具有同步脱氮和降低n2o释放潜势作用的雨水花园
技术领域
本发明涉及用于去除雨水径流污染的雨水花园，特别是涉及一种具有同步脱氮和降低N2O释放潜势作用的雨水花园。
背景技术
随着城市化的进程，不透水下垫面逐渐增加，导致雨水径流量大幅增加，大量污染物质被带入下游水体，造成城市内涝及面源污染。我国地表水污染问题严重，有研究表明，城市水体中大约15％的污染物来自于面源污染。
雨水径流中所含污染物质包括营养盐(氮、磷)、重金属、有机碳(PAHs)、细菌和病毒、总悬浮固体等。众多研究表明，低影响开发设施对污染物的去除途径包括吸附、置换、沉淀、挥发、生物降解、营养循环等，但对溶解性的硝酸盐氮去除效果不佳，甚至会出现氮释放现象，加剧水体富营养化。因此，设计新型强化脱氮雨水处理设施，对于降低水体氮污染负荷、控制水体富营养化具有重要意义。
雨水脱氮过程主要通过微生物的硝化和反硝化进行。微生物脱氮过程中，氧化亚氮(N2O)会作为硝化副产物和反硝化中间产物而释放。N2O是三大温室气体之一，1mol N2O的红外辐射强度约为CO2的206倍，且在大气中停留时间较长(约120年)，其温室效应约为CO2的300倍。虽然N2O在大气中含量很低(约322ppbv)，释放量仅占总温室气体释放量的0.03％，但其对总温室效应的贡献率约为4.5％，对人为温室效应的贡献率为6-8％。大气中的N2O含量每增加1％，温室效应约增加30％。因此，随着城市面源污染问题加剧和雨水处理设施的广泛应用，如何减少N2O释放的问题也亟待解决。
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申请的背景的理解，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。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术存在的缺陷，提供一种具有同步脱氮和降低N2O释放潜势作用的雨水花园。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有同步脱氮和降低N2O释放潜势作用的雨水花园，包括从上到下依次设置的覆盖层、土壤层、沙层和砾石层，所述覆盖层包括树皮屑物，所述土壤层中布置有生物炭，在所述生物炭的表面富集有脱氮微生物种群，以实现雨水脱氮，所述沙层中布置有有机碳源，用于强化微生物反硝化脱氮，同时降低N2O释放潜势，所述砾石层的底部安装有出水管，所述出水管连接外部出水口，所述外部出水口的高度经设置以在所述雨水花园内部形成浸水区。
所述覆盖层的总厚度为2-10cm。
所述覆盖层包括松鳞。
所述土壤的粒度不大于5mm，总厚度为40cm，所述生物炭相对所述土壤层的体积比为10％。
所述有机碳源为缓释型有机碳源；优选地，所述缓释型有机碳源包括碎木屑和蔗渣，更优选地，所述沙层包括体积比5％的碎木屑以及5％的蔗渣
所述沙层采用建筑细沙，所述细沙的粒度不大于3mm，总厚度为20cm。
所述砾石层为建筑用砾石，所述砾石的粒度为3-5cm，总厚度为10cm。
相邻的层之间铺设有透水布进行分隔。
所述土壤层播种有草坪草。
所述草坪草为矮生马尼拉。
播种所述草坪草的方法为，每天喷洒式浇水至植株与根系发展成熟后，改为大约三天浇水一次。植株生长过高则需修剪至覆盖层1以上约2cm长处，并移除修剪掉的部分。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种具有同步强化脱氮和降低N2O释放潜势的作用的雨水花园，该雨水花园出水管连接的外部出水口的高度经设置从而在雨水花园内部形成浸水区，该浸水区能够持续稳定地提供缺氧环境，其中，在土壤层布置有生物炭，其表面积较大可改善土壤渗水性能，且生物炭表面富集脱氮微生物种群，强化了雨水花园的脱氮效果，实现对道路雨水径流中氮污染物的有效去除，同时，在沙层还布置有有机碳源，其优选采用缓释型有机碳源，在浸水区提供的缺氧环境的配合下，同步实现强化反硝化脱氮和降低N2O的释放潜势。通过上述雨水花园结构的整体设计，本发明的雨水花园在使雨水脱氮防污染的同时能够有效地降低N2O释放潜势，减少温室效应。
附图说明
图1为本发明实施例的雨水花园的结构示意图。
图2为本发明实施例的雨水花园在不同降雨时长下的脱氮效果图。
图3为本发明实施例的雨水花园在不同降雨时长下的N2O释放效果图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1，在一种实施例中，一种具有同步脱氮和降低N2O释放潜势作用的雨水花园，包括从上到下依次设置的覆盖层1、土壤层2、沙层3和砾石层4，所述覆盖层1包括树皮屑物，所述土壤层2中布置有生物炭，在所述生物炭的表面富集有脱氮微生物种群，以实现雨水脱氮，所述沙层3中布置有有机碳源，用于强化微生物反硝化脱氮，同时降低N2O释放潜势，所述砾石层4也充当排水层，所述砾石层4的底部安装有出水管5，所述出水管5连接外部出水口6，所述外部出水口6的高度经设置以在所述雨水花园内部形成浸水区7。通过设置出水口的高度，在雨水花园内部形成浸水区7，利用该浸水区7的浸水作用，能够持续稳定地提供缺氧环境。在此缺氧环境中，微生物可有效利用沙层3中布置的有机碳源，从而达到强化反硝化脱氮，同时降低N2O释放潜势的作用。
本发明实施例提供的雨水花园中形成了浸水区7，在土壤层2布置有生物炭，其比表面积较大可改善土壤渗水性能，而且，生物炭表面负载微生物，原位驯化、富集脱氮微生物种群，强化了雨水花园的脱氮效果，实现对道路雨水径流中氮污染物的有效去除，同时，在沙层3布置有有机碳源，而浸水区7提供缺氧环境，有利于同步实现强化微生物反硝化脱氮和降低N2O释放潜势。
以下进一步举例描述本发明具体实施例。
一种具体实施例的雨水花园的构造如图1所示，从上到下依次包括覆盖层1、土壤层2、沙层3和砾石层4。其中，所述砾石层4也作为排水层，所述砾石层4的底部安装有出水管5，例如直径20cm的穿孔管，所述出水管5连接外部出水口6，所述外部出水口6的高度经设置以在所述雨水花园内部形成浸水区7。该浸水区7产生的浸水作用能够持续稳定地提供缺氧环境。通过砾石层4的出水管5以及外部出水口6，可以收集降雨过程中高度超过浸水区7的出水。
在优选的实施例中，所述覆盖层1为松鳞等松树皮屑物，总厚度为2-10cm，如2-3cm，更优选为5-10cm，可起到保护植物的作用。
在优选的实施例中，所述土壤层2的土壤粒度不大于5mm，总厚度为40cm。所述生物炭相对所述土壤层2的体积比为10％。
在优选的实施例中，所述沙层采用建筑细沙，所述细沙的粒度不大于3mm，总厚度为20cm。
在优选的实施例中，所述有机碳源为缓释型有机碳源。所述缓释型有机碳源可以采用碎木屑、蔗渣等。在一个特别优选的实施例中，所述沙层3包括体积比5％的碎木屑以及5％的蔗渣。
在优选的实施例中，所述砾石层4为建筑用砾石，粒度3-5cm，总厚度为10cm。
在优选的实施例中，每一层填料层底部铺设黑色透水土工布进行分隔，防止填料流失。
在优选的实施例中，所述土壤层2播种草坪草，草坪草优选采用矮生马尼拉。一种优选的播种方法为，每天喷洒式浇水至植株与根系发展成熟后，改为大约三天浇水一次。植株生长过高则需修剪至覆盖层1以上约2cm长处，并移除修剪掉的部分。
实验例：
采用实施例的浸水型雨水花园进行模拟降雨实验。
参考城市道路雨水径流特性，本例所用合成道路雨水径流化学组成如表1所示，其中约含111mg/L化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)，1.5mg/L氨氮(NH4-N)，2.0mg/L硝酸盐氮(NO3-N)和3mg/L有机氮。每次模拟降雨实验前，在合成道路雨水径流中投加0.3mL/L微量元素储备液。合成道路雨水径流化学组分如表1所示。
表1合成道路雨水径流化学组分表
本例中绿化率取5％，降雨强度为5mm/h。汇水区径流系数按照混凝土路面取0.9(《建筑给水排水设计规范》GB50015-2009)。本例重点考察浸水型雨水花园的脱氮效率和N2O释放特性。
考察了不同降雨时长下浸水型雨水花园的污染物去除效果，开展了降雨时长分别为6和8h(采样时间为24h)的模拟降雨实验。浸水型雨水花园对道路径流中氮污染物的去除效果及N2O释放效果分别如图2、图3所示。
由图2可以看出，浸水型雨水花园脱氮效率达到80％以上且出水水质稳定。
由图3可以看出，降雨时长为6h的模拟降雨的N2O释放量逐渐升高，N2O释放量快速上升到约1mg N2O-N/m2，而降雨时长为8h的模拟降雨的N2O释放量基本稳定在0.04-0.07mgN2O-N/m2范围内。由此说明，在长时间降雨条件下，浸水型雨水花园对降低N2O释放潜势的作用更佳。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
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