一种基于超疏水土壤骨料的分级蓄水多功能生物滞留装置

本发明涉及雨水、污水处理，特别是涉及一种基于超疏水土壤骨料的分级蓄水多功能生物滞留装置。

背景技术：

1、微塑料、油类、染料在世界各地的河流、湖泊和海洋中大量存在，且在人口密集的城市水域最为丰富。微塑料、油类、染料具有水环境持久性和水生态有害性等特点，目前发现城市中微塑料、油类、染料的迁移与雨水的冲刷作用有关。路面的微塑料、油类、染料通过雨水进入生物滞留池，但国内现有生物滞留池只能通过土壤和滤料的拦截作用来减少微塑料、油类、染料进入地下水。

2、到目前为止，已经开发了许多处理方法来解决微塑料的污染问题，如吸附、生物降解、高级氧化工艺、电凝、人工湿地和热处理等。然而，现有的方法仍然存在一个或多个缺点，如操作复杂、耗时、效率和可重复使用性差、选择性低、膜污染、亲水性、不耐用基质和高温处理需求。开发的吸附材料通常是亲水性的，具有极高的吸水性，从而大大降低了其对微塑料的去除效率，甚至破坏了所用材料的机械性能，最终导致材料的可重复使用性非常差。上述缺点将严重限制其在微塑料去除方面的应用。

3、除此之外，往往雨水、污水中还存在大量氮磷物质以及有机污染物，在去除微塑料、油类、染料等难降解物质时同时除磷脱氮的装置少有研究。因此，需要提供一种新的技术方案，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于超疏水土壤骨料的分级蓄水多功能生物滞留装置，可对原水中微塑料、油类、染料实现高效去除，同时具有除磷脱氮功能。超疏水土壤骨料的分级蓄水多功能生物滞留装置具有微塑料、油类、染料的去除效果显著、操作简单和运行管理简便等优点，还具备利用原水中有机物作为微生物碳源进行除磷脱氮的功能。适用于雨水、污水中的微塑料、油类、染料去除，以及有机物的降解和除磷脱氮。

2、本发明提供一种基于超疏水土壤骨料的分级蓄水多功能生物滞留装置，包括：土壤ⅰ区、超疏水土壤骨料ⅰ区、土壤ⅱ区、超疏水土壤骨料ⅱ区、土壤ⅲ区、砾石承托区，所述土壤ⅰ区、超疏水土壤骨料ⅰ区、土壤ⅱ区、超疏水土壤骨料ⅱ区、土壤ⅲ区、砾石承托区依次连通，所述土壤ⅰ、ⅱ、ⅲ区内设置土壤，所述土壤ⅰ、ⅱ区底部为蓄水层，所述超疏水土壤骨料ⅰ、ⅱ区内设置超疏水土壤骨料，所述砾石承托区内设置砾石。

3、进一步的，所述土壤ⅰ区设置在所述超疏水土壤骨料ⅰ区的上游。

4、进一步的，所述超疏水土壤骨料ⅰ区设置在所述土壤ⅱ区的上游，所述土壤ⅱ区设置在所述超疏水土壤骨料ⅱ区的上游，所述超疏水土壤骨料ⅱ区设置在所述土壤ⅲ区的上游，所述土壤ⅲ区设置在所述砾石承托区的上游。

5、进一步的，所述砾石承托区底部设置有穿孔排水管。

6、进一步的，所述超疏水土壤骨料为采用超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末接枝的石英砂骨料。

7、进一步的，所述超疏水土壤骨料为由超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末、聚二甲基硅氧烷和石英砂组成，石英砂作为骨料基材，聚二甲基硅氧烷作为接枝剂，将超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末与石英砂粘结为超疏水土壤骨料。

8、进一步的，所述超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末为采用聚二甲基硅氧烷和正己烷改性四氧化三铁得到的产物。

9、进一步的，所述超疏水土壤骨料的制备方法具体包括以下步骤：

10、s1：超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末的制备；

11、s11：将正己烷与聚二甲基硅氧烷按照体积比例为1-1.2：1-1.2相溶，在50-100/rpm的转速下搅拌5分钟，形成均匀的母体溶液备用；

12、s12：将四氧化三铁粉末倒入装有母体溶液的烧杯中，其中四氧化三铁粉末与母体溶液的质量比为50-60：1，在80-100℃下加热15-30min，接着将混合物加热至178-182℃持续加热4-6h后得混合物a；

13、s13：将10-15g混合物a溶解在10-15ml正己烷中，并以900～1100/rpm离心10～15min；

14、s14：以900-1100/rpm离心10-15min，操作重复5-8次，最终获得聚二甲基硅氧烷接枝的四氧化三铁粉末，即制得超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末；

15、s2：超疏水土壤骨料的制备；

16、s21：将将石英砂与聚二甲基硅氧烷溶液按照质量比为20-30：1-1.5混合20-24h后，取出用100-200目滤网沥干多余的聚二甲基硅氧烷，得到聚二甲基硅氧烷-石英砂；

17、s22：将聚二甲基硅氧烷-石英砂与超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末按照20～30：1混合，并以60～100/rpm搅拌5～10min，得到超疏水土壤骨料。

18、进一步的，骨料直径为0.1mm～1mm。

19、进一步的，土壤ⅰ、ⅱ区的蓄水层的高度h计算公式如下:

20、

21、其中，h表示蓄水层高度，ρ表示水的密度，g表示重力加速度，γ表示水的表面张力，θ表示水的接触角，dmin为超疏水土壤骨料最小的粒径，dmax为超疏水土壤骨料的最大粒径，对于石英砂滤料，取形状因子α为0.78，孔隙度ε为0.43。

22、进一步的，超疏水土壤骨料ⅰ、ⅱ区的厚度不小于

23、现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

24、1.超疏水土壤骨料的分级蓄水多功能生物滞留装置具有微塑料、油类、染料的去除效果显著、操作简单和运行管理简便等优点，还具备利用原水中有机物作为微生物碳源进行除磷脱氮的功能。适用于雨水、污水中的微塑料、油类、染料去除，以及有机物的降解和除磷脱氮。

25、2.聚二甲基硅氧烷为链式结构，这种链式结构能与多种微塑料、油类、染料携带的甲基之间相互抓握，并且聚二甲基硅氧烷分子中的氧原子与多种微塑料、油类、染料的氢原子之间存在轻微的氢键相互作用，以及疏水分子之间的范德华力，从而使聚二甲基硅氧烷对多种微塑料、油类、染料存在较好的吸附作用。另外，部分微塑料、油类、染料为聚氯聚合物分子，聚氯聚合物分子中含有大量带孤对电子的氯原子，由于静电相互作用与σ-p键和p-p键共轭作用，其富电结构会优先吸附在聚二甲基硅氧烷分子上，并且支链较少的聚氯聚合物分子结构可以降低空间位阻，从而进一步提高了聚二甲基硅氧烷对部分微塑料、油类、染料的去除效率。

26、3.四氧化三铁结构疏松，表面结构粗糙，以聚二甲基硅氧烷作为四氧化三铁的表面涂层，超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末使微塑料更有利于吸附和附着，提高了微塑料、油类、染料的去除效率。

27、4.石英砂作为骨料基材，聚二甲基硅氧烷作为接枝剂，将超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末与石英砂粘结为超疏水土壤骨料，改善了超疏水性聚二甲基硅氧烷-四氧化三铁粉末在使用长时间后存在的板结问题，并且降低了四氧化三铁的使用量，从工程使用方面考虑，大大降低了经济成本。

28、5.超疏水土壤骨料的分级蓄水多功能生物滞留装置的土壤ⅰ区上层的植被通过同化作用去除部分的氨氮和硝态氮，在降雨期间将氨氮完全吸附后，然后在干旱时间内，土壤良好的含水率，可以促进氧气的转移，通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮，而且在干旱时间内，可以增强土壤的复氧能力，释放部分吸附点位，提高装置的硝化能力和吸附能力。土壤ⅰ区的下层为蓄水层，氨氧化消耗氧气后，产生的硝态氮在蓄水层的厌氧环境中也实现了一定反硝化脱氮的效果。

29、6.土壤ⅰ、ⅱ区的下层为蓄水层，可以提供缺氧的环境和较长的水力停留时间，这使得装置在干旱时间内，通过微生物和填料的作用充分进行反硝化作用，从而有效去除硝态氮。蓄水层在降雨过程中主要通过快速吸附暂时除磷，然后在降雨结束后的干旱期间发生缓慢的沉淀反应实现永久除磷。通过这些沉淀反应，部分快速吸附到可逆位置的磷被重新吸附到不可逆的位置，从而使快速吸附的可逆位置能够被再次利用，以便在下一次降雨期间快速吸附。磷与蓄水层的土壤发生可逆的外球面静电子离子交换反应，该过程速度较快且容易发生可逆，然后开始慢慢吸附进行络合反应，慢速的内层络合作用是稳定除磷的重要手段。在沉淀反应去除磷时，沉淀反应动力学较慢，在干旱时间内完全反应。

30、7.土壤ⅰ区可以收集雨水，通过土壤层基质和植被作用将雨水中较大的悬浮物颗粒截留并去除，可以暂时储存雨水，减缓水流速度，延长水力停留时间时间，减少洪水峰值的形成，有助于减少洪涝灾害的风险，可以为装置的植被提供一个自然的绿色空间，即使在长期干旱条件下，土壤ⅰ区的土壤层也能保持较高的含水率，能够丰富植被和微生物的多样性，在降雨期间将可溶性的污染物能够充分吸附，在干旱时间内，可以在植被、微生物和土壤的共同作用下将污染物充分转化并去除，在下次降雨时又可以将填料的部分吸附点位释放，从而进行新一轮的吸附作用。

31、8.土壤ⅰ、ⅱ区的蓄水层可以代替传统生物滞留装置的淹没区(饱和区)，能够暂时储存雨水，有助于减缓水流速度，延长水的停留时间，使得填料与污染物有充足的接触时间，有利于污染物的去除；蓄水层为微生物提供了良好的生存环境，丰富了微生物的多样化，在干旱时间内，通过微生物和填料的作用，可以将污染物充分去除，在下次降雨时将这部分滞水排出，蓄水层储存下次降雨的雨水。