降雨徑流快速過濾技術(shù)研究★

杜紅雨，陳國(guó)強(qiáng)，金忠友，張成才，唐文加，李 蔚，羅維春

(1.重慶市北碚區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，重慶 400711；2.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025; 3.重慶文理學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 402160)

0 引言

近年來，隨著城市化的進(jìn)一步發(fā)展，路面硬化面積增多，透水性能降低、徑流量增大、雨水沖刷能力增強(qiáng)[1]，導(dǎo)致城市面源污染在水體污染中的占比日益增強(qiáng)[2]，使得城市面源污染成為了僅次于農(nóng)業(yè)的第二大面源污染[3]，加強(qiáng)城市面源污染的高效控制日益迫切。降雨徑流污染物不僅包含雨水本身的污染物，同時(shí)也攜帶地表累計(jì)的污染物[4]，主要包含總懸浮物、有機(jī)污染物、總氮、總磷、重金屬等[5]。而且其有機(jī)污染物、總氮、總磷、重金屬等大部分污染物以固態(tài)形式存在，與總懸浮物呈極強(qiáng)的正相關(guān)性。因此，若能夠快速去除降雨徑流中的總懸浮物，也可同步實(shí)現(xiàn)其他污染物的快速去除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降雨徑流的快速凈化。

目前，降雨徑流處理的主要技術(shù)手段是通過海綿設(shè)施的分布式建設(shè)實(shí)現(xiàn)降雨徑流的有效處理，如，生物滯留系統(tǒng)、雨水花園、淺草溝等，然而，這些技術(shù)方式都需要一定的用地面積，在用地緊張的城市區(qū)域往往限于有限的城市空地而無法得到充分建設(shè)，如老城區(qū)道路寬度小于5 m的城市支路、城市中心沿江/沿河帶降雨徑流的快速收集處理等，在山地城市這種現(xiàn)象更為突出。因此，尋求一種占地面積小、建造靈活、管理簡(jiǎn)單的降雨徑流快速處理方式對(duì)于解決上述問題尤為必要。論文梳理了國(guó)內(nèi)外降雨徑流快速過濾的技術(shù)現(xiàn)狀，并在技術(shù)現(xiàn)狀比較研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種降雨徑流快速過濾裝置，旨在通過降雨徑流過濾技術(shù)的系統(tǒng)研究，找到能夠?qū)崿F(xiàn)降雨徑流快速高效處理的技術(shù)方式，為解決現(xiàn)階段以城市老城支路為代表的用地緊張區(qū)域降雨徑流的有效處理提供技術(shù)出路。

1 國(guó)內(nèi)外雨水快速過濾技術(shù)比較研究

近年來，市場(chǎng)上出現(xiàn)了不同型號(hào)的徑流過濾器，論文整理了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外主要的雨水過濾技術(shù)(見表1，表2)。

1)國(guó)內(nèi)降雨徑流過濾技術(shù)。

我國(guó)早期就有針對(duì)雨水利用的案例，比如新疆的“坎兒井”、西北的“雨水水窖”[6]等。但是我國(guó)對(duì)于城市雨水的管理利用卻是從20世紀(jì)80年代末開始起步的；到21世紀(jì)，由于面源污染的日益重視，開始出現(xiàn)以控制雨水水體污染及調(diào)洪排放為目的的過濾技術(shù)[7]。論文根據(jù)雨水的排出途徑將雨水過濾器分為兩類，第一類是雨水經(jīng)過土壤下滲排出，第二類是經(jīng)由城市管道聚集排出。目前，我國(guó)常用的雨水過濾系統(tǒng)有：第一類：生物過濾、透水鋪裝；第二類：雨水自動(dòng)過濾器、除砂限流式雨水口、初期雨水多級(jí)凈化雨水口、截污凈化型雨水口、水質(zhì)型雨水截污口等，具體見表1。

表1所列常見的雨水過濾器中，第二類雨水過濾器較多，這是由于城市雨水徑流一般都由排水管道排出，因此在雨水井井口實(shí)施雨水污染的處理，以此進(jìn)一步減少進(jìn)入受納水體的污染物。在污染物去除方面，上述的雨水過濾器都可以截留雨水中較大的雜物及垃圾，對(duì)于溶解性的污染物，僅有部分技術(shù)能夠去除，但是去除率并未詳細(xì)說明。

表1 國(guó)內(nèi)典型雨水過濾器

由表2總結(jié)可知，相較于國(guó)內(nèi)的雨水過濾器，國(guó)外的技術(shù)更為成熟，適用范圍更為廣闊。但是，可以看出國(guó)內(nèi)外的雨水過濾器大部分都集中在雨水口，這是因?yàn)槌鞘杏晁信欧胖劣晁凇?/p>

2)國(guó)外降雨徑流過濾技術(shù)。

由于國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于降雨徑流處理的研究較早，過濾理論和技術(shù)相較于國(guó)內(nèi)更為成熟和齊全，甚至部分已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)鏈。早期的雨水過濾理論是在污水處理的基礎(chǔ)上改進(jìn)，并在實(shí)際運(yùn)用后對(duì)過濾設(shè)備進(jìn)行技術(shù)分析，改良而得。目前國(guó)外常用的雨水過濾工程理論通常為：利用地下滲漏通道減少或消除徑流；收集和處理屋頂和其他不透水表面的雨水；采用優(yōu)化的過濾介質(zhì)，利用地下過濾系統(tǒng)針對(duì)特定的城市污染物；集成緊湊的高速生物過濾系統(tǒng)等。上述理論的設(shè)備集成化和實(shí)際工程應(yīng)用總結(jié)見表2。

表2 國(guó)外典型雨水過濾器

2 雨水過濾處理技術(shù)探索與應(yīng)用

通過國(guó)內(nèi)外降雨徑流的快速過濾技術(shù)比較發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)的雨水過濾技術(shù)在維護(hù)、更換、清潔以及經(jīng)濟(jì)效益等方面還存在著部分缺陷。因此，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的雨水過濾器理論，探索開發(fā)一種集占地小、安裝更換簡(jiǎn)潔、處理效率高為一體的新型雨水過濾技術(shù)很有必要。

2.1 材料與方法

2.1.1 雨水過濾器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一款雨水過濾器(見圖1)。該過濾器分內(nèi)腔與外腔兩部分，外腔填充過濾填料，內(nèi)墻安裝浮筒，通過浮筒的上下浮動(dòng)實(shí)現(xiàn)排水方式的切換[19]。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)快速過濾處理工藝(見圖2)，在配水桶中配制模擬降雨徑流，配制方法參考王書敏[20]關(guān)于降雨徑流的相關(guān)研究。模擬徑流由水泵泵入檢查井中，在不同高度處設(shè)置溢流口，以控制過濾水頭，在出水口采集水樣監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)和水力負(fù)荷。實(shí)物裝置見圖3。

2.1.2 過濾器裝填填料

為檢驗(yàn)不同過濾填料的過濾效果，在圖1所示過濾器的外腔中分別填充了三種填料，如表3所示，擬通過比較不同過濾填料的運(yùn)行效果，得到較好的運(yùn)行方式。

表3 填料的厚度與配比

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 水量分析

由于過濾器設(shè)置在雨水井中，而雨水井的主要功能就是排洪、泄洪，因此，過濾器的過水能力也是決定過濾器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

在不同的水壓高度測(cè)試過水負(fù)荷隨時(shí)間變化的關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知，水壓1(淹沒過濾器5 cm)，填料一的過水負(fù)荷平均值最高，達(dá)到2.8 m3/(m2·h)，與另外兩種填料配比形成了極大的差距。水壓2(淹沒過濾器15 cm)，在1 h～2 h中，水力負(fù)荷急劇下降，隨后才逐漸穩(wěn)定并達(dá)到3.2 m3/(m2·h)。在初始入滲的過程中，填料顆粒的間隙處于中空狀態(tài)，由于水壓2的顆粒運(yùn)動(dòng)速度大于水壓1，因此高水壓的顆粒迅速填補(bǔ)空隙，使得其滲透系數(shù)迅速下降，之后小顆粒、被填料捕獲的顆粒共同將空隙堵塞，導(dǎo)致下滲系數(shù)最終趨于穩(wěn)定[21]。

2.2.2 水質(zhì)分析

1)濁度去除效果(見圖5)。在水壓一定的條件下，考察各濾料對(duì)濁度的處理效果。由圖5可知，三種填料對(duì)濁度的去除效果整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在7 h達(dá)到穩(wěn)定。通過比較不同填料曲線，可知填料粒徑對(duì)濁度變化存在著顯著的影響，由于填料1的整體粒徑大于填料2、填料3，所以填料1的濁度變化更易受到水流沖擊而波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致其去除率也相對(duì)較低，這與曾正仁所得的管道濁度與流速成正比的結(jié)論類似[22]。三種填料的濁度去除率最終維持在40.02%,65.28%和55.02%。

2)總懸浮物去除效果(見圖6)。雨水中的總懸浮顆粒物的去除主要依靠截留與吸附。圖6(b)顯示三種填料對(duì)總懸浮物的去除情況。三種填料對(duì)總懸浮物的去除率穩(wěn)定在70%～80%，懸浮物質(zhì)量濃度也由進(jìn)水的1 300 mg/L降低至200 mg/L～400 mg/L(見圖6(a))，這主要依靠填料對(duì)總懸浮物的物理截留。三種填料分別在第2，第3，第8小時(shí)達(dá)到峰值，即73.42%，89.40%，85.16%。其中，填料2去除效果最好，這是因?yàn)榕c其他填料相比，其配比填料具有更多的蜂窩多孔結(jié)構(gòu)，材料的孔隙度和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能夠保持一定的過水能力與截留性能[23]。

3)總磷去除效果(見圖7)?？偭椎娜コ緩街饕沁^濾吸附、沉淀與離子交換[24-26]。由圖7(b)可知，三種填料對(duì)總磷去除率呈現(xiàn)先增大后下降再趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，這與總懸浮物的去除曲線大致相似。進(jìn)水2 h后，總磷質(zhì)量濃度由進(jìn)水的0.9 mg/L下降至0.2 mg/L～0.3 mg/L，總磷去除率達(dá)到70%，從總磷去除率曲線上看，填料1對(duì)總磷的去除效果相對(duì)較好。第5小時(shí)后的去除率逐漸上升，可能是因?yàn)殡S著總懸浮物的累積，固體顆粒上的總磷與水力剪切達(dá)到平衡，加上過水能力的下降使得填料與進(jìn)水擁有更長(zhǎng)的接觸時(shí)間，讓磷重新獲得足夠的反應(yīng)時(shí)間而去除。

4)氨氮去除效果(見圖8)。氨氮的去除主要來自填料的吸附與離子交換作用。由圖8(b)可知，去除率呈上升趨勢(shì)，并未見穩(wěn)定趨勢(shì)，可能是因?yàn)榘钡奈叫枰L(zhǎng)的接觸時(shí)間，而且填料也有一定的氨氮吸附容量，未達(dá)到氨氮吸附穩(wěn)定或飽和狀態(tài)的緣故。三種填料對(duì)氨氮平均去除率從大到小分別是填料1(40.76%)>填料3(29.68%)>填料2(23.02%)。

3 結(jié)論

1)國(guó)內(nèi)外雨水快速過濾技術(shù)比較研究表明，國(guó)內(nèi)雨水快速過濾技術(shù)在適用范圍、污染物去除效果、維護(hù)及清潔等方面較國(guó)外技術(shù)存在著一定差距，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的雨水過濾器理論和實(shí)踐，探索開發(fā)一種集占地小，安裝更換簡(jiǎn)潔、處理效率高為一體的新型雨水過濾技術(shù)很有必要。

2)快速過濾實(shí)驗(yàn)表明，填料最佳配比為：外層90%1-3 mm沸石+10%顆?；钚蕴?，內(nèi)層1-3 mm珍珠巖，其總懸浮物去除率最高為89.40%。其總磷去除率穩(wěn)定在72.87%，氨氮去除率為29.68%，濁度整體變化73.36%，平均過水負(fù)荷為2.4 m3/(m2·h)。