雨水综合利用技术
城市雨水的收集和利用技术是雨水收集、弃流、截污、传输、储存和处理等技术的综合。
1雨水收集技术
雨水收集系统包括屋面的雨水收集系统和地面的雨水收集系统。
1.1 屋面雨水的收集
屋面雨水一般占城区雨水资源量 65%左右，易于收集，且水质相对较好，是城区雨水利用的主要对象。屋面雨水由于受污染少，水质较好，稍加处理或不经处理即可直接用于冲洗厕所、浇灌绿地或用作水景，也可直接进入渗透管沟或通过土壤经初步渗透后再进入渗透管系。对屋面雨水典型的收集方式为：屋面雨水经雨水立管进入初期弃流装置，通过初期弃流装置将初期较脏的雨水排至小区污水管道，进入城市污水处理厂处理后排放。经过初期弃流的雨水经独立设置的雨水管道流入贮水池，雨水在池中经过过滤、沉淀、再过滤、消毒处理后，出水进入专为冲洗用水、洗涤用水和庭院浇灌用水设置的管网，用于家庭、公共和工业等方面非饮用水。
1.2 地面雨水的收集
由于地面的雨水水质较差，其主要用在系统和地表蓄水池。对于采取合流制排水小区绿化用水和景观用水上。地面雨水收集方式包括绿地蓄水下渗回补地下含水系统的老城区，如果将地面雨水就近收集并回灌地下，不仅可以减少对环境的污染，还可提高城市污水厂的处理效果，降低处理成本。采取分流制的地区，地面雨水径流从集水口流入雨水管道，直接汇入雨水贮水池，相对比较简单。
1.3 主要雨水收集系统的具体设计实例
拟建于上海市近郊的综合性滨水现代化社区,规划总占地面积为667 hm2。社区规划以生态景观湖景为核心,融城市生活与居住生活于一体,具备完善的社区生活服务功能,包括别墅区、社区会所、景观湖、休闲绿地、娱乐广场、户外运动场等。
该水景社区的景观湖规模较大,是整个社区水循环系统中最重要的中转库。景观湖承接降雨和地表径流,为社区提供绿地浇灌用水、道路冲洗用水及其他用水,并与社区外围河道连通,向外排水和泄洪。雨水收集利用技术,包括集蓄池、暴雨塘、碎石沟渠系统、植草浅沟系统以及砂床过滤系统。将各收集措施进行组合构成一个高效率的有机整体。蓄积的雨水经过沉淀、过滤、吸附、消毒等,水质基本能达到景观水质要求,用于景观湖补水、喷泉及冲洗车辆等对水质要求较高的用水点,集蓄池的溢流直接排放到市政雨水管,景观湖、喷泉水景均预留自来水补水口,以便于调节与管理。整个系统的设计与布置,结合社区内建筑物、道路、绿地和用水点的空间分布特点,并综合考虑各雨水类型的受污染程度及雨水利用点对水质的要求。
1.3.1 地下集蓄池
该社区的集蓄池主要是针对社区别墅、大型会所建筑等面积较大的屋面,面积约为22 500 m2。地下集雨池可建在社区空地或绿地下面,上面覆土种植植被,既能作为集雨设施,又不妨碍地上功能的实现。地下集雨池主要为钢筋混凝土结构,并设有过滤池、沉淀池、水泵等装置。收集的雨水主要用于景观湖补水和水景喷泉等。
1.3.2 植草浅沟
植草浅沟是在地表沟渠中种植草本,为一多功能的暴雨控制、雨水收集设施。当雨水径流流经植草浅沟时,经过沉淀、过滤、渗透、植物吸收及生物降解等作用,径流中的污染物被削减,达到雨水收集利用和径流污染控制的目的。综合考虑浅沟的水力计算方法和净化功能,在该社区内设计了长约1km的植草浅沟,浅沟表层种植耐淹的结缕草、狗牙根及其他禾本科草本,用于收集小区内绝大部分的绿地径流和非透水性道路广场的径流,直接汇入暴雨塘内暂时储存。
1.3.3 下渗碎石沟渠
下渗碎石沟渠是一种以多种粒径的碎石(砾石居多)为主要结构的线型集水槽,为周围汇水区域的低势区。当汇水区的地表径流进入碎石沟渠后,通过碎石层逐渐下渗,碎石的物理结构以及生长的生物膜起到过滤雨水和降解污染物的作用。与植草浅沟相比,碎石沟渠削减径流峰流量的能力较差些,主要用于收集该社区内的少数屋面雨水和透水性路面雨水。全区设计了500 m长的碎石沟渠,收集的地表径流在输移过程中得到净化,汇入暴雨塘,作为景观湖的补水水源。
图 1 中虚线文本框意味着具有雨水下渗功能; 粗连接线是收集雨水的主要流
路。
2 初期雨水控制与弃流
雨水径流有明显的初期冲刷作用,即在多数情况下,污染物是集中在初期的数毫米雨量中,因此,控制初期雨水成为雨水利用系统和城市径流污染控制的一项主要举措。由于初期雨水污染程度高,处理难度大,因此对初期雨水的控制主要采用弃流处理。初期雨水弃流可去除径流中大部分污染物,包括细小的或溶解性污染物,因此是一种有效的水质控制技术。初雨弃流装置有多种设计型式,可以根据流量或初期雨水排除水量来设计控制装置。
2.1 优先流法弃流池
初期雨水弃除最常用的方法是优先流法,即将设计的集雨面的初期径流量优先排入相应容积的需水空间内,然后再流入收集系统的下游,如图1所示。弃流池一般用砖砌、混凝土现浇或预制,可设计为在线或旁通方式,所截留的初期雨水在降雨结束后或者由水泵排入污水管道,或者逐渐渗入周围的土壤。相应的雨水弃
除设施如图1所示。该方法设计根据雨水径流的冲刷规律合理确定弃流水量。优点是简单有效,可以准确地按设计要求控制初期雨水量,效果好。主要缺点是当汇水面较大收集效率不高,需要较大的池容。
2.2 切换式或小管弃流井
在雨水检查井中同时埋设连接下游雨水井和下游污水井的2根连通管,在2个连通管入口处设置简易手动闸阀或自动闸阀进行切换。可以根据流量或水质来设计切换方式,人工或自动调节弃流量。这种方法最大的问题是对随机降雨操作控制比较困难。当弃流管与污水管直接连接时,应有措施防止污水管中污水倒流入雨水管线,可采用加大2根连通管的高差等方式。由于降雨过程和径流过程均表现出初期水质差而流量小的特点,可以考虑将初期雨水弃流管设计为分支小管,初期水质差的小流量首先通过小管排走,超过小管排水能力的后期径流再进入雨水收集系统。该法的特点是自动弃流,可以减少切换带来的运行和操作的不便,但弃流量难以合理控制,尤其是在降雨强度较小而降雨量很大时可能会使弃流量加大,减少收集水量甚至收集不到雨水。该法一般适用于汇水面较大,有足够的收集水量时。
2.3 旋流分离式初雨弃流设备。
由雨水管道收集的雨水沿切线方向流入旋流筛网,筛网由一定数目的合金材料制成。降雨初期当筛网表面干燥时,在水的表面张力和筛网坡度作用下,雨水在筛网表面以旋转的状态流向中心的排水管,初期雨水即被排入雨水或污水管道。随着降雨延续,筛网表面不断被浸润,水在湿润的筛网表面上的张力作用将大大减少,中后期雨水就会穿过筛网汇集到集水管道,最终接入蓄水池。这种装置的主要特点是通过改变筛网的面积和目数可以按时间控制初期雨水弃流量;初期雨水来临时,可以将上次残留在筛网上的树叶等滤出物冲入雨水或污水管道中,自行清洁。
2.4 自动翻板式初雨分离器。
该装置的工作原理是利用自动翻转的翻板进行弃流。没有雨水时,翻板处于弃流管位置,降雨开始后,初雨沿翻板经过弃流管排走。随着降雨的增多,一般降雨到2～3 m m时,翻板依靠重力会自动反转,雨水沿翻板经过雨水收集管进入蓄水池。当停止降雨一定时间后翻板依靠重力作用自动恢复原位,等待下一次降雨。翻板的翻转时间和停雨后自动复位时间可根据具体情况在安装时调节。该装置主
要安装在雨落管上,无需建设土建弃流池,可以灵活地将初雨分离出去,整个过程自动完成。通过使用该装置可以有效地控制每场降雨径流中的大部分污染物,能显著地改善蓄水池中的雨水水质,保证整个系统安全而高效地运行。
3. 雨水传输技术
雨水的传输主要有２种形式，即地下管道传输和地表明沟传输，可以是重力流或压力流。地表明沟传输，通常模拟天然水流蜿蜒曲折的轨迹，或构筑特定的造型，雨水的传输和贮存与城市景观建设融为一体，有利于美化改善城市环境。本工程采用地下管道传输的方式进行，对于蓄水池中的雨水采用水泵提升、管道输送，供浇洒绿地或河道补充水使用。
４ 雨水蓄存技术
雨水蓄存技术包括蓄存容量的计算和储存器的选择、布置，以及水质改善的技术。家庭贮存雨水可采用罐、缸、桶等，社区环境可修建蓄水池，也可利用水景和人工湖。为了防止蓄水池中的固体使水散发臭气，可以采用增氧手段。 5 雨水处理技术
实验研究结果表明屋面和道路雨水水质可生化性较差,宜采用物化处理。雨水净化工艺视水质和使用目的确定,若出水作为杂用水,则处理工艺的选择应以简便、实用为原则,优先考虑混凝、沉淀、过滤等物化处理方案。常规雨水水质处理工艺
5.1 筛网与格栅。
由于雨水中含有较粗的漂浮物与悬浮物,如树叶、果皮、纤维等,为减轻后续处理负荷,需采用格栅或筛网对其进行截留。格栅采用金属栅条,可用型钢直接焊接制成,以细格栅为宜(栅条间距为2～5 m m);筛网采用平面条形滤网,倾斜或平铺放置,滤网间隔应在0.5～2 m m之间。对于道路径流雨水需设格栅与筛网去除雨水中较粗的悬浮物质,对于屋顶径流,可不设格栅,直接采用筛网过滤,能去除绝大部分树叶与粗颗粒物质。
5.2 混凝沉淀。
对于悬浮物含量较高的雨水,加设混凝设备能提高后续处理效率。混凝是水体中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。混凝剂推荐用铝盐、铁盐或聚合电解质,助凝剂可用生石灰、活化硅酸等。混凝剂投加采用液体投加方式,将固体溶解后配成一定浓度的溶液投入水中。沉淀是解决雨水泥沙与悬浮物的最适用的方法,形式宜采用平流式沉淀池,易于建造,沉淀效率较高。沉淀池停留时间最小不应超过2 m in,对于屋顶径流(去除初雨后)等较清洁的雨水。在沉淀后能去除70%的悬浮物、40%的有机污染物质,可直接回用于绿地灌溉。对于道路径流等污染程度较严重的雨水,混凝沉淀能去除60%～80%的污染物,但仍需进一步过滤处理。
5.3 过滤
过滤的目的是为了进一步去除前处理中剩余的悬浮物固体颗粒、胶体物质、浊度及有机物等,提高出水水质。雨水在过滤之间应去除初期雨水,否则滤池极易堵塞,对于道路径流,在过滤之间还应增加沉淀工艺。雨水过滤池设计一般采用单层滤池和双层滤池,单层滤池滤料可采用细砂,滤料粒径以0.5～1.2 m m为宜,也可粗至1.5～2.0 m m,滤层厚度为80～1 20 m m。双层滤池滤料采用无烟煤和细砂,滤料粒径与厚度与单层滤池接近。由于使用率低及操作简易的考虑,雨水过滤一般不设反冲洗装置,而是通过定期清理更换上层滤料的做法防止滤池堵塞。
5.4 雨水回用的工艺流程
6 国外城市雨水利用技术
雨水集蓄利用系统可以设置为单体建筑物的分散式系统,也可在建筑群或小区中集中设置。系统由集雨区(通常是屋顶)、输水系统、截污净化系统(如过滤)、储存系统(地下水池或水箱)以及配水系统等几部分组成。有时还设有渗透设施,并与贮水池溢流管相连,当集雨量较多或降雨频繁时,部分雨水可以进行渗透。
雨水综合利用技术
城市雨水的收集和利用技术是雨水收集、弃流、截污、传输、储存和处理等技术的综合。
1雨水收集技术
雨水收集系统包括屋面的雨水收集系统和地面的雨水收集系统。
1.1 屋面雨水的收集
屋面雨水一般占城区雨水资源量 65%左右，易于收集，且水质相对较好，是城区雨水利用的主要对象。屋面雨水由于受污染少，水质较好，稍加处理或不经处理即可直接用于冲洗厕所、浇灌绿地或用作水景，也可直接进入渗透管沟或通过土壤经初步渗透后再进入渗透管系。对屋面雨水典型的收集方式为：屋面雨水经雨水立管进入初期弃流装置，通过初期弃流装置将初期较脏的雨水排至小区污水管道，进入城市污水处理厂处理后排放。经过初期弃流的雨水经独立设置的雨水管道流入贮水池，雨水在池中经过过滤、沉淀、再过滤、消毒处理后，出水进入专为冲洗用水、洗涤用水和庭院浇灌用水设置的管网，用于家庭、公共和工业等方面非饮用水。
1.2 地面雨水的收集
由于地面的雨水水质较差，其主要用在系统和地表蓄水池。对于采取合流制排水小区绿化用水和景观用水上。地面雨水收集方式包括绿地蓄水下渗回补地下含水系统的老城区，如果将地面雨水就近收集并回灌地下，不仅可以减少对环境的污染，还可提高城市污水厂的处理效果，降低处理成本。采取分流制的地区，地面雨水径流从集水口流入雨水管道，直接汇入雨水贮水池，相对比较简单。
1.3 主要雨水收集系统的具体设计实例
拟建于上海市近郊的综合性滨水现代化社区,规划总占地面积为667 hm2。社区规划以生态景观湖景为核心,融城市生活与居住生活于一体,具备完善的社区生活服务功能,包括别墅区、社区会所、景观湖、休闲绿地、娱乐广场、户外运动场等。
该水景社区的景观湖规模较大,是整个社区水循环系统中最重要的中转库。景观湖承接降雨和地表径流,为社区提供绿地浇灌用水、道路冲洗用水及其他用水,并与社区外围河道连通,向外排水和泄洪。雨水收集利用技术,包括集蓄池、暴雨塘、碎石沟渠系统、植草浅沟系统以及砂床过滤系统。将各收集措施进行组合构成一个高效率的有机整体。蓄积的雨水经过沉淀、过滤、吸附、消毒等,水质基本能达到景观水质要求,用于景观湖补水、喷泉及冲洗车辆等对水质要求较高的用水点,集蓄池的溢流直接排放到市政雨水管,景观湖、喷泉水景均预留自来水补水口,以便于调节与管理。整个系统的设计与布置,结合社区内建筑物、道路、绿地和用水点的空间分布特点,并综合考虑各雨水类型的受污染程度及雨水利用点对水质的要求。
1.3.1 地下集蓄池
该社区的集蓄池主要是针对社区别墅、大型会所建筑等面积较大的屋面,面积约为22 500 m2。地下集雨池可建在社区空地或绿地下面,上面覆土种植植被,既能作为集雨设施,又不妨碍地上功能的实现。地下集雨池主要为钢筋混凝土结构,并设有过滤池、沉淀池、水泵等装置。收集的雨水主要用于景观湖补水和水景喷泉等。
1.3.2 植草浅沟
植草浅沟是在地表沟渠中种植草本,为一多功能的暴雨控制、雨水收集设施。当雨水径流流经植草浅沟时,经过沉淀、过滤、渗透、植物吸收及生物降解等作用,径流中的污染物被削减,达到雨水收集利用和径流污染控制的目的。综合考虑浅沟的水力计算方法和净化功能,在该社区内设计了长约1km的植草浅沟,浅沟表层种植耐淹的结缕草、狗牙根及其他禾本科草本,用于收集小区内绝大部分的绿地径流和非透水性道路广场的径流,直接汇入暴雨塘内暂时储存。
1.3.3 下渗碎石沟渠
下渗碎石沟渠是一种以多种粒径的碎石(砾石居多)为主要结构的线型集水槽,为周围汇水区域的低势区。当汇水区的地表径流进入碎石沟渠后,通过碎石层逐渐下渗,碎石的物理结构以及生长的生物膜起到过滤雨水和降解污染物的作用。与植草浅沟相比,碎石沟渠削减径流峰流量的能力较差些,主要用于收集该社区内的少数屋面雨水和透水性路面雨水。全区设计了500 m长的碎石沟渠,收集的地表径流在输移过程中得到净化,汇入暴雨塘,作为景观湖的补水水源。
图 1 中虚线文本框意味着具有雨水下渗功能; 粗连接线是收集雨水的主要流
路。
2 初期雨水控制与弃流
雨水径流有明显的初期冲刷作用,即在多数情况下,污染物是集中在初期的数毫米雨量中,因此,控制初期雨水成为雨水利用系统和城市径流污染控制的一项主要举措。由于初期雨水污染程度高,处理难度大,因此对初期雨水的控制主要采用弃流处理。初期雨水弃流可去除径流中大部分污染物,包括细小的或溶解性污染物,因此是一种有效的水质控制技术。初雨弃流装置有多种设计型式,可以根据流量或初期雨水排除水量来设计控制装置。
2.1 优先流法弃流池
初期雨水弃除最常用的方法是优先流法,即将设计的集雨面的初期径流量优先排入相应容积的需水空间内,然后再流入收集系统的下游,如图1所示。弃流池一般用砖砌、混凝土现浇或预制,可设计为在线或旁通方式,所截留的初期雨水在降雨结束后或者由水泵排入污水管道,或者逐渐渗入周围的土壤。相应的雨水弃
除设施如图1所示。该方法设计根据雨水径流的冲刷规律合理确定弃流水量。优点是简单有效,可以准确地按设计要求控制初期雨水量,效果好。主要缺点是当汇水面较大收集效率不高,需要较大的池容。
2.2 切换式或小管弃流井
在雨水检查井中同时埋设连接下游雨水井和下游污水井的2根连通管,在2个连通管入口处设置简易手动闸阀或自动闸阀进行切换。可以根据流量或水质来设计切换方式,人工或自动调节弃流量。这种方法最大的问题是对随机降雨操作控制比较困难。当弃流管与污水管直接连接时,应有措施防止污水管中污水倒流入雨水管线,可采用加大2根连通管的高差等方式。由于降雨过程和径流过程均表现出初期水质差而流量小的特点,可以考虑将初期雨水弃流管设计为分支小管,初期水质差的小流量首先通过小管排走,超过小管排水能力的后期径流再进入雨水收集系统。该法的特点是自动弃流,可以减少切换带来的运行和操作的不便,但弃流量难以合理控制,尤其是在降雨强度较小而降雨量很大时可能会使弃流量加大,减少收集水量甚至收集不到雨水。该法一般适用于汇水面较大,有足够的收集水量时。
2.3 旋流分离式初雨弃流设备。
由雨水管道收集的雨水沿切线方向流入旋流筛网,筛网由一定数目的合金材料制成。降雨初期当筛网表面干燥时,在水的表面张力和筛网坡度作用下,雨水在筛网表面以旋转的状态流向中心的排水管,初期雨水即被排入雨水或污水管道。随着降雨延续,筛网表面不断被浸润,水在湿润的筛网表面上的张力作用将大大减少,中后期雨水就会穿过筛网汇集到集水管道,最终接入蓄水池。这种装置的主要特点是通过改变筛网的面积和目数可以按时间控制初期雨水弃流量;初期雨水来临时,可以将上次残留在筛网上的树叶等滤出物冲入雨水或污水管道中,自行清洁。
2.4 自动翻板式初雨分离器。
该装置的工作原理是利用自动翻转的翻板进行弃流。没有雨水时,翻板处于弃流管位置,降雨开始后,初雨沿翻板经过弃流管排走。随着降雨的增多,一般降雨到2～3 m m时,翻板依靠重力会自动反转,雨水沿翻板经过雨水收集管进入蓄水池。当停止降雨一定时间后翻板依靠重力作用自动恢复原位,等待下一次降雨。翻板的翻转时间和停雨后自动复位时间可根据具体情况在安装时调节。该装置主
要安装在雨落管上,无需建设土建弃流池,可以灵活地将初雨分离出去,整个过程自动完成。通过使用该装置可以有效地控制每场降雨径流中的大部分污染物,能显著地改善蓄水池中的雨水水质,保证整个系统安全而高效地运行。
3. 雨水传输技术
雨水的传输主要有２种形式，即地下管道传输和地表明沟传输，可以是重力流或压力流。地表明沟传输，通常模拟天然水流蜿蜒曲折的轨迹，或构筑特定的造型，雨水的传输和贮存与城市景观建设融为一体，有利于美化改善城市环境。本工程采用地下管道传输的方式进行，对于蓄水池中的雨水采用水泵提升、管道输送，供浇洒绿地或河道补充水使用。
４ 雨水蓄存技术
雨水蓄存技术包括蓄存容量的计算和储存器的选择、布置，以及水质改善的技术。家庭贮存雨水可采用罐、缸、桶等，社区环境可修建蓄水池，也可利用水景和人工湖。为了防止蓄水池中的固体使水散发臭气，可以采用增氧手段。 5 雨水处理技术
实验研究结果表明屋面和道路雨水水质可生化性较差,宜采用物化处理。雨水净化工艺视水质和使用目的确定,若出水作为杂用水,则处理工艺的选择应以简便、实用为原则,优先考虑混凝、沉淀、过滤等物化处理方案。常规雨水水质处理工艺
5.1 筛网与格栅。
由于雨水中含有较粗的漂浮物与悬浮物,如树叶、果皮、纤维等,为减轻后续处理负荷,需采用格栅或筛网对其进行截留。格栅采用金属栅条,可用型钢直接焊接制成,以细格栅为宜(栅条间距为2～5 m m);筛网采用平面条形滤网,倾斜或平铺放置,滤网间隔应在0.5～2 m m之间。对于道路径流雨水需设格栅与筛网去除雨水中较粗的悬浮物质,对于屋顶径流,可不设格栅,直接采用筛网过滤,能去除绝大部分树叶与粗颗粒物质。
5.2 混凝沉淀。
对于悬浮物含量较高的雨水,加设混凝设备能提高后续处理效率。混凝是水体中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。混凝剂推荐用铝盐、铁盐或聚合电解质,助凝剂可用生石灰、活化硅酸等。混凝剂投加采用液体投加方式,将固体溶解后配成一定浓度的溶液投入水中。沉淀是解决雨水泥沙与悬浮物的最适用的方法,形式宜采用平流式沉淀池,易于建造,沉淀效率较高。沉淀池停留时间最小不应超过2 m in,对于屋顶径流(去除初雨后)等较清洁的雨水。在沉淀后能去除70%的悬浮物、40%的有机污染物质,可直接回用于绿地灌溉。对于道路径流等污染程度较严重的雨水,混凝沉淀能去除60%～80%的污染物,但仍需进一步过滤处理。
5.3 过滤
过滤的目的是为了进一步去除前处理中剩余的悬浮物固体颗粒、胶体物质、浊度及有机物等,提高出水水质。雨水在过滤之间应去除初期雨水,否则滤池极易堵塞,对于道路径流,在过滤之间还应增加沉淀工艺。雨水过滤池设计一般采用单层滤池和双层滤池,单层滤池滤料可采用细砂,滤料粒径以0.5～1.2 m m为宜,也可粗至1.5～2.0 m m,滤层厚度为80～1 20 m m。双层滤池滤料采用无烟煤和细砂,滤料粒径与厚度与单层滤池接近。由于使用率低及操作简易的考虑,雨水过滤一般不设反冲洗装置,而是通过定期清理更换上层滤料的做法防止滤池堵塞。
5.4 雨水回用的工艺流程
6 国外城市雨水利用技术
雨水集蓄利用系统可以设置为单体建筑物的分散式系统,也可在建筑群或小区中集中设置。系统由集雨区(通常是屋顶)、输水系统、截污净化系统(如过滤)、储存系统(地下水池或水箱)以及配水系统等几部分组成。有时还设有渗透设施,并与贮水池溢流管相连,当集雨量较多或降雨频繁时,部分雨水可以进行渗透。