砂质河床对悬浮物去除行为的试验研究*

王泉波，胡荣庭，郑西来1，**，张华军

（1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3.淄博市淄川区环保局，山东 淄博 255100）

受全球气候变化和人类活动综合影响，中国的洪涝和干旱灾害频发，水资源短缺问题日益严重［1］。用雨洪水回灌不仅可削减雨洪水径流量，也可增加地下水储量［2］。但在回灌时，水中的污染物会导致地下水水质恶化，并使含水层发生堵塞，进而使回灌水量逐渐降低。在雨洪水流经河床时，沿河开采地下水，雨洪水通过河床渗流进入抽水井，经河床的吸附、过滤和生物降解等作用后雨洪水得以净化，尤其是对悬浮物的去除，过滤后的水可用于地下水回灌［3］。河床过滤具有成本低、处理效果好和无有毒副产物等优点，被欧美多国广泛采用，其过滤机理和对污染物去除规律的研究日益受到重视［4］。

河床过滤雨洪水时，水中的悬浮物易在河床中沉积，致使其渗透性降低，从而提高了对悬浮物去除效果［5］。悬浮物在过滤介质内的沉积受多种因素制约，悬浮物与过滤介质的粒径比值较大时，悬浮物易沉积在过滤介质表面；反之，悬浮物则向过滤介质深层迁移［6］。悬浮物浓度越高，其在过滤介质内沉积速率越快，且过滤介质的渗透性下降也越快［7］。另外，当悬浮物在过滤介质表面沉积时，渗流速度越大，过滤介质的渗透性下降也越快［8］；而当悬浮物在过滤介质内沉积时，渗流速度越快，过滤介质渗透性下降得越慢［9］。河床过滤悬浮物时，随着悬浮物在过滤介质内的沉积，使得过滤介质孔隙减小，比表面积增大，水力停留时间增加，故对悬浮物的去除率逐渐升高［10－11］。

雨洪水中悬浮物的粒径分布范围较广，20μm以上的悬浮物易自然沉降去除［12］，其余粒径的悬浮物可经河床滤除，但对该粒径范围悬浮物去除行为的研究较少。因此，为了弄清砂质河床对悬浮物去除行为，设计和制作了水淘选装置，将河流悬浮物进行粒度分级，分别研究了不同悬浮物粒径、浓度和渗流速度对悬浮物去除效果的影响，为雨洪水的回灌提供科学的依据。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

试验装置包括水淘选装置和砂滤装置。水淘选装置用于对悬浮物进行粒度分级，制备悬浮物样品；砂滤装置是用河砂过滤水中悬浮物，并测定过滤介质的渗透性变化和悬浮物的去除效果。

1.1.1 水淘选装置 水淘选装置是利用斯托克斯沉降定律对悬浮物进行分离，即控制淘选柱内不同上升水流速度，使粒径不同的悬浮物沉降于各淘选柱底部或随出水流出。装置包括水槽、潜水泵、定水头供水箱、流量计、各级淘选柱和集水箱（见图1）。水槽用于配制悬浮液。潜水泵抽取悬浮液，一部分通过回流方式对悬浮液进行搅拌，防止悬浮物沉降；另一部分流向定水头供水箱。定水头供水箱设有进水管、出水管和溢流管，出水通过流量计调节水量，使悬浮液平稳得自流进入淘选柱一级、二级和三级淘选柱由有机玻璃管制成，内径分别为5、10和20cm，有效高度均为20cm，均为下部进水和顶部溢流出水，底部设有集泥斗和放空阀。悬浮液经三级淘选后，最终进入集水箱。

图1 水淘选装置示意图（a）与装置照片（b）Fig.1 Sketch（a）and photo（b）of water elutriation device

1.1.2 砂滤装置 砂滤装置主要包括水槽、潜水泵、定水头供水箱、渗流砂柱、测压板、控水头装置和电子天平（见图2）。水槽、潜水泵和定水头供水箱与水淘选装置的相同。渗流砂柱设有进水管、出水管、溢流管、测压管和取样管，由有机玻璃管制成，内径为10cm，高为120cm；在其一侧设有4个测压管（分别距过滤介质表面0、5、15和95cm处）；另一侧设2个取样口（距过滤介质表面5和15cm处），分别标记为取样口A和B。测压板与测压管用硅胶管连接，测定渗流砂柱的各位置水头值。控水头装置可自由调节高度，控制渗流砂柱的进水水头差。电子天平用于测定各时间段渗流砂柱出水的质量，然后将出水的质量按其温度和密度换算为流量。

1.2 试验材料

1.2.1 悬浮物 悬浮物样品采自青岛市大沽河河底的表层沉积物，先在水中用0.5mm的标准筛滤除大颗粒物，再将滤液配制成300mg/L的悬浮液，最后用水淘选装置进行分离。淘选时，控制装置流量为100mL/min，经计算得出一级、二级和三级淘选柱内的水上升流速分别为5.09、1.27和0.32cm/min，将二级和三级淘选柱底部收集的沉积物分别标记为S1和S2，集水箱内的悬浮物记为S3，按样品的实际比例将S2和S3的混合后，混合物标记为S4。在采用激光粒度仪分析各样品的粒度，结果见表1。

图2 砂柱试验装置示意图（a）与装置照片（b）Fig.2 Sketch（a）and photo（b）of sand column experimental device

1.2.2 过滤介质 过滤介质为大沽河河砂，经X射线衍射分析，其主要成分为石英、长石和白云石，三者含量占98%以上；用筛分法分析，过滤介质的中值粒径为0.45mm，不均匀系数2.76，属于中砂。过滤介质的密度为2.63g/cm3，当容重为1.65g/cm3时，初始渗透系数（K0）为30m/d。

1.2.3 水样 用自来水配制悬浮液，水样的矿化度为0.2g/L，pH 为7.6，电导率为512μs/cm。

表1 悬浮物粒径特征值表Table 1 Characterization results of suspension particle size/μm

1.3 试验方法

在用渗流砂柱过滤悬浮物时，测定过滤介质的渗透性变化和悬浮物的去除行为，具体试验步骤如下：

（1）在砂柱底部铺设10cm的砾石，再覆加80目的不锈钢筛网，后将烘干筛分的过滤介质按等容重1.65 g/cm3分层装入柱内，使滤层厚度为95cm。

（2）从砂柱底部缓慢通入自来水，通水时间为24h，逐渐排除其中残留的气体，然后排出测压管中气泡，保持各个测压管中静止水位一致。

（3）在室温（15℃）条件下，将悬浮液连续注入砂柱80 h，各组试验的控制条件见表2。测定各测压管水头值和出水口流量，采用达西定律（式1）计算过滤介质的渗透系数（Ki），并用式2计算相对渗透系数（Ki′）。

式中：Q—砂柱流量（m/d）；ΔI—测压管间距 （m）；Δh—测压管间水头差（m）；d—砂柱内径（m）；v—达西流速（m/d）；I—水力坡降；K0—过滤介质初始渗透系数（m/d）；Ki—在i时刻过滤介质的渗透系数（m/d）。

（4）分别采集砂柱内滤层深度为0、5和15cm处的水样，测定其浊度值，并分别计算悬浮物去除率。

表2 各组过滤试验的控制条件Table 2 Control condition of each experimental group

2 悬浮物对河床过滤的影响

河床对悬浮物的滤除，按机理可分为表面过滤和深层过滤。当悬浮物的粒径较大时，以表面过滤为主，悬浮物在过滤介质的表面沉积形成滤饼，而滤饼亦起到过滤的作用；当悬浮物粒径较小时，则以深层过滤为主，悬浮物沉积于过滤介质内部，而过滤介质主要通过迁移、黏附和脱落机理去除悬浮物。

2.1 悬浮物粒径

用中值粒径分别为12.9、7.3和2.3μm 悬浮物（S1、S2和S3），配制浊度为100NTU的悬浮液，控制砂柱进水水头差为30cm，分别测定0～5cm、5～15cm过滤介质的渗透系数，计算不同时间的相对渗透系数，结果见图3（a）和（c）。另外，采集过滤介质表层以下5和15cm处（取样口A和B）的水样，测定其浊度，并计算悬浮物的去除率，结果见图3（b）和（d）。

由图3（a）可知，过滤介质的相对渗透系数（K｀）随时间逐渐降低，悬浮物粒径越大，K′降低速度也越快。当K′降为0.5时，由S1、S2和S3配制悬浮液的注入时间为2、3和6h；而当K′降为0.1时，悬浮液的注入时间分别约为7、10和18h。在图3（b）中，取样口A处的悬浮物去除率随时间逐渐升高，且悬浮物的粒径越大，其去除率提高得也越快。这3种悬浮液在分别注入砂柱3h后，悬浮物去除率分别为84%、80%和74.5%；当悬浮液分别注入18、28和64h后，悬浮物被完全去除。悬浮物在过滤介质内沉积后，使得过滤介质的比表面积增大、过滤孔隙减小和水力停留时间增加，其渗透性随悬浮物沉积量增加而降低，但对悬浮物去除率却逐渐提高，直至完全去除。悬浮物的粒径越大，越易在介质表面沉积而形成滤饼，且形成速度也越快，而对悬浮物去除率提高得也就越快，尤其悬浮物S1中的粒径大于20μm的颗粒物，受自然沉降作用，快速沉积于过滤介质表面而形成新的过滤层，加快了表层过滤介质渗透性的下降速度，而悬浮物去除率也快速提高。小粒径的悬浮物通过深层过滤方式去除，其在过滤介质的迁移深度随粒径减小而增加。因此，用中值粒径为12.9、7.3和2.3μm的悬浮物配制成悬浮液，在分别注入过滤介质18、28和64h后，表层5cm过滤介质的K′分别降为0.087、0.014和0.003时，可全部去除悬浮物。

由图3（c）可以看出，用12.9和7.3μm悬浮物（S1和S2）配制的悬浮液，分别注入砂柱后，对5～15cm过滤介质的渗透性影响很小，其相对渗透系数（K′）保持在0.8以上；而2.3μm的悬浮物（S3）对该层的渗透性影响较大，K′下降到0.4左右。在图3（d）中，取样口B处悬浮物去除的总体趋势，与取样口A处的基本一致。这3种悬浮液在分别注入砂柱3h后，悬浮物去除率为98%、94.5%和89%，而悬浮液分别注入14、18和34h后，悬浮物被完全去除。主要因为S1和S2大部分都被0～5cm的过滤层去除，故对下层过滤介质的渗透性影响很小，且对悬浮物去除率较高。粒径较小的S3在过滤介质内的迁移深度最大，尤其在初始阶段，约10%的S3穿透了15cm的滤层，后随着悬浮物在该层的沉积，过滤介质的过滤效果逐渐增强，至34h后完全去除悬浮物。

图3 悬浮物粒径不同的条件下过滤介质相对渗透系数（K′）与取样口A（b）、取样口B（d）处悬浮物去除率随时间（t）的变化曲线Fig.3 The relative permeability coefficient filter medium and the suspended solids removal rate of sampling port A（b），sampling port B（d）as functions of time（t）under different suspension particle size conditions

2.2 悬浮物浓度

用中值粒径为2.8μm的悬浮物（S4）配制浓度分别为50、100和200NTU的悬浮液，控制砂柱水头差为30cm，在不同时间测定0～5和5～15cm过滤介质的渗透系数，并计算过滤介质的相对渗透系数（K′），结果见图4（a）和（c）。另外，在过滤介质表层以下5和15 cm处（取样口A和B）采集水样，测定其浊度，并计算悬浮物的去除率，结果见图4（b）和（d）。

由图4（a）可知，0～5cm过滤介质的K′随时间降低，且注入的悬浮物浓度越高，K′降低也越快。当过滤介质的K′值降为0.5时，浓度分别为50、100和200 NTU的悬浮液，注入的时间分别为4、4和2h；而当K′降为0.1时，悬浮液注入的时间分别为18、14和8h。在图4（b）中，经0～5cm滤层过滤后，取样口A处的悬浮物去除率随时间升高，直至完全去除，且注入悬浮物浓度越高，过滤介质对悬浮物去除率提高得越快。这3种浓度的悬浮液在分别注入砂柱2h后，悬浮物的去除率分别为58.8%、44.5%和55.0%；而在分别注入54、72和48h后，悬浮物被完全去除。这主要是因注入的悬浮物浓度越高，悬浮物在过滤介质内的沉积速率越快，渗透性下降得也越快，悬浮物进入量逐渐减少，使得K′下降速度缓慢。另外，当悬浮物浓度较低时，进入过滤介质内的悬浮物总量较少，故悬浮物去除率较高，但提高速度较慢。因此，用悬浮物浓度为50、100和200NTU的悬浮液，分别注入砂柱54、72和48h后，0～5cm 滤层的K｀分别降为0.01、0.01和0.004时，可全部去除悬浮物。

图4 悬浮物浓度不同的条件下的过滤介质相对渗透系数（K′）与取样口A（b）、取样口B（d）处悬浮物去除率随时间（t）的变化曲线Fig.4 The relative permeability coefficient filter medium and the suspended solids removal rate of sampling port A（b），sampling port B（d）as functions of time（t）under different suspension particle concentration conditions

由图4（c）可知，5～15cm滤层的相对渗透系数（K′）在初期下降较快，后趋于稳定，且注入的浓度越高，K′趋于稳定的历时越短。浓度分别为50、100和200NTU的悬浮液，分别注入34、30和16h后，K′值分别稳定为0.61、0.46和0.50。在图5（d）中，经0～15cm的滤层过滤后，取样口B处的悬浮物去除规律与取样口A的一致。这3种浓度的悬浮液分别注入砂柱2h后，悬浮物去除率分别为89.3%、81.1%和80.3%，而在悬浮液分别注入砂柱36、36和26h后，悬浮物被全部去除。主要是因为有10%～20%的悬浮物可进入到5～15cm的滤层，且注入的悬浮物浓度越高，进入的悬浮物量也越大，使得悬浮物去除率的提高得也越快。

2.3 渗流速度

通过控制砂柱的进水水头差（△H），可使水样在过滤介质内具有不同的渗流速度，当△H分别为15、30和50cm时，在渗透系数为30m/d的过滤介质内，水样的初始达西渗透流速分别为4.7、9.5和15.8m/d。试验中用中值粒径为2.8μm的悬浮物（S4）配制悬浮液，悬浮物浓度为100NTU的，在上述△H条件下注入砂柱，在不同时间测定0～5cm和5～15cm过滤介质的渗透系数，并计算相对渗透系数（K′），结果见图5（a）和（c）。另外，在不同时间对过滤介质表层以下5和15cm处（取样口A和B）采集水样，测定其浊度，并计算不同时间内悬浮物的去除率，结果见图5（b）和（d）。

由图5（a）可知，0～5cm过滤介质的K′随时间降低，且砂柱的△H越大，K′下降得越快。当K｀降至0.5时，在△H为15、30和50cm的砂柱，注入时间分别为7、4和3h；当K′降至0.1时，注入时间分别为21、15和13h。在图5（b）中，△H为15和30cm的砂柱，经0～5cm的滤层过滤后，取样口A处的悬浮物去除率随时间升高；而当△H为50cm时，悬浮物的去除率是先降低后趋于稳定。△H为15、30和50cm的砂柱，在试验2h后，取样口A的悬浮物去除率均约为70%；试验10h后，悬浮物去除率分别为77%、73%和45%；而在72h的悬浮物去除率分别为96%、100%和52%。当渗流速度较小时，过滤介质以黏附机理为主，对悬浮物去除率较高，而当进入过滤介质的悬浮物量较少，其渗透性下降缓慢，故对悬浮物去除率提高得也较慢；而当渗流速度较大时，水流的剪切作用强，脱落机理作用增强，悬浮物在过滤介质内的迁移深度增加，其沉积速率也较快，使得滤层的渗透下降较快，对悬浮物去除率提高速度较快。因此，在△H分别为15、30和50cm的砂柱，在悬浮液分别通入75、58和52h后，表层5cm的过滤介质的K′均降为0.01，对悬浮物的去除率分别约为96%、100%和45%。

图5 渗流速度不同的条件下的过滤介质相对渗透系数（K′）与取样口A（b）、取样口B（d）处悬浮物去除率随时间（t）的变化曲线Fig.5 The relative permeability coefficient filter medium and the suspended solids removal rate of sampling port A（b），sampling port A（b）as functions of time（t）under different seepage velocity conditions

由图5（c）可知，5～15cm滤层的K′在随时间先降低后趋于平稳。△H分别为15、30和50cm的砂柱，在试验52、28和58h后，该滤层的K′值分别稳定为约0.72、0.56和0.16。在图5（d）中，经0～15cm 滤层过滤后，△H为15和30cm的砂柱，其滤层对悬浮物的去除率随时间升高；而△H为50cm时，悬浮物的去除率是先降低后升高。这3个△H不同的砂柱，在试验2h后，对悬浮物的去除率分别为99%、87%和86%。△H为30cm的砂柱在试验28h后，可完全去悬浮物；△H为50cm的砂柱，10h时对悬浮物的去除率最低（70%），至46h后可完全悬浮物。这主要是因当渗流速度较小时，大部分悬浮物被0～5cm滤层截留，使得下层过滤介质的渗透性趋于稳定，对悬浮物有着较高的去除率。当过滤介质内水样的渗流速度较大时，过滤介质在初期以黏附机理为主，对悬浮物去除率较高；随着过滤介质内沉积的悬浮物量增加，脱落机理作用逐渐增大，增强了悬浮物向下运移的趋势，而使得悬浮物去除率下降；当过滤介质内悬浮物沉积量持续增加，其脱落机理作用降低，故对悬浮物去除率又开始升高，直至完全去除。

3 结论与展望

用砂柱过滤装置模拟砂质河床对雨洪水的过滤作用，通过控制不同的悬浮物粒径、浓度和渗流条件，得出以下关于悬浮物去除行为的结论。

（1）用河砂过滤悬浮物时，悬浮物粒径越小，其在过滤介质内的迁移深度越深，过滤介质的渗透性下降越慢，对悬浮物去除效果越低。中值粒径分别为12.9、7.3和2.3μm的悬浮物，在注入过滤介质18、28和64h后，表层5cm过滤介质的相对渗透系数分别降为0.087、0.014和0.003，此时可全部去除悬浮物。

（2）用河砂过滤20μm以下悬浮物时，悬浮物浓度越高，在过滤介质内的沉积速率越大，过滤介质的渗透性降低越快，使得其过滤效果快速提高；但是当浓度过低时，受过滤介质内沉积的悬浮物量限制，悬浮物去除效率反而较高。

（3）在过滤介质中，悬浮物的迁移深度随渗流速度增大而增大，而对悬浮物的去除率却随之降低。当初始达西流速分别为4.7、9.5和15.8m/d，在试验72、58和80h后，表层5cm的过滤介质的相对渗透系数均降为0.001，对悬浮物的去除率分别约为95%、100%和45%。

用砂质河床过滤雨洪水后，可以有效去除的水中悬浮物，进而提高了回灌水的水质，也可预防由悬浮物导致含水介质的物理堵塞。但是，河床的过滤介质也存在堵塞的问题，其堵塞发生在表层20cm范围内，可以通过河水冲刷、河底生物作用、季节性河流的干湿转换等自然条件，或者由人为控制的反冲洗、表层河砂的置换等，使河床过滤性能的得以恢复。因此，如何利用自然条件或者通过人为控制，保证河床过滤的效果值得深入研究。

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