城市雨水资源化处理与水环境改善研讨.docx
- 文档编号:12392581
- 上传时间:2023-04-18
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:1.03MB
城市雨水资源化处理与水环境改善研讨.docx
《城市雨水资源化处理与水环境改善研讨.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《城市雨水资源化处理与水环境改善研讨.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
城市雨水资源化处理与水环境改善研讨
城市雨水资源化处理与水环境改善研讨
王宝贞1王琳2王淑梅3
1哈尔滨工业大学水污染治理研究中心;2中国海洋大学环境科学与工程学院;
3中国科学院城市环境研究所
前言
我国在污水再生与利用方面已取得了长足的进步,尤其是北京可与美国加州的污水再生回用媲美。
例如,北京将市区现有的9座城市污水处理厂全部建造再生水厂,对二级出水进行深度处理,使最后出水达到地表水环境质量IV类标准,并将再生水用作市区主要河流的补给水源。
北京市区污水再生回用工程实施后,市区污水处理率达到90%,污水再生回用率达到50%,可以替代大量清水资源,每年可为此提供6亿m3再生水源。
不仅使市区清河、坝河、凉水河、护城河等22条全长约245km河道维持充盈的水面,而且还为圆明园、奥运公园、朝阳公园等14处公园水面补充了新的水源,大大改善城市河湖水环境[1~3]。
深圳、天津、石家庄等城市也在加速污水再生水厂的规划、建设和运行[4~7]。
但是,对城市雨水径流的收集、处理、净化与利用,无论是从城市水体污染防治还是从城市水资源开发利用来看,至今仍未受到应有的重视,其研究和工程实践都远远落后于国际先进现况。
国内外城市排水工程的实践证明,任何城市只普及城市污水处理而不重视和实施雨水径流的处理和利用,是不能根本消除城市水体污染的。
国外一些城市的调查统计数据表明,在城市污水普及二级处理后,其河流的BOD污染负荷的40%-80%来自雨水径流[11,12]。
我国一些城市的污水处理率现已达到90%,但是,其一些河流仍然污染较重,属于劣V类水质。
其根本原因就在于雨水径流不经任何处理便排入附近河流。
我国雨水利用虽然历史悠久,但主要用于缺水地区的农村。
如甘肃、宁夏等省、区实施的“雨水集流工程”、“水窖工程”,内蒙古实施的“集雨节水灌溉工程”和陕西省实施的“甘露工程”等雨水集蓄利用工程,都产生了明显的经济效益和社会效益。
城市雨水治理,不仅是雨水资源利用和节约用水,还包括减轻城区雨水洪涝灾害、减缓地下水位的下降、控制雨水径流污染、改善城市水环境等多重作用。
其内容涉及城市雨水径流的汇集和处理,以及消除或减轻雨水径流对城市水体的污染;雨水处理净化后作为生态、景观用水、地下水和地表水补给水源和饮用水源的综合利用;采用各种渗透设施将雨水回注地下,以减少雨水管道的管径和数量,和削减对城市水体的污染负荷;城市生活小区雨水收集、净化与利用以改善生态环境和景观等。
城市雨水治理是一项内容广泛的的系统工程。
目前我国城市雨水的治理仅限于雨水的少量收集与有限的利用,如浇洒绿地、人工湖补水等[13,14]。
雨水的收集利用率很低,绝大部分雨水径流仍然通过雨水管道不经任何处理就直接排入附近水体而造成严重污染。
令人欣慰的是,我国一些学者做了一定的城市雨水综合治理的研究,提出了建设性的建议和设想[15~17]。
但是在工程实践方面远远落后于污水处理、再生与利用。
1.雨水应作为重要的水资源予以回收、净化和利用
雨水属轻污染水,有机物含量低,溶解氧接近饱和,钙含量低,总硬度小,易于处理,处理后可用作饮用水、生活杂用水、工业用水等,比生活污水再生更简易和经济,其处理流程简单,水质可靠,细菌和病毒的污染轻,经处理或净化的雨水其公众接受性强,能有效缓解水资源的短缺,是重要的开源措施,可在很大程度上缓解我国水资源短缺的现状。
我国地下水开采过度导致地下水水位大幅下降,如能将雨水收集处理后回注地下,不但对暴雨洪水的水量起到调蓄作用,削减洪涝灾害,同时还能补充地下水。
雨水的收集、处理净化与利用将开辟一种新的水资源,既消除或减轻了当地水环境的污染,也缓解了水资源的短缺。
2000年在斯德哥尔摩召开的世界水大会宣言中,特别强调雨水资源的回收利用,将其称为“蓝色水资源”,而将污水再生称为“绿色水资源”。
1.1居住小区的雨水收集、净化与利用
雨水收集和利用的最切实可行的做法,就是在各个居住小区设计和建造完全和完善的分流制排水系统,即雨水径流收集、净化与利用系统和污水收集、处理和利用系统。
德国柏林市居民小区的雨水收集、处理与利用系统值得借鉴。
由图1、2可见,该小区建筑物屋
图1德国柏林生活小区雨水收集净化与利用系统示意图
图2德国柏林市雨水收集净化与利用系统平面图
(蓝色方块代表雨水收集站,蓝色管线为雨水收集管线,红色管线为雨水回用管线)
顶收集的雨水经雨水竖管进入街道雨水收集管;不透水的广场和街道地面收集的雨水也进入街道雨水收集管。
它们都流入建筑物内地下的储水池中,用泵将其中的雨水送到楼顶或上层的花园中;不透水的广场和街道地面收集的雨水也进入街道雨水收集管。
它们都流入建筑物内地下的储水池中,用泵将其中的雨水送到楼顶或上层的花园中,在流经花坛时,类似于人工湿地的原理,通过土壤过滤、土壤微生物的分解和同化代谢以及植物根系的吸收等途径对雨水进行净化[18]。
净化水自流入底层的清水储存池中,用水泵抽送用于冲洗厕所和浇洒绿地等[19]。
1.2单户家庭雨水利用
德国是世界上发达国家之一,人民生活水平较高,许多住房为独门独户的单户家庭。
其雨水利用技术也非常成熟。
一般模式是将屋顶雨水通过雨漏管收集,通过分散或集中过滤除去径流中颗粒物质,然后将水引入蓄水池储蓄,再通过水泵输送至用水单元(见图3)。
一般用于冲洗厕所或灌溉绿地等。
图3德国单户住房雨水收集、储存与净化利用系统示意图
(右图为雨水径流旋流筛网过滤器)
图4澳大利亚建筑雨水回用系统[20]
在严重缺水的澳大利亚,也有许多雨水收集与利用系统,并已开发出了适于以建筑物或建筑群为处理单元的建筑水回用系统,系统是将雨水和地下水作为饮用水源,采取就地取水的方式,将雨水和地下水经处理后作为饮用水供给住宅建筑物内的用户(见图4);将其中卫生间排出的冲厕废水经粪便分离收集后与洗浴废水混合作为灰水(中水处理的水源),经过灰水处理系统的出水(中水)送至建筑顶部的消防水及中水储水池中,以提供建筑内的消防用水和中水;建筑顶部收集的雨水和不透水地表径流雨水经处理后排入地下水层,补给地下水以保持供饮用水处理系统水源水量的充足和稳定。
1.3大型建筑物的雨水收集、净化与利用实例
德国长期致力于雨水利用技术的研究与开发,已成为世界上雨水利用技术最先进的国家之一;从规划、设计到应用,不但形成了完善的技术体系,而且制定了完整的法规和管理规定[17]。
(1)柏林波斯坦广场
波斯坦广场是东西德统一后兴建的欧洲最大的商业区,总投资约为80亿德国马克,日本索尼、德国奔驰汽车等世界知名公司均在此建有中心或办公总部。
由于柏林市地下水位较浅,因此要求商业区建成后既不能增加地下水的补给量,也不能增加雨水排放量。
为此,开发商对雨水利用采用了如下方案:
对适于建设绿地的屋顶全部建成绿色屋顶,利用绿地滞蓄雨水,一方面延缓径流的产生,起到防洪作用,另一方面增加雨水的蒸发,增加空气湿度和改善生态环境;对不宜建设绿地的屋顶,将屋顶雨水通过雨水管道,经排除初期径流和过滤后引入地面蓄水池,建造水景。
水景与位于楼宇地下室的泵站相连,形成循环流动水流。
泵站前设水质自动监测系统,若水流水质不能满足要求时,要先进入处理系统,处理达标后再进入循环系统;若水流水质满足要求,则直接进入循环系统。
水景由三部分组成,一是涌泉状的水循环系统出口,若隐若现于水生植物之中;二是两个面积为1.3万m2的地面蓄水塘,其水面有鸳鸯戏水,水中有金鱼游动,路经此处的游人无不流连忘返;阶梯状瀑布上游与蓄水池相连,下游与泵站相连,形成循环系统。
(2)慕尼黑国际展览中心
慕尼黑国际展览中心也是近年来德国投资较大的又一大型建筑工程,总投资约2.3亿德国马克,是在原慕尼黑机场搬迁后而改建的。
由于展览中心是人员流动频繁之地,因此,这里雨水利用的总体思路是先用于构造水景,多余雨水用于回灌地下水。
为此,设计时将展览大厅屋顶的雨水收集至总库容为2500m3的地下蓄水池,经泵站输送至水面近2.5万m2的人工湖内。
湖内设高大喷泉,湖周围种植水生植物,水鸟在湖面上游弋和飞翔,与高大的展览厅交相辉映,更显现出展览中心的气派与辉煌。
蓄水池的设计标准为5年一遇洪水。
标准内降水可满足景观用水要求,超标准降水将溢流至地面渗水系统,渗透水回灌地下水。
(3)伦敦世纪圆顶雨水处理利用系统
英国泰晤士河水公司为了研究不同规模的水循环方案,设计了21世纪的示范建筑—世纪圆顶示范工程,如图5和图6所示。
在该建筑物内,每天回收水量500m3/d,用以冲洗该建筑物内的厕所,其中100m3/d为从屋顶收集的雨水。
这是欧洲最大的建筑物内的水循环设施,从面积相当于12个足球场大小的100,000m2的圆顶盖上收集的雨水,经过24个专门设置的汇水竖管进入地表水排放管中,初降雨水含有从圆顶上的冲刷下的污染物,通过地表水排放管道直接排入泰晤士河。
由于储存容积有限,收集的雨水量仅100m3/d,多余的雨水排入泰晤士河[21]。
收集的雨水首先在芦苇床中处理,这是污水三级处理中常用的一种自然处理方法,由于收集的雨水质量较好,在抽送至第一级芦苇床之前只需要预过滤。
其处理过程包括两个芦苇床,每个床的表面积为250m2和一个塘,其容积为300m3。
选用了具有高度耐盐性能的芦苇(PhragmitesAustralis),其种植密度为4株/m2。
雨水在芦苇床中通过多种过程进行净化:
在芦苇根区的细菌降解雨水中的有机物;芦苇本身吸收雨水中的营养物质;床中的砾石、砂粒和芦苇的根系起过滤作用。
芦苇床很容易纳入圆顶的景观点设计中,这是一个很好的生态主题。
其它两种水源分别为来自卫生间的灰水(Greywater)和地下水,他们分别采用BAF去除有机物和氨氮和接触氧化池去除Fe和H2S后,与净化的雨水汇合在一起在进行UF+RO的深度净化。
其最后产水回用作该建筑物的非饮用生活用水。
图5英国伦敦世纪圆顶水循环系统
图6英国伦敦圆顶雨水处理利用系统
1.4雨水径流既是城市水环境的主要污染源,又是重要的水资源
德国是雨水利用最先进的国家,不仅在居住小区、独居庭园和大型建筑物进行雨水收集与利用,其河流流域的水资源开发也极其重视雨水的汇集、净化与利用。
以德国鲁尔河管理协会(Ruhrverband)为例,为了解决鲁尔河作为整个鲁尔工业区500万人的饮用和工业用水水源,鲁尔河协会对鲁尔河流域的水量和水质进行两方面的管理和控制:
在其支流河上游建造了14座大、中、小型水库,其中上亿m3的大型水库3座,年总有效储水量4.2亿m3。
此外,不仅建造了97座城镇和社区污水处理厂,总处理污水量100万m3/d,其出水水质达到相当于我国的1A标准排入鲁尔河,还建造了512座雨水径流处理厂(2002年)(见图7),采用雨水沉淀池、雨水净化塘和地表径流人工湿地进行处理(见图8~图10),净化雨水排入鲁尔河作为其补给水源[9,17]。
由图7可见,2002年鲁尔河及其支流的水质等级分布明显好于1990年;90年有8段为IV类水体,有12段为III类水体;而到2002年没有一段为IV类水体,只有1段为IV-III类水体,有6段为III-II类水体,其余为I类和II类水体,约占河流总长度的80%。
其主要原因:
一是污水处理设施的处理能力的增大和处理效率的提高,二是雨水径流处理设施的大幅度增加(从从1990年的249座增加到2009年549座)和净化能力的增大[22-27]。
图7德国鲁尔河管理协会所辖污水处理厂和雨水处理厂发展趋势图[22-27]
A:
施工建成时照片B:
接纳雨水径流时照片
图8德国鲁尔河某一雨水处理系统(雨水沉淀池-跌水曝气槽-雨水净化塘)
图9沉淀池出水多级跌水曝气槽图10雨水净化塘及其中天鹅
1990年2002年
图11鲁尔河及其支流水水质等级分布图[22,26]
德国和欧洲其他发达国家以及北美国家都对雨水径流收集、净化与利用给予重视,无论是合流制下水道的溢流出水(CombinedSewerageOverflow,简写CSO),还是分流制的雨水管道的雨水径流,都予以收集、处理与利用,用作水资源。
这与我国片面理解与实施的分流制有很大的不同:
我们只管分流制中污水管道中的生活污水和工业废水处理,而对雨水管道,只管收集与排放,而根本不予以处理与资源利用。
由于我国城市大气污染和地面污染都较严重,其雨水径流污染比国外严重得多(见表1,表2,表3)。
如此下去,即使城市污水处理厂的污水处理普及率高达90%以上,甚至达到100%,由于未经处理的雨水径流携带大量污染物的排入,城市水体的污染就不会得到根本的改善。
我国其他城市雨水径流污染也很严重,表1为北京市雨水径流水质部分数据跟其他国家城市雨水径流水质的对比表,表2为邯郸市雨水径流水质数据表,表3为典型城市雨水径流污染物浓度。
我国一些城市的雨水径流污染的普遍规律是:
有机污染物(以COD和BOD5计量)、悬浮物(SS)和石油类的浓度相当于甚至高于生活污水,尤其是初雨水,而营养物如总氮、氨氮和总磷等浓度则低于生活污水;而且其污染程度大都明显高于国外发达国家雨水径流的污染,一些主要污染物如TSS、BOD5、COD、TP、TN等高出后者几倍至十几倍。
因此,为了解决我国城市河道、湖泊等水体污染的问题,必须重视雨水径流的处理并将其作为重要水源予以回收利用。
2合流制与分流制都应对雨水径流进行处理和利用
长期以来,我国对排水系统的合流制和分流制存在着片面的认识和工程实践,普遍认为分流制是先进的,而合流制是落后的,而且认为分流制排水系统,只需要对城市污水(包括生活污水和工业废水)进行处理,而无需对雨水径流进行处理。
这与国际尤其是发达国家城市排水体系的普遍观念与实践背道而驰。
在国际上的普遍做法是,为了保持城市或排水系统所服务区域的水环境洁净和水资源的开发利用,无论是分流制还是合流制排水系统,都要对雨水径流进行处理净化和资源化利用。
例如,德国鲁尔河管理协会所属的污水处理厂共有83座,而建造和运行的雨水径流处理厂则多达512座(2002年),而且雨水处理设施逐年呈正比迅速上升(见图10),经处理净化后排入鲁尔河及其支流的水库或河道中,作为饮用水和景观用水的补给水源之一。
欧洲和北美,其合流制下水道雨季不仅截流相当于污水流量1-3倍的雨水径流并予以处理,而且还对溢流出水进行处理与回收利用。
外国尤其是发达国家一些城市的河流和湖泊洁净与美观,不仅依靠高的污水处理率,还要依靠高的雨水径流处理率。
我国许多城市即使污水处理率已高达90%以上,甚至出水达到1A或1B标准,但市区水体污染仍较严重,原因主要在于对雨水径流未做任何处理。
由于我国城市的地面、屋顶和大气污染都比国外发达国家严重,雨水径流的污染负荷要比国外发达国家高出数倍。
污染严重的雨水径流不经处理排入城区河流或湖泊必将造成严重的污染。
因此,我国城市的排水系统,无论是分流制还是合流制,都要对雨水径流进行认真的处理、净化与回收能利用。
雨水径流的最适宜处理技术是雨水径流沉淀池(或沉淀塘)、雨水净化塘、地表径流人工湿地。
装填生物膜载体填料的雨水净化塘和种植芦苇、蒲草、香蒲等挺水植物的地表径流人工湿地,都能高效地处理从含较高浓度污染物的初期雨水径流到低浓度的后期雨水径流。
活性污泥工艺与系统只能有效处理浓度较高污水,如BOD5≥100mg/L,COD≥150mg/L等,而净化塘和人工湿地则可处理BOD5≤20mg/L、COD≤50mg/L的后期雨水径流,并使最后出水达到地表水环境质量标准(GB3838-2002)的III-IV类标准,并可作为生态景观、浇洒绿地、工业用水、甚至饮用水源等多用途的水资源予以利用。
3.结论
雨水径流应作为城市水体的主要污染源和主要的水资源之一来对待和处理。
无论是分流制或还是合流制排水系统,都应对雨水径流(尤其是污染重的初期雨水径流)进行处理、净化和利用,实现雨水的资源化。
雨水径流的有效处理技术是:
雨水沉淀池或沉淀塘、雨水净化塘和地表径流人工湿地。
在有条件的地方,应尽量建造塘-湿地生态系统来对污水处理厂的二级出水和雨水径流进行深度净化。
这既可生产高质量的出水(其水质达到地表水环境质量IV-III类标准,又能减少温室气体的产量和排放量,因为塘-湿地处理系统通过藻类和其他水生植物的光合作用能使CO2转化成初生态氧。
因此,多级塘和人工湿地组合系统,能同时去除污水的COD(BOD)和CO2温室气体,这与活性污泥和生物膜等常规污水处理系统运行时在去除COD的同时产生大量的CO2不同,是环境友好的污水和雨水处理系统。
城市河流、湖泊和水库,其主要污染有二;一是有机物降解的生物耗氧污染,导致厌氧腐败使水体发黑发臭;二是营养物导致的富营养化,导致水体水华变绿发臭。
目前对有机物(COD和BOD)去除易于实现,而营养物的去除相对困难。
目前许多污水处理厂在运行中其出水的总氮、氨氮和总磷很难同时达标。
而城市淡水水体的富营养化的限制营养物是磷而不是氮,因此,城市水体富营养化的防治和污水处理厂出水应把重点放在磷的控制上;只要水体中的TP≤0.01mg/L,即是氨氮和总氮浓度各在10mg/L左右,水体也不会发生富营养化。
北京奥林匹克湖的再生水和雨水补给的实践就是最好的证明。
如果污水处理厂出水直接排入近海,则限制性营养物是氮而不是磷,则该处理厂的运行应重点控制总氮和氨氮的排放浓度,使指达标排放,否则就会发生赤潮。
表1、各国雨水径流中污染物含量统计
地区
雨水
类别
TSS
BOD
COD
TP
TKN
Cu
Pb
Zn
美国
城市
径流
100-300
9-15
65-450
0.33-0.7
1.5-3.3
0.034-0.093
0.14-0.35
0.16-0.5
加拿大
城市
径流
1-36200
7-2200
0.01-7.3
0.0006-26
0.0007-22
法国巴黎
屋顶
径流
3-304
1-27
5-318
0.003-0.5
0.016-2.8
0.8-38.06
庭院
径流
22-490
9-143
34-580
0.013-0.05
0.049-0.225
0.057-1.6
街道
径流
49-498
15-141
48-964
0.027-0.2
0.071-0.5
0.246-3.8
韩国清州
居民区
145.8-414.1
76.2-125.3
211.2-226
1.21-2.85
4.46-6.81
商业区
278.7
168.8
501.4
1.88
14.1
工业区
88.3-139.8
34.2-58.8
50-118
1.3-2.6
3.6-7.2
德国
庭院
径流
22-490
9-143
34-580
0.013-0.05
0.049-0.225
0.057-1.6
路面
径流
46.6-118.5
0.25-0.75
1.3-2.95
北京城区
屋顶
径流
68-272
61-656
0.75-0.94
8.0-14.8
0.04-0.09
0.47-1.11
街道
径流
367-1468
291-1164
0.87-3.48
5.6-22.4
0.05-0.2
0.61-2.46
比德国高的倍数
屋顶*
径流
1-20
-
1.8-11
3.8-7.5
1.5-2.2
<0.3-
<0.5
街道
径流**
3.7-4.9
-
6.3-9.8
3.5-4.6
4.3-7.6
≌1
0.7-2.6
表2邯郸市雨水径流污染物分析数据
指标mg/L
COD
SS
TP
TN
酚
氯化物
石油类
硫酸盐
Pb
Zn
街道
546.4
759
0.13
7.86
0.00
11.79
12.86
69.82
0.36
1.08
沥青
屋面
1421
516.2
0.43
13.1
0.1
107.2
21.6
86.4
0.216
1.36
表3我国典型城市雨水径流污染物浓度特征[28]
指标
COD
SS
TP
TN
Pb
Zn
北京
1220.00
1934.00
5.60
13.00
0.30
1.76
上海
748.70
1731.36
1.01
3.12
深圳
224.14
571.15
2.04
5.22
珠海
77.51
569.34
0.48
4.96
广州
350.00
336.30
0.45
11.74
0.10
2.17
参考文献
[1]“北京启动再生水利用计划改造污水厂”,21世纪经济报,2009-05-14;.
[2]“北京:
再生水利用量首超地表水”中国水利网站,2009-02-20;.
[3]李玉兰“奥运湖水的“再生”过程—北京市清河污水处理厂采访侧记”光明日报2008-07-24;
[4]“深圳市2020年将新建设再生水厂17座”,《深圳水战略研究》2007-8-2;
[5]“深圳7年内建五座再生水厂保障7条河景观用水”《深圳特区报》2003-11-22;
[6]天津加快污水处理项目建设新建15座再生水厂,[我的钢铁]2007-08-30;
[7]“利用污水资源建成3座再生水厂”,《石家庄市污水再生利用工程规划》2003-12-8;
[8]Metcalf&Eddy:
WaterReuse:
Issues,TechnologiesandApplications,Chapters1and2.byT.Asanoetal.,McGrawHill,NewYork,Chicago,SanFransisco,etal,2007;
[9]TakashiASANO,“WastewaterReclamationandReuse”,Techno,icPublishingCo.Inc.Lancaster-Basel,Chapter1,1998;
[10]Crook.J.,T.Asano,andM.Mellor.GroundwaterRechargewithReclaimedWaterinCalifornia.WaterEnvironm.Tech,1990,2(4):
42-49.
[11]G.Chebbo,CharacterisationofUrbanRunoffPollutioninParis.WatSciTech.1999,39
(2):
1~8;
[12]AWWA.ModelingthePossibleUtilizationofStormwaterandWastewaterwithinanUrbanCatchment.AWWA.17thFederalConvertion.1997,65~72;
[13]“方兴未艾的城市雨水利用”<中国水利报> 2005-08-31;
[14]刘月月“北京市将重点建设300处雨水利用设施”中国建设报2006-06-01;
[15]车武,李俊奇.从第十届雨水利用大会看城市雨水利用的趋势.给水排水,2002,28(3):
12~14;
[1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 城市 雨水 资源 处理 水环境 改善 研讨