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Y 1 5 3 0 8 3 4 天津大学硕士士学位论文 城市小区雨水、杂排水处理 及回用研究 R e s e a r c ho nC i t yR a i n w a t e ra n dD r a i n a g e T r e a t m e n ta n d R e c y c l i n g 学科专业:环境工程 研究生:王新亮 指导教师:赵新华教授 天津大学环境科学与工程技术学院 二零零八年六月 摘要 雨水作为城市非饮用水的水源之一,由于降雨的季节性,如果单纯处理雨水, 其处理系统的运行将是不连续的,导致处理系统的使用效率不高。如能与杂排水 或生活污水有效地结合一起,营造一个城市小区良性水循环系统,则可连续提供 符合生活杂用水水质标准的再生水,达到雨水利用、减少污水排放和节约市政用 水的目的。 本试验通过常年监测天津雨水的水量及水质变化规律,并针对天津雨水水质 的特点,选择适合城市小区雨水和杂排水混合处理的工艺,设计安装了一体式 M B R 和双级过滤两套小型化装置,调试最佳运行工况,比较分析两套装置的运行 效果。 经过试验比较研究,在一体化M B R 装置运行中,当原水为雨水和杂排水时, 原水的可生化性很差,出水水质很难达到中水回用要求;在雨水和杂排水中加入 1 0 的生活污水,原水的可生化性增强,使污泥生长良好,污染物去除率显著增 加,改善了出水水质,当雨水混合比例为3 0 ,出水水质的各项指标最好,出 水满足中水回用要求,当雨水混合比例增大到5 0 时,出水各项污染物浓度增加, 出水水质恶化。在双级过滤装置运行中,当原水为杂排水时,最佳混凝剂为聚合 氯化铝,投药量为6 5 m g 1 ,进水量为S 0 1 h ,运行周期为2 4 h ,处理效果较佳, 第一级最佳反冲洗强度为1 8 1 s m 2 ,第二级最佳反冲洗强度为1 6 1 s m 2 ;当原水 为雨水时,最佳投药量为3 0 m g 1 ;当原水为雨水和杂排水等体积混合时,最佳 投药量为5 5 m g 1 。双级过滤装置的出水水质指标基本满足中水回用的要求,但 不如一体式M B R 出水水质。 根据一体式M B R 和双级过滤试验结果对比,双级过滤工艺适用范围有限,容 易发生水质泄漏问题,对氮、磷去除率很低,出水水质较差,而且反冲洗周期短, 反冲洗水量大,但对处理浊度较低的原水有优势,整体费用较低。一体式M B R 的 处理工艺对C O D ,、B O D 、氮、磷、S S 都有较高的去除率,出水水质好,抗冲击 负荷强,但是运行管理较为复杂,污泥生长状况不容易控制,存在膜污染等问题, 且一体式M B R 整体费用比双级过滤高。综合比较,一体式M B R 比双级过滤装置更 适合做城市小区中水回用的处理工艺。 关键词:雨水杂排水M B R 双级过滤处理 A B S T R A C T R a i n w a t e ri sk n o w na so n eo fn o n - p o t a b l ew a t e rs o u r c e so ft h ec i t y B e c a u s eo f t h es e a s o n a la n dr a n d o mc h a r a c t e r i s t i c so fr a i n w a t e r , i t st r e a t m e n ts y s t e mw i l lb e f u n n e du n s u s t a i n a b l ya n dw i t hl o wi n e f f i c i e n ti fr a i n w a t e ri st r e a t e da l o n e I ft h e r a i n w a t e rC a nb em i x e dw i t hd r a i n a g ea n dd o m e s t i cw a s t e w a t e rt ob et r e a t e d j o i n t l y , i t m a yr e a l i z eav i r t u o u sc y c l eo fu r b a nw a t e rs y s t e mt op r o v i d er e c l a i m e dw a t e rw h i c h w i l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm i s c e l l a n e o u sw a t e rs t a n d a r d ,r e d u c et h ee m i s s i o no f w a s t e w a t e ra n dd e m a n do fm u n i c i p a lw a t e r s u p p l y I nt h i sp a p e r , t h r o u g hm o n i t o r i n gt h ew a t e rc h a r a c t e r s t i c so fr a i n w a t e r , b a s e do n t h ef e a t u r e so ft h er a i n w a t e ro fT i a n j i n ,as u b m e r g e dM B R s y s t e ma n dat w o s t a g e f i l t r a t i o ns y s t e mw e r ei n s t a l l e d ,d e b u g g e d ,o p t i m i z e da n dc o m p a r e dt of i n do u ta a d a p t i v es y s t e mf o ru r b a nq u a r t e r I tW a sf o u n dt h a t :i nt h eo p e r a t i o no fs u b m e r g e dM B R s y s t e m ,w h e nt h er a w w a t e rw a sc o n s i s t e dw i t hr a i n w a t e ra n dd r a i n a g ew a s t e w a t e r , b e c a u s eo fi t sb a d b i o d e g r a d a b i l i t y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe f f l u e n tw a sd i f f i c u l tt om e e tt h ed e m a n do f r e c l a i m e dw a t e r ;w h e na d d e dw i t hd o m e s t i cw a s t e w a t e rw i t hap r o p o r a t i o no f10 , t h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fr a ww a t e rw a se n h a n c e d ,t h ea c t i v a t e ds l u d g eg r o w e dw e l la n d t h er e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h ew a t e rc h a r a c t e r i s t i c so fe f f l u e n tw a se n h a n c e d ;w h e n a d d e dw i t hd o m e s t i cw a s t e w a t e rw i t ha p r o p o r a t i o no f3 0 ,t h ew a t e rc h a r a c t e r i s t i c s o fe f f i u e n ta c h i e v e db e s ta n dm e tt h ew a t e rc h a r a c t e r i s t i cd e m a n do fr e c l a i m e dw a t e r ; w h e na d d e dw i t hd o m e s t i cw a s t e w a t e rw i t hap r o p o r a t i o no f5 0 ,t h ew a t e r c h a r a c t e r i s t i c so fe f f l u e n tw e r ed e t e r i o a r a t e d I nt h eo p e r a t i o no ft w o s t a g ef i l t r a t i o n s y s t e m ,w h e nt h er a ww a t e rw a sc o n s i s t e dw i t hd r a i n a g ew a t e ro n l y , t h eb e s t c o a g u l a n tw a sP A Cw i t ha no p t i m u md o s eo f6 5 m g 1 ,a n dt h eo p t i m u mp a r a m e t e r so f i n f l o w , r t m n i n gp e r i o d ,r a t eo fb a c k f l u s h i n gf o rt h ef i r s ta n ds e c o n ds t a g ew e r e8 0 I h , 2 4 h , 18 U s m 2a n d16 1 s m 2r e s p e c t i v e l y T h eo p t i m u md o s eo fP A Cf o rt r e a t i n gt h e r a i n w a t e ra n dam i x t u r eo fr a i n w a t e ra n dd r a i n a g ew a t e rw e r e3 0 m g 1a n d5 5 m g l r e s p e c t i v e l y T h ew t e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee f f l u e n tf r o mt w o ? s t a g ef i l t r a t i o ns y s t e m c o u l dm e e tt h ed e m a n do fr e c l a i m e dw a t e rb u tc o u l dn o ta c h i e v et h el e v e lo fe f f l u e n t f r o mt h eM B R s y s t e m C o m p a r e dw i t hM B Rs y s t e m ,t h et w o s t a g ef i l t r a t i o ns y s t e mh a dm a n y d i s a d v a n t a g e si n c l u d i n g :l i m i t e da p p l i c a t i o n , l e a k a g e ,p o o rr e m o v a le f f i c i e n c yo fN ,P , p o o rw a t e rq u a l i t yo fe f f i u e n Ls h o r tp e r i o do fb a c k w a s h i n ga n dl a r g ew a t e rq u a l i t i t y d e m a n do fb a c k w a s h i n gw a t e rb u ti th a ds o m ea d v a n t a g e so nt r e a t i n gl o wt u r b i d i t y w a t e ra n dc o s tc o n t r 0 1 T h eM B Rs y s t e mh a dm a n ya d v a n t a g e si n c l u d i n gh i g h r e m o v a le f f i c i e n c yo fC O D c r ,B O D ,N ,ES S ,g o o dw a t e rq u a l i t yo fe f f l u e n ta n d p o w e r f u lr e s i s t a n c et oi m p a c tl o a db u ta tt h es a m et i m ei t h a dm a n yd i s a d v a n t a g e s i n c l u d i n gc o m p l i c a t e do p e r a t i o nm a n a g e m e n t , d i f f i c u l tc o n t r o lo fa c t i v a t e ds l u d g ea n d m e m b r a n ef o u l i n gp r o b l e m C o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n , t h es u b m e r g e dM B R s y s t e mi Sab e t t e rc h o i c ef o rt h eu r b a nr e c y c l e so fr e c l a i m e d w a t e r K E YW O R D S :R a i n w a t e r , D r a i n a g e ,M B R , T w o s t a g eF i l t r a t i o n , T r e a t m e n t , 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得苤凄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 王薪亮 签字日期:知o g 年石月 岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基叠苤茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权岙鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名:王新竞 导师签名: 签字日期:土。0 8 年6 月s 日 签字日期一冰占月厂日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国水资源状况 第一章绪论 我国是一个水资源相对贫乏、时空分布又极不均匀的国家。水资源年内年际 变化大,降水及径流的年内分配集中在夏季的几个月中;连丰、连枯年份交替出 现,造成一些地区干旱灾害出现频繁和水资源供需矛盾突出等问题。我国淡水资 源总量占全球水资源的6 ,居世界第6 位,但人均仅为世界平均水平的1 4 1 1 , 在世界上名列第1 2 1 位。全国水资源的8 1 集中分布在长江及其以南地区,而 淮河及其以北地区,水资源量仅占全国的1 9 。因而,总体来说:水资源的分 布是南方多于北方,东部地区多于西部地区。由于水资源分布的差异以及我国水 资源污染的日益加重,我国城市的水资源正在面临着不足和短缺等问题。造成城 市水资源不足和短缺的主要原因:一是水资源总量先天不足,人口多,人均水资 源少。二是水源水质日趋恶化,不能满足水体正常循环使用的功能要求,大大减 少了有效水资源的利用状况。城市中的一部分污水没有经过处理直接排入江河湖 海中,造成天然水体的污染,破坏了天然水体的良性循环。目前,全国城市水源 只有3 0 符合卫生标准,全国七大水系有一半以上被污染,流经4 2 个大中城市 的4 4 条河流中大约有9 3 被污染 2 】。一方面人口增长和经济发展对水的需求量 不断增大,城市淡水资源匮乏,迫切需要寻求新的供水水源。另一方面随着城市 化水平的不断提高,城市建筑面积不断扩大,不透水地面增加,城市的暴雨径流 产生的洪涝灾害不可忽视。城市化进程对人类生存与发展必不可少的水资源及城 市水环境的影响愈来愈显著。因此水资源的合理使用,对城市的发展起着至关重 要的作用。 开源与节流是缓解城市水资源短缺的有效途径。雨水是一种重要的水资源。 雨水利用后,不仅能够减少市政雨水管线的建设投资,减缓市政雨水管线的压力, 而且对城市洪涝灾害的发生也起着一定的缓解作用。雨水收集处理后完全可以满 足一定层次用水对象的要求,可以作为另一种水资源而被使用。城市小区雨水利 用是针对开发建设的小区的屋顶、道路、庭院、广场、绿地等不同下垫面所产生 的降雨径流,采取相应的措施或收集利用或渗入地下补充地下水资源,以充分达 到利用雨水资源、提高环境自净能力、改善城市小区生态环境、减少外排径流流 第一章绪论 量、减轻城市防洪压力的目的。城市小区雨水的利用是一种新的开源节流综合性 技术,并有利于改善城市生态环境。 1 1 2 天津水资源特点 天津市位于九河下梢,历史上河、湖、塘、渠密布,有北方江南美誉。但是 随着京津冀地区城市化的发展,城市人口日趋集中、工业、生活用水急增。伴随 着区域河流上游对地表径流的截流,到了7 0 年代末和8 0 年代初,海河流域持续 干旱,经常出现河水断流,水库干涸的现象,水源奇缺。虽经已有引滦济津、引 黄济津等工程使缺水问题稍有缓解,但是天津市水资源日趋紧张的局面仍然未得 到根本解决。 天津市水资源由地下水、当地地表水、上游入境水、外流域调水、出境及入 海水五部分组成。天津市水资源的特点是p J : ( 1 ) 水资源严重短缺。天津市全市人均水资源占有量为1 6 0 立方米,仅为全 国人均水资源占有量的1 1 5 ,是全国人均水资源占有量最少的城市之一。随着 人口的增加,城市和经济的进一步发展,未来水资源的供需矛盾将不断加剧。由 于上游用水量增加,入境水量逐年减少,加剧了天津市水资源短缺的困境。 ( 2 ) 水资源按地区分布不均匀。北部水资源相对多于南部,而蓄水工程的布 局则使北部地区蓄水能力较弱,南部地区蓄水能力较强,致使南部地区的一些蓄 水工程一般年份无水可蓄。 ( 3 ) 深层地下水严重超采,造成地面沉降。特别是天津市南部的地下浅层咸 水区,由于地表水资源缺乏,当地人民生活和工业及一部分农业不得不多年超量 开采深层地下水,导致地下水位持续下降和严重的地面沉降问题。 ( 4 ) 水环境质量面临水质污染的威胁。天津市全市日排放污水( 工业废水排放) 总量为1 2 0 万 - 1 5 0 万立方米( 万吨) ,大量的未经处理或未达标处理的生产、生 活污废水直接排向河道,由于各河道水量逐年减少,水体自净能力降低,对河流、 水库和地下水的水质产生了严重影响。 ( 5 ) 水资源统一管理体制尚未形成,“多龙管水”的现象依然存在。由于受计 划经济的影响,在水资源的管理上形成了水利、供水、环保、农业、交通以及城 建等分部门管理的体制,严重违背了水的自然规律,削弱了水务行政主管部门的 水资源管理主导地位。 ( 6 ) 经济发展和水资源保护发展不协调。在发展经济的思想观念和决策行为 上普遍存在短期行为,过分注重经济建设的发展,忽视水资源环境的保护与建设, 甚至以牺牲水环境为代价以换取短期的经济效益。 ( 7 ) 洪涝灾害仍是心腹之患。城镇防洪标准偏低,城区排涝设施还没有配套, 第一章绪论 缺乏对流域洪水进行控制性调节的大型水利防洪设施,防洪调蓄能力仍然不足。 小型水库缺乏专人管理,病险水库依然存在,成为天津市的心腹之患。 天津雨水资源特点及利用现状【4 J : 天津属于暖湿带半干湿润季风型大陆性气候。其特点是四季分明,冬季寒冷 干燥少雪,春季干旱多风。夏季炎热多雨,秋季天高气爽,年平均气温在1 1 摄 氏度以上,年平均降水量为5 5 0 毫米 - 6 8 0 毫米。6 8 月3 个月降水量占全年的 7 5 左右,天津土地总面积1 1 9 万平方公里其中,居民点及工矿用地0 2 3 5 万 平方公里以年平均降水量6 0 0 毫米计算,市域降水可以达到7 1 4 亿立方米。居 民点及工矿等建设区降水可以达到1 4 1 亿立方米。 天津市雨水资源较为丰富( 相当于德国中部地区) ,但是降水集中于夏季, 夏季降雨后地表径流量大,被植被截流的雨水少,地下水量补充不足,城市饱受 暴雨时的淹泡之苦,而于旱季节,自然降水少,容易出现旱情。“雨来排水忙, 中雨把水淌,雨水存不住,汛后闹水荒”这是流传在天津百姓当中的一段顺口 溜。生动描述了天津的雨水利用状况。历史上,天津水资源主要着眼于地表水资 源和地下水资源的开发,不重视对城市汇集径流雨水的利用而任其排放,造成大 量宝贵雨水资源的流失。随着城市的扩张,雨水流失量也越来越大。 伴随天津滨海新区纳入国家发展战略中,天津市建设生态城市的提出,雨水 利用已经被提上议事日程。天津市目前已经进行了一些有益的尝试。如天津空港 加工区把区内既有的水塘和沟渠建成2 0 多公里的环区河道和5 0 万平方米的湖 面,总储水量4 0 0 多万立方米全区雨水通过排水管道由4 个泵站直接排入环区河, 形成了集防汛调蓄、雨水收集、生态景观和雨水再利用于一体的循环体系。空港 加工区年雨水汇流量为5 0 0 多万立方米,区内储水设施可收集全年的雨水,形成 了廉价水库这些收集的雨水可用于绿化浇灌、道路喷洒、企业循环冷却用水和 消防备用水源。再如东丽湖万科城居住区一期工程中通过地面雨水收集系统将雨 水引入人工湖使人工湿地和湖形成一个净化循环系统。利用具有绿化景观效果 的雨水明沟让雨水流进社区内的水系。用于补充水景用水和湿地景观用水,除非 遇到特大暴雨需通过溢流管排进区外的雨水管道,正常年份居住区内的雨水争取 做到零排放,节约景观用水和绿化灌溉用水。该项目在设计时还采用渗水路面系 统,渗水路面系统指在满足路面强度要求的同时,使路面保持良好的透水性,雨 水能及时透过路面渗入地下土壤,达到快速排水的目的,对比普通硬质路面,其 优点是提高了土壤的透气、透水性,改善了土壤湿度、盐度,改善了城市地表植 物和土壤微生物的生存环境;可降低地表温度,调节居住区气候,降低硬质率。 缓解居住区“热岛”现象;使地表水分散,就地排放,可减轻城市排水设施的负 担渗水路面有利于生态和环保。在日本、欧美等发达国家已应用多年,取得了良 第一章绪论 好的社会效益。 1 2 雨水利用的现状及存在的问题 1 2 1 雨水处理回用的现状 雨水作为一种极有价值的水资源,早己引起德国、日本等国家的重视。国际 雨水收集利用协会( I R C S A ) 自成立以来,不断地促进国际间的交流与合作,两年 一度的交流大会使各国之间的雨水利用技术和信息能够很快地传播【5 1 。网络技术 的发展也为雨水利用技术的国际化提供了很好的平台。其中,发展较快的是德国 和日本等国家,德国雨水利用技术已经从第二代向第三代过渡,其“第三代 雨 水利用技术的特征就是设备的集成化,各项雨水利用技术已达到了世界领先水 平。 德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一。目前德国的雨水利用技术已 经进入标准化、产业化阶段,市场上已大量存在收集、过滤、储存、渗透雨水的 产品【6 嗡j 。在上个世纪初期德国就已经发布了“对未受污染雨水的分散回灌系统 的建设和测量”。德国利用公共雨水管收集雨水并经过简单的处理后达到杂用水 水质标准,可用于街区公寓的厕所冲洗和庭院浇洒,部分地区利用雨水可节约用 水达5 0 。目前,德国在新建小区( 无论是工业,商业,居民区) 时均要设计 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。德国的 K r o n s b e r g 的城区,在建筑区域和铺筑地面,所有的降雨量都被吸收、收集并逐 渐释放。在公共街道,雨水流入设置在路边的“M R 系统 ( 水洼一渗水沟系统) 中,依靠该系统强大的蓄水能力保留雨水并逐步渗透地下,多余的雨水依靠排水 管排放;在私人开放空间、屋顶和铺筑地面的雨水也通过各种方式被收集并逐渐 释放;而在居住区域,这些雨水则被引入池塘等开放水系,通过恰当的设计,形 成良好的生态环境,并创造了高质量的开放空间,同时,还在所有的用水设备上 安装节水器以节约用水量。 英国一j 的雨水收集利用示范工程一伦敦世纪穹顶,泰晤士河公司在该穹顶安 装了大型的中水回用装置,以穹顶收集的雨水为建筑内厕所冲洗提供1 0 0 m 3 d 的 回用水。收集的雨水依次通过一级芦苇床、泻湖及三级芦苇床。芦苇床的面积各 为2 5 0 m 2 ,泻湖的容积为4 0 0 m 3 。芦苇床高0 6 ,坡度为O 5 。为防止冲刷,湖 底铺河卵石,直径在5 , - 一1 0 m m 之间,同时种植当地高耐盐性的芦苇。处理系统 不仅利用自然的方式有效处理了雨水,同时很好地融入到实际穹顶地景观中。 美国E 1 0 - 1 1 的雨水利用是以提高天然入渗能力为其宗旨,针对城市化引起河道 第一章绪论 下游洪水泛滥问题,美国科罗拉多州( 1 9 7 4 年) 、佛罗里达州( 1 9 7 4 年) 和宾夕 法尼亚州( 1 9 7 8 年) 分别制定了雨水管理条例。各州普遍推广屋顶蓄水和由入 渗池、井、草地、透水路面组成的地面回灌系统,其中加州佛雷斯诺市年回灌量 占该市年用水量的1 5 。在芝加哥市兴建了著名的地下隧道蓄水系统,以解决城 市防洪和雨水利用问题。H a s e l b a c h ,L i vM 等通过对卡罗莱纳州南部7 1 6 个场 所的雨水滞留池的运行资料进行整理分析,为雨水滞留池的建设提供了所遵从的 参数,并且提出了适合及不适合建立雨水滞留池的场所。美国环保总署在1 9 9 9 年出台了雨水管理的最佳管理方案( B e s tM a n a g e m e n tP r a c t i c e s ) ,对雨水的监 测、收集、处理等提供的依据。 日本【l2 】的城市雨水利用在亚洲先行一步,1 9 8 0 年日本建设省就开始推行雨 水贮留渗透计划,1 9 8 8 年成立“日本雨水贮留渗透技术协会 ,1 9 9 2 年颁布 “第二代城市下水总体规划”正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规 划的组成部分,要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水就地下渗设施。 日本“降雨蓄存及渗滤技术协会”经模拟试验得出:在使用合流制雨水管道系统 地区合理配置各种入渗设施的设置密度,强化雨水入渗,使降雨以5 m m h 的速率 入渗地下,可使该地区每年排出的B O D 总量减少5 0 。有效促进了城市雨水资源 化进程。1 9 9 9 年在大阪建立了一个可容纳1 0 0 0 0 立方米的合流制管道溢流池, 可以去除所溢流雨水3 0 的B O D 。W a d a ,Y a s u h i k o 等人通过对其改进,使其去除 B O D 的能力增加一倍多,可以去除7 5 的滞留雨水的B O D 。 我国城市雨水利用的重要性早已被人们所重视,但真正意义上的城市雨水利 用的研究与应用开始于2 0 世纪8 0 年代,发展于9 0 年代。北京、上海、大连、 宁夏、西安等许多城市相继开展了项目研究 1 3 - 1 6 】。总的来说技术还较落后,缺乏 系统性,更缺少法律法规保障体系,但2 0 0 7 年4 月1 日施行的建筑与小区雨 水利用工程技术规范对城市雨水利用起着积极的推动作用。 由于缺水形势严峻,北京在雨水利用产业中走在了全国前列。从1 9 9 8 年开 始,北京建筑工程学院和北京市城市节水办联合开展城市雨水利用研究。从城市 雨水水质、雨水收集利用方案及与中水系统的关系、雨水的渗透方案及渗透装置、 雨水的污染控制及净化措施、雨水利用与小区生态环境等诸多方面进行系统研 究。车武等人【1 7 】根据北京1 9 9 8 - - - - 2 0 0 0 年大量的降雨径流水质数据,分析了北京 城区屋面和道路雨水径流的水质变化规律及其主要影响因素。典型屋面初期径流 C O D 一般在1 0 0 0 m g L 左右,最高可高达1 7 0 0 m g L ,在降雨后期一般可维持在 l O O m g L 左右,屋面初期径流S S 一般在数百m g L 左右,但也可高达上千m g L 。 因路面条件比屋面复杂,所以水质波动幅度也较大,在降雨后期C O D 一般可维持 在2 0 0 m g L 左右。在雨水收集利用方面,曹秀芹等人【l s 通过研究,将屋面雨水的 第一章绪论 初期弃流确定为2 m m ,并且设计了初期弃流装置,并对不同混凝剂及其投加量试 验研究结果表明,聚合氯化铝混凝出水效果最好,其最佳投药量为5 m g L ,在最 佳投药量的情况下通过接触过滤,屋面雨水C O D 的去除率一般可达6 5 ,S S 的去 除率为8 8 ,色度的去除率为5 6 。通过以上的理论研究北京还建立了不少雨水 示范工程,王俊岭【1 9 】以北京市某中学雨水利用工程为例,介绍一种学校雨水利用 的方法。根据校区水量平衡计算结果,对利用校园内汇集的雨水作为冲厕、绿化 和景观用水等进行设计;采取相应的技术措施,对雨水径流的污染进行控制,保 障所利用雨水的水质达到要求,并采用生态净化的方式,使学校景观水体循环起 来。 纪桂霞等【2 U J 通过对上海市屋面雨水水质监测,及对其污染主要影响因素与污 染程度的分析表明,屋面材料、降雨历时、降雨强度等是屋面径流雨水水质的重 要影响因素。根据雨水水质特性,提出了适宜屋面雨水的物化与生态化处理利用 方法与工艺,为城市雨水资源的利用提供了依据。从其试验数据可以看出,上海 市屋面雨水的C O D 最大没有超过1 5 0 m g L ,S S 没有超过5 0 0 m g L 。李贺等【2 l 】通过 分析上海市屋面雨水水质得出,当累计降雨量在2 m m 以内时,屋面雨水的水质差, 污染最为严重,其中C O D 、S S 的浓度较高。而当累计降雨量 2 m m 时,屋面雨水 的水质明显改善,污染物浓度大幅度降低,并趋于平缓。其最大C O D 、S S 在2 0 0 m g L 左右。并且研究了沉淀和过滤技术对屋面雨水的回用处理效果,沉淀1 2 h 内,污 染物质得到了明显的去除。结果表明,经过沉淀、过滤处理后,屋面雨水满足城 市生活杂用水和景观用水的水质标准。 通过对以上对国内外雨水利用现状了解,可以发现目前对雨水的利用工程的 研究可分为三个部分:雨水的收集、雨水的处理和雨水的供应。雨水收集的方式 有许多种型式,例如屋顶集水、地面径流集水、截水网等。其收集效率会随着下 垫面材质、气象条件( 日照、温湿度等) 以及降雨时间的长短等因素而有所差异。 雨水收集后的处理过程,与一般的水处理过程相似,主要采用物理化学方法。雨 水的使用除了可以作为街厕冲洗用水外,也可作为其它用水如空调冷却水、消防 用水、洗车用水、花草浇灌、景观用水、道路清洗等均可使用,此外,也可以经 处理消毒后供居民饮用。 1 2 2 雨水处理回用存在的问题 国外发达国家城市雨水利用取得了较大的成绩,其主要经验是:制定一系列 有关雨水利用的法律法规;建立完善的屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地 面组成的地表回灌系统;收集到的雨水主要用于冲厕所、洗车、浇庭院、洗衣服 和回灌地下水。对于雨水与杂排水联合处理方面的研究也不多,因此有待于对这 第一章绪论 方面做进一步研究,使其系统化。此外目前国外的一些雨水利用技术也存在着不 可避免的问题,比如B r o m b a e h ,H B 在文中指出,在上个世纪8 0 年代德国对雨 水利用的收集系统进行了改革,让污染少的屋面雨水通过自家的庭院渗透到地下 来补充地下水,这种看似比较完美的方法也存在着一些意想不到的问题,这种渗 透的雨水将通过排水管道的连接处进入污水管道当中,影响城市污水处理厂的运 行。 目前,尽管国内外对雨水利用做了不少的研究,但是由于受地区和降雨强度 的影响,各地区的雨水水质有所不同,在处理工艺和方法上也有区别,某一地区 的雨水利用的方法、处理的工艺不一定适合另一个地区,所以有待于对天津市区 雨水利用做进一步的研究。目前我国城市雨水利用还处于起步阶段,收集雨水设 备集成化程度不高,加之城市初期雨水较脏,初期雨水的如何处理也是一项新课 题,因此天津市城市雨水利用在收集、处理两大方面存在一定的难度,需要开展 与国内外相关部门的研究与开发合作,使雨水收集利用在研发技术上更上一个台 阶。 1 3 城市污水利用的现状及存在的问题 1 3 1 城市污水处理回用的现状 污水回用技术在国外【2 2 】早己应用于实践。美国、日本、以色列等国,厕所 冲洗、园林和农田灌溉、道路保洁、洗车、城市喷泉、冷却设备补充用水等,都 大量地使用中水。 早在1 9 5 0 年,美国【2 3 】污水研究者俱乐部就利用模型进行了污水深度处理试 验研究,1 9 6 5 年将其成果用于加利福尼亚的南塔湖污水处理厂,处理能力达 2 8 4 0 0 m 3 d 。目前,美国城市污水回用量达2 6 0 x1 0 4 m 3 d ,其中6 2 的再生水用于 农业灌溉,3 0 用于工业,其余用于城市设施和地下水回灌再生水回用工程。其 主要分布于水资源短缺、地下水严重超采的加利福尼亚,亚利桑那、德克萨斯和 佛罗里达等州,其中以南加州成绩最为显著。 日本【2 4 】从2 0 世纪6 0 年代起就大力研究和推广城市污水回用技术,7 0 年代 已初具规模,9 0 年代初,在全国范围内进行了污水回用的调查与研究及工艺设 计,对污水回用的可行性进行了深人地研究和示范工程,大力推广污水回用技术, 1 9 9 1 年,日本在其“造水计划 中,明确将污水回用技术作为最主要的开发和 研究内容加以资助,开发了很多污水深度处理工艺,并且,相应制定了各种不同 回水用户的水质指标和管理法规,建立起以赖沪内海和东京湾地区为首的许多污 第一章绪论 水再生利用工厂。 以色列【2 5 】是在中水回用方面最具特色的国家。它地处干旱和半干旱地区,人 均水资源占有量仅为4 7 6 m 3 。以色列1 0 0 的生活污水和7 2 的城市污水得到了回 用。现有2 0 0 多个污水回用工程,规模最小为2 7 m 3 d ,最大为2 0 x10 4 m 3 d ,处理 后的污水4 2 用于农灌、3 0 用于地下水回灌,其余用于工业及市政建设等。全 国的1 2 7 座污水库与其他水源联合调控,统一使用。以色列将污水回用以法律的 形式给予保障,如法律规定在紧靠地中海的滨海地区,若污水没有充分利用就不 允许使用海水淡化水。污水资源给以色列带来了极大的经济效益,不仅实现了全 国粮食自给,而且还将棉花、花生等出口到了欧洲。 与欧美等发达国家相比,我国城市污水再生利用还处于起步阶段【2 6 1 。我国从 2 0 世纪5 0 年代起就开始采用污水灌溉的方式回用污水,并从8 0 年代开始,城 市污水回用技术日益受到重视。1 9 9 0 年我国将“污水净化与资源化技术研究” 列入了“八五”国家科技攻关项目,在污水强化二级处理、深度处理、工业水道、 回用水道、厂区循环系统等方面进行了全方位的科技攻关,做了大量的理论研究 和工程实践工作,大力开发城市污水回用技术,建立污水回用示范工程,研制成 套技术设施并推广应用。大连春柳污水处理厂将二级处理污水进行深度处理后回 用煤气厂代替新水,是我国最早进行的污水回用示范工程。目前,我国污水回用 主要有两种方式:一是集中处理回用,即以城市污水处理厂出水作为再生水源, 集中进行深度处理达到一定标准后,通过输配水系统将再生水送到区域内各用 户,用水户大部分直接使用,个别才需补充处理。集中深度处理后水质好,输送 管道便于维护。这种方式便于统一管理运行、调度,兼有处理排放和回用两种功 能,能适应城市发展的需求,而且还能带来规模效益,是污水处理回用的发展趋 势。但工程量和规模比较大,所需的资金多,技术设备要求高。其中较为典型的 有北京高碑店污水处理厂,其污水回用量为3 0 万m 3 d 以上,主要用于电厂的冷 却用水。天津东郊污水处理厂,其污水回用量为7 万m 3 d 。二是分散中水回用, 大型宾馆、办公楼和小区以各自建筑内的杂排水为再生水源,经合理处理后作为 建筑内冲洗及杂用水源,这种回用方式为各系统分散独立运行,规模小,设备较 简单,资金需求小,可以就近回用而不需输配水系统,是目前污水回用体系的重 要组成部分。石家庄铁道学院在2 0 0 2 年将洗浴废水回用于学生公寓的冲厕,运 行稳定。清华大学在北京市海淀区医院建起了一套试用的回用系统,用以处理医 院废水,目前运转正常。2 0 0 4 年,天津大学采用M B R 工艺将游泳馆废水和洗浴 废水处理后用于校园内景观绿化用水、冲厕用水等,工程占地面积约为1 2 0 m 2 , 日处理5 0 0 m 3 d ,基建投资约为2 7 0 万元,制水成本约为0 9 5 元m 3 ,每年可节 约自来水1 5 万m 3 ,具有相当可观的经济效益,被评为“高校节水综合示范工程”。 第一章绪论 目前,根据用户对水质的要求,以及污水中各种污染物的含量,可以采用生 物处理、砂滤、硝化、脱氮、絮凝沉淀、活性炭吸附、离子交换、膜析、消毒等 多种处理技术,组合成能够达到处理要求的工艺流程,实现城市污水的再生回用。 根据净化原理可将城市污水再生回用处理技术及工艺流程分为以下4 种类型: 以物理、化学处理技术为核心的工艺流程;以生物处理技术为核心的工艺流程; 以膜技术为核心的工艺流程;以膜生物技术为核心的工艺流程。 1 3 2 城市污水处理回用存在的问题 我国污水回用主要存在的问题体现在以下几方面:一、缺乏对污水再生利用 的系统规划。在城市建设总体规划中,虽然进行了城市的供水及排水规划,但在 水资源的综合利用方面缺乏统一的规划,尤其是城市污水再生利用规划,这势必 会造成重复建设和决策失误。二、处理技术及处理设施方面的问题。虽然国内外 研究机构、学者对城市污水回用处理技术进行了大量的研究,并开发了很多有效 的处理工艺,但在实际工程应用中仍然存在许多有待解决和完善的技术问题。比 如,回用输配水管网系统不健全、再生水用与景观水的水质保持问题等。三、缺 乏正确的政策引导,污水回用的法律法规不健全。为促进城市污水回用的发展, 应该从立法上建立一种鼓励和支持城市污水回用的制度,为实施城市污水回用可 持续发展提供保障。对现行的法律、法规、政策和制度的适用性进行评估,积极 汲取国外先进经验,根据我国的国情和城市污水回用的发展潜力,修订、建立和 完善城市污水回用相应的法律、法规、政策和制度。 1 4 城市小区雨水及杂排水处理回用的可行性分析 1 4 1 雨水的特点及回用的可能性 雨水利用系统以城市雨水为原水,污水深度处理回用系统一般以城市污水为 原水,处理后主要应用于市政、杂用、景观用水以及某些工业用水等。两者均可 以作为解决城市水资源短缺采取的可行措施,具有开发水源与环境保护的综合效 益。两者相比较,雨水利用更为可行【2 1 7 1 。 ( 1 ) 雨水处理工艺简单:目前,我国大多数城市污水处理厂出水一般执行城 镇污水处理厂污染物排放标准( G B l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 二级标准,要求B O D 5 3 0 m g L ,C O D 1 0 0m g L ,要将水质进一步处理达到我国生活杂用水标准( C J T 4 8 1 9 9 9 ) 的要求,B O D S 第四章试验过程及结果分析 , - - 1 目 憾 球 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 O 9 0 8 0 7 0 誉6 0 斟5 0 鞲4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 1 5 2 0 雨水百分比 匡三两蔓三亘习 图4 3 不同雨水比例C O D ,数值 O 1 0 1 5 2 0 雨水百分比 图4 4 不同雨水比例C o D ,去除率 O 1 0 1 5 2 0 雨水百分比 r:1 l - - o - - - 进水+ 出水f I 一J 图4 5 不同雨水比例氨氮数值 3 9 曾8 u 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 第四章试验过程及结果分析 9 0 8 5 8 0 葶 褂 凿7 5 戒 7 0 6 5 6 0 1 0 1 5 雨水百分比 图4 6 不同雨水比例氨氮去除率 ( 3 ) 总磷 从图4 - 7 和图4 - 8 中看出,进水总磷浓度变化规律与前三种污染物刚好相反, 随着雨水混合比例增大,进水浓度增加,但出水基本稳定0 2 m g 1 左右,去除率 也有所增加,能够满足中水水质标准。 ( 4 ) 浊度 悬浮物基本上全部去除,出水浊度均小于1 N T U 。M B R 对浊度和悬浮物的去除 主要考膜孔及膜面形成的生物膜层协同截留作用,共同提高对浊度和悬浮物的去 除。 赫lO1 5 雨水百分比 r 一。l | + 进水+ 出水1 图4 - 7 不同雨水比例总磷数值 6 4 2 l 8 6 4 2 O l l l 0 0 O 0 1 3 攀蹈 第四章试验过程及结果分析 8 8 8 6 8 4 8 2 薷8 0 篮7 8 佩7 6 7 4 7 2 7 0 6 8 1 0 1 5 雨水百分比 图4 8 不同雨水比例总磷去除翠 小结:由第一阶段试验数据可以看出,杂排水与不同雨水混合配置的原水各 项污染物浓度都不高,但由于雨水可生化性差,随着雨水混合比例的增大,污泥 浓度下降很快,污泥生长状况不好,抗冲击负荷能力差。因为出水水质

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