梯度过滤工艺对地表雨水径流净化规律

收稿日期： 2023-06-14； 修回日期： 2023-10-10； 网络出版时间： 2024-06-21

网络出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240621.1008.004

基金项目： 西藏自治区科技厅重点研发计划项目（XZ202201ZY0018N，XZ202301ZY0002N）；镇江市科技计划项目（SH2021012）

第一作者简介： 常铖炜（1998—），男，江苏丹阳人，硕士研究生（550380918@qq.com），主要从事水污染控制研究.

通信作者简介： 解清杰（1973—），男，河北沧州人，教授，硕士生导师（xieqingjie73@163.com），主要从事水污染控制研究.

摘要： 通过采样分析确定了某高教区雨水径流中SS，COD，TN，NH3-N， TP的时间质量浓度均值（EMCs），综合比选了不同种类过滤介质的透水、抗堵塞性能和截污性能，探究了梯度过滤工艺应用于雨水径流处理时对于过滤系统抗堵塞能力和截污能力的改善情况.结果表明：该高教区雨水径流污染严重；各种类过滤介质的过滤速度和过滤压力之间呈线性关系，过滤介质单位面积质量越大或过滤精度越高，其透水、抗堵塞性能越差，截污能力越强；以单位面积质量为300 g/m2的土工布作为过滤介质时，出水满足国标《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2019）要求；梯度过滤工艺相较于单级梯度过滤工艺能有效改善梯度过滤系统的抗堵塞性能和截污性能，以150目规格尼龙网作为第一级梯度过滤介质、以300 g/m2土工布作为第二级过滤介质时，梯度过滤系统抗堵塞性能、污染物截污性能最佳.

关键词： 雨水径流；梯度过滤；土工布；尼龙网；物理过滤工艺

中图分类号： X703" 文献标志码： A" 文章编号： 1674-8530（2024）07-0720-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0119

常铖炜，董进波，汤燕，等.梯度过滤工艺对地表雨水径流净化规律［J］.排灌机械工程学报，2024，42（7）：720-727.

CHANG Chengwei， DONG Jinbo， TANG Yan，et al.Purification law of surface rainwater runoff by gradient filtration process［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（7）：720-727.（in Chinese）

Purification law of surface rainwater runoff by gradient filtration process

CHANG Chengwei1， DONG Jinbo2，3， TANG Yan3， MA Shunbo3， XIONG Xingang1， XIE Qingjie1*

（1. School of the Environment and Safety Engineering，Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China; 2. Zhenjiang Water Sevice Co.， Ltd.， Zhenjiang， Jiangsu 212008， China; 3. Jiangsu Manjiangchun Urban Planning and Design Co.， Ltd.， Zhenjiang， Jiangsu 212008，China）

Abstract： Based on the time mass concentrations （EMCs） values of SS， COD， TN， NH3-N， and TP in rainwater runoff of a higher education district， the permeability， blockage resistance， and pollution interception performance of different filtration media were comprehensively compared and analyzed. The permeability， anti-blockage performance， and pollutant interception performance of different types of filter media were comprehensively compared. The improvement of anti-blockage and pollution interception capacity of filtration system when gradient filtration process was applied to rainwater runoff treatment was explored. The results show that rainwater runoff pollution in this higher education area is severe. There is a linear relationship between the filtration speed and filtration pressure of various types of filtration media. The larger the mass per unit area or the higher the filtration accuracy， the worse the permeability and anti-blocking performance， and the stronger the intercepting capacity. When using geotextile with a unit area mass of 300 g/m2 geotextile is used as a filter medium， the effluent meets the requirements of ″Urban Sewage Recycling Landscape Environmental Water Quality″ （GB/T 18921—2019）. Compared with the single-stage gradient filtration process， the gradient filtration process can effectively improve the anti-blocking performance and pollution interception performance of the gradient filtration system. When the 150-mesh nylon mesh is used as the first-stage gradient filtration medium and 300 g/m2 geotextile is used as the" second-stage filtration medium， the anti-blocking performance and pollutant interception performance of the gradient filtration system are the best.

Key words： rainwater runoff;gradient filtration;geotextile;nylon mesh;physical filtration process

随着城市化进程的加速，城市不透水地面的面积迅速增大［1-2］，冲刷效应导致雨水径流所带来的污染也越来越严重［3-5］，牛司平等［6］在对城市雨水径流污染的研究中发现，悬浮颗粒物对受纳水体污染负荷的贡献率高达50%.针对径流雨水颗粒性污染物占比大的特点，通过在雨水口安装截污挂篮等装置来截留雨水径流中颗粒态污染物的物理过滤法成为国内外常用的雨水径流预处理方法［7］.

目前对于雨水口截污挂篮的研究主要集中于截污挂篮所用截污介质的材料和所采用的工艺.土工材料由于其低廉的价格和优异的过滤性能成为雨水物理过滤介质研究的热点［8］.KOO等［9］对截污挂篮中的过滤介质进行改进，选择土工布为过滤介质，取得了良好的效果.文献［10-12］对雨水口截污过滤介质的材料进行了比选试验，结果表明尼龙网和土工布等土工织物作为过滤介质对于雨水径流污染物有着较好的处理效果，但为了保证出水水质，往往会选择过滤精度较高、单位面积质量较大的过滤介质，这导致在工作状态下，过滤介质在短时间内失效，须频繁清掏、更换截污介质.周国华等［13］为延缓雨水口截污装置堵塞，设计了一种多级金属滤网，缓解了过滤介质堵塞，但金属滤网的最小开孔直径远大于土工材料，故去除效果不佳.

为解决上述问题，文中针对某地3场典型降雨产生的地表雨水径流进行采样分析，明确该高教区雨水径流中SS，COD，TP，TN，NH3-N等水质污染物浓度.在此基础上，对比不同种土工过滤材料的抗堵塞性能、污染物去除性能；构建多级复合梯度过滤系统，深入研究土工织物梯度过滤工艺相较于单级过滤工艺对截污能力和抗堵塞能力的改善情况.

1" 试验设计

1.1" 雨水径流水质

1.1.1" 采样地点

研究中采样地点位于江苏大学泓江东路与食品与生物工程学院的交叉口，该道路材质为水泥混凝土，采样点位于道路一侧雨水篦.所选取的3场典型降雨的特征见表1，表中R，tr，td分别为降雨强度、降雨历时、干期.降雨强度分类［14］：小雨、中雨、大雨分别为lt;10.0，10.0～24.9，25.0～49.9 mm/h.

1.1.2" 采样方法

根据天气预报做好采样准备，自雨水口有径流形成时采用定时人工采集法进行采集.相关研究结果［15］显示径流雨水中的污染物浓度30 min内大幅度降低，60 min时基本趋于稳定值，因此前30 min每间隔5 min采样1次；30～60 min时每间隔10 min采样1次；60 min后每间隔30 min采样1次，并且视雨量情况，可对采集频率进行增加或者减少.保存方法严格遵守标准《大气降水样品的采集与保存》（GB 13580.2—92）.

1.1.3" 水质检测方法

测定的水质指标主要包括化学需氧量（CODcr，下文均记述为COD）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、悬浮颗粒物（SS），各指标的测定均按照《水和废水监测分析方法（第四版）》［16］进行.

1.2" 过滤介质优选试验

1.2.1" 试验材料

选用短纤针刺土工布、PP无纺布、锦纶尼龙网等3类土工材料进行试验，各试验材料的具体规格、性能见表2—4，表2中ρA，b，σ，FCBR，d90，FT分别为土工布单位面积质量、厚度、拉伸强度、CBR顶破强力、等效孔径O90、撕破强力；表3中ρA，b，K，δfw，δfi分别为PP无纺布滤布单位面积质量、厚度、透气率、经向断裂强力、纬向断裂强力；表4中d，Dw，Di分别为尼龙网孔径、经向密度、纬向密度.

1.2.2" 试验装置

1） 抗堵塞性能试验装置.试验装置为内径25.6 mm、长500 mm的透明PVC塑料硬管，外管壁上有刻度，管底连接PVC透明活接头，过滤介质固定于活接头中，试验装置见图1.

装置通过试管夹固定于支架上.在进行单级过滤介质抗堵塞性能试验时，仅采用一段PVC塑料硬管.在进行梯度过滤介质抗堵塞性能试验时，将两段透明PVC塑料硬管采用PVC透明活接头相接，将第一级过滤介质固定安装于其中，将第二级过滤介质包覆于装置底部.试验中，由水泵将进水桶中的自来水泵入试验装置，由阀门开度控制流量.

2） 截污性能试验装置.图2为梯度过滤介质截污性能试验装置示意图，将2节内径为55 mm、长250 mm的透明PVC塑料硬管作为集水管一上一下固定于支架上，2节集水管由汇水斗连接，将优选出来的过滤介质制成直径50 mm、高200 mm的截污袋，将截污袋固定于集水管内部，装有一级过滤介质的集水管在上，装有二级过滤介质的集水管在下，在装置底部设取样口.其中，在单级过滤介质截污性能试验中，仅使用上一级集水管.试验时，使用潜水泵将储水桶中配置好的模拟径流雨水抽入截污袋中，利用玻璃转子流量计控制流量，使得试验期间不发生溢流.同时在进水桶中设置机械搅拌装置，使得抽入截污袋的模拟雨水水质保持稳定.

1.2.3" 过滤介质优选试验方法

1） 单级过滤介质抗堵塞性能.将非雨雪天气通过清扫得来的道路沉积物通过规格为20目的标准筛.称取0.5，1.5 g经筛分后的道路沉积物与自来水充分混合后，使其均匀分布于待测试的过滤介质上，此时污染物负荷分别为9.71，19.43 g/dm2.启动直流潜水泵将进水桶中的自来水泵入透明PVC硬管中，通过阀门调节进水流量，考察在不同截污量下不同的过滤介质过滤压力（水头）与过滤速度之间的关系.

2） 单级过滤介质截污效果试验.采用玻璃转子流量计控制进水流量，将配置好的模拟雨水径流泵入自制试验装置，试验装置如图2所示.在确保截污装置不发生溢流的状态下.连续进水3 h，除第1次和第2次取样为考察效果而每15 min在出水口取样1次，后续均为每30 min取样1次.对不同种类不同规格的过滤介质对雨水径流中SS，COD，NH3-N，TN，TP等常见污染物的去除能力进行测试.

1.2.4" 梯度过滤组合优选试验方法

1） 梯度过滤介质抗堵塞性能.将单级过滤介质抗堵塞、截污试验中综合表现最佳的过滤介质作为第二级过滤介质，将抗堵塞性能好于优选介质的过滤介质作为第一级过滤介质，组成不同的梯度过滤介质组合.测试在不同的截污量下，不同的梯度过滤介质组合过滤压力（水头）与过滤速度之间的关系.试验时以第二级过滤介质的水头为控制变量，考察第一级过滤介质的水头变化.

2） 梯度过滤介质截污效果试验.试验方法同单级过滤介质截污效果试验方法.

1.2.5" 试验用水水质

试验用水参照所采集的3场降雨的径流时间质量浓度均值（EMCs）通过化学药品和经筛分后的道路沉积物（RDS）来进行人工配置，具体见表5.

2" 试验结果与分析

2.1" 研究区域雨水径流水质

对研究区域3场典型降雨产生的雨水径流进行水质分析，得到各场降雨的雨水径流EMCs，具体见表6.则研究区域3场降雨的道路雨水径流时间质量浓度均值分别为SS 325 mg/L，COD 450 mg/L，TN 15.6 mg/L，NH3-N 4 mg/L，TP 2 mg/L.其中COD，TN，TP，NH3-N的时间质量浓度均劣于地表水Ⅳ类水质，超标率均高达100%以上，与PAMURU等［17］的研究结果相似，同时雨水径流的污染程度与降雨强度密切相关.

2.2" 过滤介质优选试验

2.2.1" 单级过滤介质抗堵塞性能试验

在较低颗粒物负荷下，尼龙网由于其过流性能极佳难以产生积水，在高颗粒物负荷下，单位面积质量大的土工布易完全堵塞，故选择在颗粒物负荷为14.57 g/dm2下测试各类型过滤介质过滤速度v与过滤压力的关系，试验结果如图3所示，图中H为压力水头.

分析试验结果，在相同的颗粒物负荷下各类型过滤介质在工作中其过滤速度与过滤压力仍呈现线性相关关系；在相同水头下，过滤速度越高的过滤介质的抗堵塞性能越好.试验中参与测试的各过滤介质抗堵塞能力按过滤介质排序从大到小依次为80目尼龙网，100目尼龙网， 150目尼龙网，100 g/m2土工布，150 g/m2土工布，200目尼龙网，200 g/m2土工布，250 g/m2土工布，300 g/m2土工布，350 g/m2土工布，PP150 μm无纺布，400 g/m2土工布，PP100 μm无纺布，450 g/m2土工布，PP50 μm无纺布，500 g/m2土工布.尼龙网的抗堵塞能力优于土工布和PP无纺布，同时150目规格尼龙网的等效孔径为106 μm，但其抗堵塞能力显著优于过滤精度为100 μm的PP无纺布.

2.2.2" 单级过滤介质截污性能试验

不同规格的过滤介质制作而成的截污袋在截污试验中对雨水径流中各污染物的去除效果如图4所示，图中ρ（x）为该时段出水质量浓度，t为时间.在3 h的试验中，各类型过滤介质对于雨水径流中的污染物去除效果稳定.其中，单位面积质量较大的土工布对于雨水径流中的各类污染物的截留能力显著高于其他种类过滤介质，对于COD，TN，SS，TP的去除率稳定在50%以上，这与廖晓数等［18］和CRDENAS SNCHEZ等［19］的研究结果相似.16种过滤介质中，仅5种土工布（ρA为300，350，400，450，500 g/m2）过滤介质出水能满足《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2019）中对TN，NH3-N的水质要求.

2.3" 梯度过滤组合优选试验

所有的梯度过滤组合均以单级过滤介质截污性能试验中能满足国标《城市污水再生利用 景观环境用水水质》对TP，TN，NH3-N的水质要求且抗堵塞性能较佳的300 g/m2土工布作为第二级（控制级）梯度过滤介质；以抗堵塞性能劣于300 g/m2土工布的100，150，200，250 g/m2 土工布和规格为80目、100目、150目、200目的尼龙网作为第一级过滤介质，制成8组不同的梯度过滤组合.

2.3.1" 梯度过滤抗堵塞性能试验

不同梯度过滤介质组合在低污染负荷下和高污染负荷下过滤速度介质过滤速度v与过滤压力的关系，试验结果如图5所示，图中H为压力水头.

试验中，随着颗粒物负荷增加，第一级采用过滤精度较高或单位面积质量较大过滤介质的梯度过滤组合，在较高的颗粒物负荷下第一级过滤介质完全堵塞，丧失过流能力.

为保证所有梯度过滤组合都能在相同的颗粒物负荷下进行测试，高、低污染负荷分别为19.43，9.71 g/dm2.试验结果表明：在将第二级过滤介质（300 g/m2土工布）的水头作为变量的情况下，各梯度过滤组合在相同的水头下，过滤速度均大于单级织物过滤（300 g/m2土工布）的过滤速度.其中，以100和150 g/m2土工布，以及80目、100目、150目、200目规格尼龙网作为第一级过滤介质的梯度过滤组合的过滤速度显著增加，表明梯度过滤工艺可以有效增强织物过滤系统的抗堵塞能力，延缓堵塞现象的产生.

为优选出抗堵塞性能最佳的梯度过滤组合，测试了各梯度过滤介质组合在高、低颗粒物污染负荷状态下上、下级过滤介质过滤压力（水头）比例τ，如图6所示.

由图6中的试验结果表明：在低污染负荷状态下，以80目、100目规格尼龙网为第一级过滤介质时，颗粒污染物大部分由第二级过滤介质截留，颗粒污染物负荷分布不均匀；而以200和250 g/m2土工布作为第一级过滤介质的梯度过滤系统，由于第一级过滤介质抗堵塞能力较弱，颗粒态污染物大部分由第一级过滤介质截留，从而造成颗粒态污染物截留不均匀而导致梯度过滤系统抗堵塞性能不佳，故排除以80目、100目规格尼龙网，以及200和250 g/m2土工布作为第一级过滤介质的梯度过滤组合.以150目、200目规格尼龙网，以及100 g/m2土工布、150 g/m2土工布作为第一级过滤介质时，其第一级与第二级过滤介质均能发挥截留作用，能有效延缓第二级过滤介质堵塞现象的产生.其中以150目规格尼龙网作为第一级过滤介质的梯度过滤组合在不同颗粒污染物负荷下，上、下级过滤水头比例最小，因此以150目规格尼龙网作为第一级过滤介质的梯度过滤组合抗堵塞性能最佳.

2.3.2" 梯度过滤介质截污性能试验

图7为不同规格梯度过滤介质截污性能变化情况，图中c为去除率.由图可知，除梯度过滤介质为300 g/m2土工布规格以外的8种不同的梯度过滤组合在3 h的持续运行中，对于各种污染物的截留能力相较于单级300 g/m2土工布均有所提升.

其中，这8种不同的梯度过滤组合相较于单级300 g/m2土工布，对于SS 75.76%的去除率各提升了0.19%，2.60%，6.47%，9.13%，3.17%，4.95%，11.25%，14.26%，表明梯度过滤系统对于SS的强化去除作用不明显；相较于单级300 g/m2土工布对于TN 61.34%的去除率，分别提升了6.81%，10.04%，27.05%，32.67%，14.36%，19.60%，29.18%，36.32%，表明梯度过滤系统相较于单级梯度过滤系统对雨水径流中TN有更为显著的截留效果.

对于雨水径流中的NH3-N，上述梯度过滤组合相较于单级300 g/m2土工布，其对雨水径流中NH3-N 25.04%的去除率分别提升了21.25%，29.71%，59.26%，69.01%，40.02%，50.16%，64.42%，78.87%.

对于雨水径流中的COD，各梯度过滤组合对其平均去除率效果相较于单级300 g/m2土工布72.38%的去除率，分别提升了1.42%，2.22%，6.95%，7.82%，3.73%，6.01%，7.34%，10.32%.

对于雨水径流中的TP，不同组合的梯度过滤组合对于雨水径流中的TP污染物去除率相较于单级300g/m2土工布57.05%的去除率分别提升了3.21%，4.08%，19.00%，30.45%，7.11%，11.97%，20.80%，36.02%.

不同第一级过滤介质去除率提升效果，按过滤介质排序由大到小为250 g/m2土工布，200目尼龙网，200 g/m2土工布，150目尼龙网，150 g/m2土工布，100 g/m2土工布，100目尼龙网，80目尼龙网.同时考虑到梯度过滤抗堵塞性能试验中150目尼龙网+300 g/m2 土工布组合的抗堵塞性能最佳，故最终推荐150目尼龙网+300 g/m2 土工布组合作为最优组合.

3" 结" 论

1） 在过滤过程中，不同规格的土工布、尼龙网、PP过滤布的过滤速度和过滤压力之间均呈现线性关系.过滤介质单位面积质量越大或过滤精度越高，其抗堵塞性能越差，相同颗粒物负荷下，不同规格梯度过滤介质的过滤速度和过滤压力依然呈现线性关系.在截污状态下，300，350，400，450，500 g/m2土工布满足国标《城市污水再生利用 景观环境用水水质》对TN，NH3-N的水质要求，可有效减轻雨水径流污染，减轻受纳水体的面源污染负荷，其中300 g/m2土工布的抗堵塞性能与截污性能综合最佳.

2） 梯度过滤系统相较于单级梯度过滤系统能有效改善过滤系统的抗堵塞性能，有效延缓过滤介质堵塞，同时梯度过滤系统相较于单级梯度过滤系统能一定程度上改善梯度过滤系统的污染物截留性能.其中150目尼龙网+300 g/m2土工布这一梯度过滤组合因其兼备良好的抗堵塞性能和截污性能，作为推荐的过滤介质组合.

3） 织物梯度过滤工艺可为目前雨水口截污装置的设计和应用提供一种新的思路，在保证对雨水径流中污染物较高去除率的前提下，较大程度地改善了土工织物截污装置的抗堵塞能力，增强了雨水口截污装置的实用性，可促进雨水口截污装置的普及.

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（责任编辑" 张文涛）