组合滤料对径流雨水中悬浮固体过滤效果的研究

薛晓睿　吴键　陈富

摘要：对人工雨水中不同浓度的悬浮固体（SS）去除率进行了试验分析，并设计了一种对径流雨水中SS进行过滤的装置，得出了滤料种类、滤料层厚度和进水流速对雨水中SS去除率的影响。结果表明：铁矿石、石英砂、改性纤维球三种滤料对径流雨水中SS的过滤效果较好，并用这三种滤料作为组合滤料，发现在组合滤料厚度为48 cm和60 cm、进水流速为3 mL/min的情况下该装置对SS的过滤效果达到最佳。

关键词：雨水过滤；雨水径流；SS浓度

中图分类号：X52

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）20003803

1引言

我国是缺水严重的国家，人均水资源量为2033 mm3，仅为世界人均水平的23%[1]。而雨水作为地球上最直接和最经济的淡水资源，越来越受到人们的重视。在大雨时，径流会迅速汇集造成大面积的地面积水，对地表和管道沉积物的冲刷，使径流的污染负荷成倍增加，严重危害人们的生活和城市水质安全[2]。雨水过滤系统不仅可以减少雨水的径流量，并且可以将收集到的径流水体污染物总量降低[3]。

SS是径流雨水主要污染物之一，常见的SS过滤方法有沉淀法、混凝法、膜分离法、虹吸法等。这些雨水收集和过滤方法运行成本较高，技术复杂，占地面积大，只适合在工业生产中使用，在市面上难以普及。而在农村的雨水利用中，只需要使用简易雨水过滤系统对雨水中的SS进行有效收集并过滤，即可满足人们一定程度上的用水需求。用简单滤料组合而成的雨水过滤装置可操作性强，易于控制，且安装和运行成本低，在农村普及的可行性高。

石英砂、活性炭、铁矿石、改性纤维球、EPS泡沫颗粒都是生活中常用的净化水质的滤料，可在市面上购买。本实验通过选取不同粒径的以上5种滤料进行测试，分析每种滤料过滤雨水中SS的效果，并选出其中3种过滤效果最佳的滤料进行组合，并得出该组合滤料的最佳过滤层厚度、最佳进水流速等参数[4]。

2实验设计

2.1实验装置和材料

2.1.1实验装置

雨水过滤实验装置一套（包括KCP3-X蠕动泵，流速范围：2.6～41.5 mL/min；40目检验筛筒，数量：3个，每一个高20 cm；烧杯，容量：500 mL；容量瓶，容量：2 L；玻璃搅拌棒，数量：1个），装置结构如图1所示。

2.1.2实验材料

石英砂（粒径3～5 mm），椰壳活性炭（粒径0.8～2 mm），改性纤维球（粒径30～35 mm），铁矿石（粒径3～5 mm），EPS泡沫（粒径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进行采集并检测其SS浓度，测得SS浓度范围为150～400 mg/L，因此用蒸馏水+干燥的粘土颗粒配置人工雨水，SS浓度梯度为150 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L[5]。

2.2实验步骤与方案

2.2.1实验基本运行原理

将配置好的人工雨水倒入容量瓶中，并用玻璃搅拌棒不断搅拌，防止人工雨水中SS沉淀。将滤料放至筛筒中压实，利用蠕动泵将容量瓶中的人工雨水抽往滤料进行过滤，连续进水后检测出水的SS浓度，计算出滤料对人工雨水中SS的去除率，最后得出实验参数。

2.2.2实验方案

具体实验方案如表1所示。

3实验结果与分析

实验方案见表1，第一组实验结果如表2所示，第二组实验结果如表3所示，第三组实验结果如表4所示。

3.1第一组实验

从表2中数据可以看到，5种滤料对SS的去除效果各不相同，按照滤料对SS去除率大小排列依次为铁矿石、石英砂、改性纤维球、EPS泡沫、椰壳活性炭。铁矿石和石英砂由于质量较重，粒径较大，且不会出现进水后的漂浮现象，对雨水中的SS过滤效果较好，去除率约在70%～80%，明显优于其他3种滤料；改性纤维球体积较大，纤维遇水后可以吸收大量水分，故对SS也有较好的过滤效果，去除率约为50%～55%；EPS泡沫滤料表面光滑、质量较轻，且粒径小，进水后容易产生漂浮现象，吸附能力较弱，故对SS的过滤效果较差，去除率约在30%；椰壳活性炭去除率为0%，是因其表面的碳颗粒在实验中易被进水冲刷到烧杯中，故出水中的SS浓度大量增加，无法准确检测出其去除率，不代表其没有吸附能力，所以椰壳活性炭对SS的去除率指标在本实验中无法与其他滤料形成对比。

3.2第二组实验

从表3中数据可以看到，滤料层厚度的增加与SS去除率呈正相关。滤料层厚度在24～48 cm之间时，SS去除率增长速率较快；但滤料层厚度在48～60 cm之间时，SS去除率的增长速率大幅度降低，去除率无明显变化，均为90%左右。可见在此厚度区间内组合滤料对SS的过滤效果已经接近极限，趋于平稳。对SS的去除率达到极限时的组合滤料层准确值还有待进一步确定。

3.3第三组实验

从表4中数据可以看到，随着进水流速的减小，组合滤料对SS的去除率逐渐增加。因为进水流速越小时，人工雨水对滤料的冲力越小，SS就越容易被组合滤料吸附，故除去效果越好。但在进水流速为12 mL/min时的去除率虽较3 mL/min时有所降低，但也具备较好的过滤效果，去除率达到90%左右。在一些需要短时间对径流雨水的SS进行过滤的雨水过滤系统中，宜采用控制较大的进水流速。

4结论

石英砂、铁矿石对径流雨水中SS过滤效果较好，除去率可以达到70%～80%；改性纤维球对SS也有良好的过滤效果，除去率为50%～55%。这3种滤料适合作为简易雨水过滤系统中的滤料。另外，滤料层厚度的增加和进水流速的减小对SS的去除都有显著的效果，滤料层厚度在48 cm和60 cm时的过滤效果最佳，进水流速在3 mL/min时过滤效果最佳，这些参数可以为后续过滤装置的设计提供参数依据，并做进一步改善。本实验仍然存在诸多不完善之处，如对SS的去除率达到极限时的滤料层厚度准确值、组合滤料与单种滤料对SS去除效果的对比，都将在后期的加强实验中加以确定。endprint

參考文献：

[1]

中华人民共和国水利部.2015年中国水资源公报[R].北京：中华人民共和国水利部，2015.

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

[3]韩易. 基于“总量控制”的城市径流污染模拟及生态化处理技术研究[D]. 重庆：重庆大学， 2010.

[4]乔建生，黄显怀，吴亚男.果壳滤料处理初期雨水性能试验研究[J].安徽建筑工业学院学报，2012，20（3）：77～79

[5]谷唯实. 一种简易的新型雨水过滤装置的小试实验分析[J]. 环境科学导刊， 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