雨水口截污技術(shù)發(fā)展綜述

雨水口是地面雨水排放系統(tǒng)中收集雨水的起端構(gòu)筑物，由進(jìn)水箅、井身及出水管等組成。路面上的雨水匯流經(jīng)過(guò)雨水口的收集進(jìn)入雨水管道系統(tǒng)，它不僅是城市排水管系匯集雨水徑流的銜接，還會(huì)引入城市污染物，間接影響城市交通、城市水環(huán)境、環(huán)境衛(wèi)生及人體健康。雨水徑流是造成城市非點(diǎn)源污染的主要原因之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同城市雨水徑流水質(zhì)與污染防控進(jìn)行了大量研究，如美國(guó)約有60%的河流和50%的湖泊污染與非點(diǎn)源污染有關(guān)；2010年后，北京和上海的城市雨水徑流污染占水體污染負(fù)荷的比例將分別升至約12 %與20 %；Wei等的試驗(yàn)結(jié)果顯示，地表徑流對(duì)路面多種污染物COD、TP和TSS的攜帶率高達(dá)49.2%、68.8%和41.6%，且其中約有33%～50%污染物會(huì)進(jìn)入水體。
雨水徑流攜帶大顆粒垃圾，如塑料、樹(shù)枝、泥沙等，沖刷溶解路面和屋面中的有機(jī)物、重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽、油脂等，這些污染物隨著水流進(jìn)入雨水口，通過(guò)管道排入河道，對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重威脅；另一方面，排水管道內(nèi)有機(jī)物在厭氧情況下會(huì)生成帶有強(qiáng)烈臭味的氣體，如硫化氫、甲烷、氨、硫醇等，從雨水口逸出，嚴(yán)重影響居民和行人的舒適感。
通常認(rèn)為，降雨導(dǎo)致的非點(diǎn)源污染也是許多發(fā)達(dá)國(guó)家河流、溪流和其他水域受到污染的主要原因。因此，大多數(shù)國(guó)家對(duì)雨水排放設(shè)施設(shè)立了截污要求。我國(guó)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)(2016年版)規(guī)定：“雨水口宜設(shè)污物截留設(shè)施”；我國(guó)《城鎮(zhèn)排水管渠與泵站運(yùn)行、維護(hù)及安全技術(shù)規(guī)程》(CJJ 68—2016)規(guī)定：“雨水口內(nèi)宜加設(shè)垃圾攔截、防臭裝置”。美國(guó)暴雨污染預(yù)防計(jì)劃和最佳管理措施(BMPs)實(shí)踐條例中要求，雨水口與雨水井內(nèi)應(yīng)設(shè)有截污過(guò)濾措施；英國(guó)可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(SUDS)中，其預(yù)防措施和源頭控制處在最高等級(jí)的管理級(jí)別，宗旨為盡量通過(guò)預(yù)防措施和源頭措施在小范圍內(nèi)進(jìn)行雨水截留處理，要求雨水口設(shè)置截污過(guò)濾設(shè)備。
國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量雨水口截污技術(shù)研究，針對(duì)不同污染物質(zhì)的去除方式，可將雨水口分為沉砂式、攔截過(guò)濾式、離心式、水質(zhì)型、嵌入式、除油型和防臭型等。
Part 1 雨水徑流污染物特點(diǎn)
自20世紀(jì)60年代中期，國(guó)內(nèi)外逐漸意識(shí)到降雨非點(diǎn)源污染對(duì)城市河流水體的環(huán)境造成威脅的嚴(yán)重性，并開(kāi)展了大量的降雨徑流污染物研究，包括徑流中的污染物類(lèi)型、污染物平均濃度(EMC)、初期沖刷效應(yīng)，及不同下墊面污染物類(lèi)型與特征。研究表明，雨水中通常攜帶了大量污染物，主要包括懸浮固體(TSS)、COD、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、重金屬等。此外，雨水徑流主要由屋面徑流與道路徑流組成，而屋面由于不同的材質(zhì)、坡度、暴露程度，其污染物含量和類(lèi)型也有差別。金屬屋面徑流由于屋頂和落水管的腐蝕、沖刷，常含有較多的Zn、Mn、Cu、Pb等重金屬。路面徑流則是油脂、有機(jī)物、懸浮顆粒物、重金屬等, 來(lái)源較為廣泛，路面徑流的COD、SS、TN、TP 與重金屬的平均濃度通常比非金屬屋面高，污染也更為嚴(yán)重，磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)徑流匯入水體，還會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題。
(1)大顆粒物質(zhì)。
(2)TSS。
(3)COD。
(4)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
(5)重金屬物質(zhì)。
(6)油類(lèi)、烴類(lèi)。
Part 2 雨水口截污凈化裝置
傳統(tǒng)雨水口的設(shè)計(jì)通常聚焦在其泄水能力能否滿(mǎn)足暴雨及特大暴雨時(shí)的降雨需求，但雨水口作為地表雨水徑流與地下雨水管道的銜接點(diǎn)，其截污能力的強(qiáng)弱直接影響路面的排水污染控制，故雨水口截污裝置的結(jié)構(gòu)形勢(shì)與功能對(duì)于控制排入排水系統(tǒng)的徑流雨水的水質(zhì)起到了決定性作用。大多傳統(tǒng)雨水口型式單一，缺少凈化功能。國(guó)內(nèi)外大量雨水徑流研究顯示，雨水中常攜帶了大量污染物，包括碎片、懸浮固體、沉積物、油及其他可溶和不可溶的化學(xué)污染物，若不經(jīng)過(guò)雨水口有效的攔截，而是直接匯入雨水管路，則會(huì)對(duì)河流水體造成嚴(yán)重污染。對(duì)此，為了有效地解決傳統(tǒng)雨水口存在的堵塞、泥沙分離效果不佳、臭氣外泄等問(wèn)題，從而達(dá)到更好的截污效果也成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。截至目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于環(huán)保型、除油型、防臭型等雨水口專(zhuān)利也已超過(guò)100項(xiàng)。
2.1 沉砂式雨水口
傳統(tǒng)雨水口最初截污改造方式為設(shè)置沉砂井，2005年Carl等發(fā)明了一種沉砂井雨水口(圖1)，雨水流入沉砂井，通過(guò)沉降去除懸浮顆粒，當(dāng)雨水量達(dá)到一定程度后溢流至出水管，但此裝置的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)笨重，沒(méi)有可拆卸式的過(guò)濾結(jié)構(gòu)，后期清掏污泥不便，雨水殘留易滋生臭氣。
2.2 攔截過(guò)濾式雨水口
2000年，Schilling等發(fā)明了一種襯板式雨水口。
2009年，Barragan等發(fā)明了一種雙層截污掛籃雨水，與傳統(tǒng)吊籃相比，有更好的截污能力。
2.3 離心式雨水口
2012年，婁鋒發(fā)明了一種渦輪式雨水篦子，于2015 年上海市正式投入使用。
2019年，李友皝等研究了一種新型離心式防堵塞雨水口。
2.4 水質(zhì)型截污雨水口
考慮到初期雨水污染通常成分復(fù)雜，污染物濃度高，為了能夠很好地分流初后期雨水并利用初期雨水，2014年，劉軍等提出了一種水質(zhì)型截污雨水口。
2.5 嵌入式雨水口
為了使雨水口在去除懸浮物質(zhì)之外，還可去除如重金屬和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等其他污染物，并可處理道路污染較嚴(yán)重的污水，2007年，國(guó)外研發(fā)了一種INNOLET雨水徑流處理系統(tǒng)，如圖8所示。
隨著水環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，Bio-clean公司研發(fā)并產(chǎn)品化了一種介質(zhì)型嵌入裝置。
2.6 除油型雨水口
隨著雨水截污技術(shù)的研究與發(fā)展，只去除雨水中的固體懸浮物仍然不能達(dá)到良好的截污凈化效果。國(guó)內(nèi)外逐漸開(kāi)始重視徑流中油類(lèi)和烴類(lèi)物質(zhì)的污染控制，這些污染大多來(lái)源于道路車(chē)輛的泄漏與油氈屋面的沖刷。加拿大通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收集了 1970年—1995年140份關(guān)于雨水徑流水質(zhì)的文獻(xiàn)，調(diào)查出其油類(lèi)上限值過(guò)高，且與我國(guó)北京城市道路雨水污染程度接近。當(dāng)前，雨水口主要由吸附過(guò)濾方式除油，雨水通過(guò)除油填料吸附油脂與烴類(lèi)物質(zhì)，再匯入排水管道。目前，雨水口除油在國(guó)外的相關(guān)研究較多，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，應(yīng)用前景較廣闊。
2.6.1 過(guò)濾式除油雨水口
2000年，Morris等發(fā)明了一種彎型進(jìn)水除油雨水口。