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)置截污過濾設(shè)備。
國(guó)內(nèi)外開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，并開展了大量的降雨徑流污染物研究，包括徑流中的污染物類型、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)通過徑流匯入水體，還會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化等問題。
(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、烴類。
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、防臭型等雨水口專利也已超過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，沒有可拆卸式的過濾結(jié)構(gòu)，后期清掏污泥不便，雨水殘留易滋生臭氣。2018年，楊夏軍等發(fā)明了一種雨水口內(nèi)部沉砂裝置，改善了這些問題(圖2)。
2.2 攔截過濾式雨水口
2000年，Schilling等發(fā)明了一種襯板式雨水口，如圖3所示。
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，如圖4所示。
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，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
2019年，李友皝等研究了一種新型離心式防堵塞雨水口(圖6)。
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，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。
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，如圖9所示。
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)外逐漸開始重視徑流中油類和烴類物質(zhì)的污染控制，這些污染大多來源于道路車輛的泄漏與油氈屋面的沖刷。加拿大通過互聯(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)查出其油類上限值過高，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濾方式除油，雨水通過除油填料吸附油脂與烴類物質(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，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。
為了能處理流量較大污染較嚴(yán)重的雨水，2001年，Happel發(fā)明了一種可進(jìn)行二次過濾的除油型雨水口，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。
2.6.2 嵌入式除油過濾器
為了使除油裝置更輕便，且可根據(jù)已有雨水口定制尺寸，更利于安裝與清掃，2014年，REM公司推出了一種TR多用途嵌入式雨水口過濾器(圖12)，可用于一體化收集沉淀物、垃圾、碎片、懸浮物、油類和油脂以及其他雨水污染物。
但在一些臨時(shí)應(yīng)用中，比如短期工業(yè)區(qū)域或應(yīng)急情況下，對(duì)已澆筑完成的雨水口定制尺寸、安裝嵌入式除油過濾器較不方便，Sharpless發(fā)明了一種更加方便的嵌入式除油過濾器，如圖13所示。
2.7 防臭型雨水口
雨水口截污技術(shù)發(fā)展的過程中，隨著雨水口結(jié)構(gòu)型式的不斷改進(jìn)，如何解決雨水口臭味溢出的問題也成了當(dāng)前熱點(diǎn)。污水中存在的有機(jī)物在厭氧環(huán)境下分解出硫化氫、硫醇、氨等帶有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體。這些氣體在管道內(nèi)聚集，并從雨水口進(jìn)口處溢出，嚴(yán)重影響環(huán)境與行人的舒適感，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了各種防臭型雨水口來解決這一問題。
2.7.1 擋板式防臭雨水口
為解決雨水口防臭問題，宋丹研制出一種防臭性雨水口截污裝置，其結(jié)構(gòu)如圖14所示。
為了在除臭同時(shí)加強(qiáng)去除其他污染物的效率，李兵等研究了一種攔截式預(yù)制雨水口(圖15)，主要由進(jìn)水箅、井蓋、井座、井身和攔截器等組成。
2.7.2 一體化環(huán)保雨水口
為了使防臭型雨水口結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)研發(fā)了一種一體式多功能型雨水口，其結(jié)構(gòu)如圖16所示。
2.7.3 介質(zhì)式過濾除臭雨水口
Ultra Tech公司研制并投產(chǎn)了一種可配置介質(zhì)過濾器(圖17)，可去除雨水和工業(yè)徑流中的懸浮固體、碳?xì)浠衔�、重金屬、異味等，有超過80%的泥沙去除效率。
Part 3 結(jié)論
在雨水口截污方面，針對(duì)不同類型的徑流污染物，發(fā)展出各類不同的新功能雨水口。當(dāng)需要處理徑流中的常規(guī)懸浮固體顆粒物與COD等污染物時(shí)，可用常規(guī)截污型雨水口，包括沉砂式截污雨水口、攔截過濾式雨水口、離心式雨水口、水質(zhì)型截污雨水口和嵌入式雨水口等，雨水通過新型填料過濾吸附去除相應(yīng)的污染物；或是采取一些新結(jié)構(gòu)雨水口如渦輪雨水口，通過離心力的作用去除懸浮物雜質(zhì)。當(dāng)需要進(jìn)一步去除道路的油脂與烴類污染物時(shí)，過濾式除油雨水口和嵌入式雨水口通過高聚物材料除油過濾器或特殊介質(zhì)，如火山灰介質(zhì)等，在有效去除油脂的同時(shí)，還可以去除部分重金屬污染物；一些特殊吊鏈結(jié)構(gòu)還可適用于臨時(shí)或短期應(yīng)用情況。除此之外，考慮到管道臭味逸出影響社區(qū)生活質(zhì)量，有水封式、擋板式、一體化環(huán)保式和可配置介質(zhì)過濾式除臭雨水口，通過水封、擋板隔離或介質(zhì)吸附的方式去除臭味。截污、沉砂、下滲、防臭等理念共行的一體式多功能截污雨水口是當(dāng)前研究發(fā)展的熱點(diǎn)。
過濾凈化型雨水口在德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、西班牙和荷蘭等國(guó)家均已得到了應(yīng)用。我國(guó)很多城市仍然在采用傳統(tǒng)式截污掛籃裝置技術(shù)，新型多功能式雨水口尚未完全普及。雖然上海、深圳、天津等地已設(shè)置截污雨水口示范工程，但雨水口的結(jié)構(gòu)功能、規(guī)模以及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，應(yīng)意識(shí)到在保證雨水口泄水能力的同時(shí)，針對(duì)如何兼顧截污效果深入研究。
Part 4 展望
隨著近年來內(nèi)澇頻發(fā)、海綿城市新型城鎮(zhèn)雨水管理理念的提出，雨水口設(shè)計(jì)作為排水系統(tǒng)收水的重要環(huán)節(jié)，不應(yīng)只考慮其泄水過流能力，還需同時(shí)兼顧徑流污染控制。隨著國(guó)家對(duì)非點(diǎn)源污染造成的水體威脅問題的逐漸重視，越來越多的專家學(xué)者開始深入研究徑流水質(zhì)與雨水口截污技術(shù)，雨水口截污技術(shù)正從常規(guī)的過濾截留懸浮固體顆粒物逐漸發(fā)展為可以除油、防臭等多種污染物共同去除的多功能截污形式；截污雨水口結(jié)構(gòu)上也逐漸從傳統(tǒng)的改造進(jìn)化到可定制尺寸的嵌入式截污裝置，再到提倡截污、沉砂、下滲、防臭理念共行的一體化雨水口；這些發(fā)展出來的新型雨水口可有效減少非點(diǎn)源污染，保護(hù)城市水環(huán)境質(zhì)量。另外，雨水口的海綿化改造應(yīng)多借鑒國(guó)外新型技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化的截污雨水口產(chǎn)品，在滿足基本的過流和截污能力的同時(shí)，也能為城市水環(huán)境改善和減少黑臭水體提供一定的技術(shù)支撐。
