砂質(zhì)河床對懸浮物去除行為的試驗研究*

王泉波，胡榮庭，鄭西來1，**，張華軍

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；3.淄博市淄川區(qū)環(huán)保局，山東 淄博 255100）

受全球氣候變化和人類活動綜合影響，中國的洪澇和干旱災(zāi)害頻發(fā)，水資源短缺問題日益嚴重［1］。用雨洪水回灌不僅可削減雨洪水徑流量，也可增加地下水儲量［2］。但在回灌時，水中的污染物會導(dǎo)致地下水水質(zhì)惡化，并使含水層發(fā)生堵塞，進而使回灌水量逐漸降低。在雨洪水流經(jīng)河床時，沿河開采地下水，雨洪水通過河床滲流進入抽水井，經(jīng)河床的吸附、過濾和生物降解等作用后雨洪水得以凈化，尤其是對懸浮物的去除，過濾后的水可用于地下水回灌［3］。河床過濾具有成本低、處理效果好和無有毒副產(chǎn)物等優(yōu)點，被歐美多國廣泛采用，其過濾機理和對污染物去除規(guī)律的研究日益受到重視［4］。

河床過濾雨洪水時，水中的懸浮物易在河床中沉積，致使其滲透性降低，從而提高了對懸浮物去除效果［5］。懸浮物在過濾介質(zhì)內(nèi)的沉積受多種因素制約，懸浮物與過濾介質(zhì)的粒徑比值較大時，懸浮物易沉積在過濾介質(zhì)表面；反之，懸浮物則向過濾介質(zhì)深層遷移［6］。懸浮物濃度越高，其在過濾介質(zhì)內(nèi)沉積速率越快，且過濾介質(zhì)的滲透性下降也越快［7］。另外，當懸浮物在過濾介質(zhì)表面沉積時，滲流速度越大，過濾介質(zhì)的滲透性下降也越快［8］；而當懸浮物在過濾介質(zhì)內(nèi)沉積時，滲流速度越快，過濾介質(zhì)滲透性下降得越慢［9］。河床過濾懸浮物時，隨著懸浮物在過濾介質(zhì)內(nèi)的沉積，使得過濾介質(zhì)孔隙減小，比表面積增大，水力停留時間增加，故對懸浮物的去除率逐漸升高［10－11］。

雨洪水中懸浮物的粒徑分布范圍較廣，20μm以上的懸浮物易自然沉降去除［12］，其余粒徑的懸浮物可經(jīng)河床濾除，但對該粒徑范圍懸浮物去除行為的研究較少。因此，為了弄清砂質(zhì)河床對懸浮物去除行為，設(shè)計和制作了水淘選裝置，將河流懸浮物進行粒度分級，分別研究了不同懸浮物粒徑、濃度和滲流速度對懸浮物去除效果的影響，為雨洪水的回灌提供科學的依據(jù)。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置包括水淘選裝置和砂濾裝置。水淘選裝置用于對懸浮物進行粒度分級，制備懸浮物樣品；砂濾裝置是用河砂過濾水中懸浮物，并測定過濾介質(zhì)的滲透性變化和懸浮物的去除效果。

1.1.1 水淘選裝置 水淘選裝置是利用斯托克斯沉降定律對懸浮物進行分離，即控制淘選柱內(nèi)不同上升水流速度，使粒徑不同的懸浮物沉降于各淘選柱底部或隨出水流出。裝置包括水槽、潛水泵、定水頭供水箱、流量計、各級淘選柱和集水箱（見圖1）。水槽用于配制懸浮液。潛水泵抽取懸浮液，一部分通過回流方式對懸浮液進行攪拌，防止懸浮物沉降；另一部分流向定水頭供水箱。定水頭供水箱設(shè)有進水管、出水管和溢流管，出水通過流量計調(diào)節(jié)水量，使懸浮液平穩(wěn)得自流進入淘選柱一級、二級和三級淘選柱由有機玻璃管制成，內(nèi)徑分別為5、10和20cm，有效高度均為20cm，均為下部進水和頂部溢流出水，底部設(shè)有集泥斗和放空閥。懸浮液經(jīng)三級淘選后，最終進入集水箱。

圖1 水淘選裝置示意圖（a）與裝置照片（b）Fig.1 Sketch（a）and photo（b）of water elutriation device

1.1.2 砂濾裝置 砂濾裝置主要包括水槽、潛水泵、定水頭供水箱、滲流砂柱、測壓板、控水頭裝置和電子天平（見圖2）。水槽、潛水泵和定水頭供水箱與水淘選裝置的相同。滲流砂柱設(shè)有進水管、出水管、溢流管、測壓管和取樣管，由有機玻璃管制成，內(nèi)徑為10cm，高為120cm；在其一側(cè)設(shè)有4個測壓管（分別距過濾介質(zhì)表面0、5、15和95cm處）；另一側(cè)設(shè)2個取樣口（距過濾介質(zhì)表面5和15cm處），分別標記為取樣口A和B。測壓板與測壓管用硅膠管連接，測定滲流砂柱的各位置水頭值。控水頭裝置可自由調(diào)節(jié)高度，控制滲流砂柱的進水水頭差。電子天平用于測定各時間段滲流砂柱出水的質(zhì)量，然后將出水的質(zhì)量按其溫度和密度換算為流量。

1.2 試驗材料

1.2.1 懸浮物 懸浮物樣品采自青島市大沽河河底的表層沉積物，先在水中用0.5mm的標準篩濾除大顆粒物，再將濾液配制成300mg/L的懸浮液，最后用水淘選裝置進行分離。淘選時，控制裝置流量為100mL/min，經(jīng)計算得出一級、二級和三級淘選柱內(nèi)的水上升流速分別為5.09、1.27和0.32cm/min，將二級和三級淘選柱底部收集的沉積物分別標記為S1和S2，集水箱內(nèi)的懸浮物記為S3，按樣品的實際比例將S2和S3的混合后，混合物標記為S4。在采用激光粒度儀分析各樣品的粒度，結(jié)果見表1。

圖2 砂柱試驗裝置示意圖（a）與裝置照片（b）Fig.2 Sketch（a）and photo（b）of sand column experimental device

1.2.2 過濾介質(zhì) 過濾介質(zhì)為大沽河河砂，經(jīng)X射線衍射分析，其主要成分為石英、長石和白云石，三者含量占98%以上；用篩分法分析，過濾介質(zhì)的中值粒徑為0.45mm，不均勻系數(shù)2.76，屬于中砂。過濾介質(zhì)的密度為2.63g/cm3，當容重為1.65g/cm3時，初始滲透系數(shù)（K0）為30m/d。

1.2.3 水樣 用自來水配制懸浮液，水樣的礦化度為0.2g/L，pH 為7.6，電導(dǎo)率為512μs/cm。

表1 懸浮物粒徑特征值表Table 1 Characterization results of suspension particle size/μm

1.3 試驗方法

在用滲流砂柱過濾懸浮物時，測定過濾介質(zhì)的滲透性變化和懸浮物的去除行為，具體試驗步驟如下：

（1）在砂柱底部鋪設(shè)10cm的礫石，再覆加80目的不銹鋼篩網(wǎng)，后將烘干篩分的過濾介質(zhì)按等容重1.65 g/cm3分層裝入柱內(nèi)，使濾層厚度為95cm。

（2）從砂柱底部緩慢通入自來水，通水時間為24h，逐漸排除其中殘留的氣體，然后排出測壓管中氣泡，保持各個測壓管中靜止水位一致。

（3）在室溫（15℃）條件下，將懸浮液連續(xù)注入砂柱80 h，各組試驗的控制條件見表2。測定各測壓管水頭值和出水口流量，采用達西定律（式1）計算過濾介質(zhì)的滲透系數(shù)（Ki），并用式2計算相對滲透系數(shù)（Ki′）。

式中：Q—砂柱流量（m/d）；ΔI—測壓管間距 （m）；Δh—測壓管間水頭差（m）；d—砂柱內(nèi)徑（m）；v—達西流速（m/d）；I—水力坡降；K0—過濾介質(zhì)初始滲透系數(shù)（m/d）；Ki—在i時刻過濾介質(zhì)的滲透系數(shù)（m/d）。

（4）分別采集砂柱內(nèi)濾層深度為0、5和15cm處的水樣，測定其濁度值，并分別計算懸浮物去除率。

表2 各組過濾試驗的控制條件Table 2 Control condition of each experimental group

2 懸浮物對河床過濾的影響

河床對懸浮物的濾除，按機理可分為表面過濾和深層過濾。當懸浮物的粒徑較大時，以表面過濾為主，懸浮物在過濾介質(zhì)的表面沉積形成濾餅，而濾餅亦起到過濾的作用；當懸浮物粒徑較小時，則以深層過濾為主，懸浮物沉積于過濾介質(zhì)內(nèi)部，而過濾介質(zhì)主要通過遷移、黏附和脫落機理去除懸浮物。

2.1 懸浮物粒徑

用中值粒徑分別為12.9、7.3和2.3μm 懸浮物（S1、S2和S3），配制濁度為100NTU的懸浮液，控制砂柱進水水頭差為30cm，分別測定0～5cm、5～15cm過濾介質(zhì)的滲透系數(shù)，計算不同時間的相對滲透系數(shù)，結(jié)果見圖3（a）和（c）。另外，采集過濾介質(zhì)表層以下5和15cm處（取樣口A和B）的水樣，測定其濁度，并計算懸浮物的去除率，結(jié)果見圖3（b）和（d）。

由圖3（a）可知，過濾介質(zhì)的相對滲透系數(shù)（K｀）隨時間逐漸降低，懸浮物粒徑越大，K′降低速度也越快。當K′降為0.5時，由S1、S2和S3配制懸浮液的注入時間為2、3和6h；而當K′降為0.1時，懸浮液的注入時間分別約為7、10和18h。在圖3（b）中，取樣口A處的懸浮物去除率隨時間逐漸升高，且懸浮物的粒徑越大，其去除率提高得也越快。這3種懸浮液在分別注入砂柱3h后，懸浮物去除率分別為84%、80%和74.5%；當懸浮液分別注入18、28和64h后，懸浮物被完全去除。懸浮物在過濾介質(zhì)內(nèi)沉積后，使得過濾介質(zhì)的比表面積增大、過濾孔隙減小和水力停留時間增加，其滲透性隨懸浮物沉積量增加而降低，但對懸浮物去除率卻逐漸提高，直至完全去除。懸浮物的粒徑越大，越易在介質(zhì)表面沉積而形成濾餅，且形成速度也越快，而對懸浮物去除率提高得也就越快，尤其懸浮物S1中的粒徑大于20μm的顆粒物，受自然沉降作用，快速沉積于過濾介質(zhì)表面而形成新的過濾層，加快了表層過濾介質(zhì)滲透性的下降速度，而懸浮物去除率也快速提高。小粒徑的懸浮物通過深層過濾方式去除，其在過濾介質(zhì)的遷移深度隨粒徑減小而增加。因此，用中值粒徑為12.9、7.3和2.3μm的懸浮物配制成懸浮液，在分別注入過濾介質(zhì)18、28和64h后，表層5cm過濾介質(zhì)的K′分別降為0.087、0.014和0.003時，可全部去除懸浮物。

由圖3（c）可以看出，用12.9和7.3μm懸浮物（S1和S2）配制的懸浮液，分別注入砂柱后，對5～15cm過濾介質(zhì)的滲透性影響很小，其相對滲透系數(shù)（K′）保持在0.8以上；而2.3μm的懸浮物（S3）對該層的滲透性影響較大，K′下降到0.4左右。在圖3（d）中，取樣口B處懸浮物去除的總體趨勢，與取樣口A處的基本一致。這3種懸浮液在分別注入砂柱3h后，懸浮物去除率為98%、94.5%和89%，而懸浮液分別注入14、18和34h后，懸浮物被完全去除。主要因為S1和S2大部分都被0～5cm的過濾層去除，故對下層過濾介質(zhì)的滲透性影響很小，且對懸浮物去除率較高。粒徑較小的S3在過濾介質(zhì)內(nèi)的遷移深度最大，尤其在初始階段，約10%的S3穿透了15cm的濾層，后隨著懸浮物在該層的沉積，過濾介質(zhì)的過濾效果逐漸增強，至34h后完全去除懸浮物。

圖3 懸浮物粒徑不同的條件下過濾介質(zhì)相對滲透系數(shù)（K′）與取樣口A（b）、取樣口B（d）處懸浮物去除率隨時間（t）的變化曲線Fig.3 The relative permeability coefficient filter medium and the suspended solids removal rate of sampling port A（b），sampling port B（d）as functions of time（t）under different suspension particle size conditions

2.2 懸浮物濃度

用中值粒徑為2.8μm的懸浮物（S4）配制濃度分別為50、100和200NTU的懸浮液，控制砂柱水頭差為30cm，在不同時間測定0～5和5～15cm過濾介質(zhì)的滲透系數(shù)，并計算過濾介質(zhì)的相對滲透系數(shù)（K′），結(jié)果見圖4（a）和（c）。另外，在過濾介質(zhì)表層以下5和15 cm處（取樣口A和B）采集水樣，測定其濁度，并計算懸浮物的去除率，結(jié)果見圖4（b）和（d）。

由圖4（a）可知，0～5cm過濾介質(zhì)的K′隨時間降低，且注入的懸浮物濃度越高，K′降低也越快。當過濾介質(zhì)的K′值降為0.5時，濃度分別為50、100和200 NTU的懸浮液，注入的時間分別為4、4和2h；而當K′降為0.1時，懸浮液注入的時間分別為18、14和8h。在圖4（b）中，經(jīng)0～5cm濾層過濾后，取樣口A處的懸浮物去除率隨時間升高，直至完全去除，且注入懸浮物濃度越高，過濾介質(zhì)對懸浮物去除率提高得越快。這3種濃度的懸浮液在分別注入砂柱2h后，懸浮物的去除率分別為58.8%、44.5%和55.0%；而在分別注入54、72和48h后，懸浮物被完全去除。這主要是因注入的懸浮物濃度越高，懸浮物在過濾介質(zhì)內(nèi)的沉積速率越快，滲透性下降得也越快，懸浮物進入量逐漸減少，使得K′下降速度緩慢。另外，當懸浮物濃度較低時，進入過濾介質(zhì)內(nèi)的懸浮物總量較少，故懸浮物去除率較高，但提高速度較慢。因此，用懸浮物濃度為50、100和200NTU的懸浮液，分別注入砂柱54、72和48h后，0～5cm 濾層的K｀分別降為0.01、0.01和0.004時，可全部去除懸浮物。

圖4 懸浮物濃度不同的條件下的過濾介質(zhì)相對滲透系數(shù)（K′）與取樣口A（b）、取樣口B（d）處懸浮物去除率隨時間（t）的變化曲線Fig.4 The relative permeability coefficient filter medium and the suspended solids removal rate of sampling port A（b），sampling port B（d）as functions of time（t）under different suspension particle concentration conditions

由圖4（c）可知，5～15cm濾層的相對滲透系數(shù)（K′）在初期下降較快，后趨于穩(wěn)定，且注入的濃度越高，K′趨于穩(wěn)定的歷時越短。濃度分別為50、100和200NTU的懸浮液，分別注入34、30和16h后，K′值分別穩(wěn)定為0.61、0.46和0.50。在圖5（d）中，經(jīng)0～15cm的濾層過濾后，取樣口B處的懸浮物去除規(guī)律與取樣口A的一致。這3種濃度的懸浮液分別注入砂柱2h后，懸浮物去除率分別為89.3%、81.1%和80.3%，而在懸浮液分別注入砂柱36、36和26h后，懸浮物被全部去除。主要是因為有10%～20%的懸浮物可進入到5～15cm的濾層，且注入的懸浮物濃度越高，進入的懸浮物量也越大，使得懸浮物去除率的提高得也越快。

2.3 滲流速度

通過控制砂柱的進水水頭差（△H），可使水樣在過濾介質(zhì)內(nèi)具有不同的滲流速度，當△H分別為15、30和50cm時，在滲透系數(shù)為30m/d的過濾介質(zhì)內(nèi)，水樣的初始達西滲透流速分別為4.7、9.5和15.8m/d。試驗中用中值粒徑為2.8μm的懸浮物（S4）配制懸浮液，懸浮物濃度為100NTU的，在上述△H條件下注入砂柱，在不同時間測定0～5cm和5～15cm過濾介質(zhì)的滲透系數(shù)，并計算相對滲透系數(shù)（K′），結(jié)果見圖5（a）和（c）。另外，在不同時間對過濾介質(zhì)表層以下5和15cm處（取樣口A和B）采集水樣，測定其濁度，并計算不同時間內(nèi)懸浮物的去除率，結(jié)果見圖5（b）和（d）。

由圖5（a）可知，0～5cm過濾介質(zhì)的K′隨時間降低，且砂柱的△H越大，K′下降得越快。當K｀降至0.5時，在△H為15、30和50cm的砂柱，注入時間分別為7、4和3h；當K′降至0.1時，注入時間分別為21、15和13h。在圖5（b）中，△H為15和30cm的砂柱，經(jīng)0～5cm的濾層過濾后，取樣口A處的懸浮物去除率隨時間升高；而當△H為50cm時，懸浮物的去除率是先降低后趨于穩(wěn)定?！鱄為15、30和50cm的砂柱，在試驗2h后，取樣口A的懸浮物去除率均約為70%；試驗10h后，懸浮物去除率分別為77%、73%和45%；而在72h的懸浮物去除率分別為96%、100%和52%。當滲流速度較小時，過濾介質(zhì)以黏附機理為主，對懸浮物去除率較高，而當進入過濾介質(zhì)的懸浮物量較少，其滲透性下降緩慢，故對懸浮物去除率提高得也較慢；而當滲流速度較大時，水流的剪切作用強，脫落機理作用增強，懸浮物在過濾介質(zhì)內(nèi)的遷移深度增加，其沉積速率也較快，使得濾層的滲透下降較快，對懸浮物去除率提高速度較快。因此，在△H分別為15、30和50cm的砂柱，在懸浮液分別通入75、58和52h后，表層5cm的過濾介質(zhì)的K′均降為0.01，對懸浮物的去除率分別約為96%、100%和45%。

圖5 滲流速度不同的條件下的過濾介質(zhì)相對滲透系數(shù)（K′）與取樣口A（b）、取樣口B（d）處懸浮物去除率隨時間（t）的變化曲線Fig.5 The relative permeability coefficient filter medium and the suspended solids removal rate of sampling port A（b），sampling port A（b）as functions of time（t）under different seepage velocity conditions

由圖5（c）可知，5～15cm濾層的K′在隨時間先降低后趨于平穩(wěn)?！鱄分別為15、30和50cm的砂柱，在試驗52、28和58h后，該濾層的K′值分別穩(wěn)定為約0.72、0.56和0.16。在圖5（d）中，經(jīng)0～15cm 濾層過濾后，△H為15和30cm的砂柱，其濾層對懸浮物的去除率隨時間升高；而△H為50cm時，懸浮物的去除率是先降低后升高。這3個△H不同的砂柱，在試驗2h后，對懸浮物的去除率分別為99%、87%和86%?！鱄為30cm的砂柱在試驗28h后，可完全去懸浮物；△H為50cm的砂柱，10h時對懸浮物的去除率最低（70%），至46h后可完全懸浮物。這主要是因當滲流速度較小時，大部分懸浮物被0～5cm濾層截留，使得下層過濾介質(zhì)的滲透性趨于穩(wěn)定，對懸浮物有著較高的去除率。當過濾介質(zhì)內(nèi)水樣的滲流速度較大時，過濾介質(zhì)在初期以黏附機理為主，對懸浮物去除率較高；隨著過濾介質(zhì)內(nèi)沉積的懸浮物量增加，脫落機理作用逐漸增大，增強了懸浮物向下運移的趨勢，而使得懸浮物去除率下降；當過濾介質(zhì)內(nèi)懸浮物沉積量持續(xù)增加，其脫落機理作用降低，故對懸浮物去除率又開始升高，直至完全去除。

3 結(jié)論與展望

用砂柱過濾裝置模擬砂質(zhì)河床對雨洪水的過濾作用，通過控制不同的懸浮物粒徑、濃度和滲流條件，得出以下關(guān)于懸浮物去除行為的結(jié)論。

（1）用河砂過濾懸浮物時，懸浮物粒徑越小，其在過濾介質(zhì)內(nèi)的遷移深度越深，過濾介質(zhì)的滲透性下降越慢，對懸浮物去除效果越低。中值粒徑分別為12.9、7.3和2.3μm的懸浮物，在注入過濾介質(zhì)18、28和64h后，表層5cm過濾介質(zhì)的相對滲透系數(shù)分別降為0.087、0.014和0.003，此時可全部去除懸浮物。

（2）用河砂過濾20μm以下懸浮物時，懸浮物濃度越高，在過濾介質(zhì)內(nèi)的沉積速率越大，過濾介質(zhì)的滲透性降低越快，使得其過濾效果快速提高；但是當濃度過低時，受過濾介質(zhì)內(nèi)沉積的懸浮物量限制，懸浮物去除效率反而較高。

（3）在過濾介質(zhì)中，懸浮物的遷移深度隨滲流速度增大而增大，而對懸浮物的去除率卻隨之降低。當初始達西流速分別為4.7、9.5和15.8m/d，在試驗72、58和80h后，表層5cm的過濾介質(zhì)的相對滲透系數(shù)均降為0.001，對懸浮物的去除率分別約為95%、100%和45%。

用砂質(zhì)河床過濾雨洪水后，可以有效去除的水中懸浮物，進而提高了回灌水的水質(zhì)，也可預(yù)防由懸浮物導(dǎo)致含水介質(zhì)的物理堵塞。但是，河床的過濾介質(zhì)也存在堵塞的問題，其堵塞發(fā)生在表層20cm范圍內(nèi)，可以通過河水沖刷、河底生物作用、季節(jié)性河流的干濕轉(zhuǎn)換等自然條件，或者由人為控制的反沖洗、表層河砂的置換等，使河床過濾性能的得以恢復(fù)。因此，如何利用自然條件或者通過人為控制，保證河床過濾的效果值得深入研究。

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