摘要：本研究以探索適合生態(tài)濾料新材料的處理池設計方案為目標，通過分析目前常用處理池方案的優(yōu)缺點，并結(jié)合生態(tài)濾料新材料的特性和實驗室數(shù)據(jù)進行設計方案研究，最終形成一套包含橋位選擇、池容設計、池體工藝研究、池體結(jié)構(gòu)設計等方面的生態(tài)濾料新材料處理池系統(tǒng)性設計方案，幫助實現(xiàn)祁婺高速長灘大橋橋面初期徑流處理設計落地，也為其他項目提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程；設計方案；歸納與演繹法；生態(tài)濾料處理

中圖分類號：X171.5""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A""""""nbsp;""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04-0110-05

Research on Design Scheme of Treatment Tank Based on Ecological Filter Media with Different Particle Sizes

LIU Jun HAO Cong ZHU Wen ZHANG Fan MA Sheng CHI Chenxi

（1. Jiangxi Communications Investment Group Co.， Ltd.， Nanchang Jiangxi 330025， China;2. Jiangxi Transportation Consulting Co.， Ltd.， Nanchang Jiangxi 330108， China;3. Zhongguangtong （Beijing） Eco?Environment Technology Co.， Ltd.， Beijing 100088， China;4. CCCC Highway Consultants Co.， Ltd.， Beijing 100088， China）

Abstract： The purpose of this study is to explore the design scheme of the treatment tank which is suitable for the new material of ecological filter material， combined with the characteristics of new eco?filter materials and laboratory data. Finally， a set of systematic design scheme of the new material treatment tank was formed， which included the selection of the bridge position， the design of the tank capacity， the study of the tank technology and the design of the tank structure， it helps to realize the design of the initial runoff treatment of the bridge deck of Changtan Bridge of Qi?Wu Expressway， and also provides useful reference for other projects

Key words： environmental engineering; design scheme research; induction and deductive reasoning; ecological filter material treatment tank

0 引言

隨著國家環(huán)保政策的不斷出臺，各地環(huán)境監(jiān)管和治理力度也在不斷提升，從大氣污染到水污染，從固體廢棄物到噪聲污染，各種環(huán)境問題都得到了越來越多的關(guān)注和治理。

目前，國內(nèi)針對高速橋面初期徑流多在橋梁兩側(cè)設置一定體積的混凝土池作為收集池[1]，少數(shù)項目會設置人工濕地、生態(tài)種植槽或者簡易的漿砌片石蒸發(fā)池等。其中混凝土收集池和漿砌片石蒸發(fā)池主要依靠沉淀作用去除初期徑流中的污染物，其對淤泥、顆粒、懸浮物的去除效果明顯，但對BOD、COD、重金屬等的處理效果一般，總體來說出水水質(zhì)難以保證，尤其是在水源保護地路段，這種矛盾尤為突出；人工濕地和生態(tài)種植槽主要依靠土壤阻滯和植物的吸附作用去除污染物，去除效果較混凝土收集池會有一定提升，但因為其自身的特點也難以被廣泛使用。隨著環(huán)保要求的不斷提升，行業(yè)內(nèi)越來越多的人開始考慮出水水質(zhì)對水源地等環(huán)境敏感點的影響，但最簡單、最常用的做法是加長尾水管道，將尾水引離敏感點，這種做法具有一定的局限性，也需要從其他方面來解決這一矛盾。

為了提高對初期徑流中污染物的處理效果，祁婺項目采用生態(tài)濾料材料，該材料需要與初期徑流進行充分接觸才能更好地發(fā)揮處理效果，且不能被?；芬呵治g，結(jié)合這些特點設計一種提高接觸效果的池體形式成為本次設計方案優(yōu)化研究的關(guān)鍵。

1 現(xiàn)有處理池方案概況

1.1 現(xiàn)有處理池方案概述

目前橋面雨水徑流污染控制措施主要有植被控制、滯留池、氧化塘、人工濕地、滲濾系統(tǒng)等[2?7]，以這些措施為基礎(chǔ)形成了以下4種較為常見的處理方案：

（１）漿砌片石蒸發(fā)池

這是一種較為早期的設計形式，設置一個池子作為沉淀池，并兼做事故池，池體多由漿砌片石組成，為地下或半地下結(jié)構(gòu)，有一個進水管，一般不設出水管。池體在雨天用來收集初期徑流，通過物理沉淀實現(xiàn)對初期徑流中SS和COD等污染物的凈化，沉淀后池中的雨水則自然蒸發(fā)；在發(fā)生?；沸孤r，?；芬貉厥占芫€排入池中儲存，由專業(yè)單位人員外運處理。

該類池體的優(yōu)點是施工方便、造價低、后期維護簡單；缺點是處理效果較差，水體依賴蒸發(fā)，很容易導致雨后較長時間內(nèi)沉淀池被前場降雨的橋面初期徑流占據(jù)，沒有隨時準備接收事故徑流的空間，容易喪失應急功能[8]。

（２）三級沉淀池

三級沉淀池由調(diào)節(jié)池、處理池、清水池三個池體組成，是目前最常用的池體形式。池體一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按照進水→消能→格柵→導流→沉淀→出水→排放的工藝設計，處理效果較好。

該技術(shù)的優(yōu)點是使用廣泛、技術(shù)成熟、造價適中、耐久性好，缺點是對溶解于水中的BOD、COD、重金屬等處理效果一般。

（２）調(diào)節(jié)池＋ 人工濕地

調(diào)節(jié)池＋人工濕地是一種常見的生態(tài)工程技術(shù)組合，調(diào)節(jié)池通常是一個較大的混合池，可實現(xiàn)對初期徑流中顆粒、泥沙等物質(zhì)的初期沉淀，并均衡前后初期徑流中的污染物質(zhì)；人工濕地是一種模擬自然濕地的人工構(gòu)建濕地系統(tǒng)，通常由多個不同的層次組成，包括表層植物帶、根層和底泥層，每層都具有不同的功能，如吸附、分解、沉淀等，人工濕地利用濕地植被和微生物等生物群落進一步降解和吸附初期徑流中的有機物、氮、磷等營養(yǎng)物和微量污染物。

調(diào)節(jié)池＋人工濕地技術(shù)處理過程相對緩慢，需要一定時間才能達到較好的處理效果。但與傳統(tǒng)的化學處理方法相比，生態(tài)工程技術(shù)具有成本低、維護方便、效果穩(wěn)定等優(yōu)點，同時還能夠起到修復和保護生態(tài)環(huán)境的作用。

（３）生態(tài)邊溝和生態(tài)種植槽

生態(tài)種植槽從上到下依次由表面綠化植物、種植土壤、配置填料和蓄水塊石層構(gòu)成，自然降雨和橋面匯集的初期徑流進入種植槽內(nèi)，經(jīng)過植被控制、植物根系吸收、土壤吸附、填料過濾和微生物降解對初期徑流進行凈化。

該技術(shù)的填料易鈍化，因此填料層需定期更換，導致后期運維難度大、成本高，因此很容易被棄置，大大降低使用壽命，且植物吸收效率不可控。

1.2 與生態(tài)濾料組合的符合性分析

結(jié)合以上技術(shù)的優(yōu)缺點，初步探究4種技術(shù)與生態(tài)濾料組合的可行性，分析如下：

（１）與漿砌片石滯留池組合：該組合需將載體材料均勻平鋪于處理池中，初期徑流慢慢流入池中與載體材料接觸，由于水池面積大，前面比較臟的初期徑流將主要靠近進水管的區(qū)域，后面較干凈的初期徑流會往四周流淌，當初期徑流較多漫過載體材料時，由于池體水處于靜置狀態(tài)，上部的水體難以很好地接觸載體材料，因此處理效果不佳。

（２）與三級沉淀池組合：該組合需將載體材料均勻平鋪于中間的處理池中，初期徑流先緩慢流入第一級池體空間，待水位達到一定高度后翻隔墻進入中間的處理池，載體材料開始處理徑流中的污染物，待靜置2～3天后從排空管排出尾水。該組合相比于漿砌片石滯留池組合，前面比較臟的初期徑流可以在第一級池體空間適當混合，緩解前后初期徑流污染程度差異大的情況，另外隔墻可以代替點狀的進水管形成一條布水線，也能將初期徑流較為均勻地分布到中間的處理池中，但不能解決徑流漫過載體材料時，上部水體難以很好接觸載體材料導致處理效果不佳的問題。

（３）與調(diào)節(jié)池＋人工濕地組合：該組合需將原結(jié)構(gòu)中的底泥層替換為生態(tài)濾料，這樣生態(tài)濾料被埋入土中，將大大降低其與污水中各類污染物的接觸，不能很好地發(fā)揮生態(tài)濾料的作用。

（４）與生態(tài)邊溝和生態(tài)種植槽組合：該組合需將原結(jié)構(gòu)中的填料層替換為生態(tài)濾料，其缺點與調(diào)節(jié)池人工濕地組合類似，不能很好地發(fā)揮生態(tài)濾料的作用。

綜合以上分析，相比其他組合，與三級沉淀池組合能最好地實現(xiàn)載體材料與初期徑流的充分接觸問題，可在此基礎(chǔ)上進行改進提升。

2 項目概況

祁婺高速項目起于贛皖界，在縣界處以沱川隧道與安徽段連接，途經(jīng)沱川鄉(xiāng)、清華鎮(zhèn)、思口鎮(zhèn)、紫陽鎮(zhèn)、婺源縣工業(yè)園區(qū)，終點接婺源樞紐互通，全線按雙向四車道標準，設計速度100km/h，總長度約40.747公里，沿途設置4處互通、1處服務區(qū)、2處收費站。

項目沿線有6座主線橋跨越鳳山水、清華水兩個Ⅲ類水體，主線K25＋510龍騰大橋跨清華水處位于樂安河思口鎮(zhèn)金竹取水口上游4.2km，主線K23＋884長灘大橋跨清華水處位于樂安河思口鎮(zhèn)金竹取水口上游6.2km處，如表1所示。

3 生態(tài)濾料處理池設計方案研究

3.1 生態(tài)濾料特性概述

祁婺項目針對近水源地路段大橋的橋面徑流處理研發(fā)了一種新型材料?多元復合催化生物載體（以下簡稱載體材料），該材料由碳基鐵（鈷鈦）合金、碳基鐵（鍶鋯）合金、碳基鐵（銅鋇）合金、碳基鐵（鈰鈮）合金等多種催化載體構(gòu)成，多種基質(zhì)材料組合后，通過絡合、混凝、氧化還原作用實現(xiàn)對初期徑流的凈化處理。

載體材料具有出水水質(zhì)好、使用壽命長、溫度適用范圍廣、運維簡單等優(yōu)點，但材料造價高，凈化初期徑流需要一定的水力停留時間，且不耐污染腐蝕，因此在實際應用中需盡量減少用量、最大化發(fā)揮處理效果，且保證不被危化品液污染。

3.2 生態(tài)濾料處理池設計總體方向

根據(jù)現(xiàn)有處理池方案與生態(tài)濾料組合的符合性分析，生態(tài)濾料的處理池設計可以三級沉淀池為基礎(chǔ)，結(jié)合生態(tài)濾料的處理機理進行設計改進后使用，改進設計要注意實現(xiàn)以下目標：（1）實現(xiàn)對各種超標污染物的處理；（2）提高材料使用效率；（3）合理減少材料用量；（4）合理減少后期養(yǎng)護服務。

3.3 橋位選擇

結(jié)合生態(tài)濾料出水效果好、造價高的特性，選擇跨越水體敏感性強、橋跨相對短的橋梁，以最大化發(fā)揮生態(tài)濾料的優(yōu)勢，并盡量減少工程造價，在此基礎(chǔ)上優(yōu)先選擇靠近養(yǎng)護工區(qū)的橋位，以增加養(yǎng)護便利性。

結(jié)合以上要求分析，長灘大橋和龍騰大橋在水源敏感性、收集長度、與養(yǎng)護站的位置關(guān)系方面相當，但長灘大橋在收集長度方面更具優(yōu)勢，可有效降低生態(tài)濾料用量，進而減少工程造價，因此選擇長灘大橋作為施工點位。

3.4 池容設計

根據(jù)環(huán)評要求，長灘大橋點位的橋面初期徑流不得直排進入下方清華水，因此需收集280m長度、26m寬度橋面范圍內(nèi)前30min[9]最大暴雨強度的徑流。

根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》"（JTG/T D33—2012）?[10]規(guī)定：

（１）設計徑流量計算公式如下：

= 16.67_p，t "（1）

式中，為設計徑流量，m³/s；_p，t為設計重現(xiàn)期和降雨歷時內(nèi)的平均降雨強度，mm/min；為徑流系數(shù)，根據(jù)規(guī)范，瀝青混凝土徑流系數(shù)為0.95；為匯水面積，本橋匯水面積為0.007"28km²。

1. 設計重現(xiàn)期和降雨歷時內(nèi)的平均降雨強度計算公式如下：

=1818（1+0.47log）／（+5）^0.71 （1）

式中，為最大暴雨強度，L/S.ha；_p，t為特定取值下的最大暴雨強度；為設計重現(xiàn)期，本項目取5年；為坡面匯流時間與管內(nèi)流行時間之和，本橋路線短，按30min計。

_p，t=193.53（L/S.ha） = 1.16（mm/min）

根據(jù)公式（1）、（2），= 0.134（m³/s） = 240（m³/30min）

由此，長灘大橋橋面初期徑流收集目標水量為240m³，長灘大橋縱坡為人字坡形，橋面排水沿縱坡從中間向兩端匯集，兩端池體目標水量分別為120m³，即單個池體有效容積不小于120m³。

本生態(tài)濾料處理技術(shù)需在池體中投入一定數(shù)量的生態(tài)濾料，根據(jù)實驗室測算，120m3的初期徑流需72m3的生態(tài)濾料，因生態(tài)濾料為多孔材料，去除孔隙后的體積約為13m3，據(jù)此在兩端池體分別設置池容為150m3的生態(tài)濾料處理池。

3.5 處理池工藝研究

（１）調(diào)蓄池＋處理池的組合設計研究

如圖1所示，為了減少生態(tài)濾料的用量，項目考慮兩種對比方案：方案一為所有初期徑流一次處理，即設置一個150m3的生態(tài)濾料處理池，初期徑流一次性全部進入后直接進行處理；方案二為初期徑流分多次處理（本方案按3次考慮），即設置一個50m3的處理池，附加一個100m3的調(diào)節(jié)池，120m³初期徑流分3次處理，生態(tài)濾料的用量也僅為方案一的1/3。

生態(tài)濾料需要一定的水力停留時間才能將初期徑流處理到達標水質(zhì)，根據(jù)實驗室測定，水力停留時間一般為2～3天，即方案一在本次初期徑流收集2～3天后才能進行下次收集，方案二在本次初期徑流收集6～9天后才能進行下次收集。結(jié)合婺源地區(qū)多雨的情況，方案一在實用性上更加符合當?shù)氐膶嶋H情況。

綜上，調(diào)蓄池處理池的組合設計適合降雨間隔時間長的地區(qū)，且在大體量的跨敏感水體橋梁中更能體現(xiàn)出其經(jīng)濟性優(yōu)勢。按照滿足功能前提下適當降低造價的原則，長灘大橋選擇方案一。

1. 處理池處理工藝研究

如圖2所示，結(jié)合材料性能，處理池處理工藝考慮4種方案：單池、多池串聯(lián)、多池并聯(lián)、串并結(jié)合。其中：

①單池方案，該方案優(yōu)點是形式簡單，缺點是如果污水分布不均勻會影響處理效果；

②多池并聯(lián)，該方案相當于把初期徑流等分后分別處理，各池體間互不連通，可有效疏導徑流前行，處理效果和單池方案相似；

③多池串聯(lián)方案，該方案可讓初期徑流和生態(tài)濾料反復接觸、反復處理，大大提高處理效果；

④串并結(jié)合，分前后5組池體，每組池體分左右兩側(cè)，左右側(cè)池體在水位達到一定高度后可以互相連通，實現(xiàn)串聯(lián)為主、并聯(lián)為輔的池體建設形式，可結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點，并弱化并聯(lián)的缺點。綜上，長灘大橋初期徑流采用串并結(jié)合處理方案。

3.6 池體結(jié)構(gòu)設計

（１）池體主體結(jié)構(gòu)設計

結(jié)合以上研究內(nèi)容，形成生態(tài)濾料處理池的初步設計方向?建設串并結(jié)合的多級池體，讓生態(tài)濾料能夠與初期徑流反復接觸。為了保證處理效果，本池體結(jié)構(gòu)采用5次反復接觸，即設置五級處理池，處理池間設置擋水墻，初期徑流到一定高度后才能翻墻進入下一級處理池，以此實現(xiàn)池中水體與生態(tài)濾料的充分接觸，如圖3所示。為了解決上層徑流因難以接觸池底濾料導致處理不均勻的問題，設置混凝土支墩將濾料層做架空處理，實現(xiàn)生態(tài)濾料對全部水體的最大化近距離接觸處理，提高濾料利用效率，如圖4所示。

（２）初期徑流與后期徑流導流設計

待初期徑流全部進入池體后，需將后期徑流直接導流到池體末端尾水池，在方案中設置10cm高平流層，尾水可直接向后匯流，實現(xiàn)初期徑流與后續(xù)徑流的分離，如圖5所示。

（３）運營期無人值守設計

三級沉淀池一般需設置排水管，待初期徑流靜置一段時間后，由人工到現(xiàn)場放空池內(nèi)雨水，然后承接后續(xù)降雨的初期徑流，如此將大大增加養(yǎng)護人員的工作難度。本池體設計方案考慮設置緩流孔，初期徑流在一定時間內(nèi)可緩緩外流，實現(xiàn)池體放空，減少養(yǎng)護難度，如圖5所示。

3.7 初期徑流與?；芬簩Я髟O計

因高性能徑流處理生態(tài)濾料材料遇?；泛缶蜁?，將造成較大的經(jīng)濟損失，因此需在前端單獨設置一個應急存儲池，應急存儲池主要實現(xiàn)對泄漏危險品及其稀釋液的存儲[11]。應急存儲池與生態(tài)濾料處理池以三通閥連通，保證一旦出現(xiàn)?；沸孤?，可將事故液導入應急存儲池，不會進入生態(tài)濾料處理池。根據(jù)環(huán)評中應急存儲池不得小于60m3的要求，本課題在兩側(cè)橋頭分別設置一個100m3的應急存儲池體。

3.8 安全防護設計

為了防止兒童因好奇心重偷偷進入池體周圍，設計方案考慮兩道防護設施，第一道為在池體周圍設置圍欄，第二道為在池身罩一層鐵絲網(wǎng)，充分保障周邊居民的人身安全。

4 結(jié)論

結(jié)合以上研究內(nèi)容，生態(tài)濾料與混凝土沉淀池組合可以更好地發(fā)揮新材料的處理優(yōu)勢，且混凝土沉淀池最好設計成下穿上翻的多級池體結(jié)構(gòu)，以提升接觸效果；由于生態(tài)濾料有2～3天的水力停留時間，到時間后需排空池體，為了減少管養(yǎng)難度，優(yōu)先設置遠程電控閥門；此外，生態(tài)濾料一旦接觸?；芬簩⑹?，因此設置單獨的危化品池十分重要。

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