吴烨璇,李树平,*,褚华强,莫祖澜,张 辰,吕永鹏
(1.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092;2.上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司,上海 200092)
雨水口是地面雨水排放系统中收集雨水的起端构筑物,由进水箅、井身及出水管等组成。路面上的雨水汇流经过雨水口的收集进入雨水管道系统,它不仅是城市排水管系汇集雨水径流的衔接,还会引入城市污染物,间接影响城市交通、城市水环境、环境卫生及人体健康。雨水径流是造成城市非点源污染的主要原因之一,国内外对不同城市雨水径流水质与污染防控进行了大量研究,如美国约有60%的河流和50%的湖泊污染与非点源污染有关[1];2010年后,北京和上海的城市雨水径流污染占水体污染负荷的比例将分别升至约12 %与20 %[2];Wei等[3]的试验结果显示,地表径流对路面多种污染物COD、TP和TSS的携带率高达49.2%、68.8%和41.6%,且其中约有33%~50%污染物会进入水体。
雨水径流携带大颗粒垃圾,如塑料、树枝、泥沙等,冲刷溶解路面和屋面中的有机物、重金属、营养盐、油脂等,这些污染物随着水流进入雨水口,通过管道排入河道,对水环境造成严重威胁[4];另一方面,排水管道内有机物在厌氧情况下会生成带有强烈臭味的气体,如硫化氢、甲烷、氨、硫醇等,从雨水口逸出,严重影响居民和行人的舒适感[5]。
通常认为,降雨导致的非点源污染也是许多发达国家河流、溪流和其他水域受到污染的主要原因。因此,大多数国家对雨水排放设施设立了截污要求。我国《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)(2016年版)规定:“雨水口宜设污物截留设施”;我国《城镇排水管渠与泵站运行、维护及安全技术规程》(CJJ 68—2016)规定:“雨水口内宜加设垃圾拦截、防臭装置”。美国暴雨污染预防计划和最佳管理措施(BMPs)实践条例中要求,雨水口与雨水井内应设有截污过滤措施;英国可持续城市排水系统(SUDS)中,其预防措施和源头控制处在最高等级的管理级别,宗旨为尽量通过预防措施和源头措施在小范围内进行雨水截留处理,要求雨水口设置截污过滤设备[6]。
国内外开展了大量雨水口截污技术研究,针对不同污染物质的去除方式,可将雨水口分为沉砂式、拦截过滤式、离心式、水质型、嵌入式、除油型和防臭型等。
自20世纪60年代中期,国内外逐渐意识到降雨非点源污染对城市河流水体的环境造成威胁的严重性,并开展了大量的降雨径流污染物研究[7],包括径流中的污染物类型、污染物平均浓度(EMC)、初期冲刷效应,及不同下垫面污染物类型与特征[8]。研究表明,雨水中通常携带了大量污染物,主要包括悬浮固体(TSS)、COD、营养物质、重金属等[4]。此外,雨水径流主要由屋面径流与道路径流组成,而屋面由于不同的材质、坡度、暴露程度,其污染物含量和类型也有差别。金属屋面径流由于屋顶和落水管的腐蚀、冲刷,常含有较多的Zn、Mn、Cu、Pb等重金属。路面径流则是油脂、有机物、悬浮颗粒物、重金属等, 来源较为广泛,路面径流的COD、SS、TN、TP 与重金属的平均浓度通常比非金属屋面高,污染也更为严重[9],磷等营养物质通过径流汇入水体,还会引起水体富营养化等问题。
(1)大颗粒物质:主要包括一些路面上的垃圾、难降解的塑料物质等,大部分可以直接通过雨水口格栅拦截,易在雨水口表面产生堵塞,影响出水口的过流能力。
(2)TSS:城市道路雨水径流中含有大量悬浮固体(TSS),这些悬浮固体主要来源于路面的工业排放、土壤侵蚀风化、大气沉积、道路养护和化石燃料的燃烧等,尤其在空气污染较为严重、降雨量较小、地面坡度较小的城市,TSS含量更高,因为颗粒物不能被雨水快速的溶解、冲刷和转移。
(3)COD:道路雨水径流中COD的主要来源为动物排泄物、土壤侵蚀、城市植物中掉落的树枝树叶杂草和车辆尾气排放等产生的有机物质。研究表明,庭院与街道的径流污染主要为SS和COD污染,且其含量与降雨强度、地表排泄物污染和日常清洁道路频率与程度有关。
(4)营养物质:雨水径流中的营养物质主要来源于土壤侵蚀、生物排泄、绿化植物的农药喷洒与施肥等,其中TP、TN含量较高,可在截污控制时重点考虑。
(5)重金属物质:雨水中的重金属主要来自工业排放、车辆磨损和尾气排放,一些金属屋面产生径流的重金属污染甚至超过街道径流[10]。对于一些工业性城市,比如沈阳和西安,其降雨径流的重金属含量较为严重,对渗透土壤和河流水体都会造成危害。研究表明,若雨水口将初期雨水弃流,可对径流重金属有明显的改善作用[4]。
(6)油类、烃类:道路雨水中的油烃类污染主要来源于油类燃料溢流、泄露、沥青表面沥出物等,雨水径流尤其是路面径流携带将其进入排水管网。
传统雨水口的设计通常聚焦在其泄水能力能否满足暴雨及特大暴雨时的降雨需求,但雨水口作为地表雨水径流与地下雨水管道的衔接点,其截污能力的强弱直接影响路面的排水污染控制,故雨水口截污装置的结构形势与功能对于控制排入排水系统的径流雨水的水质起到了决定性作用。大多传统雨水口型式单一,缺少净化功能。国内外大量雨水径流研究显示,雨水中常携带了大量污染物,包括碎片、悬浮固体、沉积物、油及其他可溶和不可溶的化学污染物,若不经过雨水口有效的拦截,而是直接汇入雨水管路,则会对河流水体造成严重污染。对此,为了有效地解决传统雨水口存在的堵塞、泥沙分离效果不佳、臭气外泄等问题,从而达到更好的截污效果也成为了当前的研究热点。截至目前,国内关于环保型、除油型、防臭型等雨水口专利也已超过100项[11-12]。
传统雨水口最初截污改造方式为设置沉砂井,2005年Carl等[13]发明了一种沉砂井雨水口(图1),雨水流入沉砂井,通过沉降去除悬浮颗粒,当雨水量达到一定程度后溢流至出水管,但此装置的缺点是结构笨重,没有可拆卸式的过滤结构,后期清掏污泥不便,雨水残留易滋生臭气。2018年,杨夏军等[14]发明了一种雨水口内部沉砂装置,改善了这些问题(图2),沉砂装置内部过滤槽的两侧分别设有带隔板的沉砂槽,槽中放有吸附填料,雨水在过滤板组成的S型沉砂槽中流动,可以缓冲水流,较好地截留沉淀物,延长滞留时间,充分过滤沉降。整个装置比之前的沉淀效果更好,且结构轻便易于清理,在使用一定的周期后,可通过提手将装置取出,倾倒泥沙树叶等垃圾杂物以及残余雨水,再原样放回即可。
图1 沉沙井雨水口Fig.1 Gutter Inlet with Sand Sediment Trap
图2 雨水口内部沉砂装置Fig.2 Gutter Inlet with Sand-Sinking Device Inside
2000年,Schilling等[15]发明了一种衬板式雨水口,如图3所示。装置顶部格栅悬吊可过滤去除重金属和碳氢化合物的过滤器,由耐腐蚀材料制成,它可以承受过滤器内收集的废物和水所施加的极端压力,但缺点是其支撑架笨重,不易维护检修,且水量过大时溢流量大,过滤效果较差。陈莹等[16]在西安市试验截污吊篮,此装置结构更加轻便,易于清洁维护,带有固体颗粒污染物或悬浮性污染物的污水进入雨水口后在挂篮中被拦截过滤,采用300、150、130 g/m2土工织物制作截污网袋,试验得出其截污效果良好,颗粒物的平均去除率分别为 76.5%、69.4%和 56.0%,但缺点是易产生积泥堵塞,截污能力降低,需频繁的清掏维护。2009年,Barragan等[17]发明了一种双层截污挂篮雨水,与传统吊篮相比,有更好的截污能力,如图4所示。装置采用双层截污滤网,上下层筛网均为多孔的片状材料,且下层筛孔小于上层筛孔。当径流量小时,可直接进行两层过滤;当径流量较大时,一层筛网溢流入二层继续过滤,直到水量大于两层筛网能承受的水量之和才直接溢流汇入管道,在保证过流能力的同时大大提高了截污能力,固体颗粒污染物和悬浮性污染物可被有效拦截,并得到及时清理,可防止非点源污染、淤积,但挂篮易堵,需定期人工手提取出两层挂篮清掏杂物维护。
图3 衬板式雨水口Fig.3 Lined Gutter Inlet
图4 双层截污挂篮雨水口Fig.4 Gutter Inlet with Double-Decker Interception Basket
图5 涡轮式雨水篦子Fig.5 Turbine Grate
2012年,娄锋[18]发明了一种涡轮式雨水篦子,于2015 年上海市正式投入使用,其结构如图5所示。装置包括圆形或椭圆形框体,多根弧形篦条以框体中心为中心形成涡轮状。每根篦条上开设多个排水口,篦条的间隙架设排水桥,两侧壁设多个排水缺口。水在通过篦子时形成漩涡流,流速加快,质量较重的杂质如泥沙等,由于重力作用会流向旋涡中心并经中心排水孔流入污水系统,质量较轻的杂物如塑料片等则向外甩出,防止其堵塞排水孔。过水流量过大、杂质过多,易造成排水孔的堵塞,排水桥上的排水缺口可使水流顺畅通过,防止淤积,故其污泥清掏周期可适当延长,无需频繁清掏,实用性强。张显忠[19]在模拟同样来水条件与树叶堵塞情况下,发现立体涡轮雨水口的泄水流量比其他5种不同形式雨水口明显大得多,且涡轮雨水口在拦截杂质的同时能保持很好的过流能力,约为无堵塞情况下的80%。2019年,李友皝等[20]研究了一种新型离心式防堵塞雨水口(图6),设置了一个敞口下落式螺旋装置,泥沙在重力和离心力的双重作用下有更快更大的汇集效率,且不易产生堵塞,较重的泥沙从中间收集管落入集泥槽,雨水则甩出装置从出口流出。由于雨水管道基本处于满流,雨水口内部气压不稳定导致泄水能力降低,而此装置的优势则是雨水螺旋下落带动内部空气循环流动,能形成中空气孔,使气压内外平衡,增大泄水能力。由于下侧集泥槽周围设置了挂钩,在清淤时操作方便,无需人员下井作业,只需将集泥槽提出清理,再放入雨水口即可,降低了清淤作业的危险,实用性高。
图6 新型离心式防堵塞雨水口Fig.6 New Centrifugal Anti-Clogging Gutter Inlet
考虑到初期雨水污染通常成分复杂,污染物浓度高,为了能够很好地分流初后期雨水并利用初期雨水,2014年,刘军等[21]提出了一种水质型截污雨水口,其结构如图7所示。该种雨水口采用的是一体化玻璃钢预制混凝土结构,初期雨水经过粗砂层、细砂层进行层层过滤,雨水经过滤料的深度净化后渗透补充地下水。汇水区域内的初期雨水流入截污口,并通过滤料进行过滤,滤层水位逐渐上升,使污染较小的后期雨水直接流入雨水管道。收集完服务面积内的初期雨水,后期干净雨水流入雨水排放口,直接补充河道水体,有效促进了雨水资源的合理利用。水质型雨水截污口的截污功能很好地削减了初期雨水造成的径流污染,悬浮物去除率可达到67%~96%,COD、总磷和部分重金属离子去除率分别在70%~90%,同时也很好地对地下水进行了回补。滤层是网袋式滤料模块,滤袋可一次性从设施内取出,通过人工现场振抖即可清除截留的泥砂颗粒等杂质,维护简单。
图7 水质型截污雨水口Fig.7 Gutter Inlet with Washes Interception
图8 INNOLET雨水径流处理系统Fig.8 INNOLET Gutter Inlet
为了使雨水口在去除悬浮物质之外,还可去除如重金属和营养物质等其他污染物,并可处理道路污染较严重的污水,2007年,国外研发了一种INNOLET雨水径流处理系统[22],如图8所示。它是一种两级过滤器单元,第一步,沉降和过滤较大的颗粒,例如沙子或树叶;第二步,氢氧化铁吸附剂进行还原反应,去除重金属和磷酸盐等。根据欧盟北海地区时长2年的项目测试,径流中TSS、ZN、o-PO4-P的去除率高达50%,其他污染物如Cu、磷酸盐和PAC也有20%~30%的去除率。后期清掏仅需每月清理一次铲斗,每半年维护一次过滤器即可保证其良好的去除效果,实用性强。随着水环境保护的要求越来越高,Bio-clean公司研发并产品化了一种介质型嵌入装置,如图9所示。此装置可根据雨水口型式定制尺寸,不锈钢制,上部为碳氢化合物收集槽,下部为双层过滤层,其滤料可根据污染物不同设置。此装置可将TSS去除率提高至85%,重金属物质如Cu、Zn等的去除率可高至95%以上,适用于施工现场或工业区等污染较严重的地段。但由于过滤器是重型结构,需定期用真空卡车清洗滤料进行滤料的更新,无需更换新介质。
图9 介质型嵌入式装置Fig.9 Bio Clean Grate Inlet Media Filter
随着雨水截污技术的研究与发展,只去除雨水中的固体悬浮物仍然不能达到良好的截污净化效果。国内外逐渐开始重视径流中油类和烃类物质的污染控制,这些污染大多来源于道路车辆的泄漏与油毡屋面的冲刷。加拿大通过互联网收集了 1970年—1995年140份关于雨水径流水质的文献,调查出其油类上限值过高,且与我国北京城市道路雨水污染程度接近[2]。当前,雨水口主要由吸附过滤方式除油,雨水通过除油填料吸附油脂与烃类物质,再汇入排水管道。目前,雨水口除油在国外的相关研究较多,在国内应用较少,应用前景较广阔。
2.6.1 过滤式除油雨水口
2000年,Morris等[23]发明了一种弯型进水除油雨水口,其结构如图10所示。该装置为专门收集垃圾、油脂或其他碳氢化合物及相关化学物质的复合收集系统。水从路缘侧向流入由金属挂钩安装在篦子下端的双层料斗框中,内框用于截留垃圾碎片等杂物,外框装填具有高表面积的共聚物材料碎片。这些碎片可吸收大量通过料斗的油或其他化学物质如苯、二硫化碳和各种氯化烃等。同时,这些碎片具有疏水性,允许较多的雨水通过,保证过流能力。该底板为可移动式,并可拆卸更换滤料。此装置的优点是在大量去除油脂与化学物质的同时,其疏水性介质材料保证了良好的过流能力,但缺点是无法处理污染较严重的雨水口。
图10 弯型除油过滤雨水口Fig.10 Curb-Inlet Gutter Inlet
为了能处理流量较大污染较严重的雨水,2001年,Happel[24]发明了一种可进行二次过滤的除油型雨水口,其结构如图11所示。过滤器箱四周和底部设有方孔过滤装置,且上层孔径较大,用于粗筛大颗粒物质,下层与底部孔径较小,用于细筛小颗粒物质。过滤器箱内的上部有两层支撑槽,槽内过滤器可去除油与碳氢化合物,且上层支撑槽底部有若干开口,水可由上层流入下层进行二次过滤。此装置缺点是为保证雨水口泄水能力,降雨强度较大时的溢流较多,过滤效果差。
图11 多级方孔除油过滤雨水口Fig.11 Multistage Square Hole Degreasing and Filtering Gutter Inlet
2.6.2 嵌入式除油过滤器
图12 嵌入式除油过滤器Fig.12 Multipurpose Catch Basin Insert
为了使除油装置更轻便,且可根据已有雨水口定制尺寸,更利于安装与清扫,2014年,REM公司推出了一种TR多用途嵌入式雨水口过滤器(图12),可用于一体化收集沉淀物、垃圾、碎片、悬浮物、油类和油脂以及其他雨水污染物。TR过滤器可用于新建雨水口或定制于现有雨水口,其过滤器体由可回收的高分子量聚乙烯塑料(HMWPE)和添加的UV抑制剂组成。过滤器介质包中装有一种经膨胀处理的火山灰介质,具有高度疏水性,装在耐用的土工织物穿孔聚丙烯机织织物中,能有效封装液化石油烃(脂肪、油和油脂,包括动物脂肪),减少总悬浮固体碎屑、垃圾、淤泥沉积物和附聚的重金属等。其内部介质包也可针对具体的污染物问题换为粒状碳或沸石等其他材料,后期更换时也十分便捷,直接取出更换新介质包即可。此装置优点是尺寸大小可自行调整并嵌入已有雨水口中,收集污染物种类多,但缺点是若堵塞严重,其截污能力与过流能力均会受到影响。
但在一些临时应用中,比如短期工业区域或应急情况下,对已浇筑完成的雨水口定制尺寸、安装嵌入式除油过滤器较不方便,Sharpless[25]发明了一种更加方便的嵌入式除油过滤器,如图13所示。发明为在格栅下用链条悬吊一个枕头型结构过滤袋,内芯为松散的吸油纤维聚丙烯,这个装置更为简单且不受雨水篦子形式影响,方向不受干扰,均可安装。后期清洗时,直接将过滤袋提出,移除旧的滤芯,并用一个新的干净的滤芯替换即可,简单方便,油浸过的旧墨盒可被送往回收工厂进行石油提取处理,但缺点是只适用于临时应用,不适合长期使用。
雨水口截污技术发展的过程中,随着雨水口结构型式的不断改进,如何解决雨水口臭味溢出的问题也成了当前热点。污水中存在的有机物在厌氧环境下分解出硫化氢、硫醇、氨等带有强烈刺激性气味的气体。这些气体在管道内聚集,并从雨水口进口处溢出,严重影响环境与行人的舒适感,国内外研发了各种防臭型雨水口来解决这一问题。
2.7.1 挡板式防臭雨水口
为解决雨水口防臭问题,宋丹[26]研制出一种防臭性雨水口截污装置,其结构如图14所示。本装置安装在雨水箅子下,无雨时挡板依靠重力自由下垂,阻止臭气溢出。降雨时,雨水先落入集渣斗,当水位高于集渣斗后,雨水在挡板内外形成高位差,利用水压将挡板压开,雨水越大,挡板开的角度越大。挡板式适用于进水篦子距连接管>500 mm的雨水口。此装置优点是可拦截较大的污染物和部分较小的沙粒、灰尘等固体污染物,在后期清理杂物时,只要打开篦子,提出隔离罩即可方便地清除杂物,降低了杂物清除的成本和劳动强度,但缺点是防臭挡板会影响雨水口的正常泄水能力,而且装置在充满雨水时承压太大,易于损坏。除挡板自重型外,还有挡板平衡型、电动型、水封型等各种形式的防臭装置,但挡板自重和平衡型易被杂物阻挡而失去防臭作用;电动型对安装维护人员要求高;水封型在干旱少雨的季节水封会失效。现在,挡板式雨水口在广州、深圳等部分地区已投入使用[27]。
为了在除臭同时加强去除其他污染物的效率,李兵等[28]研究了一种拦截式预制雨水口(图15),主要由进水箅、井盖、井座、井身和拦截器等组成。进水箅的格栅初步拦截雨水中的杂物,防臭挡板防臭的同时,出水口雨水通过引水板进入拦截器,可收集、分离雨水中固体废弃物[29]。试验验证,在筛孔规格≤3 mm2时,可拦截70%以上固体颗粒物,除污效果好,故≤3 mm2为防臭装置所推荐的筛孔规格。2011年,上海市安装了5个拦截式预制雨水口,实践表明,其截污能力显著,但若固体废弃物在进水箅表面淤积过多,堵塞进水口,会对泄水通畅性产生严重影响。
2.7.2 一体化环保雨水口
为了使防臭型雨水口结构更加简单,国内研发了一种一体式多功能型雨水口[30],其结构如图16所示。此类装置在顶部设置截污挂篮,用于拦截树叶、枯枝等污染物,底部设置沉砂渗滤装置,用于将截污挂篮过滤的雨水作进一步处理,得到净化的雨水流入雨水管道。管道采用隔板联合水封的方式进行防臭,隔板最下端低于排水管管底标高,倾角在45°~60°,便于固体颗粒沉降同时起导流作用。沉砂装置内的积水与隔板形成水封,阻止了管道内的臭气溢出,其径流污染削减率可达到67%~91%[31]。这类雨水口的优点是防臭效果好,且能拦截过滤部分初期雨水,保证进入管道的雨水质量,而且一体化形式功能全面,构造简单。后期清扫直接将上部截污挂篮人工拆卸清洗,下部沉砂斗进行污泥清掏即可,但缺点是在久旱无雨时,雨水口会因缺水导致水封失效,且防臭挡板影响泄流能力。
图16 一体化环保雨水口Fig.16 Integrated Environmental Protection Gutter Inlet
2.7.3 介质式过滤除臭雨水口
Ultra Tech公司研制并投产了一种可配置介质过滤器(图17),可去除雨水和工业径流中的悬浮固体、碳氢化合物、重金属、异味等,有超过80%的泥沙去除效率。雨水流入过滤器时,先经过一个预沉降室去除泥沙沉淀物,再通过过滤介质,这个过滤器的特点是可以根据不同的截污需求配置不同的过滤器介质,除烃介质可去除油和其他碳氢化合物;磷过滤器去除磷;活性炭抛光介质可以去除部分化学物质、碳氢化合物和臭味;重金属定制介质可以去除锌、铅、铜和其他有害的重金属。其滤料需定期更换,旧滤料由于含有大量重金属、油类物质等,需工厂进行专业的清洁处理。但此装置的缺点是介质堵塞会影响过流能力与截污效果。
图17 介质过滤除臭雨水口Fig.17 Advanced Gutter Inlet Filter Capturing Multiple Pollutants
在雨水口截污方面,针对不同类型的径流污染物,发展出各类不同的新功能雨水口。当需要处理径流中的常规悬浮固体颗粒物与COD等污染物时,可用常规截污型雨水口,包括沉砂式截污雨水口、拦截过滤式雨水口、离心式雨水口、水质型截污雨水口和嵌入式雨水口等,雨水通过新型填料过滤吸附去除相应的污染物;或是采取一些新结构雨水口如涡轮雨水口,通过离心力的作用去除悬浮物杂质。当需要进一步去除道路的油脂与烃类污染物时,过滤式除油雨水口和嵌入式雨水口通过高聚物材料除油过滤器或特殊介质,如火山灰介质等,在有效去除油脂的同时,还可以去除部分重金属污染物;一些特殊吊链结构还可适用于临时或短期应用情况。除此之外,考虑到管道臭味逸出影响社区生活质量,有水封式、挡板式、一体化环保式和可配置介质过滤式除臭雨水口,通过水封、挡板隔离或介质吸附的方式去除臭味。截污、沉砂、下渗、防臭等理念共行的一体式多功能截污雨水口是当前研究发展的热点。
过滤净化型雨水口在德国、法国、英国、西班牙和荷兰等国家均已得到了应用。我国很多城市仍然在采用传统式截污挂篮装置技术,新型多功能式雨水口尚未完全普及。虽然上海、深圳、天津等地已设置截污雨水口示范工程,但雨水口的结构功能、规模以及其产业化发展方面,应意识到在保证雨水口泄水能力的同时,针对如何兼顾截污效果深入研究。
随着近年来内涝频发、海绵城市新型城镇雨水管理理念的提出,雨水口设计作为排水系统收水的重要环节,不应只考虑其泄水过流能力,还需同时兼顾径流污染控制。随着国家对非点源污染造成的水体威胁问题的逐渐重视,越来越多的专家学者开始深入研究径流水质与雨水口截污技术,雨水口截污技术正从常规的过滤截留悬浮固体颗粒物逐渐发展为可以除油、防臭等多种污染物共同去除的多功能截污形式;截污雨水口结构上也逐渐从传统的改造进化到可定制尺寸的嵌入式截污装置,再到提倡截污、沉砂、下渗、防臭理念共行的一体化雨水口;这些发展出来的新型雨水口可有效减少非点源污染,保护城市水环境质量。另外,雨水口的海绵化改造应多借鉴国外新型技术的发展与产业化的截污雨水口产品,在满足基本的过流和截污能力的同时,也能为城市水环境改善和减少黑臭水体提供一定的技术支撑。