高速公路桥面初期径流净化装置的设计

李超 娄鹏

（河南省交通科学技术研究院有限公司 河南郑州 450006）

高速公路桥面初期径流净化装置的设计

李超 娄鹏

（河南省交通科学技术研究院有限公司 河南郑州 450006）

为解决初期径流污染问题，针对桥面径流的水质特点，引入净化装置，用于截留初期径流中的主要污染物SS 和COD。初期径流净化装置由沉淀池和使用卵石、玄武岩、粗砂等为基质的过滤装置组成。通过过滤效果验证实验可以看出，本设计对于初期径流水体中的SS和COD的去除效果较为明显。

高速公路；初期径流；净化

1 引言

目前，在跨越重要地表水体的公路环境影响评价项目中，环评专家及环境保护行政主管部门都明确提出禁止桥面径流排入水体，要求采取桥面径流收集措施。

为解决初期径流污染问题，针对桥面径流的水质特点，在本系统中引入净化装置，用于截留初期径流中的主要污染物SS，并且其对COD也有一定的去除作用。

初期径流净化装置由沉淀池和以卵石、玄武岩、粗砂等为基质的过滤装置组成，设置初沉池的目的是对桥面径流进行初步沉淀，去除水流中较大的颗粒污染物，降低后级过滤装置的处理负荷及延长其维护周期。

2 初期径流净化装置

2.1 蓄水池

受占地、投资因素制约，蓄水池容积在满足使用要求的前提下应尽量小。在极端降水情况下，其容积主要取决于桥面径流量和过滤装置处理能力的流量差，强降水情况下桥面径流水质趋于稳定的时间也是蓄水池容积影响因素之一。蓄水池容积采用式（1）计算：

式中：V——蓄水池容积，m3；

Q1——强降水情形下桥面径流流量，单位L/s；实际实施时，结合工程所在地气象统计资料确定；

Q2——过滤装置出水能力，单位L/s，与装置出水面积、滤料种类、滤料铺设厚度有关；

t——桥面径流水质趋于稳定的时间，单位s。在3‰设计坡度时，桥面四分之一区域雨水流量为30.7L/s，桥侧排水管过水能力取决于汇合后的排水管，在水力坡度2%（桥梁纵坡）时过流能力为24.3L/s，实际实施时，在桥梁两端各布置一套收集装置，每套装置收集一半桥面的径流，按此推断，进入蓄水池的水量应为48.6L/s，与净化装置的流量差为46.8L/s，不考虑来水直排时，在1h最大降水量76mm情形下，降水持续1h时，蓄水池应有168.48m3容积。在实际设计的桥面径流净化方案中，达到系统预设流量的后续径流不再处理，蓄水池池容可小于此容积。根据检测结果，强降水天气15min后采集的路面径流，其水质已接近雨水，按此径流趋稳时间计算，所需蓄水池容积应为42m3。

综上所述，在设计中蓄水池的实际容积应在根据式（1）计算所得容积基础上，加上因考虑沉淀功能设置溢流堰所产生的无法利用的这部分容积，此即蓄水池的最终容积。

2.2 过滤池

内部填充复合颗粒滤料，以物理截留为主来去除桥面径流中的颗粒污染物，滤料颗粒表面形成稳定的生物群落后，微生物作用对溶解性COD等污染物也有一定的去除效果。

过滤池采用池底进水、上部出水的方式。池体内部以溢流堰为界分为过滤区和出水区两部分，上游来水经配水管配水后充满池底，而后逐渐上升通过复合滤料层，在这一过程中，径流中挟带的颗粒物被截留，水质得以净化。滤料层上部出水从溢流堰流入出水区后排入边沟。出水管布设位置取决于过滤池是地上式还是地埋式。若为地上式，出水管布设于出水区池底位置，若为地埋式则可紧邻溢流堰布设。

初期径流进入净化装置后，通过配水管进行配水，配水管设在净化装置底部，末端开口用管堵封堵，并在管段上沿水管横向间隔5～10cm均匀钻出直径3～5cm的圆孔，流向相对的孔交错排列，以卵石不堵塞、掉入圆孔为准。卵石粒径差别较大时，应采取措施防止卵石堵塞、掉入圆孔。所开圆孔面积之和应不小于排水管截面积。

排水管上钻孔目的为均匀配水，上游来水流经过滤料间隙时，因其曲折回转的阻隔及上升流出水可消减相当程度来水势能，有助于形成分布均匀平缓的上升流，将来水由紊流转变为层流并均匀分布在滤料层横截面上，一方面充分利用滤料的过滤能力，另一方面形成的稳定上升流，防止过滤后水流流态不稳挟带过多泥沙溢流。

在配水管上部依次铺设厚度50cm的卵石、沸石、粗砂，粒径由下到上逐级变小，各滤料层间铺设目数略小于上层滤料的隔网，防止滤料过度下沉混合，降低下层滤料的缝隙率。滤料层上方至溢流堰顶部还有50cm高度未填充滤料，此高度为泥沙沉降层，用以进一步去除出水中挟带的泥沙颗粒。由于径流经过过滤层后流速极慢，在过滤过程中未被阻截及径流经过粗砂过滤层时挟带的细小颗粒，因密度较大上冲一定高度后逐渐沉降下来。

水流依次通过卵石、沸石、粗砂过滤层后，截留掉大部分颗粒污染物，随着来水持续，逐渐充满池体，在净化装置上部未填充滤料空间部分沉降掉携带的细小颗粒后，经溢流堰流入出水区排入边沟。

由于桥面径流的流量取决于降水强度及降水持续时间，且监测数据表明仅仅是初期径流水质较差，桥面经过一定时间的降水冲刷（降水量）后，后续的径流水质已趋于稳定，且净化装置受占地因素制约，处理能力有限，我们设计的净化方案是只处理初期径流，对后续趋稳的径流不再处理，直接排入边沟。

2.3 过滤池处理能力分析

2.3.1 过滤效果验证实验

（1）介质选择

鹅卵石：直径3～4cm；玄武岩：直径2～3cm；石英砂：直径2～ 3mm。

初期径流净化装置的过水断面尺寸2.5m×1.8m，折合4.5m2，三层滤料的厚度均为40cm，经计算，净化装置的综合过水能力是1.8L/s，水流通过三层滤料的时间约为1614s。相关数据见表1。

表1 初期径流净化装置处理能力计算表

（2）试验用水

试验用水系在自来水中添加过0.63mm筛后的城市道路灰尘配制而成。

（3）填料填放

考虑到更换填料种类时清理方便，每个箱体放1种填料，填料填放的顺序沿水流方向上，箱体中依次是鹅卵石、玄武岩、石英砂。箱体中的填料，设置3个厚度，10cm、18cm、22cm。相应地，总的过滤层厚度依次为30cm、54cm、66cm。

（4）采样时间

试验采用间歇式进水方式，每周一至周五进水，每天下午进水，水阀打开后采集进水和出水的水样。同时每天记录试验地的温度和湿度。

（5）监测指标及测定方法

水中固体悬浮物颗粒（SS）：重量法；化学需氧量（COD）：重铬酸钾法；

温湿度：温湿度表。

2.3.2 试验结果分析

（1）预备试验

不同路面采集到的道路路面灰尘过0.63mm筛后，分析SS 和COD的数据。每个试验重复3次。根据数据分析，确定试验进水需添加的COD与SS的数值。把采集到的四个地方的城市道路灰尘混合后模拟高速公路路面径流形成的固体颗粒物添加到自来水中。

（2）试验地的温度及湿度

在整个试验进程中，试验场地的温度和湿度变化是稳中有升的，温度变化范围在14.3～23.9℃度之间，温度的算数平均值为18.5℃。湿度的变化范围在21～47%之间，湿度的算数平均值为32%。在废水生物处理中，微生物最适宜的温度范围一般为16～ 30℃，最高温度在37～43℃，当温度低于10℃时，微生物将不再生长。在适宜的温度范围内，温度每提高10℃，微生物的代谢速率会相应提高，COD的去除率也会提高10%左右；相反，温度每降低10℃，COD的去除率会降低10%，因此在冬季时，COD的生化去除率会明显低于其它季节。

（3）固体悬浮物的去除

表2 不同介质厚度下对固体悬浮物的去除效果

由表2可以看出，固体悬浮物在人工湿地试验模型中的去除率较好，去除范围在78.9～96.5%之间，去除效率的算数平均值为89%。污水在进入人工湿地以后，由于流速迅速减慢，再加上自然沉淀和填料的吸附、阻截和过滤作用，进水悬浮物在进入处理装置的前端即得到有效的去除。同时填料中也存在着物理、化学和生物吸附作用，使细小的悬浮物得到有效的去除。所以，悬浮物去除率的高低取决于废水与填料的接触程度，在湿地中保持废水良好的流态，使其全部流经填料层，避免废水表面漫流的发生，对提高悬浮物的去除效率至关重要。试验装置设计的水路全部在介质层以下，水流流经路线的最大化，并能与介质充分接触，使得对固体悬浮物的去除率较高。

（4）化学需氧量的去除

表3 不同介质厚度下对化学需氧量的去除效果

由表3可以看出，人工湿地在每种介质层厚度上对COD的去除率都是呈现增加的趋势，介质厚度的增加对COD的去除有一定的波动，波动之后COD的去除仍然是呈现增加的趋势。当单个箱体的介质层厚度为22cm，总过滤层厚度为66cm时，对COD的去除在11.3～36.0%之间浮动，去除效率算术平均值为24.3%，相比较单个箱体介质层厚度为10cm和18cm，对COD的去除效率的算数平均值43.2%和35.7%来看，介质层厚度的增加反而对COD的去除效率降低了，究其原因，主要是因为进水的COD浓度在126～439mg/L之间，进水浓度的升高，依赖微生物降解的生物膜还没有形成。对人工湿地内部的沉积物，除湿地进水口的固体悬浮物以外，较高的COD运行负荷会使填料内来不及降解的各类有机物质大量累积（包括微生物体及其残骸），形成新的人工湿地沉积物，从而使填料层的渗流能力逐渐下降，加速人工湿地的退化。因此有人提出，在湿地运行时增加晾晒干化期，使累积物得到分解和消耗而减少，以恢复湿地的性能。也有人建议，对湿地进行定期的翻底清理或填料更新，但是这不仅耗资大，而且会破坏湿地业已形成的生态结构，使其处理性能在短时间内很难恢复。因此，我们建议在人工湿地处理技术的前端加上前处理系统，例如化粪池、厌氧反应池、氧化塘等，降低进水口的COD负荷，以延长人工湿地的使用寿命。

（5）固体悬浮物与化学需氧量的相关性分析

表4 固体悬浮物和化学需氧量的去除效率比较

由表4可以看出，固体悬浮物具有较高的去除效果，范围在78.9～96.5%，化学需氧量的去除效果浮动较大，变化范围在8.3～ 60.3%之间。固体悬浮物与化学需氧量之间的回归分析表明，参数之间存在良好的线性相关关系，回归方程为：COD=2.5658×SS-187.71，R2=0.8706。

3 结论

人工湿地试验模型对固体悬浮物的去除效果较好，主要靠一次性过滤及沉淀完成。对化学需氧量的去除效果有浮动，对进水口COD负荷低的去除效果较好。研究固体悬浮物和化学需要量之间的线性关系可以得出，化学需氧量的去除与固体悬浮物之间具有一定的相关性。

U443.3

A

1673-0038（2015）24-0293-03

2015-5-22