雨水利用技术与风险量化

邝爱玲，徐 续

（中国城市建设研究院有限公司，北京市 100120）

0 引言

随着社会的发展和工业化程度的提高，我国城市人口和城市面积急剧膨胀，城区及周边地区的生态系统发生了显著的变化，特别是对现有水资源和水环境造成了巨大的压力。据统计[1]，在我国600多座城市中，有50%的城市缺水，其中108座严重缺水；另一方面，我国也是一个洪涝灾害频繁发生的国家，随着水资源供求矛盾的加剧和水污染问题的日趋严重，水资源可持续利用已成为我国经济社会发展的战略性问题。长期以来，我国城市规划中对水资源的综合利用一直缺乏足够的重视，尤其是对雨水，更多是强调排放而非利用。为解决这一矛盾，一方面，应该将雨水蓄积起来，减少洪涝灾害的发生；另一方面，控制雨水的排放，减少水体污染，利用雨水水质较好的特点对雨水进行再利用，同时，也应该进行雨水回用风险评估，量化风险可能给人们带来的影响或损失。

1 国内外雨水利用现状

德国是开展雨水利用较早的国家，其雨水收集、处理、利用技术是世界上发展最快也是最先进的。德国不仅建立了一套较为系统的关于雨水利用的法律，而且在雨水利用方面已经走上了设备集成化道路。德国的雨水利用技术主要包括：屋顶雨水收集利用技术，滞留、入渗与回灌技术，雨洪调控技术。美国的雨水利用以提高天然入渗能力为宗旨，主要采用地下水回灌系统、入渗设施和透水铺装组成的地表回灌系统、地下隧道蓄水系统、屋顶蓄水系统等。日本是雨量充沛的国家，在城市屋顶修建了雨水浇灌的“空中花园”[2]，在减少城市地表径流的同时，减少自来水的消耗，增加了城市的绿化面积，美化了城市环境，净化了城市空气，吸收了城市噪声，还能够降低城市的热岛效应。此外，收集的雨水不仅用于冲洗厕所、浇洒道路、灌溉绿地、补充冷却水，还出口到别的国家[3]。国外在城市化地区进行雨水利用主要通过滞留和蓄积、雨水入渗和地下水回灌等途径。

我国近代城市雨水利用起步较晚，目前主要在缺水地区有一些应用。大中城市的雨水利用还处于探索与研究阶段，但已表现出良好的发展势头[4]。近几年，我国许多城市如北京、上海、深圳等结合自身的具体情况开展了大量关于雨水利用的实验室研究和现场工程应用。雨水利用系统收集的雨水主要用于以下途径：处理后回用；通过下渗设施如下凹式绿地回补地下水；排放到下游雨水管道或河渠。

2 污染物来源及主要污染物

雨水主要包括屋面径流和道路径流。

屋面径流污染物主要来源有：降雨对大气污染物的淋洗、径流雨水对屋面沉积物的冲刷、屋面材料自身析出等。因此，屋面径流雨水水质主要影响因素包括大气环境、降雨条件和屋顶材料。主要污染物为 TN、TP、悬浮固体（SS）、有机物（COD）、重金属、无机盐等。

道路径流污染物主要来源有：径流雨水对道路沉积物的冲刷、路面材料剥落、车辆泄漏、轮胎磨损、行人丢弃的垃圾、杀虫剂和肥料的使用等。因此，影响城市道路径流雨水水质的主要因素包括降雨量、降雨历时、降雨强度、两场降雨之间的时间间隔、路面材料、路面老化程度、路面清洁度及水土流失状况等[5]。主要污染物为重金属、氮磷营养物、SS、COD、油和脂、多环芳烃（PAHs）等。

3 单介质过滤研究

滤料根据其材质可以分为无机滤料和有机滤料。衡量滤料性能的指标主要包括：滤料的粒径和级配、滤料的纳污能力、滤料的孔隙率和比表面积、滤料的机械强度和化学稳定性。近年来国内外在水处理中广泛采用的滤料有沸石、陶粒、炉渣、果壳滤料、果壳活性炭、椰壳活性炭。

沸石滤料是一种硅酸盐矿物质，化学式可表示为Mx/yAlxSiyO2(x+y)P·H2O，化学成分一般可认为是由Al2O3、SiO2、H2O和金属阳离子4部分构成。沸石作为一种新型的水处理剂，具有廉价、无毒、可再生等优点，水处理工艺中常用其作为吸附剂，但它同时还兼具有离子交换剂和过滤剂的作用。天然沸石属于轻质滤料，具有表面粗糙、比表面积大、吸附能力强、视密度小等特点。

陶粒滤料主要成分为偏铝硅酸盐，表观为近似球形不规则颗粒。陶粒对水中污染物的去除机理主要有：截留、吸附、生物絮凝和氧化。陶粒滤料表面粗糙，比表面积大，孔隙率高，强度高，密度适宜，多微孔，孔径大小不规则，化学和物理稳定性好，不含溶解于水的有害物质等特点。

炉渣的主要成分为 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等，是电厂锅炉、各种工业及民用锅炉、炉窑排放出的煤炭燃烧固体废弃物。在煤炭燃烧过程中其孔隙中会进入大量空气，冷却后空气又逸出，使得生成的炉渣具有多孔结构。由于炉渣中含有Al2O3、Fe2O3、CaO等碱性氧化物，这些碱性氧化物与待处理水接触后会部分溶出，所以对待处理水中的有机物、重金属、悬浮物具有一定的吸附、过滤、中和及絮凝作用[6]。

果壳滤料具有多方面性和微孔性，截污能力强，对油和悬浮物去除率高；具有多棱性和不同粒径，可形成深床过滤，增强了除油能力和滤速；具有亲水不亲油性能和适宜的密度，易反洗，再生能力强。果壳滤料硬度大，且经过特殊处理不易腐蚀，不用更换滤料等特点。

果壳活性炭具有孔隙结构发达，比表面积大，吸附能力强，机械强度高，床层阻力小，化学稳定性好，易再生，经久耐用等特点。

椰壳活性炭孔隙结构发达，比表面积大，吸附性能好，且吸附速度快、吸附容量高；机械强度高，不易磨损和破碎；椰果活性炭密度比水小，会长时间悬浮在水中，因此与水接触面积大，对水净化效果好，只有当活性炭吸水饱和后才会逐渐沉入水底；易于再生，经久耐用等。

研究表明，沸石、陶粒、炉渣、果壳活性炭、椰壳活性炭对雨水中各污染指标的去除性能强弱顺序如下。PO3-4：椰壳活性炭＞果壳滤料＞陶粒＞果壳活性炭＞炉渣＞沸石；氨氮：椰壳活性炭＞沸石＞果壳滤料＞陶粒＞果壳活性炭＞炉渣；硝酸盐氮：果壳活性炭＞炉渣＞沸石＞椰壳活性炭＞果壳滤料=陶粒；COD：椰壳活性炭＞沸石=陶粒＞果壳活性炭＞炉渣＞果壳滤料；Cu：椰壳活性炭＞果壳活性炭＞炉渣＞沸石＞果壳滤料＞陶粒；Cr：果壳活性炭＞椰壳活性炭=果壳滤料＞炉渣＞沸石＞陶粒。6种滤料对Cd和Pb的去除效果都不好，所以不同滤料针对不同污染物才有较好的去除性能，如果处理对象为多种污染物，就需要几种介质复合后共同来完成。

4 复合介质多级过滤研究

由于砂土基本没有吸附作用，但有较强的渗透性能和截留作用，所以在复合介质多级过滤中将砂土选做过滤介质中的一种。以下是几种组合方案对雨水污染物去除率的研究。

10 cm 砂土 +40 cm 沸石对氨氮、Cu、Cd、Cr、Pb的去除效果比10 cm砂土+40 cm陶粒好，但前者不如后者对去除效果好，二者对COD的去除效果都不好。与单独沸石和陶粒相比，上部加入10 cm砂土后，其对污染物的去除性能都提高了。

10 cm砂土+20 cm沸石+20 cm陶粒和10 cm砂土 +40 cm 1∶1 沸石陶粒混合物对 SS、TP、、TN、氨氮、硝酸盐氮、COD、Cu、Cd、Pb 的去除率基本相同，表明无论采用沸石与陶粒分层填装，还是采用混合后填装，其对各种污染物的去除效果影响不大。

10 cm砂土+10 cm炉渣+15 cm沸石+15 cm陶粒和10 cm砂土+10 cm炉渣+20 cm沸石+10 cm椰壳活性炭对 SS、TP、、TN、氨氮、硝酸盐氮、COD、Cu、Cd、Cr、Pb 的去除率基本相同，且变化趋势基本一致。

由于每种过滤介质都只对特定的某一种或几种污染物有较好的去除性能，所以要根据去除对象来选择介质复合方式。介质复合的流程可根据图1确定，雨水收集处理的一般流程见图2。

5 复合介质多级过滤的雨水回用风险评估

由于降水受多种因素共同影响，降水量多少、城市径流水质都具有随机性。从过滤介质特性来讲，介质具有选择吸附性，每种过滤介质只对某种或某几种污染物有较好的去除效果。从雨水回用途径来讲，不同回用途径对水质要求不同，要求越高，越难达到。所以，复合介质多级过滤的雨水回用存在一定的风险。因此，应量化风险可能带来的危害或损失，为开展更广泛的雨水利用提供依据。

图1 介质复合方式选择流程图

图2 雨水收集处理流程图

研究表明，单介质用于雨水过滤处理时，只有椰壳活性炭对磷的去除可以达到低风险级，果壳滤料对磷的去除可以达到中风险级，其他均为高风险级。可见，采用单介质净化雨水以达到各种回用途径是不可能的。

复合介质多级过滤用于雨水回用处理，当回用水用于生活杂用水时，水质要求较低，由于城市径流雨水中溶解性固体和氨氮含量本身低于回用标准，只有浊度超标，而经复合介质多级过滤后的雨水浊度均小于1，所以认为不存在回用风险，即雨水回用作生活杂用水的风险为0。

复合介质多级过滤用于雨水回用处理，当回用水用于工业用水时，三种方案对总磷的去除都可以达到低风险级，所以工业回用时总磷是没有风险的，但各方案对COD的去除都达不到低风险级，所以三种方案处理后的雨水回用于工业用途时风险等级为中级。

复合介质多级过滤用于雨水回用处理，当回用水用于景观用水时，三个方案用于去除SS和总磷的风险等级均为低级，所以城市径流雨水经三种复合方案的任意一种处理后用于构造水景观风险都很低。

复合介质多级过滤用于雨水回用处理，当回用水用于地表回灌和地下回灌时，只有采用10 cm砂土+40 cm沸石处理后，雨水用于回灌风险等级可以达到中级，其它两个方案处理后的雨水用于回灌均为高风险等级。

6 问题与建议

由于各种介质和各种复合方案对氨氮和COD的去除效果都不太好，不能保证都达到中级回用风险等级，所以需要寻找更好的介质和复合方案用于加强对氨氮和COD的去除，使其达到回用的低等级风险。

[1]杨瑞平，李玉珏.雨水资源在城市中的利用[J].山西水土保持科技，2002,2（2）：23-24.

[2]刘俊良.城市节制用水规划原理与技术[M].北京化学工业出版社，2003.

[3]李钊.对我国城市雨水利用的思考[J].水资源研究,2011,32(2)∶4-5,18.

[4]潘安君,张书函,陈建刚,等.城市雨水综合利用技术研究与应用[M].北京∶中国水利水电出版社,2010.

[5]蒋德明,蒋玮.国内外城市雨水径流水质的研究 [J].物探与化探,2008,32(4)∶417-420.

[6]F.Chazarenc,J.Brisson,Y.Comeau.Slag columns for upgrading phosphorus removal from constructed wetland effluents [J].Water Science&Thchnology.2007,56(3)∶109-115.