組合濾料對徑流雨水中懸浮固體過濾效果的研究

薛曉睿　吳鍵　陳富

摘要：對人工雨水中不同濃度的懸浮固體（SS）去除率進行了試驗分析，并設計了一種對徑流雨水中SS進行過濾的裝置，得出了濾料種類、濾料層厚度和進水流速對雨水中SS去除率的影響。結果表明：鐵礦石、石英砂、改性纖維球三種濾料對徑流雨水中SS的過濾效果較好，并用這三種濾料作為組合濾料，發現在組合濾料厚度為48 cm和60 cm、進水流速為3 mL/min的情況下該裝置對SS的過濾效果達到最佳。

關鍵詞：雨水過濾；雨水徑流；SS濃度

中圖分類號：X52

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）20003803

1引言

我國是缺水嚴重的國家，人均水資源量為2033 mm3，僅為世界人均水平的23%[1]。而雨水作為地球上最直接和最經濟的淡水資源，越來越受到人們的重視。在大雨時，徑流會迅速匯集造成大面積的地面積水，對地表和管道沉積物的沖刷，使徑流的污染負荷成倍增加，嚴重危害人們的生活和城市水質安全[2]。雨水過濾系統不僅可以減少雨水的徑流量，并且可以將收集到的徑流水體污染物總量降低[3]。

SS是徑流雨水主要污染物之一，常見的SS過濾方法有沉淀法、混凝法、膜分離法、虹吸法等。這些雨水收集和過濾方法運行成本較高，技術復雜，占地面積大，只適合在工業生產中使用，在市面上難以普及。而在農村的雨水利用中，只需要使用簡易雨水過濾系統對雨水中的SS進行有效收集并過濾，即可滿足人們一定程度上的用水需求。用簡單濾料組合而成的雨水過濾裝置可操作性強，易于控制，且安裝和運行成本低，在農村普及的可行性高。

石英砂、活性炭、鐵礦石、改性纖維球、EPS泡沫顆粒都是生活中常用的凈化水質的濾料，可在市面上購買。本實驗通過選取不同粒徑的以上5種濾料進行測試，分析每種濾料過濾雨水中SS的效果，并選出其中3種過濾效果最佳的濾料進行組合，并得出該組合濾料的最佳過濾層厚度、最佳進水流速等參數[4]。

2實驗設計

2.1實驗裝置和材料

2.1.1實驗裝置

雨水過濾實驗裝置一套（包括KCP3-X蠕動泵，流速范圍：2.6～41.5 mL/min；40目檢驗篩筒，數量：3個，每一個高20 cm；燒杯，容量：500 mL；容量瓶，容量：2 L；玻璃攪拌棒，數量：1個），裝置結構如圖1所示。

2.1.2實驗材料

石英砂（粒徑3～5 mm），椰殼活性炭（粒徑0.8～2 mm），改性纖維球（粒徑30～35 mm），鐵礦石（粒徑3～5 mm），EPS泡沫（粒徑1～2 mm）。

2.1.3人工雨水的配置

對近期河岸附近集流面雨水進行采集并檢測其SS濃度，測得SS濃度范圍為150～400 mg/L，因此用蒸餾水+干燥的粘土顆粒配置人工雨水，SS濃度梯度為150 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L[5]。

2.2實驗步驟與方案

2.2.1實驗基本運行原理

將配置好的人工雨水倒入容量瓶中，并用玻璃攪拌棒不斷攪拌，防止人工雨水中SS沉淀。將濾料放至篩筒中壓實，利用蠕動泵將容量瓶中的人工雨水抽往濾料進行過濾，連續進水后檢測出水的SS濃度，計算出濾料對人工雨水中SS的去除率，最后得出實驗參數。

2.2.2實驗方案

具體實驗方案如表1所示。

3實驗結果與分析

實驗方案見表1，第一組實驗結果如表2所示，第二組實驗結果如表3所示，第三組實驗結果如表4所示。

3.1第一組實驗

從表2中數據可以看到，5種濾料對SS的去除效果各不相同，按照濾料對SS去除率大小排列依次為鐵礦石、石英砂、改性纖維球、EPS泡沫、椰殼活性炭。鐵礦石和石英砂由于質量較重，粒徑較大，且不會出現進水后的漂浮現象，對雨水中的SS過濾效果較好，去除率約在70%～80%，明顯優于其他3種濾料；改性纖維球體積較大，纖維遇水后可以吸收大量水分，故對SS也有較好的過濾效果，去除率約為50%～55%；EPS泡沫濾料表面光滑、質量較輕，且粒徑小，進水后容易產生漂浮現象，吸附能力較弱，故對SS的過濾效果較差，去除率約在30%；椰殼活性炭去除率為0%，是因其表面的碳顆粒在實驗中易被進水沖刷到燒杯中，故出水中的SS濃度大量增加，無法準確檢測出其去除率，不代表其沒有吸附能力，所以椰殼活性炭對SS的去除率指標在本實驗中無法與其他濾料形成對比。

3.2第二組實驗

從表3中數據可以看到，濾料層厚度的增加與SS去除率呈正相關。濾料層厚度在24～48 cm之間時，SS去除率增長速率較快；但濾料層厚度在48～60 cm之間時，SS去除率的增長速率大幅度降低，去除率無明顯變化，均為90%左右。可見在此厚度區間內組合濾料對SS的過濾效果已經接近極限，趨于平穩。對SS的去除率達到極限時的組合濾料層準確值還有待進一步確定。

3.3第三組實驗

從表4中數據可以看到，隨著進水流速的減小，組合濾料對SS的去除率逐漸增加。因為進水流速越小時，人工雨水對濾料的沖力越小，SS就越容易被組合濾料吸附，故除去效果越好。但在進水流速為12 mL/min時的去除率雖較3 mL/min時有所降低，但也具備較好的過濾效果，去除率達到90%左右。在一些需要短時間對徑流雨水的SS進行過濾的雨水過濾系統中，宜采用控制較大的進水流速。

4結論

石英砂、鐵礦石對徑流雨水中SS過濾效果較好，除去率可以達到70%～80%；改性纖維球對SS也有良好的過濾效果，除去率為50%～55%。這3種濾料適合作為簡易雨水過濾系統中的濾料。另外，濾料層厚度的增加和進水流速的減小對SS的去除都有顯著的效果，濾料層厚度在48 cm和60 cm時的過濾效果最佳，進水流速在3 mL/min時過濾效果最佳，這些參數可以為后續過濾裝置的設計提供參數依據，并做進一步改善。本實驗仍然存在諸多不完善之處，如對SS的去除率達到極限時的濾料層厚度準確值、組合濾料與單種濾料對SS去除效果的對比，都將在后期的加強實驗中加以確定。endprint

參考文獻：

[1]

中華人民共和國水利部.2015年中國水資源公報[R].北京：中華人民共和國水利部，2015.

[2]Jun Ho Lee，Ki Woong Bang.Characterization of urban storm water runoff[J].Water Research，2000，34（6）：1773～1780.

[3]韓易. 基于“總量控制”的城市徑流污染模擬及生態化處理技術研究[D]. 重慶：重慶大學， 2010.

[4]喬建生，黃顯懷，吳亞男.果殼濾料處理初期雨水性能試驗研究[J].安徽建筑工業學院學報，2012，20（3）：77～79

[5]谷唯實. 一種簡易的新型雨水過濾裝置的小試實驗分析[J]. 環境科學導刊， 2015， 34（6）： 55～61.

Study on the Effect of Using Composite Filter Materials to Filter Suspended Solid in Rainwater

Xue Xiaorui， Wu Jian， Chen Fu

（College of Water Resources and Hydropower Engineering， Sichuan Agricultural University，

Yaan， Sichuan， 625014， China）

Abstract： This paperanalyzedremoval rate for different concentration of suspended solid（SS） on artificial rainwater and designed an experimental device to filtrate the SS in rainwater runoff. Then， it came to a conclusion for the influence of the kind of filter material， the thickness of filter material and the water flow velocity. The experiment result showed that iron ore， quartz sand and fiber ball had good effect on filtrating the SS in rainwater runoff. Usingthese three filter materials as the combination filter，the thicknesses of composite filter materials are 48cm and 60cm. This experimental device has best effect to filter SS when the water flow velocity is 3ml/min.

Key words： rainwater filtration； rainwater runoff； concentration of suspended solidendprint