沙木哈爾·吐爾汗拜，王紅武，董敬磊

(同濟大學 同濟大學環(huán)境科學與工程學院城市污染控制國家工程研究中心，上海 200092)

1 前 言

近年來，雖然點源污染控制逐漸完善，但水環(huán)境污染問題依然顯著[1]，究其原因，主要是城市面源污染所致[2]。蔣海濤[3]、張千千[4]、車伍[5]、鄧志光[6]等人研究發(fā)現(xiàn)，我國城市道路徑流污染濃度與生活污水相近甚至更高。Sansalone等[7]研究發(fā)現(xiàn)道路徑流中20%初期徑流污染負荷占整場降雨污染負荷的80%左右。道路初期徑流直接排放進入水體，易造成嚴重的城市水環(huán)境污染問題，甚至破壞水生態(tài)。我國對道路初期徑流的治理尚處于初步研發(fā)階段，缺乏實際工程實踐和案例研究。

上海臨港新城是新開發(fā)的城市區(qū)域，徑流污染控制應本著“源頭削減、過程調(diào)蓄、末端治理”的原則，針對整個水系流域采取綜合措施，本課題組研究的自流過濾技術既可作為源頭削減措施，也可以作為末端治理措施。課題組通過實驗室試驗研究篩選了濾料，并在上海市臨港新城某橋下建立雨水自流過濾凈化井示范工程[8]，收集處理尚未投入正式使用的道路的路面徑流，該路面徑流流入滴水湖的引清河道，若不經(jīng)處理，易造成引清河道水質污染，從而導致滴水湖水質變差。本研究針對該示范工程，在長達一年半的時間里監(jiān)測了6場實際降雨事件和兩場模擬降雨事件的徑流經(jīng)過自流過濾設施的進、出水水質情況，考察了自流過濾技術對道路徑流污染的處理效果，研究結果可為國內(nèi)其他城市控制市政道路徑流污染提供參考。

2 裝置及方法

2.1 監(jiān)測區(qū)概況

自流過濾技術示范工程位于上海市臨港新城滴水湖環(huán)湖北二路一座過路橋下 (30°54′54′′N, 121°56′30′′E，見圖1)，可收集橋面以及附近道路(試驗期間，該道路和橋面尚未投入正式使用)的徑流，處理后排入附近引清河道。

圖1 雨水自流過濾井位置圖Fig.1 Location of the rainwater self-flow filtration facility

2.2 裝置結構

2.2.1 濾料

自流過濾器內(nèi)的濾料主要由精度為2mm的粗濾網(wǎng)、0.4mm的細濾網(wǎng)，以及效果經(jīng)過試驗驗證的改性熔噴聚丙烯纖維濾料組成。在示范工程建成之后進行了效果初步驗證[8]，運行一年半之后取出自流過濾井的濾料進行清洗并添加部分新濾料并按照設計要求重新放入，本研究主要監(jiān)測、分析濾料請洗和添加后的效果。

2.2.2 自流過濾井

井長約10m，寬約8m，高約5.2m，井體位于地面以下。過濾井主體部分由5組平行的構筑物組成，每組包括兩個截污過濾井(圖2)，每個截污過濾井內(nèi)布置一個截污過濾掛籃，可多次過濾截留徑流中顆粒物。徑流首先充滿廊道底部空間，當水量達到一定高度后通過五組平行的截污過濾井凈化流出。當水量過大時，部分未經(jīng)處理的徑流可經(jīng)溢流管道流出(圖3)。

圖2 雨水自流過濾井每組截污井的側視圖Fig.2 Profile of each sewage well of the rainwater self-flow filtration facility

圖3 自流過濾井截污井與溢流井側視圖Fig.3 Profile of sewage well and overflow well of the rainwater self-flow filtration facility

2.3 樣品采集及測試方法

2.3.1 采樣點選擇

監(jiān)測自流過濾井對地表徑流污染物的凈化效果，需要采集過濾井入口、出口處的水樣、同時采集附近公路路面雨水徑流。入水井為距過濾井最近的一個檢查井；出水井選擇最靠近出口處的檢查井；路面徑流采集處距離過濾井100m左右，圖4中未予以標識。

圖4 采樣點相對系統(tǒng)位置圖Fig.4 Relative location of the sampling points

2.3.2 樣品采集

在一年半時間內(nèi)，對新型自流過濾井進行了6場自然降雨、2場模擬降雨，共計8場有效降雨監(jiān)測試驗，八場降雨情況詳見表1。模擬降雨采用灑水車噴灑自來水形成類似自然降雨效果，雨強變化為 0～10min維持小雨，10～20min維持大雨，20～40min保持小雨至降雨結束。根據(jù)上述采樣點位置，路邊雨水口距過濾井入口100m、過濾井入水口距出水口15m且前半段為管道流通，后半段為過濾井流動；設定雨水管道流動速率0.75m/s、過濾井內(nèi)流動速率0.05m/s，綜合上述情況，假設T時刻采集了路邊雨水口樣品，則T+2min為過濾井入水口樣品、T+3min為過濾井出水口樣品。

表1 八場降雨采樣日期Tab.1 表1. Sampling date of eight rainfall

2.3.3 測試指標及方法

3 結果與討論

研究發(fā)現(xiàn)，美國北卡羅來納州[10]、德州[11]，中國西安[12]等城市路面徑流污染是城市地表徑流污染最為嚴重的部分，且道路徑流的懸浮固體顆粒(SS)的污染負荷數(shù)值最高。根據(jù)陳瑩[12]的研究，道路徑流中SS與COD、氮磷和重金屬等污染物的相關性較好，SS是其他污染物在徑流中的載體。由此推測，實現(xiàn)對徑流中SS的控制可實現(xiàn)對水質的凈化，因此本研究重點分析了自流過濾井對SS的去除效果。

3.1 SS去除效果

對七場降雨水樣SS的檢測結果進行分析，根據(jù)降雨天氣情況，分別作小雨、中雨、大雨，降雨過程中自流過濾井進水、出水濃度以及SS去除率變化情況圖，詳見圖5～圖7。

圖5 小雨天氣SS隨降雨歷時變化曲線Fig.5 Variation curve of SS with rainfall time in light rain weather

圖6 中雨天氣SS隨降雨歷時變化曲線Fig.6 Variation curve of SS with rainfall time in moderate rain weather

圖7 大雨天氣SS隨降雨歷時變化曲線Fig.7 Variation curve of SS with rainfall time in heavy rain weather

從圖5～圖7可以看出，各場降雨歷程自流過濾井進水、出水SS濃度均未出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。未正式啟用的道路相對干凈，因此，進水SS濃度主要在40～70mg/L范圍內(nèi)波動，進水濃度波動幅度大，過程較為隨機，部分場次污染物濃度隨降雨歷時增加呈現(xiàn)減小趨勢、部分場次SS濃度前低后高，未觀察到初期沖刷現(xiàn)象?？傮w上看，自流過濾井出水SS較進水穩(wěn)定，多數(shù)情況下出水口SS濃度在10～20mg/L范圍波動。

各場降雨SS去除率并未呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。綜合分析圖5～圖6去除率變化曲線發(fā)現(xiàn)，降雨過程中SS去除率大致在40%～85%范圍，單次降雨中雨水自流過濾井裝置對SS的平均去除率分別為51%、63%、66%、66%、58%、63%、64%，去除SS效果較好。當進水SS濃度高于50mg/L時， SS去除率一般在70%以上。SS污染物濃度較小時，SS去除率也較低。為更為直觀觀察7場降雨實驗SS去除率的總體變化，將各場降雨SS去除率以及總體上SS去除率的眾數(shù)、平均數(shù)、中位數(shù)進行分析比較，做SS去除率與降雨歷時圖8、SS去除率與樣品累積曲線圖9。

圖8 SS去除率Fig.8 Removal rate of SS

圖9 SS去除率與樣品點累積曲線Fig.9 Removal rate of SS and cumulative curve of sample

由圖8可知，自流過濾井對SS的平均去除率為63%，中位數(shù)、眾數(shù)均為62%。且從圖8～圖9可以看出,各時刻SS去除率的點較好地分布在平均數(shù)、中位數(shù)這兩條直線上下；在眾多樣品中，絕大部分SS去除率均超過60%，說明自流過濾井對SS去除效果較好，具有穩(wěn)定性。由于自流過濾井去除污染物的主要機理是吸附和攔截，可推測在一段時間內(nèi)或設計水量范圍內(nèi)，處理效果基本不受進水水量水質波動的影響，自流過濾技術對于控制雨水徑流SS效果較好，可為保持城市水環(huán)境起到重要作用。

表2 七場降雨多種污染物去除效果Tab.2 Removal rate of pollutants in seven rainfall (%)

為驗證推測的準確性，第四場模擬降雨實驗時采集相鄰河道水樣，對比分析了過濾井出水口及河水中污染物指標SS、COD、TOC、氨氮、TP、TN和濁度，結果見表3。

表3 第四場降雨過濾井出口與河道水體污染物濃度對比Tab.3 Comparison between water pollutants concentrations in effluent of filtration facility and river during the fourth rainfall

從表3可以看出，河水中氨氮、TP、TN和濁度比過濾井出口處的對應污染物高出許多。河水中TOC略高于過濾井出口處，COD部分高于過濾井出口處，只有SS小于過濾井出口處。由于自流過濾井長期泡在河水中，隨著河水的自由流動，過濾井出口處采集的水樣必然混合部分河水。由于河水的氨氮、TP、TN比過濾井進口處污染物濃度高，導致過濾井出口處采集的水樣反而比進口處濃度高，猜測準確。

選擇第一場降雨實驗，比較自流過濾井進水、出水污染物濃度變化，結果如圖10～圖11。

圖10 第一場降雨COD/TOC污染物隨時間變化的曲線Fig.10 Change of COD and TOC concentration with time during the first rainfall

圖11 第一場降雨TN/TP/氨氮污染物隨時間變化的曲線Fig.11 Change of TN and TP concentration with time during the first rainfall

3.3 油類污染物去除效果

車輛行駛、人類的忙碌活動導致市政道路表面累積有油脂，為考察裝置對徑流中油脂污染物的凈化效果，特別設置一場模擬降雨(第五場)專門用于考察油類物質的去除效果。實驗當天將當天中午取自食堂餐廚的兩桶廢水傾倒于道路路面，并通過灑水車模擬降雨，取樣測定路邊雨水井、過濾井入口和過濾井出口處的總油含量，對濾料除油的效果進行了分析。

三處采樣點總油濃度隨時間的變化曲線見圖12。

圖12 總油隨時間變化的曲線Fig.12 Change of total oil concentration with time

選取各時間點的過濾井出水、入水的總油得到各時間點的總油去除率分別為14%，79%，54%，93%，82%，92%，其中去除率最高為93%，平均值為69%。相對于路邊雨水口，在各時間點處的總油去除率分別為98.6%，98.2%，92.4%，98.7%，95.4%，98.0%，去除率均在92%以上。三處采樣點總油濃度均先增大再減小，原因可能是餐廚廢水擴散需要一定時間。該自流過濾井對油脂去除效果良好。

4 結 論

4.1 自流過濾技術可控制城市道路初期徑流污染。通過長達一年半時間內(nèi)的六場實際降雨事件和2場模擬降雨事件的將側分析結果表明：無論小雨、中雨、大雨情況，自流過濾凈化技術對道路徑流所含的SS和總油均具有較好的處理效果，平均去除率可達60%以上；同時對徑流中的COD、TOC、TN、TP等污染物也具有部分去除效果。

4.2 經(jīng)一年半的時間，自流過濾設施處理效果仍然較為穩(wěn)定，據(jù)此結果，預期的濾料更換時間可適當延長至2年以上。

總體而言，自流過濾設施具有占地小、無需動力、能耗低、處理效果穩(wěn)定、運營維護方便的特點，既可適用于高密度老城區(qū)路面徑流污染的源頭控制，又可用于新開發(fā)城區(qū)道路徑流的源頭控制或末端處理，可為解決我國城市面源污染提供技術手段。

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