区域；所述常规处理单元的第一进水区、第一出水区和深度处理单元内的第二进水区、第二出水区填充砾石，所述第一进水区、第二进水区均装填粒径为30～50mm、厚度为50mm的砾石，所述第一出水区、第二出水区均装填粒径为5～10mm、厚度为50mm的砾石。
9.所述深度处理单元菌包空隙用15～25mm粒径的砾石填充，且采用上小下大级配方式装填，从下往上装填70～90mm厚的砾石层和9～11mm厚的菌包层。
10.所述菌包为厌氧氨氧化菌小球固定化填料。
11.所述菌包和砾石在深度处理单元内组合装填，深度处理区ⅲ的总体积与菌包的体积比为1：0.0032～0.0043；每个菌包间隔14～16cm摆放，用15～25mm粒径的砾石填充菌包间空隙。
12.所述厌氧氨氧化菌小球固定化填料所用厌氧氨氧化污泥的mlss浓度为7000～8000mg/l。
13.所述no
3-检测探头检测到常规处理单元出水区中的no
3-浓度后，将信号传给plc控制器，通过plc控制器控制硫粉药液泵投加硫粉药液，使得常规处理单元出水中硫粉与硝酸根的摩尔比例为s0：no
3-＝1：2.5～2.7，硫粉充分与常规处理单元出水混合后进入深度处理单元；所述ph检测探头在深度处理单元第二出水区中检测到ph小于8.5时，plc控制器发出预警信号，通过plc控制器控制碱液泵向深度处理单元进水管投加碱液，调控深度处理区中的ph＝8.5～9.0，并且通过控制深度处理区中的hrt＝0.3～0.5d，使硫自养反硝化控制在no
2-阶段，硝酸盐转化至亚硝酸盐的比例为90％～95％，之后在厌氧氨氧化菌的作用下，以nh
4+
为电子供体，no
2-为电子受体，将nh
4+
氧化成n2。
14.所述硫粉粒径为1～2mm。
15.本发明采取的第二个技术方案为：一种根据权利要求1所述的一种处理初期雨水的方法，包括以下步骤：
16.第一步：初期雨水通过进水管流入常规处理单元后，通过大粒径砾石填料，流经常规处理单元，通过海绵小区lid设施的常规处理单元对初期雨水进行常规处理；
17.第二步；在硫粉药液泵的作用下，硫粉与经常规处理单元处理后的出水充分混合后通过进水管流入深度处理单元，其中硫粉投加量由plc控制器控制，需将深度处理单元进水中的硫粉与硝酸根的摩尔比例控制在s0：no
3-＝1：2.5～2.7；
18.第三步：初期雨水进入深度处理单元后波形流动：在深度处理区，通过ph定向调控将深度处理区中的ph控制在8.5～9.0；利用s0为电子供体，将雨水中no
3-通过硫自养反硝化定向生成no
2-，反应式公式为s0+3no
3-+hco
3-→
so
42-+3no
2-+co2+h
+
，之后在厌氧氨氧化菌的作用下，以nh
4+
为电子供体，以no
2-为电子受体，将nh
4+
氧化成n2，反应式公式为nh
4+
+1.32no
2-+0.066hco
3-+0.13h
+
→
1.02n2+0.26no
3-+0.066ch2o
0.5n0.15
+2.03h2o，通过上述过程最终实现
雨水中氨氮和硝酸盐氮的同步自养脱氮；
19.第四步：初期雨水通过隔板构建的波形潜流湿地，流经各砾石填料，最终从出水管排出。
20.本发明的有益效果：
21.1.本发明对初期雨水具有高脱氮效率,可使其出水水质达到地表水iv类标准，减少黑臭水体等污染。
22.2.本发明中，初期雨水在经常规处理单元处理后，出水中的cod等有机物水质指标可达到地表水iv类标准，经常规处理单元处理后氨氮和tn浓度不满足地表水ⅳ类标准的低碳氮比雨水进入深度处理单元后在碳源不足的环境下仍可实现高效率脱氮。
23.3.本发明解决了在常规湿地中，由于供氧不足而导致对nh
4+-n处理效果差的问题和因碳源不足对no
3-‑
n处理效果差的问题。
24.4.本发明通过硫自养反硝化与厌氧氨氧化技术耦合，实现雨水中氨氮和硝酸盐氮的同步去除，避免了人工投加碳源时成本高、碳源泄漏的问题。
附图说明
25.图1为本发明的海绵小区lid设施的整体结构示意图。
26.图中：
27.ⅰ‑
常规处理单元
ⅱ‑
硫粉投加装置
ⅲ‑
深度处理单元
28.101-第一进水管1102-第一进水区1103-墙体
29.104-1、104-2-隔板105-土壤层106-芦苇
30.107-第一出水区108-第一出水管109-no
3-检测探头
31.110-常规处理区111-硫粉药液泵112-硫粉药液桶
32.201-第二进水管202-第二进水区203-1，203-2-隔板
33.204-第二出水管205-第二出水区206-深度处理区
34.207-菌包208-ph探头209-plc控制器
35.210-碱液桶211-碱液泵
具体实施方式
36.结合附图对本发明进一步说明。
37.本发明的一种固定化填料处理初期雨水的海绵小区lid设施，包括带有砾石填充的常规处理单元、硫粉投加装置与带有固定化填料的深度处理单元。隔板将常规处理单元与深度处理单元之间分隔成相互连通的区域，构建波形潜流湿地。硫粉投加装置在常规处理单元后布置，与深度处理单元相连，深度处理单元利用厌氧氨氧化污泥作为固定化填料，初期雨水流经各处理单元以及顶部的挺水植物，达到去除雨水中污染物的目的。
38.各处理单元分别装填不同粒径的砾石。
39.lid设施启动前，需要向系统填充砾石，配置菌包。本发明所提供的一种固定化填料处理初期雨水的海绵小区lid设施出水，初期雨水原水水质：cod、nh
4+-n、tn、ss、tp分别为54.16mg/l、7.46mg/l、14.66mg/l、51mg/l、2.0mg/l。
40.如图1所示，初期雨水经进水管101进入常规处理单元i，流经进水区砾石层102，进
水由下而上流经常规处理区砾石层109，通过隔板构建的波形潜流湿地，经出水区107由出水管108流出。
41.当常规处理单元出水区中的no
3-检测探头109检测到no
3-浓度后，将信号传给plc控制器209，通过plc控制器209控制泵111投加硫粉药液，使得常规处理单元出水中硫粉与硝酸根的摩尔比例为s0：no
3-＝1：2.5～2.7。硫粉投加装置利用泵111将硫粉药液打入常规处理单元出水管，使硫粉充分与常规处理单元出水混合后经深度处理单元ⅲ进水管201进入深度处理单元ⅲ进水区202，之后进入深度处理单元ⅲ，流经由砾石与菌包207填充的深度处理区206；当深度处理单元出水区中的ph检测探头208检测到ph小于8.5时，plc控制器发出预警信号，通过plc控制器209控制碱液泵211投加碳酸氢钠溶液，最终将深度处理单元ⅲ的ph调控在8.5～9.0，并且通过控制深度处理区中的hrt＝0.3～0.5d，完成硫自养短程反硝化和厌氧氨氧化反应，实现高效脱氮。最终初期雨水经出水区205从出水管204流出。常规处理单元出水水质cod、nh
4+-n、tn、ss、tp分别为35.16mg/l、3.11mg/l、7.74mg/l、12.34mg/l、0.66mg/l，深度处理单元出水水质cod、nh
4+-n、tn、ss、tp分别为27.68mg/l、0.16mg/l、1.39mg/l、10.28mg/l、0.27mg/l，均符合地表水ⅳ类标准，其中cod《30mg/l、nh
4+-n《1.5mg/l、tn《1.5mg/l、tp《0.3mg/l。
42.深度处理单元由菌包与砾石共同填充。由下而上分别装填一定厚度的砾石层与一定厚度的固定化填料菌包层，深度处理区总体积与固定化填料菌包体积比介于1：0.0032～0.0043。固定化填料菌包层采用每层固定间隔14～16cm的固定化填料菌包均匀摆放，菌包空隙用15～25mm粒径的砾石填充，从下往上分别装填70～90mm厚的砾石层和9～11mm厚的填料层。
43.土壤层105起到固定芦苇106的作用。土壤层厚度可在4cm～6cm之间。
44.砾石层对进水管进水形成水力剪切，加大水流的紊乱程度，使初期雨水从下而上流经反应单元，与填料充分接触，反应进行更彻底。
45.本发明的处理初期雨水的海绵小区lid设施，主要包括带有砾石填充的常规处理单元、硫粉投加装置与带有固定化填料的深度处理单元。隔板将常规处理单元与深度处理单元之间分隔成相互连通的区域，构建波形潜流湿地。硫粉投加装置在常规处理单元后布置，与深度处理单元相连，深度处理单元利用厌氧氨氧化污泥菌包作为固定化填料，初期雨水流经各处理单元以及顶部的挺水植物，达到去除雨水中污染物的目的。
46.深度处理单元各处理区分别装填不同粒径的砾石，填料采用砾石和菌包组合装填。菌包由装填在尼龙袋中的固定化厌氧氨氧化菌小球组成，相邻菌包间的空隙用砾石填充。
47.固定化厌氧氨氧化菌小球的制备包括如下步骤：将4g厌氧氨氧化污泥加入435ml去离子水中，搅拌均匀形成含厌氧氨氧化污泥的混合液。用5ml注射器吸取一定量的混合液，套上12号针头，滴入距离20cm处预冷的2％cacl2和2％bacl2混合溶液，即形成直径约为3mm的固定化厌氧氨氧化菌小球，置于0～4℃冰箱中固化交联24h后备用。厌氧氨氧化污泥的mlss为8000mg/l。硫粉粒径均为1～2mm。
48.常规处理单元i、深度处理单元ⅲ在反应器顶部区域为生长较好的挺水植物芦苇，种植密度为15～20株/m2。
49.本发明的的处理初期雨水中污水处理方法，包括以下步骤：
50.第一步：初期雨水通过进水管流入常规处理单元后，通过大粒径砾石填料，流经常规处理单元，通过海绵小区lid设施的常规处理单元对初期雨水进行常规处理；
51.第二步；在泵的作用下，硫粉与经常规处理单元处理后的出水充分混合后通过进水管流入深度处理单元，其中硫粉投加量由plc控制器控制，需将深度处理单元进水中的硫粉与硝酸根的摩尔比例控制在s0∶no
3-＝1∶(2.5～2.7)；
52.第三步：初期雨水进入深度处理单元后波形流动。在深度处理区，通过ph定向调控将深度处理区中的ph控制在8.5～9.0；利用s0为电子供体，将雨水中no
3-‑
n通过硫自养反硝化定向生成no
2-‑
n，反应式见公式(1)。之后在厌氧氨氧化菌的作用下，以nh
4+-n为电子供体，以no
2-‑
n为电子受体，将nh
4+-n氧化成n2，反应式见公式(2)。通过上述过程最终实现雨水中氨氮和硝酸盐氮的同步自养脱氮，使其出水水质达到地表水iv类标准。
53.s0+3no
3-+hco
3-→
so
42-+3no
2-+co2+h
+
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
54.nh
4+
+1.32no
2-+0.066hco
3-+0.13h
+
→
1.02n2+0.26no
3-+0.066ch2o
0.5n0.15
+2.03h2o (2)
55.第四步：初期雨水通过隔板构建的波形潜流湿地，流经各砾石填料，最终从出水管排出。
56.如表1所示为本发明处理某初期雨水时各处理单元的进出水水质。
57.表1各处理单元的进出水水质
[0058] codnh
4+-ntnsstp常规处理单元进水54.16mg/l7.46mg/l14.66mg/l51mg/l2.0mg/l常规处理单元出水35.16mg/l3.11mg/l7.74mg/l12.34mg/l0.66mg/l深度处理单元出水27.68mg/l、0.16mg/l、1.39mg/l、10.28mg/l0.27mg/l

技术特征：
1.一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，包括：常规处理单元、no
3-检测探头、ph探头、plc控制器和砾石填料，其特征是：还包括硫粉投加装置ⅱ、深度处理单元(ⅲ)、碱液桶，所述硫粉投加装置ⅱ包括硫粉药液桶(112)、硫粉药液泵(111)，所述深度处理单元(ⅲ)内均匀设有菌包(207)；所述常规处理单元(i)上方第一出水区(107)的第一出水管(108)与深度处理单元(ⅲ)下方第二进水区(202)的第二进水管(201)相连通，所述硫粉药液桶(112)经硫粉药液泵(111)连通第一出水管(108)，所述碱液桶(210)经碱液泵(211)连通第二进水管(201)；所述no
3-检测探头(109)位于常规处理单元(i)内，所述ph探头(208)位于深度处理单元(ⅲ)内，且分别与plc控制器(209)电连接。2.根据权利要求1所述的一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，其特征是：所述常规处理单元(i)下部设有第一进水区(102)，上部设有第一出水区(107)；所述深度处理单元(ⅲ)下部设有第二进水区(202)，上部设有第二出水区(205)。3.根据权利要求1所述的一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，其特征是：所述常规处理单元(i)、深度处理单元(ⅲ)的上部分别为土壤层，所述土壤层顶部种植有挺水植物；所述常规处理单元(i)、深度处理单元(ⅲ)内部分别在竖向设有隔板且形成相互连通的区域；所述常规处理单元(i)的第一进水区、第一出水区(107)和深度处理单元(ⅲ)内的第二进水区(202)、第二出水区(205)填充砾石，所述第一进水区(102)、第二进水区(202)均装填粒径为30～50mm、厚度为50mm的砾石，所述第一出水区(107)、第二出水区(205)均装填粒径为5～10mm、厚度为50mm的砾石。4.根据权利要求3所述的一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，其特征是：所述深度处理单元(ⅲ)菌包(207)空隙用15～25mm粒径的砾石填充，且采用上小下大级配方式装填，从下往上装填70～90mm厚的砾石层和9～11mm厚的菌包层。5.根据权利要求1所述的一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，其特征是：所述菌包(207)为厌氧氨氧化菌小球固定化填料。6.根据权利要求5所述的一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，其特征是：所述菌包(207)和砾石在深度处理单元(ⅲ)内组合装填，深度处理区ⅲ的总体积与菌包(207)的体积比为1：0.0032～0.0043；每个菌包间隔14～16cm摆放，用15～25mm粒径的砾石填充菌包间空隙。7.根据权利要求5所述的一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，其特征是：所述厌氧氨氧化菌小球固定化填料所用厌氧氨氧化污泥的mlss浓度为7000～8000mg/l。8.根据权利要求1所述的一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，其特征是：所述no
3-检测探头(109)检测到常规处理单元(i)出水区中的no
3-浓度后，将信号传给plc控制器(209)，通过plc控制器(209)控制硫粉药液泵(111)投加硫粉药液，使得常规处理单元(i)出水中硫粉与硝酸根的摩尔比例为s0：no
3-＝1：2.5～2.7，硫粉充分与常规处理单元(i)出水混合后进入深度处理单元(ⅲ)；所述ph检测探头(208)在深度处理单元(ⅲ)第二出水区(205)中检测到ph小于8.5时，plc控制器(209)发出预警信号，通过plc控制器(209)控制碱液泵(211)向深度处理单元(ⅲ)进水管投加碱液，调控深度处理区中的ph＝8.5～9.0，并且通过控制深度处理区中的hrt＝0.3～0.5d，使硫自养反硝化控制在no
2-阶段，硝酸盐转化至亚硝酸盐的比例为90％～95％，之后在厌氧氨氧化菌的作用下，以nh
4+
为电子供体，no
2-为电子受体，将nh
4+
氧化成n2。
9.根据权利要求1所述的一种处理初期雨水的海绵小区lid设施，其特征是：所述硫粉粒径为1～2mm。10.一种根据权利要求1所述的一种处理初期雨水的方法，其特征是：包括以下步骤：第一步：初期雨水通过进水管流入常规处理单元后，通过大粒径砾石填料，流经常规处理单元，通过海绵小区lid设施的常规处理单元对初期雨水进行常规处理；第二步；在硫粉药液泵的作用下，硫粉与经常规处理单元处理后的出水充分混合后通过进水管流入深度处理单元，其中硫粉投加量由plc控制器控制，需将深度处理单元进水中的硫粉与硝酸根的摩尔比例控制在s0：no
3-＝1：2.5～2.7；第三步：初期雨水进入深度处理单元后波形流动：在深度处理区，通过ph定向调控将深度处理区中的ph控制在8.5～9.0；利用s0为电子供体，将雨水中no
3-‑
n通过硫自养反硝化定向生成no
2-‑
n，反应式公式为s0+3no
3-+hco
3-→
so
42-+3no
2-+co2+h
+
，之后在厌氧氨氧化菌的作用下，以nh
4+-n为电子供体，以no
2-‑
n为电子受体，将nh
4+-n氧化成n2，反应式公式为nh
4+
+1.32no
2-+0.066hco
3-+0.13h
+
→
1.02n2+0.26no
3-+0.066ch2o
0.5
n
0.15
+2.03h2o，通过上述过程最终实现雨水中氨氮和硝酸盐氮的同步自养脱氮；第四步：初期雨水通过隔板构建的波形潜流湿地，流经各砾石填料，最终从出水管排出。

技术总结
本发明提供了一种处理初期雨水的海绵小区LID设施，属于污水处理领域。包括常规处理单元、检测探头、PLC控制器、硫粉投加装置、深度处理单元、碱液桶，深度处理单元内均匀设有菌包；常规处理单元上方第一出水区的第一出水管与深度处理单元下方第二进水区的第二进水管相连通，硫粉药液桶经硫粉药液泵连通第一出水管，碱液桶经碱液泵连通第二进水管；NO


技术研发人员：葛鹏 罗鑫 郭猛 黄美珍 梁慧
受保护的技术使用者：中国市政工程华北设计研究总院有限公司滨海新区分公司
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8