路緣石凈化集水裝置積水路段可行性研究★

朱道佩 晏浩城

(江西理工大學土木與測繪工程學院(南昌)，江西 南昌 330013)

1 概述

近年來，在公路快速發展的同時，伴隨著一些環境污染問題也隨之出現，且日益加重。其中水資源的污染——地表徑流的產生對道路，城市，環境有很大的影響，成為制約城市發展的重要因素。

地表徑流的形成有多種來源，其中降雨是首要來源。在降雨過程中，雨水淋洗空氣、沖刷降落表面，使得雨水中的污染物質較為復雜，這些污染物可分為下面幾類:懸浮固體、好氧物質、重金屬、富營養化物質、細菌和病毒、油脂類物質、酸類物質等。我國從20世紀80年代開始對雨水進行收集和利用[1]，為進行雨水徑流污染控制，采用凈雨措施包括截污裝置、雨水塘、雨水濕地、滲透/生物滯蓄設施、植被設施等[2]，基于盧奇等[3]的研究，利用多孔介質如石英砂、礫石等介質進行物理過濾，多孔介質具有優良屬性如多孔介質流體阻力大，不同粒徑下的多孔介質過濾效果是不同的。因此文章以四種不同粒徑的石英砂為例，探究一種以石英砂為主要濾料的過濾裝置在污水量較大時能否滿足對濾速及濾效的需求。

2 設計思路及相應國家規范

2.1 設計思路

本發明公開了一種裝配式路緣石凈化集水裝置，包括路緣石貼合層，粗顆粒層，中粗顆粒層，細顆粒層，集水池，儲水罐等，用于為路面綠化帶提供水分。本發明不僅兼具較好的道路廢水凈化功能，且直接利用道路自身結構進行改造，既無需占用額外土地和進行大范圍施工，又可以消解城市暴雨洪峰，提高了水資源的利用率，具有廣泛的市場價值。

裝置中的過濾系統由粗顆粒層、中顆粒層、細顆粒層組成，其中粗顆粒層的厚度為30 cm～40 cm，由建筑廢料或陶瓷碎塊組成，該層可以過濾路面污水，截留較大固體顆粒，同時有較大空隙能快速存貯地表污水，減少路面積水；中顆粒層的厚度為20 cm～30 cm，由礦渣或多孔磚廢料組成，該層能吸附懸浮液中較小固體顆粒和油脂顆粒；細顆粒層的厚度為20 cm～30 cm，由石英砂組成，該層主要過濾吸附微小顆粒、有毒物質與有機物等，降低污水濁度。

2.2 相應國家規范

由于該裝置主要用途為道路廢水凈化、消解城市暴雨洪峰收集并為路面綠化帶提供水分，提高水資源利用率。因此主要涉及國家規范為GBT 18920—2002城市雜用水水質標準，其中的主要污染指標限制如表1所示。

表1 城市雜用水水質標準主要污染指標

2.3 雨水污染物研究調查

基于周超[4]的研究調查，在研究中監控了該地域的初期雨水徑流及后期雨水徑流的pH值，SS，濁度，COD，TN，TP多項指標。基于吳金羽[5]的研究調查，在參考研究展覽館路2013年6月23日的雨水的污染狀況的結果。研究結果展示了該地域的TN、氨氮、TSS等多項指標。

基于以上作者的研究調查，可以取得降雨的前后期平均污染指標如表2所示，通過表2中數據可看出，初期及后期雨水徑流的各項污染指標中，雨水的pH值、溶解性總固體TSS、氨氮等主要污染指標均符合城市雜用水水質標準中的城市綠化標準，而濁度在初期徑流中的均值為32.6 NTU，在后期徑流中的均值為8.26 NTU，需要通過過濾系統過濾至10 NTU以下以符合國家雜用水水質標準中的城市綠化標準。且根據周超[4]的研究調查顯示，在雨水中濁度，COD，SS，TN，TP五項污染物指標之間有明顯相關性，在水質指標檢測中濁度的測試是最為簡便的一項測試，該研究中明確了濁度和其他指標之間的相關關系，對雨水徑流污染指標的測定起到了極大的便捷化作用。

表2 周超、吳金羽部分研究數據

3 試驗裝置與檢測方法

3.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，路緣石過濾集水系統試驗裝置由有機玻璃制成，為高100 cm，內直徑10 cm，外直徑11 cm的圓柱體，過濾集水系統試驗裝置的最下端10 cm高設置為墊層，用粒徑為3 mm～5 mm的鵝卵石承托濾料防止上方濾料層顆粒流失，在儀器下方用架子架起，鏤空架子下方放置玻璃燒杯模擬城市道路路緣石過濾集水系統的出水口以收集過濾后的雨水。本試驗主要研究以石英砂、錳砂與硅藻土作為道路過濾集水系統的細顆粒層濾料，對道路過濾集水系統的造價及其過濾效果進行分析以確定各類材料作為道路過濾集水系統細顆粒層過濾材料的可行性。道路過濾集水系統從下到上依次為：10 cm高的3 mm～5 mm鵝卵石墊層、30 cm高的細顆粒層、30 cm高的中顆粒層、30 cm高的粗顆粒層，濾料采用自然堆積。

每一次試驗由過濾裝置上方倒入三次不同量的污染雨水，在漏斗下方放置燒杯以收集過濾后的雨水，以在燒杯中收集到95%的過濾完的污染雨水為過濾完成的標志并在過濾完成后取樣用便攜式濁度儀檢測樣品濁度。

3.2 試驗儀器及試驗方法

試驗過程中的水質分析方法采用國家環保局頒布的《水和廢水檢測分析方法》(第四版)中規定的方法。濁度測定采用便攜式濁度計法，用某靈敏度為0.1 NTU的便攜式濁度儀進行測定。該儀器使用說明書中技術指標顯示零點漂移為±1.5%F.S(NTU/30 min)，示值穩定性為±1.5%F.S(NTU/30 min)，重復性為2%，基本誤差為±6%，電壓波動影響為0.5%F.S。

3.3 試驗水樣

試驗中的水樣由校園道路區域雨水組成并由容器搜集，因水樣中有較多肉眼可見懸浮物，隨著懸浮物不斷漂浮，水樣濁度會不斷變化，為了減少誤差，對試驗水樣每15 s記錄一次水樣濁度，記錄6次取平均值，試驗水樣的濁度見表3。該試驗水樣平均濁度為15.7 NTU。

表3 試驗水樣濁度 NTU

4 試驗思路及結果分析

4.1 試驗思路

試驗通過控制變量法測定不同粒徑以及不同污水量對整個過濾裝置的過濾時間以及過濾裝置的過濾效率的影響。通過對比使用不同粒徑同一污水量的試驗數據，得出不同粒徑的石英砂作為過濾材料對整個裝置的過濾時間以及過濾效率的影響；通過對比使用相同粒徑不同污水量的試驗數據，得出不同污水量對整個裝置的過濾時間以及過濾效率的影響。

4.2 相同污水量不同粒徑的影響

通過測定相同污水量不同粒徑材料的過濾效果試驗，不同粒徑的石英砂作為裝置過濾材料對整個裝置的過濾效果如圖2所示。可以看出，隨著石英砂過濾材料的粒徑不斷減小，過濾效果不斷增加。而不同粒徑的石英砂作為過濾材料時其相對過濾時間以及相對過濾比如圖3所示。可見隨著石英砂過濾材料的粒徑不斷減小，相對濾速先緩慢上升然后相對不變再緩慢上升，對比相對濾速與相對過濾比兩條曲線，可以在粒徑為0.5 mm～1 mm附近找到過濾速度與過濾效果的相對最大值，為該裝置在易積水路段既滿足過濾國家要求又盡可能的提高過濾速度提供了可行性。

4.3 相同粒徑不同污水量的影響

通過測定相同粒徑的過濾材料過濾不同污水量的試驗，不同污水量對相同過濾材料過濾裝置的過濾效率以及過濾時間也有一定影響，以粒徑為0.5 mm～1 mm與粒徑為0.15 mm～0.4 mm的石英砂為例，兩種不同粒徑在不同污水量下的過濾效率及過濾時間如圖4，圖5所示，從圖4，圖5中可以看出，隨著污水量的不斷增加，過濾初期的水壓也在不斷升高越高導致水流流經過濾料時，污水中的細微污染顆粒由于水壓的作用下與濾料更緊密的接觸使過濾效率有所上升，并且相對濾速也有所增加，在過濾顆粒的可負載范圍內相對濾速及過濾效率均隨著污水量增加而增加，也為該裝置在易積水路段作為路緣石過濾集水系統提供了可行性。

5 可行性討論與總結

5.1 可行性討論

該裝置在易積水路段需要較高的過濾速度、較大的儲水量以及不低于國家城市雜用水水質標準規范的過濾后指標。裝置內設置的粗顆粒層及中顆粒層可以有效的積蓄道路積水消解城市暴雨洪峰，因此只需找到合適的濾料粒徑以平衡相對較高的過濾速度需求及過濾效果便可為該裝置在易積水的路段裝配使用提供可行性。根據試驗結果，在粒徑為0.5 mm～1 mm左右的石英砂濾料的濾速與過濾效果達到了相對最大值。并且在該粒徑附近的過濾系數接近50%，有能力將濁度均值為16 NTU的試驗污水過濾至8 NTU附近滿足作為城市綠化用水的標準。而根據周超[4]的研究調查顯示后期雨水徑流的平均濁度為5.4 NTU～18.7 NTU，與試驗污水的濁度相擬合，因此該裝置在易積水路段使用粒徑在0.5 mm～1 mm左右的石英砂濾料時過濾效果可以滿足國家對用于城市綠化的雜用水水質要求。

5.2 總結

根據試驗，該裝配式路緣石過濾集水系統在易積水路段的可行性較高，原因由以下組成：

1)該裝置的粗顆粒層具有較大的空隙，在雨水高峰期的時候能有效的貯存路面的積水，使雨水不會長時間停留在路面，降低雨水對路面的侵蝕作用，延長路面的使用壽命，且使過往車輛及行人在通過該路段時不會濺起道路污水，有更好的使用體驗。

2)該裝置細顆粒層選用粒徑為0.5 mm～1 mm左右的石英砂可以獲得相對較大的過濾率以及相對較快的過濾速度，為該裝置在易積水路段的使用增加了可行性。

3)該裝置在易積水路段使用時相比一般路段會有更多的污水量，在裝置可負載范圍內會由于污水量的增加導致過濾裝置中水壓增加，使污水水流通過過濾系統時與過濾材料時污水中的各種懸浮顆粒與過濾材料表面更緊密的接觸，使過濾系統的過濾效率有所上升，同時由于過濾裝置中水壓的增加，過濾裝置的過濾速度也有所上升，這都增加了該裝置在易積水路段使用的可行性。

4)該裝置選用粒徑為0.5 mm～1 mm左右的石英砂作為細顆粒層過濾材料時，過濾系數接近50%，并能使平均濁度均值為16 NTU的試驗污水過濾至8 NTU附近,滿足該裝置的設計思想：即相對用低成本、易安裝與易更換的方式過濾道路中的雨水并收集起來使其能用做城市綠化就近為城市道路兩旁的綠化帶做供水源。種種跡象均表明該裝置在易積水路段都有較高的可行性。