本發(fā)明涉及一種用于道路雨水排澇凈化的下凹式綠地改良層填料。

背景技術：

在傳統(tǒng)城市建設模式下，由于缺乏雨洪管理措施，造成地表徑流量增多、城市內澇、水污染加劇(面源污染)、水資源流失等問題。國際上在城市雨洪管理上已經(jīng)取得很多成果，從最佳管理實踐(BMP)發(fā)展到低影響開發(fā)(LID)，從綠色雨水基礎設施(GSI)到水敏感性城市設計(WSUD)，而在我國一種基于低影響開發(fā)雨洪管理理念的海綿城市建設模式正在逐步推廣。

下凹式綠地是海綿城市建設中具體實施措施之一，其主要是通過下凹式綠地對徑流雨水進行匯集、滲流、凈化、補給，達到及時排澇，凈化雨水和補給地下水源的目的。

國內外關于下凹式綠地的設計主要包括以下部分：蓄水層、覆蓋層、改良層，排水層等。其中，改良層的設計對及時排澇以及雨水凈化起到關鍵作用。傳統(tǒng)改良層填料主要組分是黏土和砂。但是目前傳統(tǒng)改良層填料主要有以下缺陷：

(1)目前針對下凹式綠地的凈化作用研究多集中在有機物污染上，削減有機物污染行之有效，但對于路面徑流雨水中的重金屬污染的完全削減凈化不能保障。

(2)傳統(tǒng)改良層結構針對雨水凈化短期內及時有效，但設計時較少考慮長期針對污染物的吸附效果，長期有效性不能保障。

(3)我國傳統(tǒng)下凹式綠地改良層填料選材方面比較單一，應該選取滿足國內道路雨水滯蓄凈化需求及市場特點的綜合效益較高的填料，對及時排澇、凈化水質、補給水源以及全面應用推廣等都具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種用于道路雨水排澇凈化的下凹式綠地改良層填料，該改良層填料具有良好的滲透性，能夠凈化路道路雨水徑流中重金屬污染，同時具有長效性，且填料組分經(jīng)濟適宜推廣。

技術方案：為解決上述技術問題，本發(fā)明采用一種用于道路雨水排澇凈化的下凹式綠地改良層填料，所述的改良層填料按干重之比，包括以下組分：

黏土：砂：鋼渣：腐植酸＝15～20:80～85:5～7:5～10

作為優(yōu)選方案，所述的黏土為低液限黏土。

作為優(yōu)選方案，所述的砂的粒徑為0.25～2mm。

作為優(yōu)選方案，所述的鋼渣的粒徑在1～2mm。

作為優(yōu)選方案，所述的腐植酸中，腐植酸純度>70％。

作為優(yōu)選方案，所述的改良層中，腐植酸含量大于鋼渣含量。

作為優(yōu)選方案，所述的改良層按干重之比，包括以下組分：

黏土：砂：鋼渣：腐植酸＝16:85:5:6。

有益效果：與現(xiàn)有下凹式綠地相比，本發(fā)明實施例具有以下有益效果：

1.本發(fā)明改良層滲透速率在10^-4cm/s數(shù)量級，具有優(yōu)良的滲透能力。另外，本發(fā)明實施例的改良層填料對道路雨水徑流中重金屬Pb，Cd，Zn具有良好的吸附性能。通過實驗可以驗證，經(jīng)改良層填料處理后的道路雨水徑流中重金屬基本完全消除。

2.具有吸附長效性。該填料預計吸附約5～10倍的道路使用年限內(最大20年)累積道路雨水重金屬量。

3.本發(fā)明實施例成本低廉，有利于廢物利用，節(jié)能環(huán)保。本發(fā)明實施例的改良層填料的鋼渣對重金屬具有良好的吸附能力，且鋼渣粒徑較大，可有效提高改良層的滲透能力，同時為土壤提供肥力。另外，鋼渣屬工業(yè)廢料，價格低廉，適宜推廣。黏土、中粗砂，價格低廉，取材廣泛。腐植酸對重金屬具有一定吸附能力，同時為土壤提供肥力，與鋼渣混合調和土壤堿性使得滲流雨水pH滿足地表水排放標準。此外，腐植酸肥料價格低廉，取材廣泛，適宜推廣。

具體實施方式

下面通過實施例，對本發(fā)明的技術方案進行詳細的說明。

本發(fā)明實施例的一種用于道路雨水排澇凈化的下凹式綠地改良層填料，所述的改良層填料按干重之比，包括以下組分：

黏土：砂：鋼渣：腐植酸＝15～20:80～85:5～7:5～10。

在上述實施例的改良層填料中，黏土為低液限黏土。砂的粒徑為0.25～2mm。鋼渣的粒徑在1～2mm。腐植酸純度>70％。

上述實施例的改良層填料具有良好的滲透性，能夠凈化路道路雨水徑流，設計考慮長期性，排放雨水符合地表水環(huán)境標準，且填料組分經(jīng)濟適宜推廣。本實施例的改良層填料中，鋼渣和腐植酸均可提高土壤肥力。本填料中鋼渣對重金屬具有吸附作用，并以化學吸附和化學沉淀作用；腐植酸對重金屬的吸附作用主要來源于腐植酸的螯合作用。

下面通過試驗，來說明本發(fā)明實施例的改良層具有優(yōu)良效果。

通過土柱試驗對改良層填料的滲透能力、重金屬吸附能力、滲流雨水pH值進行評定。其中，滲透速率通過達西定律計算可得；重金屬濃度由Thermo iCE 3000系列原子吸收光譜儀測定；pH值由HORIBA PH METER D-54測試儀測定；滲流雨水pH參考《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)。吸附試驗參照ASTM D4646-03規(guī)范。

試驗材料

1.黏土

所用黏土產(chǎn)于南京，為低液限黏土。其主要的物理化學性質指標如表1所示。

表1試驗用黏土的物理化學指標

2.中粗砂

所用砂經(jīng)過篩后，粒徑在0.25～2mm，為中粗砂。

3.鋼渣

來源自某鋼廠，主要成分為CaO(38％)、Fe₂O₃(28％)、SiO₂(18％)、MgO(6％)、Al₂O₃(4％)等氧化物。粒徑在1～2mm。

4.腐植酸

南京化學試劑股份有限公司生產(chǎn)，BR級別，粉末狀。

試驗標準

1.滲透性要求：當下凹式綠地滲透速率大于5.4×10^-5cm/s時即可滿足海綿城排水性能要求，但同時滲透速率不宜過大，需控制在0.001cm/s，否則易造成土壤沙化。

2.路面雨水重金屬設計濃度，如表2所示：

表2土柱試驗設計路面雨水重金屬濃度

3.pH值

根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)，排放雨水pH應在6-9。

試驗對象

試驗對象如表3所示，其中實例1為采用本發(fā)明技術方案，但是鋼渣含量大于腐植酸含量，實例5采用本發(fā)明技術方案的改良層填料，且鋼渣含量等于腐植酸含量，實例2、3、4、6、7采用本發(fā)明技術方案的改良層填料，且鋼渣含量小于腐植酸含量。對比例1和對比例2為現(xiàn)有技術方案。

表3不同比例組分的填料土柱試驗方案

試驗過程

采用土柱試驗，具體過程如下：

土柱由上往下依次為碎石層(3cm左右，避免倒入模擬雨水時引起上層土顆粒懸浮)，改良層(30cm)，土工布(避免改良層顆粒滲出淤堵下部碎石層)，碎石層(3cm左右)，鋼絲網(wǎng)，排水管。設計土柱內徑20cm，其中的改良層厚度為30cm，按壓實度略大于90％對應含水率下進行拌合，砂土混合后濕密度2.2g/cm³左右，鋼渣和腐殖酸其密度分別為1.33g/cm³、0.27g/cm³。

在填充模型柱過程中，采用分5層添加壓實的方法，每次利用重錘壓實至指定高度，并在下一層土倒入之前用土工刀將壓實后的表面拉毛，依此類推最終填至30cm高。

土柱填充完成，加入事先配置好的污染液。污染液pH約為7.20。污染液中Pb、Cd、Zn的實際平均離子濃度分別為0.13mg/L、0.33mg/L、1.64mg/L(設計值為0.2mg/L、0.4mg/L、2.0mg/L)。將總共3L污染液倒入土柱表面，使土柱開始滲流飽和，至單位時間內下滲污染液體積不變時視為滲流穩(wěn)定。測定每小時下滲液體積，同時進行pH值測定，且采集2份10mL滲濾液進行重金屬濃度測定。

滲透速率通過達西定律計算可得；重金屬濃度由Thermo iCE 3000系列原子吸收光譜儀測定；pH值由HORIBA PH METER D-54測試儀測定。

試驗結果

如表4所示：

表4土柱試驗結果匯總

從上述試驗結果可以看出：本發(fā)明技術方案的改良層填料具有優(yōu)良的滲透能力和重金屬吸附能力，在重金屬吸附能力上效果遠遠優(yōu)于對比例。

實例1—實例7中，對重金屬完全吸附，而對比例1和對比例2對重金屬不能完全吸附。

實例1—實例7中以及對比例1和對比例2的滲透速率均能滿足設計要求。

實例2、3、4、6、7處理后污染水pH值小于9，符合地表水排放標準。實例1和實例5處理后污染水pH值大于9，不符合地表水排放標準。作為優(yōu)選，在填料中，腐植酸的比例略大于鋼渣的比例才能使?jié)B流雨水pH滿足標準。

在具體工程實施過程中應因地制宜，針對道路污染程度和當?shù)赜晁畯姸瓤梢赃x擇不同的比例(要求腐植酸比例大于鋼渣比例)。

另外，對本發(fā)明實施例的填料進行吸附試驗，以驗證設計填料考慮吸附長效性。

采用基礎配比即黏土：砂：鋼渣：腐植酸＝80:20:5:6進行吸附試驗。并以黏土：砂＝80:20作對照組。吸附試驗參照ASTM D4646-03規(guī)范進行，保持固液比1:20。

試驗設計

根據(jù)《城市道路工程設計規(guī)范》(CJJ37-2012)主干道紅線寬度取最大值40m，最大使用年限20年?！冻鞘械缆肪G化規(guī)劃設計規(guī)范》種喬木的要求，綠化帶寬度至少為1.5m，兩側總綠化帶寬度3m以上。設地區(qū)年平均降水量1047.0mm，將適量放大，取1200mm。初步吸附層厚度設計為1m，密度約為2.2x10³kg/m³，按20年內單位質量工

程土的總累積重金屬吸附量為：

$Zn=\frac{480\×{10}^3\×2mg}{1\×1.5\×1\×2.2\×{10}^{6}g}=0.29mg/g$

$Cd=\frac{480\×{10}^3\×0.4mg}{1\×1.5\×1\×2.2\×{10}^{6}g}=0.058mg/g$

吸附試驗設計采用固液比1:20，10g填料對應污染雨水200mL，根據(jù)上式得到污染雨水重金屬濃度為：

Pb＝0.029×10×5＝1.45mg/L

Zn＝0.29×10×5＝14.5mg/L

Cd＝0.058×10×5＝2.90mg/L

考慮安全系數(shù)，將該濃度進行放大(約10倍進行試驗)，如表5所示。

表5吸附試驗設計路面雨水重金屬濃度

試驗結果

在設計濃度Pb＝15mg/L，Zn＝150mg/L，Cd＝30mg/L時，利用0.1mol/L的NaOH調節(jié)污染液pH使其滿足某地區(qū)路面雨水徑流調研結果7.1～7.3后，實際初始Pb＝5.97mg/L，Zn＝139.79mg/L，Cd＝29.53mg/L，按照ASTM D4646-03規(guī)范進行吸附試驗操作，保持固液比1:20，結果如表6。

表6吸附試驗前后濃度對比

吸附試驗結果表明，基礎配比(即黏土：砂：鋼渣：腐植酸＝80:20:5:6)相比較于對照組(黏土：砂＝80:20)吸附效果優(yōu)勢顯著，且對于設計濃度基本達到100％吸附，滿足設計要求。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本領域的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述具體實施例的限制，上述具體實施例和說明書中的描述只是為了進一步說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護的范圍由權利要求書及其等效物界定。