級配砂對生物滯留池懸浮物去除率及持水性的影響

龔金龍，樊綠葉，闕振業(yè)，姚成雷

（昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

在海綿城市建設(shè)中，雨水滯蓄利用是城市水資源綜合利用的一種有效途徑，既能節(jié)約水資源，又能使水循環(huán)向著有利于城市生活的方向發(fā)展，針對這一問題，低影響開發(fā)（LID）雨水系統(tǒng)應(yīng)運而生。而在低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)中徑流污染是其重要控制指標(biāo)之一，同時在城市徑流污染物中，懸浮物往往與其他污染物具有一定相關(guān)性，因此在《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中采用懸浮物作為徑流污染物控制指標(biāo)。生物滯留池是一種生態(tài)可持續(xù)的雨水控制利用設(shè)施，可以同時解決地表徑流帶來的水文、水質(zhì)問題。然而其內(nèi)部過濾層填料的性能制約著其在海綿城市中的應(yīng)用。

級配砂是指將不同粒徑的河砂按一定的配比組成混合，從而形成的具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和滲透性能的混合材料，這使其在作為過濾層填料時具有較大潛力。

本文提出將級配砂作為生物滯留池過濾層填料，通過對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、懸浮物去除率以及持水性能的相關(guān)研究探索，分析將級配砂作為生物滯留池過濾層填料的可行性。

1 材料與試驗

1.1 試驗材料

生物滯留池填料級配砂的配制參考澳大利亞CRC 為水敏型城市所編寫的技術(shù)指導(dǎo)手冊中的配比（質(zhì)量比粉質(zhì)黏土 ＜3 %，特細(xì)砂 5 %～30 %，細(xì)砂 10 %～30 %，中粗砂 40 %～60 %，粗砂 ＜ 25 %，特粗砂 0～10 %，細(xì)礫石 ＜3 %）。改良級配砂在 CRC 配比的基礎(chǔ)上結(jié)合本地條件進行了比例調(diào)整，最終填料配比按照質(zhì)量比細(xì)砂 30 %、中砂 20 %、粗砂 50 %，外摻 2 % 粉質(zhì)粘土均勻混合而成。

1.2 研究方法

1.2.1 滲透系數(shù)測定方法

試驗方法依據(jù) JTGE 40－2007《公路土工試驗規(guī)程》［1］，采用 TST－70 型常水頭滲透系數(shù)儀（見圖1），滲透系數(shù)根據(jù)達(dá)西滲流定律通過測定流量和水力梯度然后反求滲透系數(shù)。試驗時待供水和測壓管讀數(shù)穩(wěn)定后，開始讀取測壓管讀數(shù)和測量排水口出水量，兩者同時進行。通過計算每兩個測壓管之間填料層的水力梯度和整個入滲系統(tǒng)的流量，利用達(dá)西滲透公式[見式（1）]，計算滲透系數(shù)，同時乘以粘滯系數(shù)比，將滲透系數(shù)校正為標(biāo)準(zhǔn)溫度（20 ℃）時的滲透系數(shù)。

式中：k20為水溫為 20 ℃ 時試樣滲透系數(shù)，mm/h，計算至 3 位有效數(shù)字；Q為時間t內(nèi)的滲透水量，cm3；L為兩測壓孔之間的試樣高度（等于測壓孔中心間距10 cm）；H為平均水位差，cm；t為時間，s；ηt/η20為粘滯系數(shù)比；A為常水頭滲透儀截面積，cm2。

1.2.2 懸浮物測定方法

試驗方法依據(jù) GB 11901-89《水質(zhì) 懸浮物的測定 重量法》［2］，采用全玻璃微孔濾膜過濾器（見圖2），測定時量取充分混勻的試樣 100 mL 抽吸過濾，使水分全部通過濾膜，再以每次 10 mL 蒸餾水連續(xù)洗滌 3 次，繼續(xù)吸濾以除去痕量水分。停止吸濾后，仔細(xì)取出載有懸浮物的濾膜放在原恒重的稱量瓶里，移入烘箱中于 103～105 ℃ 下烘干 1 h 后移入干燥器中，使冷卻到室溫，稱其質(zhì)量。反復(fù)烘干、冷卻、稱量，直至 2 次稱量的質(zhì)量差 ≤ 0.4 mg 為止。懸浮物含量C（mg/L）按式（2）計算。

圖2 全玻璃微孔濾膜過濾器

式中：Cs為水中懸浮物濃度，mg/L；A為懸浮物＋濾膜＋稱量瓶質(zhì)量，g；B為濾膜＋稱量瓶質(zhì)量，g；V為試樣體積，mL。

1.3 材料性能檢測

1.3.1 連續(xù)飽和滲透系數(shù)試驗

改良級配砂滲透系數(shù)的測定依據(jù) 1.2中對應(yīng)方法進行，總計進行 5 組平行試驗，試驗采用連續(xù)加水飽和，測得其滲透系數(shù)隨時間變化，具體試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 連續(xù)加水飽和滲透系數(shù)變化值 mm/h

1.3.2 懸浮物去除率試驗

進行去除率試驗前，首先需配制對應(yīng)濃度的懸浮物混合液，配水用懸浮物取常規(guī)粉質(zhì)黏土（烘干后粉碎），配制混合液時依據(jù)所需濃度，分別稱取對應(yīng)質(zhì)量粉質(zhì)黏土及蒸餾水，之后充分?jǐn)嚢杈鶆颉＿M水方式采用人工注水的形式，一邊攪拌一邊緩緩向滲透系數(shù)桶中注入混合液，之后分別取 500 mL 進水溶液及滲透系數(shù)桶的出水溶液，參照 1.2.2 中懸浮物測定方法測定對應(yīng)溶液懸浮物濃度。

1）不同填料厚度相同進水濃度。在滲透系數(shù)桶中對改良級配砂采用不同厚度填入，之后分別加入接近濃度的懸浮物溶液（采用昆山地區(qū)常規(guī)降雨地表徑流懸浮物濃度 300 mg/L，由于配制方法原因，最終進水濃度只能控制在一定范圍值 280～350 mg/L），測得其懸浮物去除率隨填料厚度變化，具體試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同填料厚度下懸浮物去除率數(shù)據(jù)

2）相同填料厚度不同進水濃度。在滲透系數(shù)桶中填入 30 cm 厚度改良級配砂，分別加入不同濃度的懸浮物溶液。測得其懸浮物去除率隨進水懸浮物濃度的變化，具體試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同進水濃度下懸浮物去除率數(shù)據(jù)

1.3.3 持水性能試驗

由于級配砂主體為各種粒徑的砂，在夏天高溫情況下，水份極易快速喪失，為此進行對應(yīng)改進，主要通過增加覆蓋層或以在其中摻拌多孔吸水材料的方式提高其持水并減少蒸發(fā)量，為驗證并比較改進后填料持水情況，設(shè)計持水性能試驗。首先在小型容器中模擬生物滯留池結(jié)構(gòu)依照一定比例分層填筑（見圖3），之后在對應(yīng)容器中注入蒸餾水，使水份恰好填滿最底部碎石層并稱量整體質(zhì)量，將容器置于氣候控制箱（見圖4）中，并設(shè)定環(huán)境條件（溫度 40 ℃，濕度 60 %，風(fēng)速 3 m/s，此環(huán)境條件參考昆山市氣象站相關(guān)數(shù)據(jù)，取較為極端條件），24 h 后取出對應(yīng)容器稱取質(zhì)量并計算蒸發(fā)量，具體試驗數(shù)據(jù)如表4所示（通過查閱昆山市氣象站數(shù)據(jù)昆山 2017年日平均蒸發(fā)量 2.79 mm/d，在試驗室采用與上述試驗相同的方法，將裝有昆山本地粉質(zhì)黏土的容器置于氣候控制箱，在同等溫濕度及風(fēng)速條件下測得土壤穩(wěn)定蒸發(fā)量 1 mm/d）。

圖3 小型容器樣品填筑示例

圖4 氣候控制箱

2 結(jié)果與分析

2.1 級配砂滲透系數(shù)隨時間變化曲線

從圖5 中可以看出 5 組平行試驗在連續(xù)飽和浸水后，前期滲透系數(shù)會有一個上升過程，這是由于試驗初期隨著水的流動，填料內(nèi)部會有部分砂子隨著水流發(fā)生遷移，而填料遷移的過程中原本密實的孔隙可能會出現(xiàn)暫時的毛管通道，導(dǎo)致了運行初期滲透系數(shù)的上升，之后填料滲透系數(shù)開始回落，這一過程使部分隨水流發(fā)生遷移的填料再次密實穩(wěn)定的過程，之后經(jīng)歷將近一個月的時間滲透系數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)，這說明級配砂在持續(xù)使用一段時間后可以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

2.2 懸浮物去除率變化曲線

從圖6 中可以看出在進水濃度相近的條件下，隨厚度增加，懸浮物去除率也增加，最大去除率可達(dá) 95 % 以上。這是由于隨著填料厚度的增加提高了水力停留時間，同時由于級配砂的結(jié)構(gòu)特性，填料空隙小，故對水中的懸浮物具有較強的去除作用；當(dāng)填料填筑厚度為 30 cm 時，懸浮物去除率達(dá)到 92 %，已經(jīng)能夠滿足生物滯留池使用要求，同時在 30 cm 的填筑厚度下，隨進水濃度增加，懸浮物最大去除率可達(dá) 97 % 以上（見圖7）。這是由于隨著懸浮物在級配砂填料內(nèi)的沉積，級配砂填料空隙不斷減小，比表面積增大，水力停留時間增加，故對懸浮物的去除率提高，由此可以看出，改良級配砂對懸浮物去除有著良好的效果。

表4 蒸發(fā)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖5 滲透系數(shù)隨時間變化趨勢圖

2.3 級配砂持水性能變化曲線

圖6 懸浮物去除率隨填料厚度變化趨勢圖

圖7 懸浮物去除率隨進水濃度變化趨勢圖

通過試驗發(fā)現(xiàn)，在表面添加覆蓋層，可以大大提高級配砂填料的持水性（見圖8），這是由于覆蓋層切斷了毛管力的作用從而中斷了水分的向上作用，同時也改變了地表溫度特性避免填料在高溫氣候中隨環(huán)境快速升溫，進而減少蒸發(fā)，其中以覆蓋樹皮提高最大，但考慮到樹皮密度較小，如滯留池表面存在長期徑流并不宜鋪設(shè)，因此也可選用在表面鋪設(shè) 2 cm 卵石（粒徑 5～10 mm）、火山巖（3～6 mm）或綠沸石（2～5 mm）（見表4 和圖8）。

圖8 不同填料蒸發(fā)量比較柱狀圖

3 結(jié) 語

使用級配砂作為生物滯留池的過濾層填料，可以有效去除地表徑流中的懸浮物，同時通過在表面鋪設(shè)覆蓋層，其持水性能也大大提高，在模擬條件下（夏天高溫高濕狀態(tài)，溫度 40 ℃，濕度 50 %）其與昆山年平均蒸發(fā)量（2.79 mm/d）相比，可控制在 2 倍以內(nèi)，對植物的生長影響較小；同時由于其級配可調(diào)整，可配合不同地區(qū)環(huán)境的要求進行修改，制作符合需求的滲透系數(shù)的填料；最后其材料主要為河砂（海砂或其他類型的砂需深度水洗去除其中不利于植物生長的元素，如氯離子），獲取難度低，便于推廣使用。不同滲透系數(shù)下級配砂的級配變化應(yīng)有規(guī)律，同時在級配砂中添加組合其他不同的材料（生物炭、各類多孔材料、各類有機質(zhì)材料等）對其功能進行進一步優(yōu)化調(diào)整，使其能夠滿足對水體凈化、高效除磷、除氮、適應(yīng)不同種類植物生長等各種細(xì)化要求，這些將在以后的試驗中進一步研究。