改性硅藻土在城市初期雨水处理中的应用

刘　群

(安徽三联学院 基础实验中心， 安徽 合肥　230601)

0　引　言

初期雨水主要是指在降雨初期的雨水，在此期间，雨水淋洗空气，溶解了空气中的大量污染物(如酸性气体、汽车尾气等)，然后在降落地面过程中冲刷城市建筑物、废弃物及城市道路等，之后形成地表径流进入河流、湖泊以及地下水，初期雨水中含有大量污染物质，从而污染城市河道、饮用水源地，影响城市水资源的可持续利用[1]。

初期雨水经洗涤空气、冲刷地面及各类建筑物，使得雨水中含有大量有机污染物、悬浮颗粒物、油类、重金属、致病微生物等环境污染物[2]。居民街道、露天停车场及露天修理厂也是初期雨水地表径流污染的主要来源[3]。有研究显示，城市面源污染中 COD、悬浮颗粒物的平均浓度高于城镇污水处理厂的排水，一次降雨过程产生的 COD在34.6～73.7 t之间[4]。王建龙[5]等在初期雨水研究过程中，开辟以水系沟通配套湿地工程与雨水就地调蓄处理相结合的方法治理初期雨水，效果较为明显，这将对维持城市景观河道的基本功能及改善水质发挥关键作用。

近年来，国内外研究学者对城市初期雨水治理技术开展了大量研究工作，并取得了一定的治理成效。

本研究立足于初期雨水末端治理思路，依据初期雨水的特异性，选择改性硅藻土作为主要净水材料的治理工艺，将城市初期雨水在入河前经人工导流进入净化处理系统，处理达标后再进入自然河道水体，形成了雨水旁路净化系统，结合工程实际，探讨城市初期雨水的治理技术。

1　工程概况

塘西河属于巢湖流域一条重要的城市内河，沿线雨水排口众多，城市初期雨水导致河道雨季污染严重。利用InfoWorks CS 排水管网模型进行计算[6]，改造排水口和设置雨水截流井，对城市初期雨水进行截留，并在沿河岸线铺设初期雨水收集管，对各排口截留的初期雨水进行统一收集、调蓄、净化后排入河道，从而减小初期雨水对自然水体的污染。

2　治理工艺

初期雨水处理工艺选择的原则应是针对初期雨水进水水质的特点，以低的基建投资和经常运行费用达到要求的出水水质。研究表明[7]，选择硅藻土作为净水材料，经济性强，操作简单，处理效果好。依据初期雨水的特异性，选择改性硅藻土净水技术工艺，可保证出水水质稳定达标。改性硅藻土净化处理初期雨水工艺流程如图1所示。

图1改性硅藻土净化处理初期雨水工艺流程

3　运行效果分析

巢湖流域夏季雨水较多，而秋冬季雨水相对较少，为满足研究需求，在初期雨水处理工程建成运行后，对初期雨水净化处理系统进出水进行连续监测(监测时间：2016年9月—2017年2月；频次：每月3次，数据取均值)，监测指标有总磷(TP)、化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)、总氮(TN)和氨氮(NH3-N)。结果如图2所示。

由图2可见，连续监测期间(2016年9月—2017年2月)，进入处理站的初期雨水总磷含量除2016年12月份外整体较为稳定，处理站出水基本满足设计要求，TP去除率高于80%，说明改性硅藻土对初期雨水中总磷的去除率较高且稳定。其中，2016年12月份和2017年1月份出水总磷高于设计值0.3 mg/L,可能是由于2016年12月至2017年1月期间进水水质波动较大，冲击处理站稳定系统，导致出水水质略高于设计标准值。随着进水水质稳定，处理站系统恢复正常，出水水质稳定达到设计标准值。

在连续监测期间，处理站进水COD波动较大,如图3所示。

图2初期雨水净化处理系统进出水总磷(TP)变化趋势

图3　初期雨水净化处理系统进出水COD变化趋势

尤其在2017年1月至2月份，进水COD从58 mg/L提高到104 mg/L，变化幅度近翻番，但出水COD较为稳定，去除率达70%以上，且能稳定达到地表水Ⅳ类标准，由此可以看出，改性硅藻土对初期雨水中的COD具有良好的去除效果，保障系统出水稳定达标排放。

初期雨水净化处理系统进出水悬浮物(SS)变化趋势如图4所示。

由图4可见，连续监测期间进入处理站的初期雨水SS含量变化较大，变化范围为45～137 mg/L，但出水SS较为稳定，去除率在70%以上，最高可达81.97%，且表现出进水SS越高，去除率越高且稳定。相反，进水SS越低，去除率愈低(如2016年9月)，这也进一步验证了中高浊度对初期雨水净化处理具有正向影响的结论[8]。因此，实时截留初期雨水，保持水体具有一定的浊度，对后续净化处理具有十分重要的作用。

初期雨水净化处理系统进出水总氮(TN)变化趋势如图5所示。

由图5可见，连续监测期间，处理站进水总氮为9.95～11.78 mg/L，且呈上升趋势(除2016年10月份外)，出水为6.97～8.63 mg/L，去除率在30%左右，进、出水总氮整体变化趋势相近，说明硅藻土对初期雨水中总氮也具有一定的去除效果，有效减少初期雨水荷载总氮的入河量。

初期雨水净化处理系统进出水氨氮变化趋势如图6所示。

图4初期雨水净化处理系统进出水悬浮物(SS)变化趋势

图5　初期雨水净化处理系统进出水总氮(TN)变化趋势

图6　初期雨水净化处理系统进出水氨氮变化趋势

由图6可见，处理站进水氨氮波动较大，尤其在2016年11月至12月份，进水氨氮从4.67～5.77 mg/L，变化幅度较大，出水氨氮波动也较大，但去除效果明显，去除率近20%，由此可以看出，改性硅藻土对初期雨水中的氨氮也有一定的去除效果。

4　净化机理

通过对硅藻土(产地：浙江)的物理特性表征，结果显示,BET比表面积约1.993 m2/g ，平均孔径16.8 nm，总孔容积0.0131 cm3/g。硅藻土表面多空，单体呈圆形状，硅藻土SEM图如图7所示。

图7硅藻土SEM图

改性硅藻土具有较大的比表面积和较强的吸附性能，在水力搅拌下形成颗粒絮状体，通过表面吸附、网捕、架桥等作用，将脱稳胶体、悬浮颗粒物、水体污染物等吸附至硅藻土表面，且随着水体的流动，逐渐形成密而实的大颗粒絮体，该絮体较为稳定，甚至絮体破坏后仍可再絮凝，在整个混凝反应中可作为絮体的骨架，起到絮凝、助凝的作用，提高絮体沉降性，改变了一般的絮凝剂产生的絮体松散、沉降性能差的状况。大量密而实的絮体进入沉淀池后，在斜管的助力下，絮体很快沉降至池底，通过池底排泥管排入污泥沉淀池，清水则通过溢流槽流入集水池外排。

5　结　语

1)选择硅藻土作为主要净水材料，利用硅藻土不含有毒化学物质并在水中形成絮体后，通过表面吸附、网捕架桥等作用净化水体，污染物随污泥外排移出水体，水体净化过程中没有任何有毒有害物质残留在水中，对河道水体不会产生二次污染，经净化处理后的出水清澈透明，水质稳定达标。

2)通过对工程设施连续跟踪监测，改性硅藻土对初期雨水中总磷的去除率高于80%， COD也达到70%以上，悬浮物颗粒去除率最高可达81.97%。同时，改性硅藻土对总氮和氨氮的去除率分别在30%和20%左右，也具有一定的去除效果，有效减少了各类污染物质的入河量。

3)以初期雨水末端治理为研究对象，在传统控源治理方略基础上，采用旁路水体净化技术对入河初期雨水进行处理，大大减少了各类污染物质的入河量，保障了河道原有的清洁和生态性。

参考文献：

[1]Sansalone J J， Cristina C M． First flush concepts for suspended anddissolved solids in sm all impervious watersheds[J]. Journal of Environmental Engineering-ASCE，2004，130(11):1301-1314.

[2]蒋海涛，于丹丹，韩润平．城市初期雨水径流治理现状及对策[J].水资源保护，2009，25(3):33-36.

[3]袁步先，张浏，郑西强，等.城市新区初期雨水污染控制技术探讨[J].安徽农业科学，2015，43(19):251-253，263.

[4]王军霞，罗彬，陈敏敏，等．城市面源污染特征及排放负荷研究:以内江市为例[J].生态环境学报，2014，23(1):151-156.

[5]王建龙，车伍，李俊奇．人工湿地在新建城区流域雨水管理中的应用[J].中国给水排水，2011，27(6):54-57.

[6]徐速．城市雨水管网与地面流的一、二维集成模拟研究[J].中国给水排水，2011，27(9):71-73.

[7]郑西强，陈云峰.高效除磷硅藻土用于城市景观水体的治理[J].中国给水排水，2012，28(5):32-35.

[8]彭勃，彭书传，匡武，等.浊度对改性硅藻土模拟初期雨水磷去除的研究[J].环境科学与技术，2015，38(2)：36-40.