改性硅藻土在城市初期雨水處理中的應用

劉　群

(安徽三聯學院 基礎實驗中心， 安徽 合肥　230601)

0　引　言

初期雨水主要是指在降雨初期的雨水，在此期間，雨水淋洗空氣，溶解了空氣中的大量污染物(如酸性氣體、汽車尾氣等)，然后在降落地面過程中沖刷城市建筑物、廢棄物及城市道路等，之后形成地表徑流進入河流、湖泊以及地下水，初期雨水中含有大量污染物質，從而污染城市河道、飲用水源地，影響城市水資源的可持續利用[1]。

初期雨水經洗滌空氣、沖刷地面及各類建筑物，使得雨水中含有大量有機污染物、懸浮顆粒物、油類、重金屬、致病微生物等環境污染物[2]。居民街道、露天停車場及露天修理廠也是初期雨水地表徑流污染的主要來源[3]。有研究顯示，城市面源污染中 COD、懸浮顆粒物的平均濃度高于城鎮污水處理廠的排水，一次降雨過程產生的 COD在34.6～73.7 t之間[4]。王建龍[5]等在初期雨水研究過程中，開辟以水系溝通配套濕地工程與雨水就地調蓄處理相結合的方法治理初期雨水，效果較為明顯，這將對維持城市景觀河道的基本功能及改善水質發揮關鍵作用。

近年來，國內外研究學者對城市初期雨水治理技術開展了大量研究工作，并取得了一定的治理成效。

本研究立足于初期雨水末端治理思路，依據初期雨水的特異性，選擇改性硅藻土作為主要凈水材料的治理工藝，將城市初期雨水在入河前經人工導流進入凈化處理系統，處理達標后再進入自然河道水體，形成了雨水旁路凈化系統，結合工程實際，探討城市初期雨水的治理技術。

1　工程概況

塘西河屬于巢湖流域一條重要的城市內河，沿線雨水排口眾多，城市初期雨水導致河道雨季污染嚴重。利用InfoWorks CS 排水管網模型進行計算[6]，改造排水口和設置雨水截流井，對城市初期雨水進行截留，并在沿河岸線鋪設初期雨水收集管，對各排口截留的初期雨水進行統一收集、調蓄、凈化后排入河道，從而減小初期雨水對自然水體的污染。

2　治理工藝

初期雨水處理工藝選擇的原則應是針對初期雨水進水水質的特點，以低的基建投資和經常運行費用達到要求的出水水質。研究表明[7]，選擇硅藻土作為凈水材料，經濟性強，操作簡單，處理效果好。依據初期雨水的特異性，選擇改性硅藻土凈水技術工藝，可保證出水水質穩定達標。改性硅藻土凈化處理初期雨水工藝流程如圖1所示。

圖1改性硅藻土凈化處理初期雨水工藝流程

3　運行效果分析

巢湖流域夏季雨水較多，而秋冬季雨水相對較少，為滿足研究需求，在初期雨水處理工程建成運行后，對初期雨水凈化處理系統進出水進行連續監測(監測時間：2016年9月—2017年2月；頻次：每月3次，數據取均值)，監測指標有總磷(TP)、化學需氧量(COD)、懸浮物(SS)、總氮(TN)和氨氮(NH3-N)。結果如圖2所示。

由圖2可見，連續監測期間(2016年9月—2017年2月)，進入處理站的初期雨水總磷含量除2016年12月份外整體較為穩定，處理站出水基本滿足設計要求，TP去除率高于80%，說明改性硅藻土對初期雨水中總磷的去除率較高且穩定。其中，2016年12月份和2017年1月份出水總磷高于設計值0.3 mg/L,可能是由于2016年12月至2017年1月期間進水水質波動較大，沖擊處理站穩定系統，導致出水水質略高于設計標準值。隨著進水水質穩定，處理站系統恢復正常，出水水質穩定達到設計標準值。

在連續監測期間，處理站進水COD波動較大,如圖3所示。

圖2初期雨水凈化處理系統進出水總磷(TP)變化趨勢

圖3　初期雨水凈化處理系統進出水COD變化趨勢

尤其在2017年1月至2月份，進水COD從58 mg/L提高到104 mg/L，變化幅度近翻番，但出水COD較為穩定，去除率達70%以上，且能穩定達到地表水Ⅳ類標準，由此可以看出，改性硅藻土對初期雨水中的COD具有良好的去除效果，保障系統出水穩定達標排放。

初期雨水凈化處理系統進出水懸浮物(SS)變化趨勢如圖4所示。

由圖4可見，連續監測期間進入處理站的初期雨水SS含量變化較大，變化范圍為45～137 mg/L，但出水SS較為穩定，去除率在70%以上，最高可達81.97%，且表現出進水SS越高，去除率越高且穩定。相反，進水SS越低，去除率愈低(如2016年9月)，這也進一步驗證了中高濁度對初期雨水凈化處理具有正向影響的結論[8]。因此，實時截留初期雨水，保持水體具有一定的濁度，對后續凈化處理具有十分重要的作用。

初期雨水凈化處理系統進出水總氮(TN)變化趨勢如圖5所示。

由圖5可見，連續監測期間，處理站進水總氮為9.95～11.78 mg/L，且呈上升趨勢(除2016年10月份外)，出水為6.97～8.63 mg/L，去除率在30%左右，進、出水總氮整體變化趨勢相近，說明硅藻土對初期雨水中總氮也具有一定的去除效果，有效減少初期雨水荷載總氮的入河量。

初期雨水凈化處理系統進出水氨氮變化趨勢如圖6所示。

圖4初期雨水凈化處理系統進出水懸浮物(SS)變化趨勢

圖5　初期雨水凈化處理系統進出水總氮(TN)變化趨勢

圖6　初期雨水凈化處理系統進出水氨氮變化趨勢

由圖6可見，處理站進水氨氮波動較大，尤其在2016年11月至12月份，進水氨氮從4.67～5.77 mg/L，變化幅度較大，出水氨氮波動也較大，但去除效果明顯，去除率近20%，由此可以看出，改性硅藻土對初期雨水中的氨氮也有一定的去除效果。

4　凈化機理

通過對硅藻土(產地：浙江)的物理特性表征，結果顯示,BET比表面積約1.993 m2/g ，平均孔徑16.8 nm，總孔容積0.0131 cm3/g。硅藻土表面多空，單體呈圓形狀，硅藻土SEM圖如圖7所示。

圖7硅藻土SEM圖

改性硅藻土具有較大的比表面積和較強的吸附性能，在水力攪拌下形成顆粒絮狀體，通過表面吸附、網捕、架橋等作用，將脫穩膠體、懸浮顆粒物、水體污染物等吸附至硅藻土表面，且隨著水體的流動，逐漸形成密而實的大顆粒絮體，該絮體較為穩定，甚至絮體破壞后仍可再絮凝，在整個混凝反應中可作為絮體的骨架，起到絮凝、助凝的作用，提高絮體沉降性，改變了一般的絮凝劑產生的絮體松散、沉降性能差的狀況。大量密而實的絮體進入沉淀池后，在斜管的助力下，絮體很快沉降至池底，通過池底排泥管排入污泥沉淀池，清水則通過溢流槽流入集水池外排。

5　結　語

1)選擇硅藻土作為主要凈水材料，利用硅藻土不含有毒化學物質并在水中形成絮體后，通過表面吸附、網捕架橋等作用凈化水體，污染物隨污泥外排移出水體，水體凈化過程中沒有任何有毒有害物質殘留在水中，對河道水體不會產生二次污染，經凈化處理后的出水清澈透明，水質穩定達標。

2)通過對工程設施連續跟蹤監測，改性硅藻土對初期雨水中總磷的去除率高于80%， COD也達到70%以上，懸浮物顆粒去除率最高可達81.97%。同時，改性硅藻土對總氮和氨氮的去除率分別在30%和20%左右，也具有一定的去除效果，有效減少了各類污染物質的入河量。

3)以初期雨水末端治理為研究對象，在傳統控源治理方略基礎上，采用旁路水體凈化技術對入河初期雨水進行處理，大大減少了各類污染物質的入河量，保障了河道原有的清潔和生態性。

參考文獻：

[1]Sansalone J J， Cristina C M． First flush concepts for suspended anddissolved solids in sm all impervious watersheds[J]. Journal of Environmental Engineering-ASCE，2004，130(11):1301-1314.

[2]蔣海濤，于丹丹，韓潤平．城市初期雨水徑流治理現狀及對策[J].水資源保護，2009，25(3):33-36.

[3]袁步先，張瀏，鄭西強，等.城市新區初期雨水污染控制技術探討[J].安徽農業科學，2015，43(19):251-253，263.

[4]王軍霞，羅彬，陳敏敏，等．城市面源污染特征及排放負荷研究:以內江市為例[J].生態環境學報，2014，23(1):151-156.

[5]王建龍，車伍，李俊奇．人工濕地在新建城區流域雨水管理中的應用[J].中國給水排水，2011，27(6):54-57.

[6]徐速．城市雨水管網與地面流的一、二維集成模擬研究[J].中國給水排水，2011，27(9):71-73.

[7]鄭西強，陳云峰.高效除磷硅藻土用于城市景觀水體的治理[J].中國給水排水，2012，28(5):32-35.

[8]彭勃，彭書傳，匡武，等.濁度對改性硅藻土模擬初期雨水磷去除的研究[J].環境科學與技術，2015，38(2)：36-40.