降雨径流快速过滤技术研究★

杜红雨，陈国强，金忠友，张成才，唐文加，李 蔚，罗维春

(1.重庆市北碚区住房和城乡建设委员会，重庆 400711；2.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025; 3.重庆文理学院化学与环境工程学院，重庆 402160)

0 引言

近年来，随着城市化的进一步发展，路面硬化面积增多，透水性能降低、径流量增大、雨水冲刷能力增强[1]，导致城市面源污染在水体污染中的占比日益增强[2]，使得城市面源污染成为了仅次于农业的第二大面源污染[3]，加强城市面源污染的高效控制日益迫切。降雨径流污染物不仅包含雨水本身的污染物，同时也携带地表累计的污染物[4]，主要包含总悬浮物、有机污染物、总氮、总磷、重金属等[5]。而且其有机污染物、总氮、总磷、重金属等大部分污染物以固态形式存在，与总悬浮物呈极强的正相关性。因此，若能够快速去除降雨径流中的总悬浮物，也可同步实现其他污染物的快速去除，进而实现降雨径流的快速净化。

目前，降雨径流处理的主要技术手段是通过海绵设施的分布式建设实现降雨径流的有效处理，如，生物滞留系统、雨水花园、浅草沟等，然而，这些技术方式都需要一定的用地面积，在用地紧张的城市区域往往限于有限的城市空地而无法得到充分建设，如老城区道路宽度小于5 m的城市支路、城市中心沿江/沿河带降雨径流的快速收集处理等，在山地城市这种现象更为突出。因此，寻求一种占地面积小、建造灵活、管理简单的降雨径流快速处理方式对于解决上述问题尤为必要。论文梳理了国内外降雨径流快速过滤的技术现状，并在技术现状比较研究的基础上，设计了一种降雨径流快速过滤装置，旨在通过降雨径流过滤技术的系统研究，找到能够实现降雨径流快速高效处理的技术方式，为解决现阶段以城市老城支路为代表的用地紧张区域降雨径流的有效处理提供技术出路。

1 国内外雨水快速过滤技术比较研究

近年来，市场上出现了不同型号的径流过滤器，论文整理了现阶段国内外主要的雨水过滤技术(见表1，表2)。

1)国内降雨径流过滤技术。

我国早期就有针对雨水利用的案例，比如新疆的“坎儿井”、西北的“雨水水窖”[6]等。但是我国对于城市雨水的管理利用却是从20世纪80年代末开始起步的；到21世纪，由于面源污染的日益重视，开始出现以控制雨水水体污染及调洪排放为目的的过滤技术[7]。论文根据雨水的排出途径将雨水过滤器分为两类，第一类是雨水经过土壤下渗排出，第二类是经由城市管道聚集排出。目前，我国常用的雨水过滤系统有：第一类：生物过滤、透水铺装；第二类：雨水自动过滤器、除砂限流式雨水口、初期雨水多级净化雨水口、截污净化型雨水口、水质型雨水截污口等，具体见表1。

表1所列常见的雨水过滤器中，第二类雨水过滤器较多，这是由于城市雨水径流一般都由排水管道排出，因此在雨水井井口实施雨水污染的处理，以此进一步减少进入受纳水体的污染物。在污染物去除方面，上述的雨水过滤器都可以截留雨水中较大的杂物及垃圾，对于溶解性的污染物，仅有部分技术能够去除，但是去除率并未详细说明。

表1 国内典型雨水过滤器

由表2总结可知，相较于国内的雨水过滤器，国外的技术更为成熟，适用范围更为广阔。但是，可以看出国内外的雨水过滤器大部分都集中在雨水口，这是因为城市雨水集中排放至雨水口。

2)国外降雨径流过滤技术。

由于国际发达国家对于降雨径流处理的研究较早，过滤理论和技术相较于国内更为成熟和齐全，甚至部分已经形成产业链。早期的雨水过滤理论是在污水处理的基础上改进，并在实际运用后对过滤设备进行技术分析，改良而得。目前国外常用的雨水过滤工程理论通常为：利用地下渗漏通道减少或消除径流；收集和处理屋顶和其他不透水表面的雨水；采用优化的过滤介质，利用地下过滤系统针对特定的城市污染物；集成紧凑的高速生物过滤系统等。上述理论的设备集成化和实际工程应用总结见表2。

表2 国外典型雨水过滤器

2 雨水过滤处理技术探索与应用

通过国内外降雨径流的快速过滤技术比较发现，国内的雨水过滤技术在维护、更换、清洁以及经济效益等方面还存在着部分缺陷。因此，结合国内外的雨水过滤器理论，探索开发一种集占地小、安装更换简洁、处理效率高为一体的新型雨水过滤技术很有必要。

2.1 材料与方法

2.1.1 雨水过滤器设计

设计了一款雨水过滤器(见图1)。该过滤器分内腔与外腔两部分，外腔填充过滤填料，内墙安装浮筒，通过浮筒的上下浮动实现排水方式的切换[19]。

在此基础上，设计快速过滤处理工艺(见图2)，在配水桶中配制模拟降雨径流，配制方法参考王书敏[20]关于降雨径流的相关研究。模拟径流由水泵泵入检查井中，在不同高度处设置溢流口，以控制过滤水头，在出水口采集水样监测出水水质和水力负荷。实物装置见图3。

2.1.2 过滤器装填填料

为检验不同过滤填料的过滤效果，在图1所示过滤器的外腔中分别填充了三种填料，如表3所示，拟通过比较不同过滤填料的运行效果，得到较好的运行方式。

表3 填料的厚度与配比

2.2 结果与讨论

2.2.1 水量分析

由于过滤器设置在雨水井中，而雨水井的主要功能就是排洪、泄洪，因此，过滤器的过水能力也是决定过滤器性能的一项重要指标。

在不同的水压高度测试过水负荷随时间变化的关系，如图4所示。由图4可知，水压1(淹没过滤器5 cm)，填料一的过水负荷平均值最高，达到2.8 m3/(m2·h)，与另外两种填料配比形成了极大的差距。水压2(淹没过滤器15 cm)，在1 h～2 h中，水力负荷急剧下降，随后才逐渐稳定并达到3.2 m3/(m2·h)。在初始入渗的过程中，填料颗粒的间隙处于中空状态，由于水压2的颗粒运动速度大于水压1，因此高水压的颗粒迅速填补空隙，使得其渗透系数迅速下降，之后小颗粒、被填料捕获的颗粒共同将空隙堵塞，导致下渗系数最终趋于稳定[21]。

2.2.2 水质分析

1)浊度去除效果(见图5)。在水压一定的条件下，考察各滤料对浊度的处理效果。由图5可知，三种填料对浊度的去除效果整体呈现下降趋势，在7 h达到稳定。通过比较不同填料曲线，可知填料粒径对浊度变化存在着显著的影响，由于填料1的整体粒径大于填料2、填料3，所以填料1的浊度变化更易受到水流冲击而波动，进而导致其去除率也相对较低，这与曾正仁所得的管道浊度与流速成正比的结论类似[22]。三种填料的浊度去除率最终维持在40.02%,65.28%和55.02%。

2)总悬浮物去除效果(见图6)。雨水中的总悬浮颗粒物的去除主要依靠截留与吸附。图6(b)显示三种填料对总悬浮物的去除情况。三种填料对总悬浮物的去除率稳定在70%～80%，悬浮物质量浓度也由进水的1 300 mg/L降低至200 mg/L～400 mg/L(见图6(a))，这主要依靠填料对总悬浮物的物理截留。三种填料分别在第2，第3，第8小时达到峰值，即73.42%，89.40%，85.16%。其中，填料2去除效果最好，这是因为与其他填料相比，其配比填料具有更多的蜂窝多孔结构，材料的孔隙度和稳定的结构能够保持一定的过水能力与截留性能[23]。

3)总磷去除效果(见图7)。总磷的去除途径主要是过滤吸附、沉淀与离子交换[24-26]。由图7(b)可知，三种填料对总磷去除率呈现先增大后下降再趋于稳定的趋势，这与总悬浮物的去除曲线大致相似。进水2 h后，总磷质量浓度由进水的0.9 mg/L下降至0.2 mg/L～0.3 mg/L，总磷去除率达到70%，从总磷去除率曲线上看，填料1对总磷的去除效果相对较好。第5小时后的去除率逐渐上升，可能是因为随着总悬浮物的累积，固体颗粒上的总磷与水力剪切达到平衡，加上过水能力的下降使得填料与进水拥有更长的接触时间，让磷重新获得足够的反应时间而去除。

4)氨氮去除效果(见图8)。氨氮的去除主要来自填料的吸附与离子交换作用。由图8(b)可知，去除率呈上升趋势，并未见稳定趋势，可能是因为氨氮的吸附需要更长的接触时间，而且填料也有一定的氨氮吸附容量，未达到氨氮吸附稳定或饱和状态的缘故。三种填料对氨氮平均去除率从大到小分别是填料1(40.76%)>填料3(29.68%)>填料2(23.02%)。

3 结论

1)国内外雨水快速过滤技术比较研究表明，国内雨水快速过滤技术在适用范围、污染物去除效果、维护及清洁等方面较国外技术存在着一定差距，结合国内外的雨水过滤器理论和实践，探索开发一种集占地小，安装更换简洁、处理效率高为一体的新型雨水过滤技术很有必要。

2)快速过滤实验表明，填料最佳配比为：外层90%1-3 mm沸石+10%颗粒活性炭，内层1-3 mm珍珠岩，其总悬浮物去除率最高为89.40%。其总磷去除率稳定在72.87%，氨氮去除率为29.68%，浊度整体变化73.36%，平均过水负荷为2.4 m3/(m2·h)。