海綿型雨水口初期雨水截污能力優(yōu)化研究

廖曉數(shù)，吳志權(quán)，朱成煜，林冰，蘇君豪，張倩，仇玥*

1.武漢市漢陽市政建設(shè)集團(tuán)有限公司

2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

近年來，城市水體污染問題雖有所改善，但仍是國家環(huán)境治理的重中之重。在各類污染源中，城市非點源已成為僅次于農(nóng)業(yè)面源的第二大面源[1]。由降雨引發(fā)的地表徑流污染是城市非點源污染的重要來源之一。目前，在我國運營的雨水管道存在不同程度的沉積物累積現(xiàn)象，為了減輕管道末端受納水體的污染物負(fù)荷，必須從雨水管道系統(tǒng)的源頭控制污染，降低后續(xù)處理工藝的負(fù)荷[2]。雨水口是城市排水系統(tǒng)的咽喉，也是城市非點源污染進(jìn)入水環(huán)境的重要通道[3]。對于地表徑流中的初期雨水，將其經(jīng)截污裝置去除污染物之后，再進(jìn)行有效收集與利用，是減少地表徑流污染、解決城市水資源短缺的有效措施之一[4]。城鎮(zhèn)內(nèi)雨水口的堵塞，會提高城市道路的積水風(fēng)險，有可能導(dǎo)致被污染的積水匯入并污染城市水體[5]。因此，建造雨水口截污設(shè)施可以從管網(wǎng)源頭控制污染并防止管路堵塞，從而有效緩解城市內(nèi)澇。雨水口截污裝置作為路面排水污染控制設(shè)施，其結(jié)構(gòu)型式及功能對徑流雨水的水質(zhì)控制尤為重要[6]。

針對雨水口各種截污措施的截污效果，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。如陳瑩等[7]結(jié)合西安市道路徑流水質(zhì)、水量特征及街道截口設(shè)置，設(shè)計了一種道路雨水口截污裝置——截污掛籃，并研究了其透水性能、工作狀態(tài)、截污效果及漏循環(huán)；陳望等[8]研究了以 500、400、350、250、200 g/m2的土工布制成的截污裝置對西安市屋面初期雨水的截污效果，發(fā)現(xiàn)在不發(fā)生溢流的情況下，土工布截污裝置可有效減輕屋面初期徑流污染負(fù)荷，改善屋面徑流水質(zhì)；柳健[9]采用尼龍網(wǎng)和土工布2種截污掛籃，發(fā)現(xiàn)其對徑流固體污染物具有較好的去除效果。

筆者采用海綿型雨水口截污裝置（與傳統(tǒng)型雨水口不同的是，該雨水口增加了截污掛籃、導(dǎo)流板、過濾模塊等模塊化的活動式裝置），研究在不同特性材料的過濾模塊條件下，海綿型雨水口對懸浮物（SS）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）和總磷（TP）的去除效果，以期為城市地表徑流的凈化提供參考。

1 材料與方法

1.1 海綿型雨水口截污裝置

海綿型雨水口截污裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置包括井壁、雨水箅子、截污掛籃、導(dǎo)流板、過濾模塊、集泥框、排水管等。雨水箅子對地表徑流中的粗大污染物進(jìn)行初步攔截，稍大的顆粒物被截留于箅子內(nèi)；雨水及通過雨水箅子的較小顆粒物流至截污掛籃，小顆粒物被截留在掛籃內(nèi)；而雨水和細(xì)顆粒物則通過截污掛籃的孔隙落至井底的集泥框，最后到達(dá)孔徑很小的過濾模塊。細(xì)小顆粒被截留于過濾模塊一側(cè)，逐漸積聚于集泥框中。當(dāng)降水量很大，雨水來不及全部通過過濾模塊時，過濾模塊前的水位會持續(xù)上升，直至從過濾模塊頂端溢流至另一側(cè)。最終，經(jīng)過雨水箅子、截污掛籃、集泥框和過濾模塊的過濾后，較為清潔的地面雨水通過排水管排至雨水井。

圖1 海綿型雨水口截污裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Sewage interception device of sponge-type rainwater inlet

海綿型雨水口截污裝置采用模塊化設(shè)計，構(gòu)造簡單，拆裝靈活，檢修方便，日常維護(hù)工作量較小。海綿型雨水口截污裝置的組裝工藝如圖2所示。

圖2 海綿型雨水口組裝工藝Fig.2 Assembly process of sponge-type rainwater inlet

1.2 試驗用初期雨水水質(zhì)

試驗用水樣取自武漢市洪山區(qū)珞獅南路邊雨水口和武漢理工大學(xué)校園內(nèi)雨水口，雨水箅子尺寸均為750 mm×450 mm。于2021年6—8月下雨時打開雨水箅子，將雨水掛籃套好袋子放入，收集第5、10、15、20分鐘的初期雨水。共采樣6次，降水量（以 24 h計）分別為15～24.9 mm（中雨）2次，25～49.5 mm（大雨）2次和50 mm（暴雨）以上2次。

2 h內(nèi)檢測雨水的 SS、COD、NH4+-N、TN、TP指標(biāo)。綜合6次采樣數(shù)據(jù)，得到初期雨水水質(zhì)。根據(jù)實際初期雨水的水質(zhì)，配制人工模擬初期雨水用于后續(xù)試驗。初期雨水水質(zhì)和模擬雨水水質(zhì)如表1所示。

表1 實際初期雨水水質(zhì)和模擬初期雨水水質(zhì)Table 1 Actual initial rainwater quality and simulated initial rainwater quality mg/L

1.3 試驗方案及檢測方法

土工布由合成纖維通過編織或針織而成，在實際生產(chǎn)中多用于防滲、過濾、排水等[10]。土工布具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)性能，抗腐蝕能力強(qiáng)，在干燥或濕潤環(huán)境中都能保持較好的強(qiáng)度和抗拉能力，孔隙大小穩(wěn)定，透水性好，可作為良好的過濾材料[11]。分別采用土工布、不銹鋼篩網(wǎng)以及不同材質(zhì)的濾料過濾模塊進(jìn)行海綿型雨水口截污裝置的截污效果研究，土工布和不銹鋼篩網(wǎng)采用蒙在集泥框上的方法來探究截污效果，另外采用不銹鋼篩網(wǎng)來承托過濾模塊中的濾料。具體試驗設(shè)計如表2所示。

表2 具體截污試驗方案設(shè)計Table 2 Specific design of pollution interception test scheme

分別將第5、10、15和20分鐘的模擬初期雨水倒入海綿型雨水口截污裝置中，并檢測出水SS、COD、NH4+-N、TN、TP濃度。用多普勒流量計測得實際初期雨水流速為1.1 m/s，實際初期雨水流量為1.5 L/s。用該數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬試驗，在φ300的試驗管段橫截面積下的平均過流量為1.5 L/s。根據(jù)試驗得知，雨水入流持續(xù)時間為 1～5 min，對SS、COD、NH4+-N、TN、TP的截留效果差別不大，即持續(xù)時間為1 min的初期徑流雨水試驗已經(jīng)能夠模擬實際徑流雨水在該海綿型雨水口中的截污效果，故選擇持續(xù)時間為1 min。根據(jù)持續(xù)時間和平均過流量，計算得到累計過流量為90 L。

試驗中水質(zhì)指標(biāo)SS、COD、NH4+-N、TN和TP的測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 土工布截污效果

用土工布作為過濾材料，污染物去除效果如表3所示。由表3可知，土工布的過濾作用使其對SS有較好的去除效果，去除率為58%～64%。其中，規(guī)格600和800 g/m2的土工布過濾模塊對SS去除效果較好，而規(guī)格100、200和400 g/m2的土工布過濾模塊對SS的去除率差別不大。可知土工布對SS的去除率與其本身單位面積質(zhì)量并無太大相關(guān)性，原因可能是，當(dāng)在集泥框表面蒙上土工布，土工布的單位面積質(zhì)量越大（即厚度越大），其過流流量和流速會降低，在降水量大的時間段，會造成部分來不及過濾的雨水溢流，對截污效果造成影響。土工布過濾模塊對COD僅有微弱的去除效果，去除率平均為13%左右，400和800 g/m2的土工布過濾模塊去除COD的能力稍微優(yōu)于其他單位面積質(zhì)量的土工布，但差異并不顯著。土工布過濾模塊對NH4+-N和TN的去除效果微乎其微，去除率僅為3%左右，對TP則基本沒有去除效果?？梢?，土工布適用于攔截污水中溶解態(tài)氮、磷濃度不高的雨水，如果實際工程中的雨水徑流中溶解態(tài)氮、磷濃度不高，則可在集泥框表面蒙上土工布進(jìn)行截污。

表3 不同規(guī)格土工布過濾模塊對污染物的去除效果Table 3 Removal effect of geotextile filter module with different specifications on pollutants

2.2 不銹鋼篩網(wǎng)截污效果

用作雨水過濾模塊的不銹鋼篩網(wǎng)采用平紋、斜紋、密紋等方式編織而成，具有耐磨強(qiáng)度高、使用壽命長等優(yōu)點，是較為傳統(tǒng)的篩分和過濾材料。不銹鋼篩網(wǎng)過濾模塊的截污效果如表4所示。由表4可知，孔徑為0.2、0.5、1.0、1.5和2.0 mm的不銹鋼篩網(wǎng)過濾模塊對SS、COD、TN、TP幾乎都沒有去除作用，對SS的最高去除率僅為3%。可見，不銹鋼篩網(wǎng)作為過濾模塊對污染物的去除效果較差。此外，通過降低不銹鋼篩網(wǎng)的孔徑至0.074 mm，能在一定程度上提高海綿型雨水口對SS的攔截能力，但對COD、NH4+-N、TN、TP幾乎都沒有去除作用。

表4 不同孔徑不銹鋼篩網(wǎng)過濾模塊對污染物的去除效果Table 4 Removal effect of stainless steel screen filter module with different apertures on pollutants

將不銹鋼篩網(wǎng)孔徑降至0.074、0.030、0.015 mm，發(fā)現(xiàn)隨著孔徑的減小，海綿型雨水口對SS和COD的攔截能力也相應(yīng)提高，0.015 mm的不銹鋼篩網(wǎng)過濾模塊對SS的去除率達(dá)49%，對COD的去除率為11%。較小孔徑的不銹鋼篩網(wǎng)過濾模塊能產(chǎn)生一定的去污效果，但在過濾模塊的選擇上不僅需要考慮對污染物的降解能力是否滿足工程需求，也要考慮其經(jīng)濟(jì)性和實用性是否符合工程預(yù)算。0.015 mm以上的不銹鋼篩網(wǎng)孔隙率低，初期雨水透過所需時間過長，并且容易在雨水口中造成短流，降低截污效果[13]。在水流進(jìn)入雨水口之后，由于流速緩慢，過濾模塊前端的水流容易受到雨水口處垂直向下的水流的沖擊，造成水流紊亂，部分?jǐn)嗝嬉坏┬纬烧婵諣顟B(tài)，就會形成一股上升的氣流，帶動部分淤泥與水作向上運動，從而降低去污效果[14]。另外，0.015 mm以上的不銹鋼篩網(wǎng)成本過高，在實際工程運用中難以滿足經(jīng)濟(jì)方面的要求。

2.3 濾料的截污效果

過濾模塊中的濾料設(shè)計一般要滿足以下幾個基本條件：1）有較好的表面性質(zhì)和較大的比表面積，以保持濾料的均一性；2）具備一定的孔隙率以保持濾料的透氣性和透水性，以防濾料被污染物填充或因為氣壓升高而形成短流現(xiàn)象；3）有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和一定的防腐蝕能力，防止濾料因水流沖擊而受到破壞[15]。本試驗在過濾模塊中填充高爐灰焦粒、活化沸石、椰殼生物炭、陶粒、活性炭作為濾料，研究其對初期雨水中污染物的去除效果。高爐灰焦粒一般來源于電廠鍋爐、各種工業(yè)用鍋爐和煤礦燃煤等，根據(jù)不同來源，含有鈦、鋁、鎂等各種金屬元素組分，比表面積較大，有較高的孔隙率，是較好的過濾材料[16]?；罨惺菍⑻烊还桎X酸鹽礦石經(jīng)過多種工藝活化而成，在灼燒時會產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象?；罨惺哂歇毺氐奈锢砘瘜W(xué)特性，吸附性能強(qiáng)，有利于離子交換，對水中的有害重金屬、SS、色度和臭味等都有去除效果，是一種較為理想的新型濾料[17]?；钚蕴恳话惴譃榉勰詈皖w粒狀，主要用于水的凈化、脫氯、去除色度和異味等，具有良好的吸附能力[18]。椰殼生物炭是以優(yōu)質(zhì)椰子殼為原材料的一種濾料，具有吸附性能好、強(qiáng)度高等優(yōu)點。搗碎的椰殼具有較大的極性，比表面積大，有利于SS的附著[19]。陶粒的原材料是黏土或頁巖，內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈細(xì)密蜂窩微孔狀[20]，相較其他濾料最顯著的優(yōu)點是輕質(zhì)性。

2.3.1 濾料的截污能力

試驗采用的市售濾料粒徑均為1.5～3.0 mm，厚度均為10 cm。5種濾料的過濾模塊對初期雨水中污染物的去除效果如表5所示。

表5 不同填充濾料的過濾模塊對污染物的去除效果Table 5 Removal effects of filter modules filled with different filter materials on pollutants

由表5可見，5種濾料均能有效提高過濾模塊的截污效果，尤其是提高了對COD、TN、TP和NH4+-N的攔截效果。其中，高爐灰焦粒對各種污染物有均衡的去除效果，尤其對TP的去除率相對較高；活化沸石對COD的去除效果在5種濾料中表現(xiàn)最好，去除率達(dá)48%，但其對磷污染物幾乎沒有去除效果；椰殼生物炭對SS、COD、TP的去除效果與高爐灰焦粒接近，但其脫氨能力明顯弱于其他4種濾料。陶?；蚧钚蕴孔鳛闉V料，能獲得比高爐灰焦粒、活化沸石和椰殼生物炭濾料更好的截污效果，且陶粒和活性炭對不同的污染物均有著較好的降解效果。陶粒濾料在達(dá)到理想的脫氮除磷效果的同時，也實現(xiàn)了較高的SS和COD去除效果。5種濾料有較高的表面能，具有不規(guī)則的多孔狀結(jié)構(gòu)，吸附容量較大，過濾周期長，并對初期雨水中污染物有一定的絮凝作用[21]。相對于土工布和不銹鋼篩網(wǎng)來說，在初期降水量較少并保證雨水經(jīng)過填充濾料過濾模塊不會溢流的情況下，填充濾料對SS有更高的去除率。

相比普通砂濾料，活化沸石濾料更有利于微生物生長，易于微生物的附著，由于其比表面積大于普通濾料，因此有較高的COD去除率?；罨惺癁V料的NH4+交換容量較高，能夠吸附水中的NH4+，有適宜硝化菌進(jìn)行硝化作用的條件，故活化沸石濾料對TN和NH4+-N也有較好的去除效果?；罨惺商烊环惺罨鴣恚谧茻^程中會因為表面絡(luò)合吸附作用和羥基化作用的下降而影響沸石對PO43-的吸附作用，甚至導(dǎo)致對PO43-的吸附容量幾乎降為0。如表5所示，活化沸石對TP沒有去除效果。

椰殼生物炭的制備過程要經(jīng)過熱解，隨著溫度的升高，椰殼生物炭的陽離子交換量降低，NH4+交換容量較低，因而對TN和NH4+-N的去除效果不如活化沸石。但椰殼生物炭對PO43-保留了較好的吸附性能，對TP去除效果較好。此外，椰殼生物炭顆粒不規(guī)則，孔隙結(jié)構(gòu)較發(fā)達(dá)，對COD也有一定的去除效果[22]。

陶粒具有極好的吸附性能，對COD去除效果較好，而且質(zhì)地硬，耐沖刷，有良好的物理性狀。由于陶粒有著豐富的孔狀結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，因此截污能力較好?？谞畋砻嬗欣谖⑸飹炷?，可有效去除水中COD、TP、TN和NH4+-N等，截污效果較好[23]。

活性炭為黑色固體，一般由木炭制備，其吸附性能良好，多用于污水處理。一般活性炭表面會聚集微生物，微生物和有機(jī)物接觸時間較長，對COD的去除效果高于除活化沸石外的其他濾料，對初期雨水脫氮除磷有著一定的作用，對氮磷元素去除效果較好[24]。在物理吸附和微生物降解的雙重作用下，活性炭對各種污染物的去除效果均略優(yōu)于陶粒。

2.3.2 濾料的經(jīng)濟(jì)性

土工布、不銹鋼篩網(wǎng)和填充濾料對初期雨水中污染物都有一定的去除效果，但在實際工程中還需考慮經(jīng)濟(jì)性和耐用性。對本研究的幾種海綿型過濾模塊進(jìn)行價格和使用年限分析（表6），結(jié)果表明：每m2土工布的市場售價約為不銹鋼篩網(wǎng)的1/10，且在多種工程用途中都有著與不銹鋼篩網(wǎng)相當(dāng)?shù)氖褂脡勖?.015～0.074 mm的不銹鋼篩網(wǎng)價格較高，不適宜在實際工程中大量運用；從城市附近的鋼材生產(chǎn)等廠家收購高爐灰焦粒，若是大批量采購且在國家推動去產(chǎn)能、以廢治廢的相關(guān)政策背景下，能達(dá)到較低的收購成本；活性炭作為目前給水深度處理中常用的吸附材料，有著較好的截污性能和較高的收購成本，但其市場售價較高。

2.3.3 濾料的選擇

陶粒的原材料一般為黏土和頁巖，制作工藝相對簡單，外表堅硬，機(jī)械強(qiáng)度大，耐用性強(qiáng)，有著長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，其實際采購價格與活化沸石相仿。當(dāng)實際工程對脫氮除磷要求較高時，不宜選擇活化沸石作為濾料。椰殼生物炭價格較高，脫氮效果一般，但對TP和SS的去除效果好，可用于經(jīng)費充足且雨水中氮濃度低的場景。就去除效果而言，活性炭對各污染物均有較好的去除效果，但其采購成本較高，在實際工程中用于海綿型雨水口的性價比不高。高爐灰焦粒濾料價格最為經(jīng)濟(jì)，相較于其他4種濾料，對COD去除效果最差，但對COD之外的其他污染物去除效果較好，適用于對COD去除效果要求不高且預(yù)算低的場景。綜上，可從污染物截留率、過濾模塊耐用性、經(jīng)費預(yù)算、地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn)或雨水中污染物濃度等方面，根據(jù)實際情況來選擇相應(yīng)的海綿型雨水口過濾模塊。

3 結(jié)論

（1）多種海綿型雨水口過濾模塊截污效果比較結(jié)果表明，土工布對SS有著一定的去除效果，對COD的去除效果微弱，對氮、磷污染物幾乎沒有去除作用。售價低廉的大孔徑不銹鋼篩網(wǎng)過濾模塊（孔徑＞0.074 mm）的截污性能較差，而截污性能較好的小孔徑不銹鋼篩網(wǎng)過濾模塊（孔徑≤0.074 mm）則因經(jīng)濟(jì)性不高、過流能力弱，難以運用到生產(chǎn)實際中。

（2）在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，高爐灰焦粒、活化沸石、椰殼生物炭、陶粒、活性炭5種過濾材料的海綿型雨水口可靈活運用于不同徑流雨水集流截污場景。可根據(jù)各地區(qū)不同季節(jié)的降水量、水質(zhì)指標(biāo)和污染物排放標(biāo)準(zhǔn)等，選用相應(yīng)過濾模塊的海綿型雨水口。其中活化沸石和椰殼生物炭適用于對脫氮除磷要求不高的場景或氮、磷濃度較低的雨水?；钚蕴咳コЧ茫杀据^高，適用于經(jīng)濟(jì)條件好，對污水處理預(yù)算較為充足的場景。陶粒具有良好的截污能力和經(jīng)濟(jì)實用性，適用于實際經(jīng)費預(yù)算不高，又要求各項污染物去除效果好的場景。