浅谈雨水收集回收利用技术

随着城市规模的不断扩大 、城市人口的急剧增加和经济的迅速发展 , 导致需水量不断增加。大量污水的产生造成了水体污染, 加剧了水资源的短缺。 污水回用、海水淡化和雨水利用均成为城市解决水资源短缺的重要途径。其中雨水是继中水 、海水之后 , 作为“ 第三水源”加以开发利用的 。自上世纪 70 年代起 , 世界各国开始注重城市雨水利用技术的开发和应用 , 并建成了不同规模的示范工程 。 总的来说 , 雨水利用发展可分为解决生活用水的初级阶段 , 解决生产用水的 中级阶段和解决生态用 水的高级阶段 。三个阶段中雨水的收集、蓄存以及处理技术一直是雨水利用研究的重点 。

1  雨水收集利用在国内外有何不同？

1.1 雨水收集在国内的利用状况
(1)雨水利用情况我国对雨水资源的利用大多用于农业方面,  主要集中于干旱半干旱地区的人畜饮水和集雨水灌溉问题上。如 1995 年在甘肃省东部干旱地区实施了“ 121 雨水集流工程” , 在内蒙古则实行了“ 112 集雨节水灌溉工程”。 同年 6 月在北京举办了第七届国 际雨水集流系统大会。2001年水利部颁布了《雨水 集蓄利用工程技术规范》, 标志着这项技术的初步成熟。中德合作研究项目“ 北京市水资源可持续利用—城区雨洪控制及利用”已开始实施 , 并在北京水利水电学校 、双紫小区 、丰台体育场等地建立了雨水利 用的示范基地。甘肃省西海固地区、山东省长岛、西沙南沙群岛等地的雨水收集利用工程也获得良好的效益。
(2)雨水利用存在的问题我国在城市雨水资源化及其应用方面的研究尚处于起步阶段 , 缺乏较为系统的综合利用理论与实例研究。尽管一些城市, 如上海、杭州及一些北方城市已开始实施雨水资源的水量、水质监测及污染控制工作[ 3]。但总体来说, 我国对城市雨水的利用还停留在“ 控制”这一初级阶段 , 主要通过城市排水工程收集排放。我国雨水利用技术还较落后, 缺乏系统性 , 利用率比较低。在许多城市, 一方面城市生产、生活及生态环境建设缺水现象日益突出, 因缺水导致城市自然生态系统状况恶化, 被迫通过跨区域调水缓解,比如南水北调工程,带来一系列的生态问题;另一方面洪涝灾害频发,大量雨水资源流失, 比如2007 年济南的7 .18 洪水事件。如何协调二者的关系, 化害为利, 对促进城市复合生态系统的持续发展具有重要意义。

1.2 雨水收集利用在国外的利用情况
雨水收集利用已成为国际上普遍重视的课题。国外城市雨水收集利用较早,且已形成一定规模, 雨水收集利用发展比较快的有日本、德国、美国、英国、澳大利亚和瑞典等国家。德国是欧洲开展雨水收集利用工程最好的国家之一, 德国部分地区利用雨水可节约饮用水量的50 %。目前, 德国在新建小区均要设计雨水利用设施, 否则政府将征收雨洪排放设施费和雨水排放费。20世纪60年代, 日本开始收集利用路面雨水, 70年代修筑集流面收集雨水, 8年代开展了对城市雨水收集利用与管理的研究, 提出“ 雨水抑制型下水道”并纳入国家下水道推进计划, 制定相应的政策, 已有大量的工程实施。如日本福冈体育场和国技馆, 雨水收集利用面积为 25900m2, 设计雨水蓄水池总容积2900m3, 通过雨水利用每年可节约12万美元的费用[ 1] 。 英国典型的雨水收集利用工程为世纪穹顶[ 2],该穹顶安装了大型的中水回用装置,以穹顶收集的雨水作为建筑内的厕所冲洗用水, 提供 100m³的回用水。该处理系统利用自然的方式有效的预处理了雨水, 同时很好地融入到穹顶的景观中。以色列由于干旱, 雨水资源的利用率高98%。另外,美国、加拿大、阿富汗等国家的雨水利用也卓有成效。

2  雨水收集利用的模式

目前城市雨水利用收集技术主要有三种:屋顶雨水收集、城市路面雨水利用和城市绿地、花坛和园林雨水集蓄。

2.1 屋顶雨水收集利用工程模式
将屋顶雨水收集并储存于地下或地面的蓄水池, 经简单处理后直接用于浇花、冲洗厕所或者洗车等用途。该设备安装和使用都很方 , 已在德国等国家得到了广泛的应用, 屋顶雨水的收集利用要比城市道路雨水收集利用复杂的多, 主要包括雨水收集系统、过滤系统、贮存系统、回用系统等[ 4]。图1为典型的屋顶雨水利用工程模式。

图1 典型屋顶雨收集水利用工程模式图
雨水经屋顶汇集,通过落水管流入沙砾石层, 过滤后沿输水管道进入蓄水池, 蓄水池可分为两层, 上 部蓄水池直接接纳输水管道的雨水, 再由分隔层 - 大孔隙混凝土层再次过滤 后流入下部蓄水池。 当然, 对该类设施雨水的处理也比较严格, 通常的方法包括湿地生态处理、膜处理、砂滤、紫外线消毒等, 以确保雨水使用的安全性[5] 。

2.2 城市道路路面雨水收集利用工程模式
城市道路路面、广场和停车场等都是良好的雨水收集面。降雨后自然产生径流, 只要修建一些简单的雨水收集利用和蓄存工程, 就可将雨水资源化, 用于城市清洁、绿地灌溉、维持城市水景等。城市道路的雨水收集可以采取分路段于绿地下修建蓄水池的工程模式见图2 。

图2 道路路面雨水收集利用工程模式图
由于人行便道面积小, 分散性强, 可以采用在人行便道上铺设可渗透路面砖的工程模式, 雨水直接渗入地下, 回补地下水。 可渗透路面砖的强度应大于30MPa , 渗水能力保证在1mm s 的降雨情况下随降随渗。

2.3 城市绿地、花坛和园林雨水集蓄
在绿地、花坛等地收集雨水, 应采用下凹式绿地, 即在建造绿地时, 应调查好绿地周边高程、绿地高程和集蓄水池高程的关系, 使周边高程高于绿地高程, 雨水口设在绿地上, 集蓄水池高程略高于绿地高程而低于周边高程。这样降雨后雨水径流进入绿地, 经绿地蓄渗、补充消耗的土壤水分后, 多余的雨水流入集蓄水池。集蓄水池集蓄的雨水既可用来灌溉绿地, 也可作为城市清洁用水。

3  雨水收集处理技术

3.1 雨水收集回用水质要求及标准
由于城市雨水在降落过程中, 携带了一定浓度的溶解性气体、悬浮物及溶解性固体等, 并且在形成径流过程中受到屋面材料、道路路面等因素的影响, 致使水质变差。 如果雨水收集利用作为生活杂用水, 则在使用前必须进行处理。雨水回用一般用做冲厕、洗车、空调、灌溉和景观用水等方面。总体来说, 冲 厕、洗车、灌溉等市政与生活杂用应符合城市杂用水水质标准。回用于景观用水水质应符合景观环境用水水质标准。食用作物、蔬菜浇灌用水还应符合农田灌溉水质标准要求。雨水用于空调系统冷却水、采暖系统补水等其他用途时 , 其水质应达到空调用水及冷却水水质标准。回用水水质的要求直接影响着雨水处理工艺的选择。

3.2 雨水收集处理技术
(1)屋顶雨水处理技术屋顶雨水集蓄利用系统主要回用于家庭、公共场所和企事业单位的非饮用水, 如浇灌 、冲厕 、洗衣 洗车、冷却循环等中水系统。根据屋顶雨水径流自然沉淀和混凝沉淀试验结果, 当自然沉淀时间超过 90min 时, COD去除率达到30 %以上。混凝沉淀对COD及SS的去除率高于自然沉淀, 但混凝沉淀工艺增加了投药设备, 成本较高, 如果有足够的停留时间, 自然沉淀是一种简单而有效的处理方法[ 6] 。一般情况下, 屋面雨水收集采用投加混凝剂后直接过滤,消毒。工艺流程见图3。

图3 屋面雨水收集处理工艺流程图
(2)绿地渗透雨水处理技术绿地对径流雨水有滞蓄入渗作用, 在城市绿化时建立下凹式绿地,使地面略高于绿地,在绿地内设雨水滞留设施。在建造绿地时,周边高程要高于绿地高,雨水口设在绿地上,集蓄水池高程略高于绿地高程而低于周边高程。通过城市内公共绿地、居住区绿地、道路绿地等绿化带, 使城市绿地、草坪多消纳雨水, 减少洪峰流量。例如居住小区, 利用绿地可以渗透屋顶、小区内不透水路面的径流。草地茎棵密布, 草叶繁茂, 一般在地表有2cm深水层里, 水不易流失。所以雨水收集可利用绿地直接渗透, 以补充地下水。
(3)雨水综合处理技术屋面雨水、道路雨水和市政雨水的水质不同, 处理技术也不尽相同。如果将屋面雨水 、道路雨水和市政雨水相结合,设计出综合利用流程将会更具有实用性。道路雨水和屋面雨水的初期径流经弃流管进入市政管网的检查井, 市政雨水直接进入市政管网的检查井, 经城市排水管网排至污水厂。初期径流后的道路和屋面的雨水进入贮存池, 经混凝、过滤、消毒后便可作为生活杂用水以使用,雨水综合工艺流程见图4。

图4 雨水收集综合收集利用处理工艺流程图
(4)雨水深度处理工艺城市公共建筑中的雨水深度处理技术是指常规处理之后, 再经过吸附、膜分离等处理工艺, 取得良好的水质。雨水深度处理工艺流程如图5所示。雨水深度处理技术是雨水回用于水质要求较高的情况时必须采取的处理措施。该技术处理效果好, 可极大提高雨水水质。避免雨水简单回用所带来的卫生隐患。英国的Safeway大型超市就采用了雨水深度处理的回用系统。

图5 雨水收集深度处理工艺流程图

4  结语
  我国雨水收集利用还处于初级阶段, 没有形成大的规模。但雨水收集利用作为节水措施之一, 已被逐渐重视。雨水资源就地吸纳利用,可减轻城市排水管网负荷, 减少大型污水处理厂、收集污水管线和扩建排洪设施的政府资金投入。雨水收集利用的社会效益显著, 制订符合我国国情与当地条件及城镇生态建设要求的远近期规划划,使雨水利用能被广泛推广。对于雨水资源的利用, 已经进行了许多创造性的理论探索和技术研究, 但这些技术不但缺乏系统性,同时也存在着集蓄和利用脱节、资源利用率低等问题。如何有效地利用有限的雨水资源, 仍是一个重大课题,随着课题的深入研究,将会提高我国雨水收集利用的技术和方法,以充分利用雨水资源。

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