朱道佩 晏浩城

(江西理工大学土木与测绘工程学院(南昌)，江西 南昌 330013)

1 概述

近年来，在公路快速发展的同时，伴随着一些环境污染问题也随之出现，且日益加重。其中水资源的污染——地表径流的产生对道路，城市，环境有很大的影响，成为制约城市发展的重要因素。

地表径流的形成有多种来源，其中降雨是首要来源。在降雨过程中，雨水淋洗空气、冲刷降落表面，使得雨水中的污染物质较为复杂，这些污染物可分为下面几类:悬浮固体、好氧物质、重金属、富营养化物质、细菌和病毒、油脂类物质、酸类物质等。我国从20世纪80年代开始对雨水进行收集和利用[1]，为进行雨水径流污染控制，采用净雨措施包括截污装置、雨水塘、雨水湿地、渗透/生物滞蓄设施、植被设施等[2]，基于卢奇等[3]的研究，利用多孔介质如石英砂、砾石等介质进行物理过滤，多孔介质具有优良属性如多孔介质流体阻力大，不同粒径下的多孔介质过滤效果是不同的。因此文章以四种不同粒径的石英砂为例，探究一种以石英砂为主要滤料的过滤装置在污水量较大时能否满足对滤速及滤效的需求。

2 设计思路及相应国家规范

2.1 设计思路

本发明公开了一种装配式路缘石净化集水装置，包括路缘石贴合层，粗颗粒层，中粗颗粒层，细颗粒层，集水池，储水罐等，用于为路面绿化带提供水分。本发明不仅兼具较好的道路废水净化功能，且直接利用道路自身结构进行改造，既无需占用额外土地和进行大范围施工，又可以消解城市暴雨洪峰，提高了水资源的利用率，具有广泛的市场价值。

装置中的过滤系统由粗颗粒层、中颗粒层、细颗粒层组成，其中粗颗粒层的厚度为30 cm～40 cm，由建筑废料或陶瓷碎块组成，该层可以过滤路面污水，截留较大固体颗粒，同时有较大空隙能快速存贮地表污水，减少路面积水；中颗粒层的厚度为20 cm～30 cm，由矿渣或多孔砖废料组成，该层能吸附悬浮液中较小固体颗粒和油脂颗粒；细颗粒层的厚度为20 cm～30 cm，由石英砂组成，该层主要过滤吸附微小颗粒、有毒物质与有机物等，降低污水浊度。

2.2 相应国家规范

由于该装置主要用途为道路废水净化、消解城市暴雨洪峰收集并为路面绿化带提供水分，提高水资源利用率。因此主要涉及国家规范为GBT 18920—2002城市杂用水水质标准，其中的主要污染指标限制如表1所示。

表1 城市杂用水水质标准主要污染指标

2.3 雨水污染物研究调查

基于周超[4]的研究调查，在研究中监控了该地域的初期雨水径流及后期雨水径流的pH值，SS，浊度，COD，TN，TP多项指标。基于吴金羽[5]的研究调查，在参考研究展览馆路2013年6月23日的雨水的污染状况的结果。研究结果展示了该地域的TN、氨氮、TSS等多项指标。

基于以上作者的研究调查，可以取得降雨的前后期平均污染指标如表2所示，通过表2中数据可看出，初期及后期雨水径流的各项污染指标中，雨水的pH值、溶解性总固体TSS、氨氮等主要污染指标均符合城市杂用水水质标准中的城市绿化标准，而浊度在初期径流中的均值为32.6 NTU，在后期径流中的均值为8.26 NTU，需要通过过滤系统过滤至10 NTU以下以符合国家杂用水水质标准中的城市绿化标准。且根据周超[4]的研究调查显示，在雨水中浊度，COD，SS，TN，TP五项污染物指标之间有明显相关性，在水质指标检测中浊度的测试是最为简便的一项测试，该研究中明确了浊度和其他指标之间的相关关系，对雨水径流污染指标的测定起到了极大的便捷化作用。

表2 周超、吴金羽部分研究数据

3 试验装置与检测方法

3.1 试验装置

试验装置如图1所示，路缘石过滤集水系统试验装置由有机玻璃制成，为高100 cm，内直径10 cm，外直径11 cm的圆柱体，过滤集水系统试验装置的最下端10 cm高设置为垫层，用粒径为3 mm～5 mm的鹅卵石承托滤料防止上方滤料层颗粒流失，在仪器下方用架子架起，镂空架子下方放置玻璃烧杯模拟城市道路路缘石过滤集水系统的出水口以收集过滤后的雨水。本试验主要研究以石英砂、锰砂与硅藻土作为道路过滤集水系统的细颗粒层滤料，对道路过滤集水系统的造价及其过滤效果进行分析以确定各类材料作为道路过滤集水系统细颗粒层过滤材料的可行性。道路过滤集水系统从下到上依次为：10 cm高的3 mm～5 mm鹅卵石垫层、30 cm高的细颗粒层、30 cm高的中颗粒层、30 cm高的粗颗粒层，滤料采用自然堆积。

每一次试验由过滤装置上方倒入三次不同量的污染雨水，在漏斗下方放置烧杯以收集过滤后的雨水，以在烧杯中收集到95%的过滤完的污染雨水为过滤完成的标志并在过滤完成后取样用便携式浊度仪检测样品浊度。

3.2 试验仪器及试验方法

试验过程中的水质分析方法采用国家环保局颁布的《水和废水检测分析方法》(第四版)中规定的方法。浊度测定采用便携式浊度计法，用某灵敏度为0.1 NTU的便携式浊度仪进行测定。该仪器使用说明书中技术指标显示零点漂移为±1.5%F.S(NTU/30 min)，示值稳定性为±1.5%F.S(NTU/30 min)，重复性为2%，基本误差为±6%，电压波动影响为0.5%F.S。

3.3 试验水样

试验中的水样由校园道路区域雨水组成并由容器搜集，因水样中有较多肉眼可见悬浮物，随着悬浮物不断漂浮，水样浊度会不断变化，为了减少误差，对试验水样每15 s记录一次水样浊度，记录6次取平均值，试验水样的浊度见表3。该试验水样平均浊度为15.7 NTU。

表3 试验水样浊度 NTU

4 试验思路及结果分析

4.1 试验思路

试验通过控制变量法测定不同粒径以及不同污水量对整个过滤装置的过滤时间以及过滤装置的过滤效率的影响。通过对比使用不同粒径同一污水量的试验数据，得出不同粒径的石英砂作为过滤材料对整个装置的过滤时间以及过滤效率的影响；通过对比使用相同粒径不同污水量的试验数据，得出不同污水量对整个装置的过滤时间以及过滤效率的影响。

4.2 相同污水量不同粒径的影响

通过测定相同污水量不同粒径材料的过滤效果试验，不同粒径的石英砂作为装置过滤材料对整个装置的过滤效果如图2所示。可以看出，随着石英砂过滤材料的粒径不断减小，过滤效果不断增加。而不同粒径的石英砂作为过滤材料时其相对过滤时间以及相对过滤比如图3所示。可见随着石英砂过滤材料的粒径不断减小，相对滤速先缓慢上升然后相对不变再缓慢上升，对比相对滤速与相对过滤比两条曲线，可以在粒径为0.5 mm～1 mm附近找到过滤速度与过滤效果的相对最大值，为该装置在易积水路段既满足过滤国家要求又尽可能的提高过滤速度提供了可行性。

4.3 相同粒径不同污水量的影响

通过测定相同粒径的过滤材料过滤不同污水量的试验，不同污水量对相同过滤材料过滤装置的过滤效率以及过滤时间也有一定影响，以粒径为0.5 mm～1 mm与粒径为0.15 mm～0.4 mm的石英砂为例，两种不同粒径在不同污水量下的过滤效率及过滤时间如图4，图5所示，从图4，图5中可以看出，随着污水量的不断增加，过滤初期的水压也在不断升高越高导致水流流经过滤料时，污水中的细微污染颗粒由于水压的作用下与滤料更紧密的接触使过滤效率有所上升，并且相对滤速也有所增加，在过滤颗粒的可负载范围内相对滤速及过滤效率均随着污水量增加而增加，也为该装置在易积水路段作为路缘石过滤集水系统提供了可行性。

5 可行性讨论与总结

5.1 可行性讨论

该装置在易积水路段需要较高的过滤速度、较大的储水量以及不低于国家城市杂用水水质标准规范的过滤后指标。装置内设置的粗颗粒层及中颗粒层可以有效的积蓄道路积水消解城市暴雨洪峰，因此只需找到合适的滤料粒径以平衡相对较高的过滤速度需求及过滤效果便可为该装置在易积水的路段装配使用提供可行性。根据试验结果，在粒径为0.5 mm～1 mm左右的石英砂滤料的滤速与过滤效果达到了相对最大值。并且在该粒径附近的过滤系数接近50%，有能力将浊度均值为16 NTU的试验污水过滤至8 NTU附近满足作为城市绿化用水的标准。而根据周超[4]的研究调查显示后期雨水径流的平均浊度为5.4 NTU～18.7 NTU，与试验污水的浊度相拟合，因此该装置在易积水路段使用粒径在0.5 mm～1 mm左右的石英砂滤料时过滤效果可以满足国家对用于城市绿化的杂用水水质要求。

5.2 总结

根据试验，该装配式路缘石过滤集水系统在易积水路段的可行性较高，原因由以下组成：

1)该装置的粗颗粒层具有较大的空隙，在雨水高峰期的时候能有效的贮存路面的积水，使雨水不会长时间停留在路面，降低雨水对路面的侵蚀作用，延长路面的使用寿命，且使过往车辆及行人在通过该路段时不会溅起道路污水，有更好的使用体验。

2)该装置细颗粒层选用粒径为0.5 mm～1 mm左右的石英砂可以获得相对较大的过滤率以及相对较快的过滤速度，为该装置在易积水路段的使用增加了可行性。

3)该装置在易积水路段使用时相比一般路段会有更多的污水量，在装置可负载范围内会由于污水量的增加导致过滤装置中水压增加，使污水水流通过过滤系统时与过滤材料时污水中的各种悬浮颗粒与过滤材料表面更紧密的接触，使过滤系统的过滤效率有所上升，同时由于过滤装置中水压的增加，过滤装置的过滤速度也有所上升，这都增加了该装置在易积水路段使用的可行性。

4)该装置选用粒径为0.5 mm～1 mm左右的石英砂作为细颗粒层过滤材料时，过滤系数接近50%，并能使平均浊度均值为16 NTU的试验污水过滤至8 NTU附近,满足该装置的设计思想：即相对用低成本、易安装与易更换的方式过滤道路中的雨水并收集起来使其能用做城市绿化就近为城市道路两旁的绿化带做供水源。种种迹象均表明该装置在易积水路段都有较高的可行性。