尚福強(qiáng)，蔡 一，王 碩，唐莉華，孔 彬，王樹磊

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100084；2.清華大學(xué) 土木水利學(xué)院，北京 100084；3.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 研究背景

由于初始沖刷效應(yīng)的存在，城市初期雨水徑流中往往攜帶有大量固體懸浮物質(zhì)(SS)[1]。SS除自身為一種污染物之外，其對(duì)水體的影響更體現(xiàn)在其可以作為載體，通過吸附、富集污染物質(zhì)發(fā)生生物化學(xué)作用，從而引發(fā)各類水質(zhì)問題。研究表明，雨水徑流中的SS含量與總磷(TP)[2]和化學(xué)需氧量(COD)[3]之間存在著明顯的正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)由于SS對(duì)于氨氮[4]和重金屬等[5]也表現(xiàn)出了較強(qiáng)的吸附作用，因此水體中的SS濃度可顯著影響氨氮與重金屬的含量。由此可見，控制水體中的SS濃度能夠有效地削減各類污染物含量。

對(duì)于初期雨水中的SS，一般采用“沉淀—過濾”的手段進(jìn)行去除[6]。但此方法通常需要興建大量配套設(shè)施，效率低且成本高。此外，也有通過引入黃花鳶[7]、香蒲[8]等濕地植物進(jìn)行城市水體特別是雨水徑流治理的嘗試[9]，這類方法往往具有生態(tài)與景觀效果兼顧的優(yōu)勢(shì)，但前期投入多、占地面積大、見效慢。相比之下，水力旋流器作為一種新興的分離設(shè)備，由于其造價(jià)低、設(shè)備構(gòu)造簡單、處理效率高且無需額外占用土地[10]，近年來得到了廣泛的重視與應(yīng)用。尤其在城鎮(zhèn)地區(qū)，因可用土地面積的限制，往往不具備采用沉淀法或濕地植物法的條件，因此旋流分離法就體現(xiàn)出了它的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)鄆城南湖降雨徑流中含沙量高的污染特點(diǎn)，擬采用水力旋流分離技術(shù)，對(duì)入湖懸浮物與泥沙進(jìn)行攔截。因此本文開展了關(guān)于水力旋流器在不同進(jìn)料濃度、不同進(jìn)料流量條件組合下工作效率的研究，尋找適合于南湖水體的有效旋流器參數(shù)，并對(duì)旋流分離技術(shù)效果進(jìn)行預(yù)評(píng)估，為實(shí)現(xiàn)對(duì)該地區(qū)雨水中污染物的控制和綜合處理提供參考。

2 研究區(qū)概況

鄆城南湖(下稱南湖)位于山東省菏澤市鄆城縣中心城區(qū)南部，主要作為當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)景觀水體。南湖本身無其他水源補(bǔ)充，水流速度緩慢，屬于典型的城市封閉緩流景觀水體，自凈能力十分有限。加之周邊2.2 km2范圍內(nèi)的雨水徑流經(jīng)過雨水管網(wǎng)匯集入湖(雨水管分布如圖1所示)，入湖雨水?dāng)y帶了較多的污染物質(zhì)[11]，造成南湖水體污染。2018年6月28日對(duì)采集到的湖水水樣以及雨水管水樣進(jìn)行了水質(zhì)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)COD和TN濃度超標(biāo)較為明顯(執(zhí)行地表水IV類水標(biāo)準(zhǔn))。各雨水管水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表1。

圖1 南湖雨水管與水源熱泵取水口、回水口分布

表1 南湖各雨水管水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果 mg/L

根據(jù)表1中南湖各雨水管水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，該地區(qū)初期雨水徑流中的懸浮物濃度范圍為120～500 mg/L，超出國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)[12]中規(guī)定的SS最高允許排放濃度(50 mg/L)。同時(shí)還可以看出，雨水徑流中SS和COD具有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此擬通過控制入湖雨水徑流的懸浮物濃度，達(dá)到削減入湖COD負(fù)荷的效果，從而改善南湖的湖水水質(zhì)。

3 研究方法及實(shí)驗(yàn)設(shè)置

3.1 水力旋流器工作原理

水力旋流器的工作原理主要是離心沉降作用，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

由于固液兩相的密度差異，兩者受到的離心力、向心浮力與流體曳力也不同，從而可以實(shí)現(xiàn)固液分離。一部分固相物質(zhì)由于密度較大，憑借重力沉降而從底流管排出；經(jīng)過分離后的清液則從儀器上部溢流管流出。層流狀態(tài)下的斯托克斯公式見公式(1)，由公式(1)可知，在高速的離心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，由于顆粒切向運(yùn)動(dòng)速度v可以用增加進(jìn)料速度而提高，因此采用旋流器可以更好地分離由于顆粒過細(xì)而難以通過重力沉降去除的小微粒[13]。

(1)

式中：v0為顆粒的沉降速度，m/s；d為球形固體顆粒直徑，m；ρs為固體顆粒密度，kg/m3；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；μ為介質(zhì)動(dòng)力黏度，Pa·s；r為顆粒運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)半徑，m；v為顆粒切向運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

3.2 分離效率及其影響因素

旋流器的工作效率主要體現(xiàn)為分離效率，即固液混合液經(jīng)過旋流器后固體顆粒從混合液中脫離的程度。實(shí)驗(yàn)采用從底流管中排出的固體顆粒占從進(jìn)料管進(jìn)入旋流器的固體顆粒的質(zhì)量百分比作為旋流器的分離效率，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：E為旋流器的工作效率，即分離效率，%；m為從底流管中排出的固體顆粒質(zhì)量，g；M為旋流器工作期間從進(jìn)料管進(jìn)入旋流器的固體顆粒質(zhì)量，g。

根據(jù)龐學(xué)詩[14]的研究，水力旋流器的分離效率主要受旋流器直徑、底流管直徑、溢流管直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)及進(jìn)口壓力、給料濃度、給料流量等操作參數(shù)共同決定。

由于進(jìn)料濃度與進(jìn)料流量的地區(qū)差異性較大，本次實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)南湖雨水管雨水徑流的實(shí)際情況，研究水力旋流器在當(dāng)?shù)貞?yīng)用中的進(jìn)料濃度、進(jìn)料流量與分離效率的關(guān)系。

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置與參數(shù)選擇

決定實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵在于確定旋流器的技術(shù)規(guī)格(內(nèi)徑)，可以通過旋流器的生產(chǎn)能力(即入流流量)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定[10]。考慮到設(shè)備安裝后需要具有全年正常工作的能力，因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)備選型時(shí)應(yīng)滿足最大生產(chǎn)能力即最大雨水管流量的情況。由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等條件限制，無法安裝過大的儀器設(shè)備，選擇含沙量與生產(chǎn)能力均較小的4號(hào)管(生產(chǎn)能力6.45 m3/h，SS濃度154 mg/L)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù) 2018年鄆城降雨資料，選擇降雨量最大的8月份對(duì)應(yīng)的雨水管流量作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選型依據(jù)。為保證實(shí)際工作中設(shè)備的運(yùn)行安全，選型時(shí)適當(dāng)擴(kuò)大各管流量，取安全系數(shù)為1.2。

參考南湖水體的最大日徑流量、入湖徑流的日均SS濃度以及水力旋流器的技術(shù)參數(shù)關(guān)系，選擇FX-100型水力旋流器，其基本參數(shù)如表2所示。

表2 FX-100水力旋流器基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖3。按照實(shí)驗(yàn)方案SS濃度要求，將一定量的泥沙與自來水混合加入水箱并充分?jǐn)嚢琛？紤]到自然條件下泥沙粒徑組成比較復(fù)雜，且本次研究不討論泥沙顆粒粒級(jí)與分離效率之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中僅篩除粒徑大于1.18 mm的大顆粒，保留其他各種粒徑的泥沙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用該混合液模擬自然條件下的雨水徑流，后通過潛水泵加壓使混合液通過電磁流量計(jì)進(jìn)入水力旋流器。實(shí)驗(yàn)過程中可以通過閥門控制進(jìn)入旋流器的流量。待旋流器分離完成后回收自底流管排出的富含泥沙的底流。待其自然干燥后使用電子天平稱量獲得經(jīng)旋流器過濾出的泥沙重量。從進(jìn)料口進(jìn)入的泥沙重量則根據(jù)過流時(shí)間、泥沙濃度與進(jìn)料流量計(jì)算得到。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.4 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

確定實(shí)驗(yàn)裝置后，根據(jù)南湖雨水管口出水懸浮物濃度與FX-100水力旋流器的工作條件，制定如表3所示的兩組實(shí)驗(yàn)方案。

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

4 結(jié)果與分析

4.1 進(jìn)料流量的影響

圖4為進(jìn)料濃度為100 mg/L、進(jìn)料流量為6～9 m3/h時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過公式(2)可計(jì)算得到不同實(shí)驗(yàn)方案下旋流器的分離效率。

圖4 不同進(jìn)料流量下旋流器分離泥沙情況及效率曲線

由圖4可以看出，在進(jìn)料濃度一定的情況下，進(jìn)料流量越大，分離效率越高。因?yàn)楫?dāng)進(jìn)料流量增加時(shí)，旋流分離腔入口的流速也增大，使混合液在旋流分離腔中的切向加速度增大，從而導(dǎo)致離心力的增強(qiáng)，使得混合液中的固體顆粒能夠被更好地分離。根據(jù)袁惠新等[15]關(guān)于水力旋流器在水油分離方面應(yīng)用的研究結(jié)果，當(dāng)進(jìn)料流量進(jìn)一步增加時(shí)，分離效率將穩(wěn)定在一個(gè)較高的水平。矯學(xué)成等[16]認(rèn)為這是由于旋流器工作時(shí)分離腔內(nèi)存在空氣柱，隨著進(jìn)料流量的增加上升流也隨之增大，使得已經(jīng)聚集在底流管附近的顆粒被重新卷起，影響了分離效率。在極端情況下，單純繼續(xù)增加進(jìn)料流量難以進(jìn)一步提高分離效率，反而會(huì)使底流管堵塞，影響旋流器的正常工作。在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)進(jìn)料流量從8 m3/h增大到9 m3/h時(shí)，分離效率的提高最為顯著，最大分離效率超過40%。

4.2 進(jìn)料濃度的影響

圖5為進(jìn)料流量為8 m3/h、進(jìn)料濃度為100～400 mg/L時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過公式(2)可計(jì)算得到不同實(shí)驗(yàn)方案下旋流器的分離效率。

圖5 不同進(jìn)料濃度下旋流器分離泥沙情況及效率曲線

由圖5可以看出，當(dāng)進(jìn)料流量一定時(shí)，隨著進(jìn)料濃度的增加，旋流器的分離效率降低。這主要是因?yàn)檫M(jìn)料濃度越大，則顆粒之間的相互作用越強(qiáng)，導(dǎo)致分離效率降低；同時(shí)混合液的黏度也會(huì)增加，其運(yùn)動(dòng)過程中受到的阻力同步增大，離心效果減弱，最終導(dǎo)致分離效果下降。進(jìn)料濃度從100 mg/L到400 mg/L的變化過程中，分離效率的降低比較平穩(wěn)且降低幅度不大，約減少5.7%。說明在這一區(qū)間內(nèi)濃度對(duì)效率的減弱效果不明顯。

5 南湖雨水徑流SS削減方案討論

在旋流器的分離過程中，某一顆粒的沉降速度越大，則該顆粒越容易沉降，即該顆粒被分離的概率越高。根據(jù)泥沙顆粒的沉降速度公式(公式(1))可知，顆粒切向運(yùn)動(dòng)速度越大、混合液黏度越低，則顆粒沉降速度越大，越容易被分離，即被分離效率越高。這一分析結(jié)論與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相符，因此認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)論可靠。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到FX-100型水力旋流器分離效率與進(jìn)料濃度及進(jìn)料流量滿足方程式(3)的回歸關(guān)系：

E=-0.03318con+4.07972flu+5.39890

(3)

式中：E為旋流器分離效率，%；con為旋流器進(jìn)料濃度，mg/L；flu為旋流器進(jìn)料流量，m3/h。

回歸方程式(3)的確定系數(shù)(R2)為0.772 1，擬合效果較好?；貧w關(guān)系的棄真概率為0.024 81，小于0.05，該模型的置信度達(dá)到95%以上，認(rèn)為結(jié)果可信。方程式(3)中變量的回歸系數(shù)進(jìn)一步說明，旋流器的分離效率隨進(jìn)料濃度的增大而降低且隨進(jìn)料流量的增大而增大，在實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)料流量的改變對(duì)于旋流器分離效率的影響程度明顯大于進(jìn)料濃度變化對(duì)分離效率的影響，即分離效率對(duì)于進(jìn)料流量的敏感性更高。

根據(jù)南湖4#雨水管的工作情況(流量與含沙量)，代入方程式(3)可估算出采用FX-100水力旋流器對(duì)泥沙與懸浮物的分離效率約為26.63%。經(jīng)過1級(jí)水力旋流器處理后的雨水徑流SS濃度可從154 mg/L減小為112 mg/L，但仍然超過50 mg/L的排放閾值要求，可見只通過單臺(tái)旋流器的處理尚不能滿足規(guī)范要求。因此考慮通過串聯(lián)多臺(tái)旋流器的方式實(shí)現(xiàn)雨水徑流的達(dá)標(biāo)排放。經(jīng)過計(jì)算，要使得4#雨水管的懸浮物排放達(dá)標(biāo)，需要串聯(lián)4臺(tái)旋流器，處理后SS濃度約為43.7 mg/L。

對(duì)于其他幾個(gè)雨水管，根據(jù)不同雨水管的SS濃度和平均日徑流流量，需選擇不同型號(hào)的水力旋流器(見表4)。由于水力旋流器的內(nèi)徑越大則顆粒的切向速度越快，使得更多質(zhì)量較小的固相顆?？梢酝瓿沙两捣蛛x，即達(dá)到更高的分離效率[17]，因此可以認(rèn)為內(nèi)徑更大的FX-150～FX-600型水力旋流器的分離效率將會(huì)高于FX-100型的分離效率。此外，通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的規(guī)律：生產(chǎn)能力越大則分離效率越高，且進(jìn)料流量對(duì)結(jié)果的敏感性更高，因此對(duì)于流量更大的其他幾個(gè)雨水管，采用相應(yīng)型號(hào)水力旋流器的分離效率應(yīng)當(dāng)高于26.63%。

表4 南湖1#～3#及5#雨水管的旋流器選型

對(duì)于超標(biāo)程度不嚴(yán)重的雨水徑流，可以采用較少數(shù)量的水力旋流器串聯(lián)，削減南湖雨水管中SS濃度，從而實(shí)現(xiàn)排放達(dá)標(biāo)。但對(duì)于雨水徑流SS濃度過大的情況(如2#雨水管)，單純采用水力旋流器進(jìn)行懸浮物消減，則需要串聯(lián)較多臺(tái)數(shù)的旋流器，這樣會(huì)使得其經(jīng)濟(jì)性和便捷性的優(yōu)勢(shì)不明顯，因此需要考慮與其他治理手段的聯(lián)合使用，例如采用新式雙錐-內(nèi)錐型水力旋流器提高分離效率[18]；同時(shí)可以考慮結(jié)合人工濕地[19-20]、土壤過濾系統(tǒng)[21]、生物慢濾[22]等措施，通過生態(tài)措施在雨水徑流入湖之前對(duì)污染物進(jìn)行處理，減少入湖污染負(fù)荷，從而最大程度地保障南湖水體的水環(huán)境質(zhì)量。

6 結(jié) 論

由于雨水徑流中的SS濃度與污染物濃度密切相關(guān)，因此以分離SS為目標(biāo)的水力旋流分離器可應(yīng)用于雨水徑流的污染削減。本文結(jié)合鄆城南湖實(shí)際情況，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了水力旋流器的分離效率及影響因素。主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)不同方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了旋流器分離效率的主要影響因素(進(jìn)料濃度、進(jìn)料流量)對(duì)其具體的影響效果，即提高進(jìn)料速度與離心力可以增大進(jìn)料流量，從而顯著提高旋流器的分離效率；增大進(jìn)料濃度將會(huì)加大混合液的黏度，使顆粒難以沉降，從而降低分離效率。分離效率對(duì)于進(jìn)料流量的敏感性更高。

(2)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到了FX-100型旋流器分離效率與進(jìn)料濃度、進(jìn)料流量之間的回歸方程，并根據(jù)南湖4#雨水管的實(shí)際情況計(jì)算得出了采用FX-100型水力旋流器處理懸浮物的分離效率約為26.63%?？赏ㄟ^4臺(tái)水力旋流器串聯(lián)的方式使得雨水徑流滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

(3)根據(jù)南湖實(shí)際雨水徑流量及水質(zhì)狀況，對(duì)其他幾個(gè)雨水管的水力旋流器處理方案進(jìn)行了初步選型。同時(shí)還需要指出，在污染水平較高的情況下，水力旋流器的單一作用有限，可以采用多級(jí)水力旋流器串聯(lián)，或結(jié)合生態(tài)措施提高對(duì)徑流污染的去除效果。