沙木哈爾·吐爾汗拜，王紅武，董敬磊

(同濟(jì)大學(xué) 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院城市污染控制國家工程研究中心，上海 200092)

1 前 言

近年來，雖然點(diǎn)源污染控制逐漸完善，但水環(huán)境污染問題依然顯著[1]，究其原因，主要是城市面源污染所致[2]。蔣海濤[3]、張千千[4]、車伍[5]、鄧志光[6]等人研究發(fā)現(xiàn)，我國城市道路徑流污染濃度與生活污水相近甚至更高。Sansalone等[7]研究發(fā)現(xiàn)道路徑流中20%初期徑流污染負(fù)荷占整場(chǎng)降雨污染負(fù)荷的80%左右。道路初期徑流直接排放進(jìn)入水體，易造成嚴(yán)重的城市水環(huán)境污染問題，甚至破壞水生態(tài)。我國對(duì)道路初期徑流的治理尚處于初步研發(fā)階段，缺乏實(shí)際工程實(shí)踐和案例研究。

上海臨港新城是新開發(fā)的城市區(qū)域，徑流污染控制應(yīng)本著“源頭削減、過程調(diào)蓄、末端治理”的原則，針對(duì)整個(gè)水系流域采取綜合措施，本課題組研究的自流過濾技術(shù)既可作為源頭削減措施，也可以作為末端治理措施。課題組通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究篩選了濾料，并在上海市臨港新城某橋下建立雨水自流過濾凈化井示范工程[8]，收集處理尚未投入正式使用的道路的路面徑流，該路面徑流流入滴水湖的引清河道，若不經(jīng)處理，易造成引清河道水質(zhì)污染，從而導(dǎo)致滴水湖水質(zhì)變差。本研究針對(duì)該示范工程，在長達(dá)一年半的時(shí)間里監(jiān)測(cè)了6場(chǎng)實(shí)際降雨事件和兩場(chǎng)模擬降雨事件的徑流經(jīng)過自流過濾設(shè)施的進(jìn)、出水水質(zhì)情況，考察了自流過濾技術(shù)對(duì)道路徑流污染的處理效果，研究結(jié)果可為國內(nèi)其他城市控制市政道路徑流污染提供參考。

2 裝置及方法

2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)概況

自流過濾技術(shù)示范工程位于上海市臨港新城滴水湖環(huán)湖北二路一座過路橋下 (30°54′54′′N, 121°56′30′′E，見圖1)，可收集橋面以及附近道路(試驗(yàn)期間，該道路和橋面尚未投入正式使用)的徑流，處理后排入附近引清河道。

圖1 雨水自流過濾井位置圖Fig.1 Location of the rainwater self-flow filtration facility

2.2 裝置結(jié)構(gòu)

2.2.1 濾料

自流過濾器內(nèi)的濾料主要由精度為2mm的粗濾網(wǎng)、0.4mm的細(xì)濾網(wǎng)，以及效果經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的改性熔噴聚丙烯纖維濾料組成。在示范工程建成之后進(jìn)行了效果初步驗(yàn)證[8]，運(yùn)行一年半之后取出自流過濾井的濾料進(jìn)行清洗并添加部分新濾料并按照設(shè)計(jì)要求重新放入，本研究主要監(jiān)測(cè)、分析濾料請(qǐng)洗和添加后的效果。

2.2.2 自流過濾井

井長約10m，寬約8m，高約5.2m，井體位于地面以下。過濾井主體部分由5組平行的構(gòu)筑物組成，每組包括兩個(gè)截污過濾井(圖2)，每個(gè)截污過濾井內(nèi)布置一個(gè)截污過濾掛籃，可多次過濾截留徑流中顆粒物。徑流首先充滿廊道底部空間，當(dāng)水量達(dá)到一定高度后通過五組平行的截污過濾井凈化流出。當(dāng)水量過大時(shí)，部分未經(jīng)處理的徑流可經(jīng)溢流管道流出(圖3)。

圖2 雨水自流過濾井每組截污井的側(cè)視圖Fig.2 Profile of each sewage well of the rainwater self-flow filtration facility

圖3 自流過濾井截污井與溢流井側(cè)視圖Fig.3 Profile of sewage well and overflow well of the rainwater self-flow filtration facility

2.3 樣品采集及測(cè)試方法

2.3.1 采樣點(diǎn)選擇

監(jiān)測(cè)自流過濾井對(duì)地表徑流污染物的凈化效果，需要采集過濾井入口、出口處的水樣、同時(shí)采集附近公路路面雨水徑流。入水井為距過濾井最近的一個(gè)檢查井；出水井選擇最靠近出口處的檢查井；路面徑流采集處距離過濾井100m左右，圖4中未予以標(biāo)識(shí)。

圖4 采樣點(diǎn)相對(duì)系統(tǒng)位置圖Fig.4 Relative location of the sampling points

2.3.2 樣品采集

在一年半時(shí)間內(nèi)，對(duì)新型自流過濾井進(jìn)行了6場(chǎng)自然降雨、2場(chǎng)模擬降雨，共計(jì)8場(chǎng)有效降雨監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，八場(chǎng)降雨情況詳見表1。模擬降雨采用灑水車噴灑自來水形成類似自然降雨效果，雨強(qiáng)變化為 0～10min維持小雨，10～20min維持大雨，20～40min保持小雨至降雨結(jié)束。根據(jù)上述采樣點(diǎn)位置，路邊雨水口距過濾井入口100m、過濾井入水口距出水口15m且前半段為管道流通，后半段為過濾井流動(dòng)；設(shè)定雨水管道流動(dòng)速率0.75m/s、過濾井內(nèi)流動(dòng)速率0.05m/s，綜合上述情況，假設(shè)T時(shí)刻采集了路邊雨水口樣品，則T+2min為過濾井入水口樣品、T+3min為過濾井出水口樣品。

表1 八場(chǎng)降雨采樣日期Tab.1 表1. Sampling date of eight rainfall

2.3.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

3 結(jié)果與討論

研究發(fā)現(xiàn)，美國北卡羅來納州[10]、德州[11]，中國西安[12]等城市路面徑流污染是城市地表徑流污染最為嚴(yán)重的部分，且道路徑流的懸浮固體顆粒(SS)的污染負(fù)荷數(shù)值最高。根據(jù)陳瑩[12]的研究，道路徑流中SS與COD、氮磷和重金屬等污染物的相關(guān)性較好，SS是其他污染物在徑流中的載體。由此推測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)徑流中SS的控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的凈化，因此本研究重點(diǎn)分析了自流過濾井對(duì)SS的去除效果。

3.1 SS去除效果

對(duì)七場(chǎng)降雨水樣SS的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)降雨天氣情況，分別作小雨、中雨、大雨，降雨過程中自流過濾井進(jìn)水、出水濃度以及SS去除率變化情況圖，詳見圖5～圖7。

圖5 小雨天氣SS隨降雨歷時(shí)變化曲線Fig.5 Variation curve of SS with rainfall time in light rain weather

圖6 中雨天氣SS隨降雨歷時(shí)變化曲線Fig.6 Variation curve of SS with rainfall time in moderate rain weather

圖7 大雨天氣SS隨降雨歷時(shí)變化曲線Fig.7 Variation curve of SS with rainfall time in heavy rain weather

從圖5～圖7可以看出，各場(chǎng)降雨歷程自流過濾井進(jìn)水、出水SS濃度均未出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。未正式啟用的道路相對(duì)干凈，因此，進(jìn)水SS濃度主要在40～70mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，進(jìn)水濃度波動(dòng)幅度大，過程較為隨機(jī)，部分場(chǎng)次污染物濃度隨降雨歷時(shí)增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)、部分場(chǎng)次SS濃度前低后高，未觀察到初期沖刷現(xiàn)象?？傮w上看，自流過濾井出水SS較進(jìn)水穩(wěn)定，多數(shù)情況下出水口SS濃度在10～20mg/L范圍波動(dòng)。

各場(chǎng)降雨SS去除率并未呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。綜合分析圖5～圖6去除率變化曲線發(fā)現(xiàn)，降雨過程中SS去除率大致在40%～85%范圍，單次降雨中雨水自流過濾井裝置對(duì)SS的平均去除率分別為51%、63%、66%、66%、58%、63%、64%，去除SS效果較好。當(dāng)進(jìn)水SS濃度高于50mg/L時(shí)， SS去除率一般在70%以上。SS污染物濃度較小時(shí)，SS去除率也較低。為更為直觀觀察7場(chǎng)降雨實(shí)驗(yàn)SS去除率的總體變化，將各場(chǎng)降雨SS去除率以及總體上SS去除率的眾數(shù)、平均數(shù)、中位數(shù)進(jìn)行分析比較，做SS去除率與降雨歷時(shí)圖8、SS去除率與樣品累積曲線圖9。

圖8 SS去除率Fig.8 Removal rate of SS

圖9 SS去除率與樣品點(diǎn)累積曲線Fig.9 Removal rate of SS and cumulative curve of sample

由圖8可知，自流過濾井對(duì)SS的平均去除率為63%，中位數(shù)、眾數(shù)均為62%。且從圖8～圖9可以看出,各時(shí)刻SS去除率的點(diǎn)較好地分布在平均數(shù)、中位數(shù)這兩條直線上下；在眾多樣品中，絕大部分SS去除率均超過60%，說明自流過濾井對(duì)SS去除效果較好，具有穩(wěn)定性。由于自流過濾井去除污染物的主要機(jī)理是吸附和攔截，可推測(cè)在一段時(shí)間內(nèi)或設(shè)計(jì)水量范圍內(nèi)，處理效果基本不受進(jìn)水水量水質(zhì)波動(dòng)的影響，自流過濾技術(shù)對(duì)于控制雨水徑流SS效果較好，可為保持城市水環(huán)境起到重要作用。

表2 七場(chǎng)降雨多種污染物去除效果Tab.2 Removal rate of pollutants in seven rainfall (%)

為驗(yàn)證推測(cè)的準(zhǔn)確性，第四場(chǎng)模擬降雨實(shí)驗(yàn)時(shí)采集相鄰河道水樣，對(duì)比分析了過濾井出水口及河水中污染物指標(biāo)SS、COD、TOC、氨氮、TP、TN和濁度，結(jié)果見表3。

表3 第四場(chǎng)降雨過濾井出口與河道水體污染物濃度對(duì)比Tab.3 Comparison between water pollutants concentrations in effluent of filtration facility and river during the fourth rainfall

從表3可以看出，河水中氨氮、TP、TN和濁度比過濾井出口處的對(duì)應(yīng)污染物高出許多。河水中TOC略高于過濾井出口處，COD部分高于過濾井出口處，只有SS小于過濾井出口處。由于自流過濾井長期泡在河水中，隨著河水的自由流動(dòng)，過濾井出口處采集的水樣必然混合部分河水。由于河水的氨氮、TP、TN比過濾井進(jìn)口處污染物濃度高，導(dǎo)致過濾井出口處采集的水樣反而比進(jìn)口處濃度高，猜測(cè)準(zhǔn)確。

選擇第一場(chǎng)降雨實(shí)驗(yàn)，比較自流過濾井進(jìn)水、出水污染物濃度變化，結(jié)果如圖10～圖11。

圖10 第一場(chǎng)降雨COD/TOC污染物隨時(shí)間變化的曲線Fig.10 Change of COD and TOC concentration with time during the first rainfall

圖11 第一場(chǎng)降雨TN/TP/氨氮污染物隨時(shí)間變化的曲線Fig.11 Change of TN and TP concentration with time during the first rainfall

3.3 油類污染物去除效果

車輛行駛、人類的忙碌活動(dòng)導(dǎo)致市政道路表面累積有油脂，為考察裝置對(duì)徑流中油脂污染物的凈化效果，特別設(shè)置一場(chǎng)模擬降雨(第五場(chǎng))專門用于考察油類物質(zhì)的去除效果。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天將當(dāng)天中午取自食堂餐廚的兩桶廢水傾倒于道路路面，并通過灑水車模擬降雨，取樣測(cè)定路邊雨水井、過濾井入口和過濾井出口處的總油含量，對(duì)濾料除油的效果進(jìn)行了分析。

三處采樣點(diǎn)總油濃度隨時(shí)間的變化曲線見圖12。

圖12 總油隨時(shí)間變化的曲線Fig.12 Change of total oil concentration with time

選取各時(shí)間點(diǎn)的過濾井出水、入水的總油得到各時(shí)間點(diǎn)的總油去除率分別為14%，79%，54%，93%，82%，92%，其中去除率最高為93%，平均值為69%。相對(duì)于路邊雨水口，在各時(shí)間點(diǎn)處的總油去除率分別為98.6%，98.2%，92.4%，98.7%，95.4%，98.0%，去除率均在92%以上。三處采樣點(diǎn)總油濃度均先增大再減小，原因可能是餐廚廢水?dāng)U散需要一定時(shí)間。該自流過濾井對(duì)油脂去除效果良好。

4 結(jié) 論

4.1 自流過濾技術(shù)可控制城市道路初期徑流污染。通過長達(dá)一年半時(shí)間內(nèi)的六場(chǎng)實(shí)際降雨事件和2場(chǎng)模擬降雨事件的將側(cè)分析結(jié)果表明：無論小雨、中雨、大雨情況，自流過濾凈化技術(shù)對(duì)道路徑流所含的SS和總油均具有較好的處理效果，平均去除率可達(dá)60%以上；同時(shí)對(duì)徑流中的COD、TOC、TN、TP等污染物也具有部分去除效果。

4.2 經(jīng)一年半的時(shí)間，自流過濾設(shè)施處理效果仍然較為穩(wěn)定，據(jù)此結(jié)果，預(yù)期的濾料更換時(shí)間可適當(dāng)延長至2年以上。

總體而言，自流過濾設(shè)施具有占地小、無需動(dòng)力、能耗低、處理效果穩(wěn)定、運(yùn)營維護(hù)方便的特點(diǎn)，既可適用于高密度老城區(qū)路面徑流污染的源頭控制，又可用于新開發(fā)城區(qū)道路徑流的源頭控制或末端處理，可為解決我國城市面源污染提供技術(shù)手段。

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