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雨水资源收集利用系统及处理技术方案

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雨水资源收集利用系统及处理技术方案

雨水资源收集利用系统及处理技术方案

  • 作者:深圳市海绵雨水利用科技有限公司
  • 来源:www.spongerain.com
  • 发布时间:2018-07-27 00:00
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城市化快速发展的地区,水资源问题已日益成为制约城市发展的重要因素,为实现科学发展的目标,必须选择走可持续发展的道路。城市雨水资源化利用是解决城市水资源短缺、控制城市雨水径流污染,减少城市洪灾的有效途径。为此,应将雨水利用与雨水径流污染控制、城市防洪、生态环境的改善相结合,应坚持技术和非技术措施并重,工程性措施与非工程性措施并用的原则,因地制宜,择优选用,兼顾经济效益、环境效益和社会效益,标本兼治,促进城市水资源利用的可持续发展。

 

本篇文章讲述雨水资源收集利用系统及处理技术方案,该方案由:“海绵雨水”公司,一家从事雨水收集利用系统十多年专业企业。

 

城区不透水面积逐年增加,雨水径流量增大,流出时间缩短。这不仅造成水资源的巨大浪费,加大了城市排水系统的负担,还对城市的生产、生活造成极大的影响,并带来巨大的经济损失。

 

那么如何将雨水有效收集利用?

 

首选,我们讲下关于雨水收集与利用的意义。

 

1、节约城市水资源

近年来逐渐增多的城市道路冲洗,晒水减雾,甚至于城市洗车行业的逐步增多,对于城市自来水的需求也相应增多,而供水负担加重,自来水等原水资源的浪费和过度使用,使得回用雨水作为循环用水水源的呼声也日渐增大。

 

2、改善城市水源环境

对城市雨水资源的开发利用,地表河流,湖泊及地下水等水体的用水将相对减少,有利于维持河、湖、地下水源等天然水体的正常生态环境用水量,另一方面通过收集雨水的调蓄构筑物的运作,既可以缓解城市的内涝灾害,还可以变废为宝,稀释污水污染物,改善污水的水质。

 

3、具有经济和生态意义

对雨水进行收集利用,既可缓解城市对自来水依赖,又能解决水源污染,最终达到节能减排、低碳环保的目的。另一方面,回用雨水在一定程度还可以做到城市区域自给自足,对于飞速发展的城市来说,尤其是城市不断扩张,而后续配套的管网无法跟上的时候,采用雨水回用,减少城市建设管道的费用,使得城市管网合理优化,而且对于雨水使用,可部分替代自来水以减少自来水的使用量,与其它非传统水源利用对比,雨水收集利用具有明显经济优势。

 

雨水收集与利用的系统及处理技术

 

随着国际雨水集流系统会议的召开和国际雨水集流系统协会的成立,国际上掀起了雨水收集利用理论和技术研究的热潮,内容涉及集雨水面处理、集雨系统设计、集雨模型和收集雨水的高效利用等。

 

雨水收集系统将进一步细分为四种类型:

 

一、集雨系统

 

1、屋顶收集系统:在屋顶和庭院安装管道,输水设备和蓄水设备,收集屋顶上的与供家庭饮水、卫生、养畜等使用。

2、小型雨水收集系统:收集区面积在1000m²以下,种植区面积在100m²以下,两者之比为1:1-1:10,种植区仅种一颗树或部分灌木或一年生作物,主要由人工建成,不设溢流口。

3、中型集雨系统:集雨区经过处理或不处理,坡度在5%-50%之间,面积在1000m²,-2000m平方之间,种植区或为梯田或为坡度小于10%的缓坡,集雨区面积与种植区面积之比为10:1-100:1由人工或机械建成,设溢流口。

4、大型雨水收集系统:需建设复杂的渠坝体系,收集雨季时季节性河流形成的洪水,集雨区面积在200hm2-50km2之间,集雨区面积与种植区面积之比100:1-10000:1收集的雨水蓄存于水库、池塘和农田土壤中,其主要用途为补充作物所需的土壤水分,回补地下水和减小洪水灾害造成的损失。主要由机械建成,设溢流口。

 

二、雨水截污技术

 

对于雨水收集,要想进一步利用,就要对雨水水质进行处理改善。因此应从源头入手,控制源头污染,通过采取一些简单易行的截污措施,可大大改善收集雨水的水质和提高后续处理系统的效果。雨水的截污技术主要有:屋面雨水截污技术、路面雨水截污技术。

 

1、屋面雨水截污技术

屋面雨水的截污措施有很多种方法,常采用3中方式:截污滤网装置、花坛渗滤净化装置、初期雨水弃流装置。在此简单介绍花坛渗滤装置:

 

花坛渗透净化装置是利用建筑物四周的一些花坛来接纳、净化屋面雨水,也可以专门设计花坛渗滤装置,既美化了环境,又净化了雨水。下图所示是花坛渗滤化装置图。

2、路面雨水截污技术

由于地面污染物的影响,路面径流水质一般明显比屋面的差,必须采用截污措施或初期弃流装置,采取的截污技术有:截污挂篮、初期雨水弃流装置、雨水沉淀井与浮闸隔离井、植被浅沟等技术。在此简单介绍初期雨水弃流装置:

 

初期雨水的弃流装置是提高雨水径流水质的重要技术方法,一次降雨过程中60%以上的污染物集中在初期的雨水径流中,根据不同的雨水水质情况,确定初期雨水的弃流量,能欧有效去除大部分的悬浮物以及可溶解的污染物。目前,国外一些成型的雨水截污装置已经投入市场,下图为一种容积初期雨水弃流池的构造图。

3、雨水处理工艺

 

常规的雨水处理是将雨水收集到蓄水池后集中进行物理、化学处理,以去除雨水中的污染物。在工艺流程的选择中,需充分考虑降雨的随机性、雨水水源的不稳定性以及雨水储存设施的闲置等因素。

 

1、屋顶雨水处理工艺

屋顶雨水收集后,由于雨水相对污染比较小,其只需要经过沉淀消毒之后就可以应用到城市普通生产生活方面,如家庭冲厕、洗衣洗车,企事业单位生产线的冷却循环,这类非饮用方式的用水水质要求不高。如果住区内有水体景观经过处理后的雨水就可以应该到景观水体中,这样不仅可以补充景观的水体,而且还能实现雨水储存的效果。

 

2、道路雨水处理工艺

道路雨水水质由于道路环境复杂,其水质受污染程度较大杂志成分也相对较为复杂,在处理的初期应首先考虑排除初期的径流,对后续雨水收集再进行混凝、沉淀和过滤等常规方式的处理,此外根据水质的情况,在必须要时还需要增加活性炭吸附处理工艺,因此需要在处理工艺前段设置格栅,以便处理夹杂于雨水中的树叶、纸张、塑料废弃物及其他大颗粒杂物。对于含油污较高的雨水,则还需增物理设施如弯管的方式来进行处理,既弯管法处理雨水,在雨水由沉淀池进入过滤的管道上安装弯头,可以有效拦截油污,同时使得不含油污或少量含污雨水由弯头上水位流入水池。而道路的机动车道收集的雨水则综合处理难度与成本的比较,由于此类雨水污染较为严重,水质极为复杂,故不主张其处理与回用,可直接排入市政管道进污水处理厂。

 

3、常规雨水水质处理工艺

常规雨水水质处理工艺流程图

 

1、筛网与格栅:在收集雨水进行处理前,考虑到城市复杂情况,雨水中必然含有大量的杂物,如树叶、果皮、纸屑等,为提高后续设施对雨水处理的效果,在处理前期就设置格栅或筛网截留水中杂物。

2、沉淀,雨水沉淀池可以按照传统污水沉淀池的方式进行设计,可以采用平流式、竖流式、辐流式、旋流式等形式,其目的是在流动过程中将固体颗粒从雨水中分离出来。

3、消毒,根据雨水的用途,应考虑在利用前进消毒处理。消毒是指通过消毒剂或其他消毒手段灭活水中绝大部分病原体,使雨水水中的微生物含量达到用水指标要求的各种技术。雨水消毒应满足两个条件,经消毒后的雨水在进入输送管网前,水质必须符合相关的细菌指标要求,消毒的作用必须一致保持到用水点处,以防止可能出现的病原体危害或者再生。

 

雨水收集与处理利用技术

 

雨水收集系统与处理利用是将经过一系列的收集、截污、处理设施后,使雨水水质达到一定要求,再作为水资源补充,在工业上或作为中水进行下一步利用。加一些水质要求不高,用水量却较大的绿化、道路浇晒、消防、建筑用水等。

 

渗透沟

 

城市发展显著增加了地表径流量,以及对当地水域的污染。因此,通常采用渗透方法,如渗透沟,以去除雨水径流中的悬浮固体物、颗粒污染物、大肠菌群、有机物,以及一些可溶性金属及养分。如图-9所示,渗透沟为开挖沟,深度为0.9 ~ 3.7米,采用石骨料进行回填,并加设过滤器织物作为内衬。一小部分径流(通常为首次冲刷)被转移至位于地面以下或同一平面上的渗透沟内。径流渗透进入周边土壤中时,其含有的污染物被过滤掉。渗透沟也提供了地下水补给,并可维护附近溪流中的基流。

适用性

 

渗透沟经常用于采取了其它最佳管理措施,但可用土地有限的地区。渗透沟最常用于美国气候温暖、不是太干燥的地区。

 

渗透沟可捕获并处理少量径流,但不能控制峰值水力流量。渗透沟可与另一种最佳管理措施结合使用,如滞洪池,以提供水质控制及峰值流量控制(Harrington)。这种渗透沟的输入量较为集中,而不是分散的输入量。本系统储存了与连接至渗透系统同等水质(最佳管理措施)的水量。这通常通过设置在储存设施规定高度的开口进行雨水管理量的缓慢释放得以实现。因此,最佳管理措施水质水量将等同于开口标高以下的雨水滞留区,这些水量必须通过渗透予以排出。

 

可堵塞渗透沟的沉淀物或碳氢化合物(油脂)含量较高的径流通常采用其它最佳管理措施进行预处理。一些预处理最佳管理措施的实例包括沉砂池、水质入口、沉淀井、洼地,以及植被过滤带。

 

优势与劣势

 

渗透沟对雨水径流中的悬浮固体物、颗粒污染物、大肠菌群、有机物,及一些可溶性金属及养分具有较高的去除率。捕获的径流渗入周围土壤内,并增加了附近河流中的地下水补给与基流。

 

负面影响包括潜在的地下水污染,以及如维护不当,很可能发生早期故障。

 对于任何渗透最佳管理措施,必须对潜在的地下水污染进行仔细考虑,尤其是如果地下水供人饮用或用于农业。渗透沟不适于使用或存放化学品,或危险材料的场地,除非能有效防止危险及有毒材料进入渗透沟。在这些地区,应考虑采用不会影响地下水的其它最佳管理措施。通过积极的污染预防措施可将潜在的泄漏降至最低程度。

 

由于会对地下水造成潜在污染,现场规划早期必须进行广泛的现场勘察,以确定安装渗透沟的现场适应性。渗透沟的使用可能受到很多因素的限制,包括本地土壤的类型、气候,以及地下水位的位置。现场特征,如排水区坡度过大、细颗粒土壤类型,以及地下水位与基岩近似位置,可能不允许使用渗透沟。除进行特别设计用于集中输入量外,周边区域的坡度应使径流能在流入渗透沟时均匀分布于片流中。一般来说,渗透沟不适用于含有相对不透水土壤的区域,这种土壤含粘土与泥沙,或位于填土区。渗透沟应设置于地下水位上方,使径流可通过渗透沟进行过滤,并流入周围土壤内,最后进入地下水。此外,排水区不应将大量的沉淀物或碳氢化合物输送至渗透沟内。因此,服务于停车场的渗透沟必须事先进行适当预处理,如油砂分离器。

 

使用渗透沟的另一项限制是气候条件。寒冷气候条件下,渗透沟表面可能结冰,从而阻止径流流入渗透沟,并允许未经处理的径流流入地表水。周围土壤也可能结冰,从而减少进入土壤及地下水的渗透量。但最近的研究表明,如设计与维护得当,渗透沟可在寒冷气候条件下有效工作。通过保持渗透沟表面无压实积雪及结冰现象,并通过确保部分渗透沟是在冰冻线以下修建的,显著改善渗透沟在寒冷气候条件下的性能。

 

最后,对于渗透沟系统的长期效果也产生了众多关注点。过去,渗透沟已被证实其寿命较短,经检查的渗透沟系统,其中逾50%在5年后部分或全部不能使用。施工之前通过仔细的岩土工程评估,并通过设计与实施检查与维护计划可提高其寿命。应对土壤渗透率与地下水位深度进行评估,以确保现场条件满足渗透沟的正常工作。预处理结构,如植被缓冲带或水质入口,可通过清除沉淀物、碳氢化合物,以及可能堵塞渗透沟的其它材料提高其寿命。定期维护,包括更换堵塞骨料,也可提高渗透沟的效率及寿命。

 

生物滞留带

 

生物滞留是由美国于二十世纪九十年代早期提出的一种最佳管理措施(BMP)。生物滞留利用土壤,及木本与草本植物清除雨水径流中的污染物。如图所示,径流作为片流传送至处理区,该区域由植草地带、沙床、积水区、有机层或覆盖层、种植土壤及植被组成。径流最先跨越或穿越沙床,此沙床减缓了径流的速度,并将其均匀分布于积水区的长度方向上,该积水区由地表有机层和/或地面覆层,及下层种植土壤构成。积水区有一定的坡度,其中心地势较低。积水深度为15cm,并逐步渗透进入生物滞留区,或水分产生蒸发。生物滞留区进行了坡度设置,以便将过量的径流引入他处。生物滞留区种植土壤中存留的水分经过数天的滞留而渗入下层土壤。

基本生物滞留设计可进行修改,使其满足更多具体需要。弗吉尼亚州亚历山大市已修改了生物滞留最佳管理措施设计,使其包含沙床内的暗渠,以收集渗透水并将其排入下游的下水道系统。这种修改是必要的,这是因为不透水下层土阻止了土壤系统中的完全渗透。修改后的设计使生物滞留区更多地起到了过滤器的作用,用于排放经处理过的水,而不是作为渗透装置。

 

适用性

 

生物滞留通常用于处理流经商业、住宅与工业区不透水面的雨水。生物滞留是一种适用于中间路带、停车场区域与洼地的理想雨水最佳管理措施。可对这些区域进行设计或修改,使径流可直接转入生物滞留区,或通过镶边及排水沟收集系统传送至生物滞留区。生物滞留通常最好在从斜坡区域接收片流的入口处,以及拟开挖的区域中使用。在片流传送至处理区,最大限度提高其处理效率的同时,现场必须以能最大限度降低侵蚀条件的方式设置坡度。生物滞留应在稳定的排水区域进行运用,以最大限度减少处理区的沉积负荷。正如所有最佳管理措施一样,必须制定一项维护计划。

 

优势与劣势

 

在地下水位位于地表以下1.8m范围内的位置,以及周围土层不稳定的位置,生物滞留并非最佳的管理措施。天气寒冷时,土壤可能会产生冻结,从而阻止径流渗透进入种植土壤。对于坡度超过20%的区域,或者需要清除已成材树的区域,也不建议采用最佳管理措施。可能会产生堵塞问题,特别是当最佳管理措施所面对的是沉积负荷较高的径流时。

 

生物滞留提供了雨水处理的方法,这种方法可改善下游水体水质。径流通过最佳管理措施进行临时存储,并以四天为限释放至受纳水体中。最佳管理措施还可提供遮荫与防风林,吸收噪音并改善该区域的景观。

 

湿式滞留池

湿式滞留池为雨水控制结构,可同时保留及处理污染雨水径流。典型的湿式滞留池设计如图-12所示。该滞留池包括一个永久性的水池,而雨水径流则通过导流进入该水池。每次雨水事件的径流被截留,并在水池中进行处理,直至其被下一次暴雨事件的径流所取代。

通过捕获并保留暴雨事件期间的径流,湿式滞留池可同时控制雨水的数量与质量。之后,滞留池的自然物理、生物及化学过程可去除污染物。沉淀过程可去除微粒物、有机物质与金属物,同时溶解的金属物与养分可通过生物吸收予以去除。一般来说,与其它最佳管理措施,如干池、渗透沟,或砂过滤器相比,湿式滞留池可取得更高的养分去除率及更好的雨水量控制。

 

适用性

 

湿式滞留池在全美已广泛使用多年。对大量滞留池进行了监测,以确定其性能。美国环保局V区目前正着手对50 ~ 60个湿式滞留池的效率进行研究。其他组织,如哥伦比亚特区华盛顿政府委员会(WMCOG)及马里兰州环保局也对湿式滞留池的性能进行了广泛的评估。

 

优点与缺点

 

湿式滞留池同时具备雨水数量与质量的控制优点,并可为现有开发提供较大的改造覆盖率。优点包括减少了潜在的下游洪水及河岸侵蚀,且由于去除了悬浮固体物、金属物及可溶性养分而改善了水质。

同时,湿式滞留池的积极影响一般会超过任何负面影响,设计、选址或维护不当的湿式滞留池可能对水质、地下水、冷水渔业,或湿地造成潜在的负面影响。设计或维护不当的滞留池可能导致分层与缺氧条件,从而增加了固体物质的再悬浮,以及所截留沉淀物中养分与金属物的释放。此外,应采取预防措施,以防止滞留池施工期间对湿地区域造成损害。最后,应仔细对地下水的潜在污染进行评估。但迄今为止的研究表明,湿式滞留池不会对地下水造成显著的污染(Schueler)。

在确定安装湿式滞留池的可行性时,还应考虑以下限制条件:

1.湿式滞留池必须能保持永久性水池中长期有水。因此,滞留池不可修建于无充足降雨而无法保持水池有水的地区,也不可修建于渗透性较高的土壤中。对于潮湿地区,一处较小的排水区足以确保足够的水源,以维持永久性水池;而在较干旱的地区,则可能需要设置一处较大的排水区。在某些情况下,渗透性较高的土壤可能需进行压实或采用粘土封层,以此降低底部的渗透性。

2.土地限制,如场地较小或区域已高度开发,可能不容许滞留池的安装。

3.滞留池的排放物通常包括温水,因此,在滞留池的温水排放可能对冷水渔业造成负面影响的地区使用滞留池可能会受到限制。

4.当地气候(即温度)可能影响滞留池中的生物吸收。

5. 如未进行适当维护,滞留池的性能会急剧下降。上水池的定期清洗尤为重要。永久性水池的维护对于防止捕获沉淀物的再悬浮也非常重要。水池中沉淀物的积累也会降低水池的蓄水能力,并导致其性能下降。因此,永久性水池的底部沉淀物应在每2 ~ 5年左右进行一次清理。大多数情况下,对于处理从湿式滞留池清理出的沉淀物则无具体的限制。迄今为止的研究表明,水池沉淀物符合毒性限制条件,并可安全地予以填埋(NVPDC)。只要在远离海岸线的位置堆积沉淀物,以防止其再次流入水池内,有些州也允许在现场对沉淀物进行处理。

 

植草沟

 

植草沟为一片开阔的、深度较浅的沟渠,其边坡及底部覆盖有茂密的植被。植草沟可以是天然的或人造的,并可设计为截留颗粒污染物(悬浮固体物与微量金属),促进渗透,并可降低雨水径流的流速。其典型设计如图-15所示。

 

植草沟可作为雨水排放系统的一部分,并可替代路缘、排水沟及雨水下水道系统。因此,植草沟最适合于低流量和人口较少的住宅、工业与商业区。

 

适用性

 

当地气候与土壤条件允许建立并维护茂密植被覆层的情况下,可使用植草沟。在特定现场建立植草沟的可行性取决于起作用的水域面积、坡度与透水性,以及植草沟系统的尺寸、坡度及其所使用的植被覆层。

提供冲刷防护。

(a) 设有拦沙坝的植草沟横截面。

(b) 植草沟蓄水区的立体视图。

符号:

L = 每个拦沙坝的植草沟蓄水区的长度(英尺)

DS = 拦沙坝深度(英尺)

SS = 植草沟底部坡度(英尺/英尺)

W = 拦沙坝顶部宽度(英尺)

WB = 拦沙坝底部宽度(英尺)

Z1&2 = 植草沟边坡水平与竖向变化比值(英尺/英尺)

植草沟易于设计,并可纳入现场排水计划中。通常情况下,当植草沟作为一项独立的最佳雨水管理措施时,如与其它最佳管理措施,如水池、渗透带、湿地等结合使用,则最为高效。

当植草沟广泛地作为最佳雨水管理措施进行使用时,也存在某些方面尚未进行量化。正在进行调研的一些问题包括其污染物去除率是否随着使用时间的延长而降低;坡面对植被过滤能力,及拦沙坝的作用有什么影响;设计因素在何种程度上会提高污染物去除效率。

 

优点与缺点

 

与传统的雨水管理措施,如雨水下水道系统相比,植草沟通常具有多个优点,包括:峰值流量的减少、污染物的去除、促进径流渗透,以及较低的资本成本。但通常植草沟对于大暴雨则无效,且较为脆弱,这是由于高速水流可侵蚀植被覆层。

植草沟的限制条件包括以下内容:

•在非常平整的地区、地形陡峭的地区,或潮湿或排水不良的土壤地区,植草沟是不可行的。

•当流量和/或流速很高时,植草沟效率低,且可能造成侵蚀现象。

•植草沟可能引起溺水的危险;成为蚊虫滋生地;并可能散发气味。

•对植草沟可能没有可用的土地。

•在一些地区,植草沟的使用还受到法律的限制:如其峰值排放量超过140/秒(