組合濾料對(duì)徑流雨水中懸浮固體過(guò)濾效果的研究

薛曉睿　吳鍵　陳富

摘要：對(duì)人工雨水中不同濃度的懸浮固體（SS）去除率進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并設(shè)計(jì)了一種對(duì)徑流雨水中SS進(jìn)行過(guò)濾的裝置，得出了濾料種類、濾料層厚度和進(jìn)水流速對(duì)雨水中SS去除率的影響。結(jié)果表明：鐵礦石、石英砂、改性纖維球三種濾料對(duì)徑流雨水中SS的過(guò)濾效果較好，并用這三種濾料作為組合濾料，發(fā)現(xiàn)在組合濾料厚度為48 cm和60 cm、進(jìn)水流速為3 mL/min的情況下該裝置對(duì)SS的過(guò)濾效果達(dá)到最佳。

關(guān)鍵詞：雨水過(guò)濾；雨水徑流；SS濃度

中圖分類號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）20003803

1引言

我國(guó)是缺水嚴(yán)重的國(guó)家，人均水資源量為2033 mm3，僅為世界人均水平的23%[1]。而雨水作為地球上最直接和最經(jīng)濟(jì)的淡水資源，越來(lái)越受到人們的重視。在大雨時(shí)，徑流會(huì)迅速匯集造成大面積的地面積水，對(duì)地表和管道沉積物的沖刷，使徑流的污染負(fù)荷成倍增加，嚴(yán)重危害人們的生活和城市水質(zhì)安全[2]。雨水過(guò)濾系統(tǒng)不僅可以減少雨水的徑流量，并且可以將收集到的徑流水體污染物總量降低[3]。

SS是徑流雨水主要污染物之一，常見(jiàn)的SS過(guò)濾方法有沉淀法、混凝法、膜分離法、虹吸法等。這些雨水收集和過(guò)濾方法運(yùn)行成本較高，技術(shù)復(fù)雜，占地面積大，只適合在工業(yè)生產(chǎn)中使用，在市面上難以普及。而在農(nóng)村的雨水利用中，只需要使用簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)雨水中的SS進(jìn)行有效收集并過(guò)濾，即可滿足人們一定程度上的用水需求。用簡(jiǎn)單濾料組合而成的雨水過(guò)濾裝置可操作性強(qiáng)，易于控制，且安裝和運(yùn)行成本低，在農(nóng)村普及的可行性高。

石英砂、活性炭、鐵礦石、改性纖維球、EPS泡沫顆粒都是生活中常用的凈化水質(zhì)的濾料，可在市面上購(gòu)買。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)選取不同粒徑的以上5種濾料進(jìn)行測(cè)試，分析每種濾料過(guò)濾雨水中SS的效果，并選出其中3種過(guò)濾效果最佳的濾料進(jìn)行組合，并得出該組合濾料的最佳過(guò)濾層厚度、最佳進(jìn)水流速等參數(shù)[4]。

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置和材料

2.1.1實(shí)驗(yàn)裝置

雨水過(guò)濾實(shí)驗(yàn)裝置一套（包括KCP3-X蠕動(dòng)泵，流速范圍：2.6～41.5 mL/min；40目檢驗(yàn)篩筒，數(shù)量：3個(gè)，每一個(gè)高20 cm；燒杯，容量：500 mL；容量瓶，容量：2 L；玻璃攪拌棒，數(shù)量：1個(gè)），裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.2實(shí)驗(yàn)材料

石英砂（粒徑3～5 mm），椰殼活性炭（粒徑0.8～2 mm），改性纖維球（粒徑30～35 mm），鐵礦石（粒徑3～5 mm），EPS泡沫（粒徑1～2 mm）。

2.1.3人工雨水的配置

對(duì)近期河岸附近集流面雨水進(jìn)行采集并檢測(cè)其SS濃度，測(cè)得SS濃度范圍為150～400 mg/L，因此用蒸餾水+干燥的粘土顆粒配置人工雨水，SS濃度梯度為150 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L[5]。

2.2實(shí)驗(yàn)步驟與方案

2.2.1實(shí)驗(yàn)基本運(yùn)行原理

將配置好的人工雨水倒入容量瓶中，并用玻璃攪拌棒不斷攪拌，防止人工雨水中SS沉淀。將濾料放至篩筒中壓實(shí)，利用蠕動(dòng)泵將容量瓶中的人工雨水抽往濾料進(jìn)行過(guò)濾，連續(xù)進(jìn)水后檢測(cè)出水的SS濃度，計(jì)算出濾料對(duì)人工雨水中SS的去除率，最后得出實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2.2.2實(shí)驗(yàn)方案

具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1，第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，第三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

3.1第一組實(shí)驗(yàn)

從表2中數(shù)據(jù)可以看到，5種濾料對(duì)SS的去除效果各不相同，按照濾料對(duì)SS去除率大小排列依次為鐵礦石、石英砂、改性纖維球、EPS泡沫、椰殼活性炭。鐵礦石和石英砂由于質(zhì)量較重，粒徑較大，且不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)水后的漂浮現(xiàn)象，對(duì)雨水中的SS過(guò)濾效果較好，去除率約在70%～80%，明顯優(yōu)于其他3種濾料；改性纖維球體積較大，纖維遇水后可以吸收大量水分，故對(duì)SS也有較好的過(guò)濾效果，去除率約為50%～55%；EPS泡沫濾料表面光滑、質(zhì)量較輕，且粒徑小，進(jìn)水后容易產(chǎn)生漂浮現(xiàn)象，吸附能力較弱，故對(duì)SS的過(guò)濾效果較差，去除率約在30%；椰殼活性炭去除率為0%，是因其表面的碳顆粒在實(shí)驗(yàn)中易被進(jìn)水沖刷到燒杯中，故出水中的SS濃度大量增加，無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)出其去除率，不代表其沒(méi)有吸附能力，所以椰殼活性炭對(duì)SS的去除率指標(biāo)在本實(shí)驗(yàn)中無(wú)法與其他濾料形成對(duì)比。

3.2第二組實(shí)驗(yàn)

從表3中數(shù)據(jù)可以看到，濾料層厚度的增加與SS去除率呈正相關(guān)。濾料層厚度在24～48 cm之間時(shí)，SS去除率增長(zhǎng)速率較快；但濾料層厚度在48～60 cm之間時(shí)，SS去除率的增長(zhǎng)速率大幅度降低，去除率無(wú)明顯變化，均為90%左右?？梢?jiàn)在此厚度區(qū)間內(nèi)組合濾料對(duì)SS的過(guò)濾效果已經(jīng)接近極限，趨于平穩(wěn)。對(duì)SS的去除率達(dá)到極限時(shí)的組合濾料層準(zhǔn)確值還有待進(jìn)一步確定。

3.3第三組實(shí)驗(yàn)

從表4中數(shù)據(jù)可以看到，隨著進(jìn)水流速的減小，組合濾料對(duì)SS的去除率逐漸增加。因?yàn)檫M(jìn)水流速越小時(shí)，人工雨水對(duì)濾料的沖力越小，SS就越容易被組合濾料吸附，故除去效果越好。但在進(jìn)水流速為12 mL/min時(shí)的去除率雖較3 mL/min時(shí)有所降低，但也具備較好的過(guò)濾效果，去除率達(dá)到90%左右。在一些需要短時(shí)間對(duì)徑流雨水的SS進(jìn)行過(guò)濾的雨水過(guò)濾系統(tǒng)中，宜采用控制較大的進(jìn)水流速。

4結(jié)論

石英砂、鐵礦石對(duì)徑流雨水中SS過(guò)濾效果較好，除去率可以達(dá)到70%～80%；改性纖維球?qū)S也有良好的過(guò)濾效果，除去率為50%～55%。這3種濾料適合作為簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾系統(tǒng)中的濾料。另外，濾料層厚度的增加和進(jìn)水流速的減小對(duì)SS的去除都有顯著的效果，濾料層厚度在48 cm和60 cm時(shí)的過(guò)濾效果最佳，進(jìn)水流速在3 mL/min時(shí)過(guò)濾效果最佳，這些參數(shù)可以為后續(xù)過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)，并做進(jìn)一步改善。本實(shí)驗(yàn)仍然存在諸多不完善之處，如對(duì)SS的去除率達(dá)到極限時(shí)的濾料層厚度準(zhǔn)確值、組合濾料與單種濾料對(duì)SS去除效果的對(duì)比，都將在后期的加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中加以確定。endprint

參考文獻(xiàn)：

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中華人民共和國(guó)水利部.2015年中國(guó)水資源公報(bào)[R].北京：中華人民共和國(guó)水利部，2015.

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Study on the Effect of Using Composite Filter Materials to Filter Suspended Solid in Rainwater

Xue Xiaorui， Wu Jian， Chen Fu

（College of Water Resources and Hydropower Engineering， Sichuan Agricultural University，

Yaan， Sichuan， 625014， China）

Abstract： This paperanalyzedremoval rate for different concentration of suspended solid（SS） on artificial rainwater and designed an experimental device to filtrate the SS in rainwater runoff. Then， it came to a conclusion for the influence of the kind of filter material， the thickness of filter material and the water flow velocity. The experiment result showed that iron ore， quartz sand and fiber ball had good effect on filtrating the SS in rainwater runoff. Usingthese three filter materials as the combination filter，the thicknesses of composite filter materials are 48cm and 60cm. This experimental device has best effect to filter SS when the water flow velocity is 3ml/min.

Key words： rainwater filtration； rainwater runoff； concentration of suspended solidendprint