朱道佩 晏浩城

(江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院(南昌)，江西 南昌 330013)

1 概述

近年來(lái)，在公路快速發(fā)展的同時(shí)，伴隨著一些環(huán)境污染問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，且日益加重。其中水資源的污染——地表徑流的產(chǎn)生對(duì)道路，城市，環(huán)境有很大的影響，成為制約城市發(fā)展的重要因素。

地表徑流的形成有多種來(lái)源，其中降雨是首要來(lái)源。在降雨過(guò)程中，雨水淋洗空氣、沖刷降落表面，使得雨水中的污染物質(zhì)較為復(fù)雜，這些污染物可分為下面幾類:懸浮固體、好氧物質(zhì)、重金屬、富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)、細(xì)菌和病毒、油脂類物質(zhì)、酸類物質(zhì)等。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始對(duì)雨水進(jìn)行收集和利用[1]，為進(jìn)行雨水徑流污染控制，采用凈雨措施包括截污裝置、雨水塘、雨水濕地、滲透/生物滯蓄設(shè)施、植被設(shè)施等[2]，基于盧奇等[3]的研究，利用多孔介質(zhì)如石英砂、礫石等介質(zhì)進(jìn)行物理過(guò)濾，多孔介質(zhì)具有優(yōu)良屬性如多孔介質(zhì)流體阻力大，不同粒徑下的多孔介質(zhì)過(guò)濾效果是不同的。因此文章以四種不同粒徑的石英砂為例，探究一種以石英砂為主要濾料的過(guò)濾裝置在污水量較大時(shí)能否滿足對(duì)濾速及濾效的需求。

2 設(shè)計(jì)思路及相應(yīng)國(guó)家規(guī)范

2.1 設(shè)計(jì)思路

本發(fā)明公開了一種裝配式路緣石凈化集水裝置，包括路緣石貼合層，粗顆粒層，中粗顆粒層，細(xì)顆粒層，集水池，儲(chǔ)水罐等，用于為路面綠化帶提供水分。本發(fā)明不僅兼具較好的道路廢水凈化功能，且直接利用道路自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，既無(wú)需占用額外土地和進(jìn)行大范圍施工，又可以消解城市暴雨洪峰，提高了水資源的利用率，具有廣泛的市場(chǎng)價(jià)值。

裝置中的過(guò)濾系統(tǒng)由粗顆粒層、中顆粒層、細(xì)顆粒層組成，其中粗顆粒層的厚度為30 cm～40 cm，由建筑廢料或陶瓷碎塊組成，該層可以過(guò)濾路面污水，截留較大固體顆粒，同時(shí)有較大空隙能快速存貯地表污水，減少路面積水；中顆粒層的厚度為20 cm～30 cm，由礦渣或多孔磚廢料組成，該層能吸附懸浮液中較小固體顆粒和油脂顆粒；細(xì)顆粒層的厚度為20 cm～30 cm，由石英砂組成，該層主要過(guò)濾吸附微小顆粒、有毒物質(zhì)與有機(jī)物等，降低污水濁度。

2.2 相應(yīng)國(guó)家規(guī)范

由于該裝置主要用途為道路廢水凈化、消解城市暴雨洪峰收集并為路面綠化帶提供水分，提高水資源利用率。因此主要涉及國(guó)家規(guī)范為GBT 18920—2002城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中的主要污染指標(biāo)限制如表1所示。

表1 城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)主要污染指標(biāo)

2.3 雨水污染物研究調(diào)查

基于周超[4]的研究調(diào)查，在研究中監(jiān)控了該地域的初期雨水徑流及后期雨水徑流的pH值，SS，濁度，COD，TN，TP多項(xiàng)指標(biāo)。基于吳金羽[5]的研究調(diào)查，在參考研究展覽館路2013年6月23日的雨水的污染狀況的結(jié)果。研究結(jié)果展示了該地域的TN、氨氮、TSS等多項(xiàng)指標(biāo)。

基于以上作者的研究調(diào)查，可以取得降雨的前后期平均污染指標(biāo)如表2所示，通過(guò)表2中數(shù)據(jù)可看出，初期及后期雨水徑流的各項(xiàng)污染指標(biāo)中，雨水的pH值、溶解性總固體TSS、氨氮等主要污染指標(biāo)均符合城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的城市綠化標(biāo)準(zhǔn)，而濁度在初期徑流中的均值為32.6 NTU，在后期徑流中的均值為8.26 NTU，需要通過(guò)過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾至10 NTU以下以符合國(guó)家雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的城市綠化標(biāo)準(zhǔn)。且根據(jù)周超[4]的研究調(diào)查顯示，在雨水中濁度，COD，SS，TN，TP五項(xiàng)污染物指標(biāo)之間有明顯相關(guān)性，在水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)中濁度的測(cè)試是最為簡(jiǎn)便的一項(xiàng)測(cè)試，該研究中明確了濁度和其他指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)雨水徑流污染指標(biāo)的測(cè)定起到了極大的便捷化作用。

表2 周超、吳金羽部分研究數(shù)據(jù)

3 試驗(yàn)裝置與檢測(cè)方法

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，路緣石過(guò)濾集水系統(tǒng)試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃制成，為高100 cm，內(nèi)直徑10 cm，外直徑11 cm的圓柱體，過(guò)濾集水系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的最下端10 cm高設(shè)置為墊層，用粒徑為3 mm～5 mm的鵝卵石承托濾料防止上方濾料層顆粒流失，在儀器下方用架子架起，鏤空架子下方放置玻璃燒杯模擬城市道路路緣石過(guò)濾集水系統(tǒng)的出水口以收集過(guò)濾后的雨水。本試驗(yàn)主要研究以石英砂、錳砂與硅藻土作為道路過(guò)濾集水系統(tǒng)的細(xì)顆粒層濾料，對(duì)道路過(guò)濾集水系統(tǒng)的造價(jià)及其過(guò)濾效果進(jìn)行分析以確定各類材料作為道路過(guò)濾集水系統(tǒng)細(xì)顆粒層過(guò)濾材料的可行性。道路過(guò)濾集水系統(tǒng)從下到上依次為：10 cm高的3 mm～5 mm鵝卵石墊層、30 cm高的細(xì)顆粒層、30 cm高的中顆粒層、30 cm高的粗顆粒層，濾料采用自然堆積。

每一次試驗(yàn)由過(guò)濾裝置上方倒入三次不同量的污染雨水，在漏斗下方放置燒杯以收集過(guò)濾后的雨水，以在燒杯中收集到95%的過(guò)濾完的污染雨水為過(guò)濾完成的標(biāo)志并在過(guò)濾完成后取樣用便攜式濁度儀檢測(cè)樣品濁度。

3.2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中的水質(zhì)分析方法采用國(guó)家環(huán)保局頒布的《水和廢水檢測(cè)分析方法》(第四版)中規(guī)定的方法。濁度測(cè)定采用便攜式濁度計(jì)法，用某靈敏度為0.1 NTU的便攜式濁度儀進(jìn)行測(cè)定。該儀器使用說(shuō)明書中技術(shù)指標(biāo)顯示零點(diǎn)漂移為±1.5%F.S(NTU/30 min)，示值穩(wěn)定性為±1.5%F.S(NTU/30 min)，重復(fù)性為2%，基本誤差為±6%，電壓波動(dòng)影響為0.5%F.S。

3.3 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)中的水樣由校園道路區(qū)域雨水組成并由容器搜集，因水樣中有較多肉眼可見(jiàn)懸浮物，隨著懸浮物不斷漂浮，水樣濁度會(huì)不斷變化，為了減少誤差，對(duì)試驗(yàn)水樣每15 s記錄一次水樣濁度，記錄6次取平均值，試驗(yàn)水樣的濁度見(jiàn)表3。該試驗(yàn)水樣平均濁度為15.7 NTU。

表3 試驗(yàn)水樣濁度 NTU

4 試驗(yàn)思路及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)思路

試驗(yàn)通過(guò)控制變量法測(cè)定不同粒徑以及不同污水量對(duì)整個(gè)過(guò)濾裝置的過(guò)濾時(shí)間以及過(guò)濾裝置的過(guò)濾效率的影響。通過(guò)對(duì)比使用不同粒徑同一污水量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出不同粒徑的石英砂作為過(guò)濾材料對(duì)整個(gè)裝置的過(guò)濾時(shí)間以及過(guò)濾效率的影響；通過(guò)對(duì)比使用相同粒徑不同污水量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出不同污水量對(duì)整個(gè)裝置的過(guò)濾時(shí)間以及過(guò)濾效率的影響。

4.2 相同污水量不同粒徑的影響

通過(guò)測(cè)定相同污水量不同粒徑材料的過(guò)濾效果試驗(yàn)，不同粒徑的石英砂作為裝置過(guò)濾材料對(duì)整個(gè)裝置的過(guò)濾效果如圖2所示。可以看出，隨著石英砂過(guò)濾材料的粒徑不斷減小，過(guò)濾效果不斷增加。而不同粒徑的石英砂作為過(guò)濾材料時(shí)其相對(duì)過(guò)濾時(shí)間以及相對(duì)過(guò)濾比如圖3所示。可見(jiàn)隨著石英砂過(guò)濾材料的粒徑不斷減小，相對(duì)濾速先緩慢上升然后相對(duì)不變?cè)倬徛仙?，?duì)比相對(duì)濾速與相對(duì)過(guò)濾比兩條曲線，可以在粒徑為0.5 mm～1 mm附近找到過(guò)濾速度與過(guò)濾效果的相對(duì)最大值，為該裝置在易積水路段既滿足過(guò)濾國(guó)家要求又盡可能的提高過(guò)濾速度提供了可行性。

4.3 相同粒徑不同污水量的影響

通過(guò)測(cè)定相同粒徑的過(guò)濾材料過(guò)濾不同污水量的試驗(yàn)，不同污水量對(duì)相同過(guò)濾材料過(guò)濾裝置的過(guò)濾效率以及過(guò)濾時(shí)間也有一定影響，以粒徑為0.5 mm～1 mm與粒徑為0.15 mm～0.4 mm的石英砂為例，兩種不同粒徑在不同污水量下的過(guò)濾效率及過(guò)濾時(shí)間如圖4，圖5所示，從圖4，圖5中可以看出，隨著污水量的不斷增加，過(guò)濾初期的水壓也在不斷升高越高導(dǎo)致水流流經(jīng)過(guò)濾料時(shí)，污水中的細(xì)微污染顆粒由于水壓的作用下與濾料更緊密的接觸使過(guò)濾效率有所上升，并且相對(duì)濾速也有所增加，在過(guò)濾顆粒的可負(fù)載范圍內(nèi)相對(duì)濾速及過(guò)濾效率均隨著污水量增加而增加，也為該裝置在易積水路段作為路緣石過(guò)濾集水系統(tǒng)提供了可行性。

5 可行性討論與總結(jié)

5.1 可行性討論

該裝置在易積水路段需要較高的過(guò)濾速度、較大的儲(chǔ)水量以及不低于國(guó)家城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的過(guò)濾后指標(biāo)。裝置內(nèi)設(shè)置的粗顆粒層及中顆粒層可以有效的積蓄道路積水消解城市暴雨洪峰，因此只需找到合適的濾料粒徑以平衡相對(duì)較高的過(guò)濾速度需求及過(guò)濾效果便可為該裝置在易積水的路段裝配使用提供可行性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在粒徑為0.5 mm～1 mm左右的石英砂濾料的濾速與過(guò)濾效果達(dá)到了相對(duì)最大值。并且在該粒徑附近的過(guò)濾系數(shù)接近50%，有能力將濁度均值為16 NTU的試驗(yàn)污水過(guò)濾至8 NTU附近滿足作為城市綠化用水的標(biāo)準(zhǔn)。而根據(jù)周超[4]的研究調(diào)查顯示后期雨水徑流的平均濁度為5.4 NTU～18.7 NTU，與試驗(yàn)污水的濁度相擬合，因此該裝置在易積水路段使用粒徑在0.5 mm～1 mm左右的石英砂濾料時(shí)過(guò)濾效果可以滿足國(guó)家對(duì)用于城市綠化的雜用水水質(zhì)要求。

5.2 總結(jié)

根據(jù)試驗(yàn)，該裝配式路緣石過(guò)濾集水系統(tǒng)在易積水路段的可行性較高，原因由以下組成：

1)該裝置的粗顆粒層具有較大的空隙，在雨水高峰期的時(shí)候能有效的貯存路面的積水，使雨水不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留在路面，降低雨水對(duì)路面的侵蝕作用，延長(zhǎng)路面的使用壽命，且使過(guò)往車輛及行人在通過(guò)該路段時(shí)不會(huì)濺起道路污水，有更好的使用體驗(yàn)。

2)該裝置細(xì)顆粒層選用粒徑為0.5 mm～1 mm左右的石英砂可以獲得相對(duì)較大的過(guò)濾率以及相對(duì)較快的過(guò)濾速度，為該裝置在易積水路段的使用增加了可行性。

3)該裝置在易積水路段使用時(shí)相比一般路段會(huì)有更多的污水量，在裝置可負(fù)載范圍內(nèi)會(huì)由于污水量的增加導(dǎo)致過(guò)濾裝置中水壓增加，使污水水流通過(guò)過(guò)濾系統(tǒng)時(shí)與過(guò)濾材料時(shí)污水中的各種懸浮顆粒與過(guò)濾材料表面更緊密的接觸，使過(guò)濾系統(tǒng)的過(guò)濾效率有所上升，同時(shí)由于過(guò)濾裝置中水壓的增加，過(guò)濾裝置的過(guò)濾速度也有所上升，這都增加了該裝置在易積水路段使用的可行性。

4)該裝置選用粒徑為0.5 mm～1 mm左右的石英砂作為細(xì)顆粒層過(guò)濾材料時(shí)，過(guò)濾系數(shù)接近50%，并能使平均濁度均值為16 NTU的試驗(yàn)污水過(guò)濾至8 NTU附近,滿足該裝置的設(shè)計(jì)思想：即相對(duì)用低成本、易安裝與易更換的方式過(guò)濾道路中的雨水并收集起來(lái)使其能用做城市綠化就近為城市道路兩旁的綠化帶做供水源。種種跡象均表明該裝置在易積水路段都有較高的可行性。