雨水自流过滤净化技术实际工程应用效果分析

沙木哈尔·吐尔汗拜，王红武，董敬磊

(同济大学 同济大学环境科学与工程学院城市污染控制国家工程研究中心，上海 200092)

1 前 言

近年来，虽然点源污染控制逐渐完善，但水环境污染问题依然显著[1]，究其原因，主要是城市面源污染所致[2]。蒋海涛[3]、张千千[4]、车伍[5]、邓志光[6]等人研究发现，我国城市道路径流污染浓度与生活污水相近甚至更高。Sansalone等[7]研究发现道路径流中20%初期径流污染负荷占整场降雨污染负荷的80%左右。道路初期径流直接排放进入水体，易造成严重的城市水环境污染问题，甚至破坏水生态。我国对道路初期径流的治理尚处于初步研发阶段，缺乏实际工程实践和案例研究。

上海临港新城是新开发的城市区域，径流污染控制应本着“源头削减、过程调蓄、末端治理”的原则，针对整个水系流域采取综合措施，本课题组研究的自流过滤技术既可作为源头削减措施，也可以作为末端治理措施。课题组通过实验室试验研究筛选了滤料，并在上海市临港新城某桥下建立雨水自流过滤净化井示范工程[8]，收集处理尚未投入正式使用的道路的路面径流，该路面径流流入滴水湖的引清河道，若不经处理，易造成引清河道水质污染，从而导致滴水湖水质变差。本研究针对该示范工程，在长达一年半的时间里监测了6场实际降雨事件和两场模拟降雨事件的径流经过自流过滤设施的进、出水水质情况，考察了自流过滤技术对道路径流污染的处理效果，研究结果可为国内其他城市控制市政道路径流污染提供参考。

2 装置及方法

2.1 监测区概况

自流过滤技术示范工程位于上海市临港新城滴水湖环湖北二路一座过路桥下 (30°54′54′′N, 121°56′30′′E，见图1)，可收集桥面以及附近道路(试验期间，该道路和桥面尚未投入正式使用)的径流，处理后排入附近引清河道。

图1 雨水自流过滤井位置图Fig.1 Location of the rainwater self-flow filtration facility

2.2 装置结构

2.2.1 滤料

自流过滤器内的滤料主要由精度为2mm的粗滤网、0.4mm的细滤网，以及效果经过试验验证的改性熔喷聚丙烯纤维滤料组成。在示范工程建成之后进行了效果初步验证[8]，运行一年半之后取出自流过滤井的滤料进行清洗并添加部分新滤料并按照设计要求重新放入，本研究主要监测、分析滤料请洗和添加后的效果。

2.2.2 自流过滤井

井长约10m，宽约8m，高约5.2m，井体位于地面以下。过滤井主体部分由5组平行的构筑物组成，每组包括两个截污过滤井(图2)，每个截污过滤井内布置一个截污过滤挂篮，可多次过滤截留径流中颗粒物。径流首先充满廊道底部空间，当水量达到一定高度后通过五组平行的截污过滤井净化流出。当水量过大时，部分未经处理的径流可经溢流管道流出(图3)。

图2 雨水自流过滤井每组截污井的侧视图Fig.2 Profile of each sewage well of the rainwater self-flow filtration facility

图3 自流过滤井截污井与溢流井侧视图Fig.3 Profile of sewage well and overflow well of the rainwater self-flow filtration facility

2.3 样品采集及测试方法

2.3.1 采样点选择

监测自流过滤井对地表径流污染物的净化效果，需要采集过滤井入口、出口处的水样、同时采集附近公路路面雨水径流。入水井为距过滤井最近的一个检查井；出水井选择最靠近出口处的检查井；路面径流采集处距离过滤井100m左右，图4中未予以标识。

图4 采样点相对系统位置图Fig.4 Relative location of the sampling points

2.3.2 样品采集

在一年半时间内，对新型自流过滤井进行了6场自然降雨、2场模拟降雨，共计8场有效降雨监测试验，八场降雨情况详见表1。模拟降雨采用洒水车喷洒自来水形成类似自然降雨效果，雨强变化为 0～10min维持小雨，10～20min维持大雨，20～40min保持小雨至降雨结束。根据上述采样点位置，路边雨水口距过滤井入口100m、过滤井入水口距出水口15m且前半段为管道流通，后半段为过滤井流动；设定雨水管道流动速率0.75m/s、过滤井内流动速率0.05m/s，综合上述情况，假设T时刻采集了路边雨水口样品，则T+2min为过滤井入水口样品、T+3min为过滤井出水口样品。

表1 八场降雨采样日期Tab.1 表1. Sampling date of eight rainfall

2.3.3 测试指标及方法

3 结果与讨论

研究发现，美国北卡罗来纳州[10]、德州[11]，中国西安[12]等城市路面径流污染是城市地表径流污染最为严重的部分，且道路径流的悬浮固体颗粒(SS)的污染负荷数值最高。根据陈莹[12]的研究，道路径流中SS与COD、氮磷和重金属等污染物的相关性较好，SS是其他污染物在径流中的载体。由此推测，实现对径流中SS的控制可实现对水质的净化，因此本研究重点分析了自流过滤井对SS的去除效果。

3.1 SS去除效果

对七场降雨水样SS的检测结果进行分析，根据降雨天气情况，分别作小雨、中雨、大雨，降雨过程中自流过滤井进水、出水浓度以及SS去除率变化情况图，详见图5～图7。

图5 小雨天气SS随降雨历时变化曲线Fig.5 Variation curve of SS with rainfall time in light rain weather

图6 中雨天气SS随降雨历时变化曲线Fig.6 Variation curve of SS with rainfall time in moderate rain weather

图7 大雨天气SS随降雨历时变化曲线Fig.7 Variation curve of SS with rainfall time in heavy rain weather

从图5～图7可以看出，各场降雨历程自流过滤井进水、出水SS浓度均未出现明显的变化规律。未正式启用的道路相对干净，因此，进水SS浓度主要在40～70mg/L范围内波动，进水浓度波动幅度大，过程较为随机，部分场次污染物浓度随降雨历时增加呈现减小趋势、部分场次SS浓度前低后高，未观察到初期冲刷现象。总体上看，自流过滤井出水SS较进水稳定，多数情况下出水口SS浓度在10～20mg/L范围波动。

各场降雨SS去除率并未呈现明显的变化规律。综合分析图5～图6去除率变化曲线发现，降雨过程中SS去除率大致在40%～85%范围，单次降雨中雨水自流过滤井装置对SS的平均去除率分别为51%、63%、66%、66%、58%、63%、64%，去除SS效果较好。当进水SS浓度高于50mg/L时， SS去除率一般在70%以上。SS污染物浓度较小时，SS去除率也较低。为更为直观观察7场降雨实验SS去除率的总体变化，将各场降雨SS去除率以及总体上SS去除率的众数、平均数、中位数进行分析比较，做SS去除率与降雨历时图8、SS去除率与样品累积曲线图9。

图8 SS去除率Fig.8 Removal rate of SS

图9 SS去除率与样品点累积曲线Fig.9 Removal rate of SS and cumulative curve of sample

由图8可知，自流过滤井对SS的平均去除率为63%，中位数、众数均为62%。且从图8～图9可以看出,各时刻SS去除率的点较好地分布在平均数、中位数这两条直线上下；在众多样品中，绝大部分SS去除率均超过60%，说明自流过滤井对SS去除效果较好，具有稳定性。由于自流过滤井去除污染物的主要机理是吸附和拦截，可推测在一段时间内或设计水量范围内，处理效果基本不受进水水量水质波动的影响，自流过滤技术对于控制雨水径流SS效果较好，可为保持城市水环境起到重要作用。

表2 七场降雨多种污染物去除效果Tab.2 Removal rate of pollutants in seven rainfall (%)

为验证推测的准确性，第四场模拟降雨实验时采集相邻河道水样，对比分析了过滤井出水口及河水中污染物指标SS、COD、TOC、氨氮、TP、TN和浊度，结果见表3。

表3 第四场降雨过滤井出口与河道水体污染物浓度对比Tab.3 Comparison between water pollutants concentrations in effluent of filtration facility and river during the fourth rainfall

从表3可以看出，河水中氨氮、TP、TN和浊度比过滤井出口处的对应污染物高出许多。河水中TOC略高于过滤井出口处，COD部分高于过滤井出口处，只有SS小于过滤井出口处。由于自流过滤井长期泡在河水中，随着河水的自由流动，过滤井出口处采集的水样必然混合部分河水。由于河水的氨氮、TP、TN比过滤井进口处污染物浓度高，导致过滤井出口处采集的水样反而比进口处浓度高，猜测准确。

选择第一场降雨实验，比较自流过滤井进水、出水污染物浓度变化，结果如图10～图11。

图10 第一场降雨COD/TOC污染物随时间变化的曲线Fig.10 Change of COD and TOC concentration with time during the first rainfall

图11 第一场降雨TN/TP/氨氮污染物随时间变化的曲线Fig.11 Change of TN and TP concentration with time during the first rainfall

3.3 油类污染物去除效果

车辆行驶、人类的忙碌活动导致市政道路表面累积有油脂，为考察装置对径流中油脂污染物的净化效果，特别设置一场模拟降雨(第五场)专门用于考察油类物质的去除效果。实验当天将当天中午取自食堂餐厨的两桶废水倾倒于道路路面，并通过洒水车模拟降雨，取样测定路边雨水井、过滤井入口和过滤井出口处的总油含量，对滤料除油的效果进行了分析。

三处采样点总油浓度随时间的变化曲线见图12。

图12 总油随时间变化的曲线Fig.12 Change of total oil concentration with time

选取各时间点的过滤井出水、入水的总油得到各时间点的总油去除率分别为14%，79%，54%，93%，82%，92%，其中去除率最高为93%，平均值为69%。相对于路边雨水口，在各时间点处的总油去除率分别为98.6%，98.2%，92.4%，98.7%，95.4%，98.0%，去除率均在92%以上。三处采样点总油浓度均先增大再减小，原因可能是餐厨废水扩散需要一定时间。该自流过滤井对油脂去除效果良好。

4 结 论

4.1 自流过滤技术可控制城市道路初期径流污染。通过长达一年半时间内的六场实际降雨事件和2场模拟降雨事件的将侧分析结果表明：无论小雨、中雨、大雨情况，自流过滤净化技术对道路径流所含的SS和总油均具有较好的处理效果，平均去除率可达60%以上；同时对径流中的COD、TOC、TN、TP等污染物也具有部分去除效果。

4.2 经一年半的时间，自流过滤设施处理效果仍然较为稳定，据此结果，预期的滤料更换时间可适当延长至2年以上。

总体而言，自流过滤设施具有占地小、无需动力、能耗低、处理效果稳定、运营维护方便的特点，既可适用于高密度老城区路面径流污染的源头控制，又可用于新开发城区道路径流的源头控制或末端处理，可为解决我国城市面源污染提供技术手段。

参考文献：

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