多層橫流滲濾床對西安渾濁景觀水體的除濁效果

任勇翔,黃凱迪,高衛(wèi)榮,楊 壘,劉 洋,張瓊?cè)A,王曉昌

(1.西安建筑科技大學國家級環(huán)境類專業(yè)教學實驗示范中心,陜西 西安 710055;2. 陜西省環(huán)境工程重點實驗室，陜西 西安 710055; 3.甘肅信合工程設計有限公司,甘肅 慶陽 745000)

西安位于我國西北地區(qū)，地處黃土高原邊緣，是典型的資源型缺水城市，景觀用水短缺.西安及周邊地區(qū)的景觀水體受當?shù)刈匀粭l件影響較大[1]，泥沙含量高，水體濁度較大，嚴重影響了城市水體的景觀效果.

渾濁景觀水體的除濁，一般分為物理、化學、生物及生態(tài)修復等方法[2].物化強化處理能夠取得立竿見影的效果，但往往局限于面積較小水域[3].國內(nèi)外對生物及生態(tài)修復法研究較多，尤其是人工濕地法.王文東等[4]在利用表流-潛流人工濕地凈化西安某景觀湖時發(fā)現(xiàn)，濁度去除率可達80%以上.美國佛羅里達洲的Apopka湖利用潛流濕地去除湖中的懸浮物，去除率也達到了85%以上[5].但人工濕地水力負荷較低，占用土地面積大[6],尤其在處理泥沙等無機物含量較大的景觀用水時，常在短時間內(nèi)即發(fā)生堵塞，這些都限制了其在西安地區(qū)景觀水體除濁的應用.近年，人工滲濾系統(tǒng)在景觀用水除濁領域的應用逐漸增多，韓蕓[7]等在寶雞利用岸邊型滲濾系統(tǒng)處理景觀水體中懸浮物，去除率達81.1%，但存在易堵塞、運行穩(wěn)定性差等現(xiàn)象.在西安、咸陽等地建立的滲濾系統(tǒng)也存在類似問題，因此急需開發(fā)一種高效穩(wěn)定的景觀水體除濁處理技術(shù).

本研究通過橫流滲濾床豎向分層和多點進水，考察其對濁度的去除效果以及滲濾床孔隙率變化情況，旨在大幅提高滲濾床的產(chǎn)水量并延長滲濾床的使用周期，為西安及類似地區(qū)渾濁景觀水體高效穩(wěn)定除濁提供一條新的技術(shù)途徑.

1 試驗裝置及方法

1.1 原水水質(zhì)

1.2 試驗裝置

供試滲濾床共分三組，分別裝填不同粒徑的礫石，粒徑分別為10～30、5～10、2～5 mm.試驗裝置(采用豎向三級分層串聯(lián)橫流滲濾工藝)如圖1所示.原水通過1號進水管進入滲濾床，從第一層橫流滲濾床末端隔水擋板處翻越流出，出水與2處進水管的原水混合流經(jīng)第一級豎流與第二層橫流滲濾床于末端翻越流出，出水與3處進水管的原水混合流經(jīng)第二級豎流處與第三層橫流滲濾床于出水口流出系統(tǒng).試驗裝置表層水力負荷為0.5 m3/(m2·d)，各尺寸詳見圖1，寬度為35 cm.

1.3 分析項目及方法

圖1 多層橫流滲濾床裝置(單位：cm)Fig.1 Diagram of a multi-layer cross flow infiltration bed (unit: cm)

2 結(jié)果與分析

2.1 滲濾床產(chǎn)水量及水力停留時間

將某一固定厚度的滲濾床分為不分層單點進水和多層多點進水兩種形式，在相同表面積和表面水力負荷q為0.5 m3/(m2·d)時，計算不分層和多層時滲濾床的產(chǎn)水量以及水力停留時間.滲濾床等分為n層,每層厚度為h.表層流量:Q表=q·A；水力停留時間T=V·ε/Q.V為滲濾床的體積；ε為孔隙率，分別為46%、38.5%、33%；A為滲濾床表面積.為保證之后大、中、小三組粒徑滲濾床的每層壓力傳遞，在每層橫流末端設置擋板以提高出水口高度h(h≥hfmax，hfmax為最大延程水頭損失).根據(jù)達西定律，當滲濾床等分為n層時，n-1個豎流處增加水量均為Q豎=KFh/L，總產(chǎn)水量為,Qn則：

(1)

忽略豎流部分水力停留時間，第a層進水水力停留時間為Ta(其a=1、2…n),則：

(2)

其中:Vn為滲濾床各層體積；K為滲透系數(shù)，三組濾料的滲透系數(shù)分別為125 m/d、99 m/d、55 m/d；F為過水斷面面積；L為滲濾床橫流段長度.

根據(jù)公式(1)、(2)，及各組滲濾床的初始條件，三組滲濾床在分三層和不分層情況下的理論產(chǎn)水量和水力停留時間計算表如表1所示.

表1 滲濾床不同分層數(shù)產(chǎn)水量及水力停留時間

由表1推導計算結(jié)果可知，在滲濾床豎向分層數(shù)為3，多點進水時，其產(chǎn)水量分別為不分層的2.7、2.4、1.7倍，滲濾床產(chǎn)水量大幅增加.另外，由于產(chǎn)水量增加導致二、三層進水水力停留時間減少，但豎向分層有效延長了表層進水的水力停留時間.

2.2 不同粒徑滲濾床對濁度的去除

圖2反映了三組滲濾床在不同粒徑、不同季節(jié)進出水濁度的變化.三組滲濾床對濁度的去除效果均較好，雖然進水濁度高達200 NTU左右，但出水濁度在不同季節(jié)都相對穩(wěn)定，滲濾床的平均出水濁度分別為31.15 NTU、9.59 NTU、5.37 NTU，平均去除率分別達到85.09%、95.34%、97.41%，略高于韓蕓等[7]在濾料為2 mm左右粗砂的岸邊型滲濾系統(tǒng)的除濁效率，也明顯高于傳統(tǒng)濾池未經(jīng)混凝處理時50%～80%的濁質(zhì)去除率[10].可以看出，三組粒徑不同的滲濾床均有較高的濁度去除率，填料粒徑越小，去除率越高.滲濾床對濁度的去除主要是通過濾層填料對無機懸浮顆粒的截留吸附作用，濾料表面附著的微生物所分泌的粘性物

圖2 不同粒徑滲濾床對濁度的去除效果Fig.2 Turbidity removal of infiltration bed with different particle sizes

質(zhì)對懸浮顆粒也具有一定吸附作用[11].還有，進水濁度由黃土和腐殖酸配置而成，雖然人工配水中有大量溶解態(tài)和膠體態(tài)物質(zhì)，但是如圖2所示三組滲濾床均有較高的濁度去除效果，表明采用該分層橫流滲濾床對溶解態(tài)及膠體態(tài)濁度物質(zhì)也能取得較好的去除.

2.3 不同層滲濾床對濁度的去除

表2 不同層滲濾床對濁度的去除效果

由表2可見，三組滲濾床各層對濁度均有較好的去除效果，出水濁度逐層減小.由表中還可看出表層對濁度的去除效率高于二、三層，二、三層對濁度的去除效率相近.滲濾床在2、3進水口加入的原水與上層出水混合，在一定程度上稀釋了二、三層的進水濁度，同時二、三層進水水力停留時間較表層縮短，故其去除效果較表層略有下降.另外，即便豎向分層和多點進水的運行方式顯著增加了二、三層滲濾床的水力負荷，但其依然能保持較高的濁度去除效果.

2.4 滲濾床孔隙率變化

2.4.1 三組滲濾床整體孔隙率的變化

滲濾床孔隙率的變化是影響滲濾床穩(wěn)定運行的重要因素.試驗條件下，各滲濾床孔隙率下降百分比與運行時間擬合曲線如圖3，其中孔隙率的變化未考慮生物作用影響.對三組滲濾床的實測數(shù)據(jù)進行分析可以看出，滲濾床在運行過程中孔隙率都有一定程度的降低，三組滲濾床(小、中、大粒徑)孔隙率下降百分比速率分別為：5.3%/月、5.0%/月、4.2%/月.經(jīng)統(tǒng)計分析，孔隙率下降百分比與濁度的去除效率呈顯著正相關關系，相關系數(shù)r分別為0.771、0.882、0.731.考慮到中粒徑和小粒徑滲濾床對濁度的去除效果相近，且中粒徑滲濾床運行周期更長，在實際工程應用中建議采用5～10 mm粒徑碎石作為滲濾床的主要填料組成.

圖3 不同濾料粒徑滲濾床孔隙率變化Fig.3 The porosity change of infiltration bed with different particle sizes

2.4.2 三組滲濾床各層孔隙率的變化

定期對滲濾床各層孔隙率進行測定，可得到3組滲濾床各層孔隙率擬合曲線圖(圖4).由圖4可見，三組滲濾床各層均有一定程度降低，但降低的幅度各不相同.其中表層孔隙率降低速率最大，而二、三層略低且基本相同，經(jīng)統(tǒng)計分析，二、三層孔隙率下降百分比之間不存在顯著性差異(P>0.05).這主要是因為表層截留了大量的無機懸浮物，致使無機懸浮物在表層出水中濃度大幅降低，同時滲濾床在2、3進水口加入的原水與上一層的出水混合，稀釋了二三層進水中無機懸浮物濃度.而且二、三層進水水力停留時間較表層略小，也影響了其截留效率.這與王榮[12]等試驗結(jié)果相近.滲濾床相當于一個過濾器，普遍認為，截留作用使無機懸浮顆粒物的去除主要發(fā)生在滲濾床表層靠近入水口的區(qū)域[13],為滲濾床高效截留區(qū).分層式橫流滲濾床通過豎向三級分層，增加了2、3入水口，使其也成為滲濾床高效截留區(qū).根據(jù)各層孔隙率變化情況，得出各層的濁度截留貢獻度如表3，可見滲濾床豎向分層有效分擔了表層的堵塞風險.

圖4 滲濾床不同層孔隙率變化Fig.4 The porosity change of infiltration bed with different layers

滲濾床粒徑/mm表層/%二層/%三層/%10～30 36.2831.9931.735～10 39.7629.7330.512～5 54.1622.8023.04

2.5 運行周期預測

基于滲濾床填料中無機懸浮顆粒的積累而導致滲透性能的改變,Kozeny-Carman方程[14]被廣泛應用于基質(zhì)堵塞時間的預測，該方程描述了由于堵塞,填料滲透性降低隨時間變化的函數(shù)關系.

填料滲濾速率k(m/s)可表示為

(3)

式中：g為重力加速度，取9.81 m/s2; 為進水粘度，m2/s; 為固體顆?？紫堵剩籨為顆粒直徑，m; 為顆粒級配.

取v=10-6m2/s,α=10,方程可簡化為

(4)

假設出水懸浮固體濃度為0,則可得:

(5)

式中：ε(0)為填料初始孔隙率;ρs為進水中固體物質(zhì)的密度;ωc為積累在填料孔隙中固體物質(zhì)的含水率;def為填料有效粒徑;qs為單位面積滲濾床的懸浮物負荷；t為堵塞發(fā)生時間.

將方程(5)代入方程(4)可得填料滲透系數(shù)k隨時間變化關系.填料滲濾達到飽和時k(t)=Q/A=q,即填料滲透速率等于水力負荷.確定從原水進入到持續(xù)積水的這段時間為堵塞發(fā)生時間，即運行周期，根據(jù)三組滲濾床的運行情況，預測三組滲濾床堵塞時間分別為：17.75 a、8.44 a、4.91 a.靖玉明等[15]在研究潛流人工濕地處理山東黃河流域污染河水的填料堵塞問題時發(fā)現(xiàn)，運行2 a即發(fā)生了堵塞現(xiàn)象.其試驗水力負荷(0.15 m3/(m2·d))、進水SS(49.5 mg/L)均低于本研究，填料粒徑(20～40 mm)大于本研究，且濕地表層種植的植物也會對延緩填料堵塞發(fā)揮重要作用.與本研究相比，在諸多有利條件下，上述濕地仍大大快于分層滲濾床發(fā)生堵塞，因此，豎向分層和多點進水的運行方式可大幅延長滲濾床的使用周期.

2.6 滲濾床對水中主要污染物的凈化效果

運行期間，滲濾床對水中主要污染物的凈化效果變化如表4所示.

表4 滲濾床對主要污染物的凈化效果

3 結(jié)論

綜合考慮三組滲濾床孔隙率變化及濁度的去除效果，建議在實際工程應用中采用5～10 mm粒徑碎石作為滲濾床的主要填料組成.滲濾床豎向分層有效分擔了表層的堵塞風險，豎向分層和多點進水的運行方式可大幅延長滲濾床的使用周期,但用于景觀水體除濁時，仍需對滲濾床運行方式進行優(yōu)化.