谷唯實(shí)

（云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究中心，云南昆明650034）

一種簡易的新型雨水過濾裝置的小試實(shí)驗(yàn)分析

谷唯實(shí)

（云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究中心，云南昆明650034）

對一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的雨水過濾裝置進(jìn)行了小試。結(jié)果表明，按最大降雨強(qiáng)度作為進(jìn)水水量，選擇以礦石濾料—改性型纖維球—石英砂作為雨水過濾的濾料，該濾料配置方案可達(dá)到雨水的最佳過濾效果；濾料厚度在20cm左右過濾效果最佳。在以上條件的配置下，該簡易雨水過濾系統(tǒng)的最大連續(xù)工作時(shí)間為10h左右，超過10h必須對各層濾料進(jìn)行清洗后方可繼續(xù)使用。

雨水過濾系統(tǒng)；最大降雨強(qiáng)度；過濾介質(zhì)；濾料厚度；連續(xù)工作時(shí)間

0 引言

雨水過濾系統(tǒng)是一種應(yīng)對暴雨徑流的技術(shù)手段，在歐美發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用尤其廣泛。該技術(shù)可用于削減暴雨徑流量，并能將受納水體的污染物總量降至最低。雨水過濾系統(tǒng)可采用的結(jié)構(gòu)形式很多，最典型的是在淺溝或淺池中填充濾料過濾介質(zhì)的構(gòu)造。2004年美國環(huán)保署發(fā)現(xiàn)，雖然吸附的微生物攝取等化學(xué)生物過程在某種程度上可對污染物的去除起到一定的作用，但在滲透系統(tǒng)中大部分污染物是通過機(jī)械和物理化學(xué)作用過濾去除的。雨水可通過過濾系統(tǒng)滲出后流入周邊的土壤，或由下水道收集后輸送到受納水體，前者較為常見。

盡管多數(shù)滲濾系統(tǒng)由于阻塞等原因推廣使用受到了一定的限制，但研究報(bào)告顯示，傳統(tǒng)的雨水滲透系統(tǒng)并非用于去除污染物質(zhì)，其主要目的是削減暴雨徑流流量，從而使進(jìn)入受納水體的污染負(fù)荷得以減少。盡管如此，人們?nèi)匀晃闯浞至私庥晁疂B透系統(tǒng)在空間和時(shí)間上的去污效果的對應(yīng)性，尤其是當(dāng)過濾系統(tǒng)發(fā)生阻塞的情況下。許多研究僅僅只呈現(xiàn)滲透系統(tǒng)性能的一個(gè)方面，很少針對過濾系統(tǒng)的最大工作時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及分析。當(dāng)提及污染物的去除時(shí)，研究結(jié)果往往不一致，如何處理過濾系統(tǒng)中長期積累的污染物也尚未確定。

如果雨水過濾系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用，其長期攔污效果則是研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡易、易安裝、易維護(hù)的新型雨水過濾系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

①雨水過濾裝置，數(shù)量：1套。

②蠕動(dòng)泵，流量范圍：0.006～1000mL／min，數(shù)量：2只。

③攪拌器，數(shù)量：2個(gè)。④膠管，數(shù)量：數(shù)米。

⑤濾料，石英砂、礫石等。

⑥網(wǎng)兜，數(shù)量：4只。

2 實(shí)驗(yàn)室小試實(shí)驗(yàn)方案

2.1 配水

本次實(shí)驗(yàn)首先使用人工配水對簡易雨水過濾裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

人工配水：蒸餾水＋干燥 （經(jīng)馬弗爐高溫處理）的泥沙。近期對目標(biāo)河段周邊采集到的雨水SS濃度范圍：100～300mg／L。因此人工配水SS濃度梯度為：100mg／L，150mg／L，200mg／L，300mg／L，500mg／L。

2.2 濾料

根據(jù)濾料的粒徑大小，選擇EPS泡沫濾料、果殼濾料、改性纖維球、石英砂濾料、礦石濾料作為本次實(shí)驗(yàn)的主要凈水濾料。根據(jù)粒徑的大小由小到大依次放入簡易雨水過濾裝置的各容器中。

2.3 運(yùn)行

配水放入大容器中，用攪拌器不斷攪拌，防止懸浮顆粒物沉淀。用蠕動(dòng)泵將容器內(nèi)人工配制的污水抽入到簡易雨水過濾裝置中進(jìn)行過濾，采用連續(xù)進(jìn)水，并對出水進(jìn)行檢測，得出簡易雨水過濾裝置及各種濾料的工作性能，并加以改良。

3 小試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 不同濾料對雨水過濾效果的影響

3.1.1 濾料配置方案一

第一層放置EPS泡沫濾料，厚度15cm；第二層放置果殼濾料，厚度15cm；第三層放置石英砂，厚度15cm。

將配置好的相應(yīng)懸浮顆粒濃度的人工污水以大雨的降雨強(qiáng)度（24h內(nèi)49.9mm，換算為蠕動(dòng)泵效率為0.8mL／min）用蠕動(dòng)泵打入簡易雨水凈化裝置中并收集出水，連續(xù)進(jìn)水1h后檢測收集到的出水中SS含量，得出該濾料配制方案的凈化效果。

表1 濾料配置方案一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，3種濾料對人工雨水的凈化效果差異較大。EPS泡沫濾料的去除效果較差，實(shí)驗(yàn)觀察后發(fā)現(xiàn)，該種濾料質(zhì)地較輕，當(dāng)人工雨水進(jìn)入雨水簡易凈化裝置與濾料相遇后，該濾料大部分會(huì)呈現(xiàn)漂浮狀態(tài)，且其對泥沙的吸附作用較差，平均去除率只有13%左右，不太適宜用作雨水過濾濾料。第二層放置的果殼濾料，粒徑較小，質(zhì)地較輕，遇水后同樣會(huì)出現(xiàn)漂浮的現(xiàn)象，且其形狀不規(guī)則，會(huì)隨雨水一同透過第二層過濾孔進(jìn)入下一層，平均去除率為3.4%，因此不適合作為雨水的過濾濾料。第三層放置的石英砂，質(zhì)量較重，不會(huì)出現(xiàn)漂浮現(xiàn)象，且粒徑較大，對雨水中的泥沙過濾效果較好，可去除雨水中70%左右的泥沙。整套系統(tǒng)以這3種濾料為配料方式后，對雨水中泥沙的去除效果約為75%。

3.1.2 濾料配制方案二

第一層放置礦石濾料，厚度15cm；第二層放置改性型纖維球，厚度15cm；第三層放置石英砂，厚度15cm。

將配置好的相應(yīng)懸浮顆粒濃度的人工污水以大雨的降雨強(qiáng)度（24h內(nèi)49.9mm，換算為蠕動(dòng)泵效率為0.8mL／min）用蠕動(dòng)泵打入簡易雨水凈化裝置中并收集出水，連續(xù)進(jìn)水1h后檢測收集到的出水中SS含量，得出該濾料配制方案的凈化效果。

表2 濾料配置方案二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，3種濾料對人工雨水的凈化效果均較好。礦石濾料粒徑較大，質(zhì)量較重，不會(huì)出現(xiàn)遇水后的漂浮現(xiàn)象，其表面粗糙，對雨水中泥沙的吸附效果較好，去除率約為49%左右。第二層放置的改性型纖維球，體積較大，質(zhì)地較輕，但其遇水后很快會(huì)吸收大量水分，將泥沙吸附在其表面的縫隙中，從而起到過濾雨水的效果，其去除率約為50%左右。第三層放置的石英砂，質(zhì)量較重，不會(huì)出現(xiàn)漂浮現(xiàn)象，且粒徑較大對雨水中的泥沙過濾效果較好，可去除雨水中70%左右的泥沙。整套系統(tǒng)以這3種濾料為配料方式后，對于雨水中泥沙的去除效果約為92.8%左右。

3.2 濾料厚度對雨水過濾效果的影響

3.2.1 濾料厚度方案一

第一層放置礦石濾料，厚度15cm；第二層放置改性型纖維球，厚度15cm；第三層放置石英砂，厚度15cm。

將配置好的相應(yīng)懸浮顆粒濃度的人工污水以大雨的降雨強(qiáng)度（24h內(nèi)49.9mm，換算為蠕動(dòng)泵效率為0.8mL／min）用蠕動(dòng)泵打入簡易雨水凈化裝置中并收集出水，連續(xù)進(jìn)水1h后檢測收集到的出水中SS含量，得出該濾料配制方案的凈化效果。

表3 15cm濾料厚度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在濾料厚度為15cm左右時(shí)，礦石濾料對雨水中泥沙的去除效率約為49%左右；改性型纖維球?qū)τ晁心嗌车娜コ始s為50%左右；石英砂對雨水中泥沙的去除效率約為69%左右。該15cm濾料厚度的配置方案下，該簡易雨水凈化系統(tǒng)的總?cè)コ始s為91.5%左右。

3.2.2 濾料厚度方案二

第一層放置礦石濾料，厚度20cm；第二層放置改性型纖維球，厚度20cm；第三層放置石英砂，厚度20cm。

將配置好的相應(yīng)懸浮顆粒濃度的人工污水以大雨的降雨強(qiáng)度（24h內(nèi)49.9mm，換算為蠕動(dòng)泵效率為0.8mL／min）用蠕動(dòng)泵打入簡易雨水凈化裝置中并收集出水，連續(xù)進(jìn)水1h后檢測收集到的出水中SS含量，得出該濾料配制方案的凈化效果。

表4 20cm濾料厚度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在濾料厚度為20cm左右時(shí)，礦石濾料對雨水中泥沙的去除效率約為54%左右，較15cm厚度的濾料配置，礦石濾料的去除率增加了5%左右；在濾料厚度為20cm左右時(shí)，改性型纖維球?qū)τ晁心嗌车娜コ始s為60%左右，較15cm厚度的濾料配置，改性型纖維球的去除率增加了10%左右；在濾料厚度為20cm左右時(shí)，石英砂對雨水中泥沙的去除效率約為75%左右，較15cm厚度的濾料配置，石英砂的去除率增加了5%左右。該20cm濾料厚度的配置方案下，該簡易雨水凈化系統(tǒng)的總?cè)コ始s為95%左右，較15cm厚度濾料的簡易雨水過濾系統(tǒng)，過濾效率提高了5%左右。

3.2.3 濾料厚度方案三

第一層放置礦石濾料，厚度25cm；第二層放置改性型纖維球，厚度25cm；第三層放置石英砂，厚度25cm。

將配置好的相應(yīng)懸浮顆粒濃度的人工污水以大雨的降雨強(qiáng)度（24h內(nèi)49.9mm，換算為蠕動(dòng)泵效率為0.8mL／min）用蠕動(dòng)泵打入簡易雨水凈化裝置中并收集出水，連續(xù)進(jìn)水1h后檢測收集到的出水中SS含量，得出該濾料配制方案的凈化效果。

表5 25cm濾料厚度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在濾料厚度為25cm左右時(shí)，礦石濾料對雨水中泥沙的去除效率約為55%左右，較20cm厚度的濾料配置，礦石濾料的去除率增加了1%左右，去除效率增加不明顯，且雨水已達(dá)到最高水位線；在濾料厚度為25cm左右時(shí)，第二層中放置的改性型纖維球和第三層中放置的石英砂層都出現(xiàn)了溢出現(xiàn)象，即出現(xiàn)了因?yàn)V料過厚而引起的過濾速率較慢，進(jìn)水量大于出水量而導(dǎo)致大量雨水未經(jīng)過濾就由過濾器周邊溢出排走，未起到過濾的作用。

3.2.4 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，濾料厚度在20cm左右時(shí)，能使該濾料配置方案下的簡易雨水過濾系統(tǒng)的過濾效果達(dá)到最大值。

3.3 運(yùn)行時(shí)間對雨水過濾效果的影響

第一層放置礦石濾料，厚度20cm；第二層放置改性型纖維球，厚度20cm；第三層放置石英砂，厚度20cm。

將配置好的懸浮顆粒物濃度為200mg／L的人工雨水以大雨的降雨強(qiáng)度（24h內(nèi)49.9mm，換算為蠕動(dòng)泵效率為0.8mL／min）用蠕動(dòng)泵打入簡易雨水凈化裝置中并收集出水，連續(xù)進(jìn)水時(shí)間分別為1h、2h、4h、8h、16h后，檢測收集到的出水中SS含量，得出在20cm濾料厚度和該濾料配置方案下的該簡易雨水凈化系統(tǒng)的最大工作時(shí)間。

表6 不同運(yùn)行時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該雨水簡易過濾系統(tǒng)在8h運(yùn)行期內(nèi)，對雨水中泥沙的過濾效果基本保持一致，若超過8h，在第10h左右，第三層鋪設(shè)有石英砂濾料的過濾層首先出現(xiàn)了溢出現(xiàn)象，在第12h左右，第二層鋪設(shè)有改性型纖維球的過濾層出現(xiàn)堵塞，雨水從過濾層四周溢出。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

按最大降雨強(qiáng)度作為進(jìn)水水量，選擇以礦石濾料—改性型纖維球—石英砂作為雨水過濾的濾料，該濾料配置方案可達(dá)到雨水的最佳過濾效果；濾料厚度在20cm左右過濾效果最佳。在以上條件的配置下，該簡易雨水過濾系統(tǒng)的最大工作時(shí)間為連續(xù)工作10h左右，超過10h必須對各層濾料進(jìn)行清洗后方可繼續(xù)使用，否則會(huì)出現(xiàn)過濾層中的濾料由于淤積了太多泥沙而出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，使得該雨水過濾系統(tǒng)的過濾速率降低，泥沙去除率下降甚至出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，從而失去雨水過濾作用。

下一階段，會(huì)將該簡易雨水過濾系統(tǒng)設(shè)置于實(shí)驗(yàn)河段中做中試實(shí)驗(yàn)，以測試該簡易雨水凈化裝置在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)并加以進(jìn)一步地改進(jìn)。

5 結(jié)語

城市河道雨水過濾系統(tǒng)是解決城市水資源短缺，減少城市水災(zāi)害和改善城市生態(tài)環(huán)境的有效途徑。該過濾系統(tǒng)能將雨水過濾與城市生態(tài)環(huán)境改善相結(jié)合，因地制宜，兼顧當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、環(huán)境狀況及社會(huì)效益，標(biāo)本兼治，能夠確保水資源的可持續(xù)利用，促進(jìn)城市環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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Small Test of One Sim ple and New Type of Rainwater Filtration Device

GUWei－shi
（Yunnan Institute of Environmental Science，Yunnan Center of Environmental Engineering Design，Kunming Yunnan 650034，China）

The small testof one rainwater filtration devicewas conducted.The results showed that the best filtration occurred when the filtermaterialswere combined ores and modified fiber balls and quartz sands in 20cm thickness under the scenario of the heaviest rainfall intensity.The device could have worked continuously for around 10 hours.However，the filtermaterialsmust be cleaned if it hasworked formore than ten hours.

rainwater filtration device；the highest rainfall intensity；filtermaterials；thickness ofmaterials；continuousworking time

X52

：A

：1673－9655（2015）06－0055－08

2015－07－06