高速公路橋面初期徑流凈化裝置的設計

李超 婁鵬

（河南省交通科學技術研究院有限公司 河南鄭州 450006）

高速公路橋面初期徑流凈化裝置的設計

李超 婁鵬

（河南省交通科學技術研究院有限公司 河南鄭州 450006）

為解決初期徑流污染問題，針對橋面徑流的水質特點，引入凈化裝置，用于截留初期徑流中的主要污染物SS 和COD。初期徑流凈化裝置由沉淀池和使用卵石、玄武巖、粗砂等為基質的過濾裝置組成。通過過濾效果驗證實驗可以看出，本設計對于初期徑流水體中的SS和COD的去除效果較為明顯。

高速公路；初期徑流；凈化

1 引言

目前，在跨越重要地表水體的公路環(huán)境影響評價項目中，環(huán)評專家及環(huán)境保護行政主管部門都明確提出禁止橋面徑流排入水體，要求采取橋面徑流收集措施。

為解決初期徑流污染問題，針對橋面徑流的水質特點，在本系統(tǒng)中引入凈化裝置，用于截留初期徑流中的主要污染物SS，并且其對COD也有一定的去除作用。

初期徑流凈化裝置由沉淀池和以卵石、玄武巖、粗砂等為基質的過濾裝置組成，設置初沉池的目的是對橋面徑流進行初步沉淀，去除水流中較大的顆粒污染物，降低后級過濾裝置的處理負荷及延長其維護周期。

2 初期徑流凈化裝置

2.1 蓄水池

受占地、投資因素制約，蓄水池容積在滿足使用要求的前提下應盡量小。在極端降水情況下，其容積主要取決于橋面徑流量和過濾裝置處理能力的流量差，強降水情況下橋面徑流水質趨于穩(wěn)定的時間也是蓄水池容積影響因素之一。蓄水池容積采用式（1）計算：

式中：V——蓄水池容積，m3；

Q1——強降水情形下橋面徑流流量，單位L/s；實際實施時，結合工程所在地氣象統(tǒng)計資料確定；

Q2——過濾裝置出水能力，單位L/s，與裝置出水面積、濾料種類、濾料鋪設厚度有關；

t——橋面徑流水質趨于穩(wěn)定的時間，單位s。在3‰設計坡度時，橋面四分之一區(qū)域雨水流量為30.7L/s，橋側排水管過水能力取決于匯合后的排水管，在水力坡度2%（橋梁縱坡）時過流能力為24.3L/s，實際實施時，在橋梁兩端各布置一套收集裝置，每套裝置收集一半橋面的徑流，按此推斷，進入蓄水池的水量應為48.6L/s，與凈化裝置的流量差為46.8L/s，不考慮來水直排時，在1h最大降水量76mm情形下，降水持續(xù)1h時，蓄水池應有168.48m3容積。在實際設計的橋面徑流凈化方案中，達到系統(tǒng)預設流量的后續(xù)徑流不再處理，蓄水池池容可小于此容積。根據檢測結果，強降水天氣15min后采集的路面徑流，其水質已接近雨水，按此徑流趨穩(wěn)時間計算，所需蓄水池容積應為42m3。

綜上所述，在設計中蓄水池的實際容積應在根據式（1）計算所得容積基礎上，加上因考慮沉淀功能設置溢流堰所產生的無法利用的這部分容積，此即蓄水池的最終容積。

2.2 過濾池

內部填充復合顆粒濾料，以物理截留為主來去除橋面徑流中的顆粒污染物，濾料顆粒表面形成穩(wěn)定的生物群落后，微生物作用對溶解性COD等污染物也有一定的去除效果。

過濾池采用池底進水、上部出水的方式。池體內部以溢流堰為界分為過濾區(qū)和出水區(qū)兩部分，上游來水經配水管配水后充滿池底，而后逐漸上升通過復合濾料層，在這一過程中，徑流中挾帶的顆粒物被截留，水質得以凈化。濾料層上部出水從溢流堰流入出水區(qū)后排入邊溝。出水管布設位置取決于過濾池是地上式還是地埋式。若為地上式，出水管布設于出水區(qū)池底位置，若為地埋式則可緊鄰溢流堰布設。

初期徑流進入凈化裝置后，通過配水管進行配水，配水管設在凈化裝置底部，末端開口用管堵封堵，并在管段上沿水管橫向間隔5～10cm均勻鉆出直徑3～5cm的圓孔，流向相對的孔交錯排列，以卵石不堵塞、掉入圓孔為準。卵石粒徑差別較大時，應采取措施防止卵石堵塞、掉入圓孔。所開圓孔面積之和應不小于排水管截面積。

排水管上鉆孔目的為均勻配水，上游來水流經過濾料間隙時，因其曲折回轉的阻隔及上升流出水可消減相當程度來水勢能，有助于形成分布均勻平緩的上升流，將來水由紊流轉變?yōu)閷恿鞑⒕鶆蚍植荚跒V料層橫截面上，一方面充分利用濾料的過濾能力，另一方面形成的穩(wěn)定上升流，防止過濾后水流流態(tài)不穩(wěn)挾帶過多泥沙溢流。

在配水管上部依次鋪設厚度50cm的卵石、沸石、粗砂，粒徑由下到上逐級變小，各濾料層間鋪設目數略小于上層濾料的隔網，防止濾料過度下沉混合，降低下層濾料的縫隙率。濾料層上方至溢流堰頂部還有50cm高度未填充濾料，此高度為泥沙沉降層，用以進一步去除出水中挾帶的泥沙顆粒。由于徑流經過過濾層后流速極慢，在過濾過程中未被阻截及徑流經過粗砂過濾層時挾帶的細小顆粒，因密度較大上沖一定高度后逐漸沉降下來。

水流依次通過卵石、沸石、粗砂過濾層后，截留掉大部分顆粒污染物，隨著來水持續(xù)，逐漸充滿池體，在凈化裝置上部未填充濾料空間部分沉降掉攜帶的細小顆粒后，經溢流堰流入出水區(qū)排入邊溝。

由于橋面徑流的流量取決于降水強度及降水持續(xù)時間，且監(jiān)測數據表明僅僅是初期徑流水質較差，橋面經過一定時間的降水沖刷（降水量）后，后續(xù)的徑流水質已趨于穩(wěn)定，且凈化裝置受占地因素制約，處理能力有限，我們設計的凈化方案是只處理初期徑流，對后續(xù)趨穩(wěn)的徑流不再處理，直接排入邊溝。

2.3 過濾池處理能力分析

2.3.1 過濾效果驗證實驗

（1）介質選擇

鵝卵石：直徑3～4cm；玄武巖：直徑2～3cm；石英砂：直徑2～ 3mm。

初期徑流凈化裝置的過水斷面尺寸2.5m×1.8m，折合4.5m2，三層濾料的厚度均為40cm，經計算，凈化裝置的綜合過水能力是1.8L/s，水流通過三層濾料的時間約為1614s。相關數據見表1。

表1 初期徑流凈化裝置處理能力計算表

（2）試驗用水

試驗用水系在自來水中添加過0.63mm篩后的城市道路灰塵配制而成。

（3）填料填放

考慮到更換填料種類時清理方便，每個箱體放1種填料，填料填放的順序沿水流方向上，箱體中依次是鵝卵石、玄武巖、石英砂。箱體中的填料，設置3個厚度，10cm、18cm、22cm。相應地，總的過濾層厚度依次為30cm、54cm、66cm。

（4）采樣時間

試驗采用間歇式進水方式，每周一至周五進水，每天下午進水，水閥打開后采集進水和出水的水樣。同時每天記錄試驗地的溫度和濕度。

（5）監(jiān)測指標及測定方法

水中固體懸浮物顆粒（SS）：重量法；化學需氧量（COD）：重鉻酸鉀法；

溫濕度：溫濕度表。

2.3.2 試驗結果分析

（1）預備試驗

不同路面采集到的道路路面灰塵過0.63mm篩后，分析SS 和COD的數據。每個試驗重復3次。根據數據分析，確定試驗進水需添加的COD與SS的數值。把采集到的四個地方的城市道路灰塵混合后模擬高速公路路面徑流形成的固體顆粒物添加到自來水中。

（2）試驗地的溫度及濕度

在整個試驗進程中，試驗場地的溫度和濕度變化是穩(wěn)中有升的，溫度變化范圍在14.3～23.9℃度之間，溫度的算數平均值為18.5℃。濕度的變化范圍在21～47%之間，濕度的算數平均值為32%。在廢水生物處理中，微生物最適宜的溫度范圍一般為16～ 30℃，最高溫度在37～43℃，當溫度低于10℃時，微生物將不再生長。在適宜的溫度范圍內，溫度每提高10℃，微生物的代謝速率會相應提高，COD的去除率也會提高10%左右；相反，溫度每降低10℃，COD的去除率會降低10%，因此在冬季時，COD的生化去除率會明顯低于其它季節(jié)。

（3）固體懸浮物的去除

表2 不同介質厚度下對固體懸浮物的去除效果

由表2可以看出，固體懸浮物在人工濕地試驗模型中的去除率較好，去除范圍在78.9～96.5%之間，去除效率的算數平均值為89%。污水在進入人工濕地以后，由于流速迅速減慢，再加上自然沉淀和填料的吸附、阻截和過濾作用，進水懸浮物在進入處理裝置的前端即得到有效的去除。同時填料中也存在著物理、化學和生物吸附作用，使細小的懸浮物得到有效的去除。所以，懸浮物去除率的高低取決于廢水與填料的接觸程度，在濕地中保持廢水良好的流態(tài)，使其全部流經填料層，避免廢水表面漫流的發(fā)生，對提高懸浮物的去除效率至關重要。試驗裝置設計的水路全部在介質層以下，水流流經路線的最大化，并能與介質充分接觸，使得對固體懸浮物的去除率較高。

（4）化學需氧量的去除

表3 不同介質厚度下對化學需氧量的去除效果

由表3可以看出，人工濕地在每種介質層厚度上對COD的去除率都是呈現(xiàn)增加的趨勢，介質厚度的增加對COD的去除有一定的波動，波動之后COD的去除仍然是呈現(xiàn)增加的趨勢。當單個箱體的介質層厚度為22cm，總過濾層厚度為66cm時，對COD的去除在11.3～36.0%之間浮動，去除效率算術平均值為24.3%，相比較單個箱體介質層厚度為10cm和18cm，對COD的去除效率的算數平均值43.2%和35.7%來看，介質層厚度的增加反而對COD的去除效率降低了，究其原因，主要是因為進水的COD濃度在126～439mg/L之間，進水濃度的升高，依賴微生物降解的生物膜還沒有形成。對人工濕地內部的沉積物，除濕地進水口的固體懸浮物以外，較高的COD運行負荷會使填料內來不及降解的各類有機物質大量累積（包括微生物體及其殘?。?，形成新的人工濕地沉積物，從而使填料層的滲流能力逐漸下降，加速人工濕地的退化。因此有人提出，在濕地運行時增加晾曬干化期，使累積物得到分解和消耗而減少，以恢復濕地的性能。也有人建議，對濕地進行定期的翻底清理或填料更新，但是這不僅耗資大，而且會破壞濕地業(yè)已形成的生態(tài)結構，使其處理性能在短時間內很難恢復。因此，我們建議在人工濕地處理技術的前端加上前處理系統(tǒng)，例如化糞池、厭氧反應池、氧化塘等，降低進水口的COD負荷，以延長人工濕地的使用壽命。

（5）固體懸浮物與化學需氧量的相關性分析

表4 固體懸浮物和化學需氧量的去除效率比較

由表4可以看出，固體懸浮物具有較高的去除效果，范圍在78.9～96.5%，化學需氧量的去除效果浮動較大，變化范圍在8.3～ 60.3%之間。固體懸浮物與化學需氧量之間的回歸分析表明，參數之間存在良好的線性相關關系，回歸方程為：COD=2.5658×SS-187.71，R2=0.8706。

3 結論

人工濕地試驗模型對固體懸浮物的去除效果較好，主要靠一次性過濾及沉淀完成。對化學需氧量的去除效果有浮動，對進水口COD負荷低的去除效果較好。研究固體懸浮物和化學需要量之間的線性關系可以得出，化學需氧量的去除與固體懸浮物之間具有一定的相關性。

U443.3

A

1673-0038（2015）24-0293-03

2015-5-22