一种简易的新型雨水过滤装置的小试实验分析

谷唯实

（云南省环境科学研究院，云南环境工程设计研究中心，云南昆明650034）

一种简易的新型雨水过滤装置的小试实验分析

谷唯实

（云南省环境科学研究院，云南环境工程设计研究中心，云南昆明650034）

对一个实验室规模的雨水过滤装置进行了小试。结果表明，按最大降雨强度作为进水水量，选择以矿石滤料—改性型纤维球—石英砂作为雨水过滤的滤料，该滤料配置方案可达到雨水的最佳过滤效果；滤料厚度在20cm左右过滤效果最佳。在以上条件的配置下，该简易雨水过滤系统的最大连续工作时间为10h左右，超过10h必须对各层滤料进行清洗后方可继续使用。

雨水过滤系统；最大降雨强度；过滤介质；滤料厚度；连续工作时间

0 引言

雨水过滤系统是一种应对暴雨径流的技术手段，在欧美发达地区应用尤其广泛。该技术可用于削减暴雨径流量，并能将受纳水体的污染物总量降至最低。雨水过滤系统可采用的结构形式很多，最典型的是在浅沟或浅池中填充滤料过滤介质的构造。2004年美国环保署发现，虽然吸附的微生物摄取等化学生物过程在某种程度上可对污染物的去除起到一定的作用，但在渗透系统中大部分污染物是通过机械和物理化学作用过滤去除的。雨水可通过过滤系统渗出后流入周边的土壤，或由下水道收集后输送到受纳水体，前者较为常见。

尽管多数渗滤系统由于阻塞等原因推广使用受到了一定的限制，但研究报告显示，传统的雨水渗透系统并非用于去除污染物质，其主要目的是削减暴雨径流流量，从而使进入受纳水体的污染负荷得以减少。尽管如此，人们仍然未充分了解雨水渗透系统在空间和时间上的去污效果的对应性，尤其是当过滤系统发生阻塞的情况下。许多研究仅仅只呈现渗透系统性能的一个方面，很少针对过滤系统的最大工作时间进行系统实验及分析。当提及污染物的去除时，研究结果往往不一致，如何处理过滤系统中长期积累的污染物也尚未确定。

如果雨水过滤系统得以广泛应用，其长期拦污效果则是研究的一个重要领域。本文介绍了一种结构简易、易安装、易维护的新型雨水过滤系统。

1 实验装置及材料

①雨水过滤装置，数量：1套。

②蠕动泵，流量范围：0.006～1000mL／min，数量：2只。

③搅拌器，数量：2个。④胶管，数量：数米。

⑤滤料，石英砂、砾石等。

⑥网兜，数量：4只。

2 实验室小试实验方案

2.1 配水

本次实验首先使用人工配水对简易雨水过滤装置进行实验。

人工配水：蒸馏水＋干燥 （经马弗炉高温处理）的泥沙。近期对目标河段周边采集到的雨水SS浓度范围：100～300mg／L。因此人工配水SS浓度梯度为：100mg／L，150mg／L，200mg／L，300mg／L，500mg／L。

2.2 滤料

根据滤料的粒径大小，选择EPS泡沫滤料、果壳滤料、改性纤维球、石英砂滤料、矿石滤料作为本次实验的主要净水滤料。根据粒径的大小由小到大依次放入简易雨水过滤装置的各容器中。

2.3 运行

配水放入大容器中，用搅拌器不断搅拌，防止悬浮颗粒物沉淀。用蠕动泵将容器内人工配制的污水抽入到简易雨水过滤装置中进行过滤，采用连续进水，并对出水进行检测，得出简易雨水过滤装置及各种滤料的工作性能，并加以改良。

3 小试实验数据及结果分析

3.1 不同滤料对雨水过滤效果的影响

3.1.1 滤料配置方案一

第一层放置EPS泡沫滤料，厚度15cm；第二层放置果壳滤料，厚度15cm；第三层放置石英砂，厚度15cm。

将配置好的相应悬浮颗粒浓度的人工污水以大雨的降雨强度（24h内49.9mm，换算为蠕动泵效率为0.8mL／min）用蠕动泵打入简易雨水净化装置中并收集出水，连续进水1h后检测收集到的出水中SS含量，得出该滤料配制方案的净化效果。

表1 滤料配置方案一实验数据

实验结果显示，3种滤料对人工雨水的净化效果差异较大。EPS泡沫滤料的去除效果较差，实验观察后发现，该种滤料质地较轻，当人工雨水进入雨水简易净化装置与滤料相遇后，该滤料大部分会呈现漂浮状态，且其对泥沙的吸附作用较差，平均去除率只有13%左右，不太适宜用作雨水过滤滤料。第二层放置的果壳滤料，粒径较小，质地较轻，遇水后同样会出现漂浮的现象，且其形状不规则，会随雨水一同透过第二层过滤孔进入下一层，平均去除率为3.4%，因此不适合作为雨水的过滤滤料。第三层放置的石英砂，质量较重，不会出现漂浮现象，且粒径较大，对雨水中的泥沙过滤效果较好，可去除雨水中70%左右的泥沙。整套系统以这3种滤料为配料方式后，对雨水中泥沙的去除效果约为75%。

3.1.2 滤料配制方案二

第一层放置矿石滤料，厚度15cm；第二层放置改性型纤维球，厚度15cm；第三层放置石英砂，厚度15cm。

将配置好的相应悬浮颗粒浓度的人工污水以大雨的降雨强度（24h内49.9mm，换算为蠕动泵效率为0.8mL／min）用蠕动泵打入简易雨水净化装置中并收集出水，连续进水1h后检测收集到的出水中SS含量，得出该滤料配制方案的净化效果。

表2 滤料配置方案二实验数据

实验结果显示，3种滤料对人工雨水的净化效果均较好。矿石滤料粒径较大，质量较重，不会出现遇水后的漂浮现象，其表面粗糙，对雨水中泥沙的吸附效果较好，去除率约为49%左右。第二层放置的改性型纤维球，体积较大，质地较轻，但其遇水后很快会吸收大量水分，将泥沙吸附在其表面的缝隙中，从而起到过滤雨水的效果，其去除率约为50%左右。第三层放置的石英砂，质量较重，不会出现漂浮现象，且粒径较大对雨水中的泥沙过滤效果较好，可去除雨水中70%左右的泥沙。整套系统以这3种滤料为配料方式后，对于雨水中泥沙的去除效果约为92.8%左右。

3.2 滤料厚度对雨水过滤效果的影响

3.2.1 滤料厚度方案一

第一层放置矿石滤料，厚度15cm；第二层放置改性型纤维球，厚度15cm；第三层放置石英砂，厚度15cm。

将配置好的相应悬浮颗粒浓度的人工污水以大雨的降雨强度（24h内49.9mm，换算为蠕动泵效率为0.8mL／min）用蠕动泵打入简易雨水净化装置中并收集出水，连续进水1h后检测收集到的出水中SS含量，得出该滤料配制方案的净化效果。

表3 15cm滤料厚度实验数据表

实验结果显示，在滤料厚度为15cm左右时，矿石滤料对雨水中泥沙的去除效率约为49%左右；改性型纤维球对雨水中泥沙的去除率约为50%左右；石英砂对雨水中泥沙的去除效率约为69%左右。该15cm滤料厚度的配置方案下，该简易雨水净化系统的总去除率约为91.5%左右。

3.2.2 滤料厚度方案二

第一层放置矿石滤料，厚度20cm；第二层放置改性型纤维球，厚度20cm；第三层放置石英砂，厚度20cm。

将配置好的相应悬浮颗粒浓度的人工污水以大雨的降雨强度（24h内49.9mm，换算为蠕动泵效率为0.8mL／min）用蠕动泵打入简易雨水净化装置中并收集出水，连续进水1h后检测收集到的出水中SS含量，得出该滤料配制方案的净化效果。

表4 20cm滤料厚度实验数据表

实验结果显示，在滤料厚度为20cm左右时，矿石滤料对雨水中泥沙的去除效率约为54%左右，较15cm厚度的滤料配置，矿石滤料的去除率增加了5%左右；在滤料厚度为20cm左右时，改性型纤维球对雨水中泥沙的去除率约为60%左右，较15cm厚度的滤料配置，改性型纤维球的去除率增加了10%左右；在滤料厚度为20cm左右时，石英砂对雨水中泥沙的去除效率约为75%左右，较15cm厚度的滤料配置，石英砂的去除率增加了5%左右。该20cm滤料厚度的配置方案下，该简易雨水净化系统的总去除率约为95%左右，较15cm厚度滤料的简易雨水过滤系统，过滤效率提高了5%左右。

3.2.3 滤料厚度方案三

第一层放置矿石滤料，厚度25cm；第二层放置改性型纤维球，厚度25cm；第三层放置石英砂，厚度25cm。

将配置好的相应悬浮颗粒浓度的人工污水以大雨的降雨强度（24h内49.9mm，换算为蠕动泵效率为0.8mL／min）用蠕动泵打入简易雨水净化装置中并收集出水，连续进水1h后检测收集到的出水中SS含量，得出该滤料配制方案的净化效果。

表5 25cm滤料厚度实验数据表

实验结果显示，在滤料厚度为25cm左右时，矿石滤料对雨水中泥沙的去除效率约为55%左右，较20cm厚度的滤料配置，矿石滤料的去除率增加了1%左右，去除效率增加不明显，且雨水已达到最高水位线；在滤料厚度为25cm左右时，第二层中放置的改性型纤维球和第三层中放置的石英砂层都出现了溢出现象，即出现了因滤料过厚而引起的过滤速率较慢，进水量大于出水量而导致大量雨水未经过滤就由过滤器周边溢出排走，未起到过滤的作用。

3.2.4 小结

实验结果证明，滤料厚度在20cm左右时，能使该滤料配置方案下的简易雨水过滤系统的过滤效果达到最大值。

3.3 运行时间对雨水过滤效果的影响

第一层放置矿石滤料，厚度20cm；第二层放置改性型纤维球，厚度20cm；第三层放置石英砂，厚度20cm。

将配置好的悬浮颗粒物浓度为200mg／L的人工雨水以大雨的降雨强度（24h内49.9mm，换算为蠕动泵效率为0.8mL／min）用蠕动泵打入简易雨水净化装置中并收集出水，连续进水时间分别为1h、2h、4h、8h、16h后，检测收集到的出水中SS含量，得出在20cm滤料厚度和该滤料配置方案下的该简易雨水净化系统的最大工作时间。

表6 不同运行时间实验数据表

实验结果显示，该雨水简易过滤系统在8h运行期内，对雨水中泥沙的过滤效果基本保持一致，若超过8h，在第10h左右，第三层铺设有石英砂滤料的过滤层首先出现了溢出现象，在第12h左右，第二层铺设有改性型纤维球的过滤层出现堵塞，雨水从过滤层四周溢出。

4 实验结论

按最大降雨强度作为进水水量，选择以矿石滤料—改性型纤维球—石英砂作为雨水过滤的滤料，该滤料配置方案可达到雨水的最佳过滤效果；滤料厚度在20cm左右过滤效果最佳。在以上条件的配置下，该简易雨水过滤系统的最大工作时间为连续工作10h左右，超过10h必须对各层滤料进行清洗后方可继续使用，否则会出现过滤层中的滤料由于淤积了太多泥沙而出现堵塞的现象，使得该雨水过滤系统的过滤速率降低，泥沙去除率下降甚至出现溢流现象，从而失去雨水过滤作用。

下一阶段，会将该简易雨水过滤系统设置于实验河段中做中试实验，以测试该简易雨水净化装置在实际应用中的表现并加以进一步地改进。

5 结语

城市河道雨水过滤系统是解决城市水资源短缺，减少城市水灾害和改善城市生态环境的有效途径。该过滤系统能将雨水过滤与城市生态环境改善相结合，因地制宜，兼顾当地经济发展状况、环境状况及社会效益，标本兼治，能够确保水资源的可持续利用，促进城市环境的可持续发展。

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Small Test of One Sim ple and New Type of Rainwater Filtration Device

GUWei－shi
（Yunnan Institute of Environmental Science，Yunnan Center of Environmental Engineering Design，Kunming Yunnan 650034，China）

The small testof one rainwater filtration devicewas conducted.The results showed that the best filtration occurred when the filtermaterialswere combined ores and modified fiber balls and quartz sands in 20cm thickness under the scenario of the heaviest rainfall intensity.The device could have worked continuously for around 10 hours.However，the filtermaterialsmust be cleaned if it hasworked formore than ten hours.

rainwater filtration device；the highest rainfall intensity；filtermaterials；thickness ofmaterials；continuousworking time

X52

：A

：1673－9655（2015）06－0055－08

2015－07－06