镇江市雨水收集利用示范工程雨水水质特性研究.pdf

书书书 镇江市雨水收集利用示范工程雨水水质特性研究 * 杨飚 1 黄勇强 2 吴涛 2 厉晶晶 2 徐明力 2 1. 镇江市城区节约用水办公室， 江苏 镇江 212001;2. 江苏大学安全与环境工程中心实验室， 江苏 镇江 212013 摘要 以镇江市雨水利用示范工程为研究对象， 通过对 8 场典型降雨雨水取样检测， 得出了示范点雨水径流的污染状 况和水质特性， 分析各种雨水水质变化规律、 雨水质量及其主要影响因素， 研究各类污染物之间的相关性。结果表明 降雨初期径流污染严重， 主要是有机污染物和悬浮物固体污染， 雨水中的悬浮物与有机污染物浓度有一定的相关性; 在弃去初期雨水后， 水质基本满足景观环境再生水水质和城市杂用水水质的控制指标。 关键词 雨水利用; 雨水径流; 水质特性; 变化规律 RESEARCH ON THE CHARACTERISTICS OF URBAN RUNOFF IN ZHENJIANG RAINWATER UTILIZATION DEMONSTRATION PROJECT Yang Biao1Huang Yongqiang2Wu Tao2Li Jingjing2Xu Mingli2 1. Zhenjiang Water-Saving Office，Zhenjiang 212013， China; 2. Safety and Envionmental Engineering Central Laboratory，Jiangsu University Zhenjiang 212013，China AbstractTaking the rainwater utilization engineering in Zhenjiang city as a case to study，the pollution situation and the quality characteristics of rainwater runoff were obtained by monitoring the rainwater samples from 8 typical rainfalls.The variation of rainwater，quality of rainwater and their main influencing factors were analyzed，and the correlation among various types of pollutants was studied. The results revealed that more serious pollution was in the beginning of stormwater，with organic pollutants and suspended solids as major pollutants of the runoff. Rainwater quality would meet the quality of landscape and urban water quality control targets if abandoning the initial rainwater. Keywordsrainwater utilization;rainwater runoff;water quality characteristic;variation law * 镇江市社会发展项目 SH2006007 。 0引言 雨水资源化利用作为实现水资源可持续利用的战 略举措之一， 对于缓解城市水资源危机、 维护城市水生 态系统健康、 应对全球气候变化具有重要意义 ［ 1- 2］。目 前， 发达国家都已开始将屋顶、 平台雨水收集起来， 用 于非饮用的生活用水 ［ 3- 6］。但是大量研究结果显示， 城 市雨水径流具有污染物晴天积累、 雨天排放， 随机性 强， 突发性强， 污染径流量大的特点， 屋面和路面雨水 初期径流污染严重 ［ 7- 10］。掌握雨水径流水质变化状况 是有效利用城市雨水资源和控制城市非点源污染的基 础， 为采取正确的径流净化措施提供依据。 镇江市常年平 均降 雨 量 1 074. 1 mm， 市 区 为 1 063. 1 mm， 常年平均雨日 119 d， 410 月降水量占 全年的 80 。镇江市雨水回收利用示范工程设在第 三人民医院， 本研究从 2009 年 49 月开始， 共进行 了 15 次雨水径流现场集中采样， 从中选出 8 场典型 降雨进行分析， 得到示范点屋面雨水径流水质特性及 其变化规律， 为城市雨水资源化利用奠定了基础。 1材料与方法 1. 1样品采集 经调查示范点所选定的大楼屋面为坡顶瓦屋面， 本研究分别取屋面雨水、 管道雨水水样测定水质指 标。取样点设在大楼雨落管出水口和院内雨水排水 管出水口。径流产生时开始取样， 径流停止时结束取 样; 用采样器在落雨井处采集样品， 每隔 5 ～ 10 min 采集 1 个样品， 并倒入 1 L 水样瓶中。在收集过程 中， 根据降雨强度大小， 确定屋面径流的采样间隔。 13 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 1. 2样品分析 监 测 水 质 指 标 主 要 有 COD、 BOD、 SS、 TP、 TN、 NH 4 -N、 浊度和 pH。按国家环保局标准， COD 采用重 铬酸盐法; BOD5采用微生物传感器快速测定法; SS 采 用重量法; TP 采用钼酸分光光度法; TN 采用碱性过硫 酸钾消解紫外分光光度法; NH 4 -N 采用纳氏试剂比色 法; 浊度采用浊度仪测定; pH 值采用玻璃电极法。 2结果与分析 2. 1示范点天然雨水水质状况分析 在进行雨水样采集同时， 采集天然雨水进行分析 测定， 以确定雨水径流水 质 的污 染 程 度。图 1 为 2009 年镇江市第三人民医院的天然雨水各指标变化 情况。从图 1 可以看出， 所研究区域内的天然降雨的 水质指标变化幅度较小。ρ COD 为 10 ～ 20 mg/L， ρ BOD5 为 3 ～ 4. 5 mg/L， 浊 度 为 15 ～ 30 NTU， ρ TN 为 3 ～ 5 mg/L， ρ TP 为 0. 15 ～ 0. 35 mg/L。总 体而言， 经过淋洗大气的雨水水质化学指标均在三类 水质范围内， 是一种污染较轻的水资源。 图 1不同采样日期下的天然雨水水质情况 2. 2示范点屋面雨水径流水质状况分析 2. 2. 1pH 值随降雨径流的变化分析 如图 2 所示， 雨水径流的 pH 值介于 5. 5 ～ 8， 随 着采样时间的延长， pH 值趋于平缓， 在 6. 5 左右， 其 中 6 月 5 日、 19 日以及 7 月 4 日的 pH 值由 8 缓慢下 降至 5. 5 又继续上升至 6. 5， 呈现这种变化的原因 是， 初期雨水中含有鸟类的排泄物比较多， 氨氮含量 较高， 使得水溶液呈碱性， 随着雨水的冲刷， 鸟类排泄 物冲刷干净， 雨水径流的 pH 值为雨水背景酸碱度， 符合前几个月的水样 pH 值的变化规律， 镇江市雨水 的 pH 值总体呈弱酸性。对于一般城市杂用水水质 要求以及景观用水的再生水水质要求而言， pH 值要 求在 6. 0 ～ 9. 0， 而通过测定可知， 除初期雨水外， 所 有雨水径流都能满足该项指标。 图 2 pH 值随降雨历时的变化 2. 2. 2污染物浓度 SS、 COD 随降雨历时的变化分析 图 3 ～ 图 6 为 2009 年 4 月 19 日7 月 21 日采 样期内雨水径流的 COD、 SS 变化曲线。在不同的时 间内， 屋 面 以 及整 个 示范 点 在 整 场 降 雨 过 程 中 的 COD 变化幅度颇大， 在降雨形成过程中， 雨水径流形 成初期是污染物浓度达到最高值时期， 其中 6 月 5 日、 6 月 19 日、 7 月 4 日和 7 月 21 日的降雨径流 COD 在径流形成后 5 min 出现最高值， 与当时雨量变化有 很大的关系， 在这几次降雨过程中， 初期的降雨较小， 几分钟后就出现雷雨大风， 雨量突然增大， 雨水径流 冲刷作用加强， 将屋面以及地面的污染物带入雨水径 流中， SS 也呈现类似的变化。随着降雨过程的继续， 空气中以及地面上的污染物冲刷干净后， 雨水水质趋 于稳定， 稳定后的 ρ COD 在 30 mg/L 左右， ρ SS 在 20 mg/L 左右。可见， 雨水径流在弃去前面 10min 的 初期径流后， 水质较好基本可以回用。 图 3屋面雨水径流 COD 随降雨历时的变化 23 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 图 4管道雨水径流 COD 随降雨历时的变化 图 5屋面雨水径流 SS 随降雨历时的变化 图 6管道雨水径流 SS 随降雨历时的变化 2. 2. 3氨氮、 总氮、 总磷随降雨历时的变化分析 氮、 磷含量反映了雨水进入水体易造成富营养化 污染的程度。对于雨水径流， 氮类污染主要为氨氮污 染， 硝态氮及亚硝态氮开始存在的几率比较小， 故对于 氮类物质的测定， 只考虑了总氮和氨氮这两个因素。 如图 7 所示， 氨氮质量浓度基本在 1 ～ 20 mg/L， 随降雨历时的延长其浓度有减小的趋势， 当降雨 30 min 后逐渐趋于平稳。从图 8 ～ 图 10 可以看出， 总氮 和总磷的变化规律和 COD、 SS 具有类似的变化情况， 除了 7 月 4 日和 7 月 21 日， 氮和磷的值较其他含量 高， 原因是在水样采集中， 发现前几分钟在水样中含 有鸟类的排泄物， 而排泄物的氮、 磷含量较高， 在其他 水样采集过程中并未发现排泄物。随着降雨的冲刷， 鸟类排泄物冲刷干净， 出现了和其他水样相似的曲线 变化， 也就可以得出， 鸟类排泄物是造成这两天水样 氮、 磷含量和以往不同的原因。根据景观用水再生水 的水质标准， 一般要求总氮含量为 15 mg/L， 总磷含 量为 0. 5 ～ 2. 0 mg/L， 由此可知弃去初期径流后， 雨 水水质基本满足要求。 图 7屋面雨水径流氨氮随降雨历时的变化 图 8屋面雨水径流 TN 随降雨历时的变化 图 9管道雨水径流 TN 随降雨历时的变化 2. 2. 4浊度随降雨历时的变化 对于采集的水样， 初期雨水较浑浊， 颜色发黑， 33 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 图 10屋面雨水径流 TP 随降雨历时的变化 20 min后收集的水样变黄褐色， 水样变清， 50 min 后的水 样颜色为淡黄色， 浊度减少并且较稳定。由图 11、 图 12 可知， 降雨产生径流 20 min 后雨水浊度基本趋于稳定。 图 11屋面雨水径流浊度随降雨历时的变化 图 12管道雨水径流浊度随降雨历时的变化 通过分析屋面及管道雨水径流的水质得出， 屋面 雨水水质主要受屋面的材料、 坡度、 气温、 降雨强度与 雨量及降雨历时等因素的影响， 同时要考虑附近有无 大的污染源， 或者污染物的输入影响; 而对于道路雨 水径流主要污染物来源于干、 湿污染物的颗粒沉降、 大气中淋溶和交通运输过程中产生污染物等， 污染物 的组成与性质和路面材料、 老化程度、 清洁度和水土 流失等因素有关， 同时还受降雨强度和降雨时间间隔 等影响， 因此其变化幅度很大 ［ 11］。 2. 3雨水径流污染指标相关性分析 降雨的随机性、 非连续性以及流量的不稳定性， 决定了雨水水质变化比较大、 变化规律难以掌握。分 析一些主要污染物之间的关系， 可以简化雨水径流水 质的监测和定量分析， 为制定有效的控制措施提供参 考依据。本研究分析了水样中 COD 与 SS、 浊度、 TN、 TP 的相关性， SS 与 TN、 TP 的相关性。 2. 3. 1COD 与 SS 的相关性 雨水径流 COD 与 SS 的相关见图 13。从图 13 可 以看出， 屋面和管道雨水中的 COD 含量与 SS 有较好 的相关关系， 说明雨水径流水质的污染程度与颗粒物 的含量有一定的关系， 这对雨水处理提供了很好的思 路， 可以通过去除悬浮颗粒物的方法来净化雨水。 图 13雨水径流 COD 和 SS 关系 2. 3. 2COD 与浊度的相关性 浊度的测定是一种非常简便的监测方法， 如果能 确定浊度和其他污染物的关系， 有助于简化降雨径流 污染物的测定， 并有利于实施降雨径流污染控制的在 线监测。由图 14 可知浊度和 COD 有很好的相关性， 可以通过去除浊度来去除部分有机污染物。 2. 3. 3SS 与 TN 和 TP 的相关性 控制暴雨径流中的 TN、 TP 对水体贡献， 使河流、 43 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 图 14雨水径流 COD 和浊度关系 湖泊保持良好的水生生态环境， 是城市雨水利用与径 流污染控制的一项重要任务。研究 TN、 TP 和其他污 染物的相关关系， 在降雨径流污染控制中通过控制较 易去除和监测的污染物来实现对 TN、 TP 的监测控 制， 图 15、 图 16 分别给出了几场不同降雨中的 SS 和 TN、 TP 的关系， 表明它们之间有很好的相关性。 雨水径流中由于颗粒物较多， 许多污染成分为非 溶解性物质， 因此通过拦截颗粒物可有效去除很大一 部分污染物， 表 1 列出了镇江市测算的部分屋面和管 道径流中污染物之间的相关斜率的变化范围。 图 15雨水径流 TN 和 SS 关系 表 1镇江雨水径流污染物相关斜率变化 项目 KSS － CODKSS － TNKSS － TPKCOD － TNKCOD － TPKCOD － 浊度KSS － 浊度 屋面0. 033 ～ 0. 6350. 009 ～ 0. 0980. 0004 ～ 0. 00370. 036 ～ 0. 1560. 0013 ～ 0. 0370. 055 ～ 0. 760. 92 ～ 2. 34 管道0. 067 ～ 0. 3660. 011 ～ 0. 0290. 0004 ～ 0. 00190. 024 ～ 0. 3550. 001 ～ 0. 00710. 047 ～ 0. 7060. 18 ～ 1. 64 图 16雨水径流 TP 和 SS 关系 3结论 1 该区域降雨初期雨水中 COD、 SS、 TN、 TP 等 含量较高， 但污染物含量随降雨历时呈减小趋势， 最 后水质趋于稳定， 如采取措施将初期雨水弃流后， 简 单处理即可回用。 2尽管雨水径流的水质变化具有较大的随机 性， 但污染物中， SS 和 COD、 浊度、 TN、 TP 之间存在一 定的相关性， 在降雨径流污染控制中可以通过控制较 易去除和监测的污染物来实现对其他污染物的监测 控制， 为后期雨水径流水质的测定、 雨水利用系统方 案设计和研究制定有效的控制措施提供参考。 参考文献 ［1 ］ Nancy B G，et al. 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Water Science and Technology，1999，39 5 49- 56. 下转第 38 页 53 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 考虑对 COD 的吸附作用， 选用事先使用过一段时间的 老化活性炭 进行过相同催化氧化试验的活性炭 。 设定处理时间为 1. 0 h， 最佳臭氧曝气量为 0. 10 g/ Lh ， pH 8. 2 ～ 8. 5， 活性炭填充率为 20 ～ 70 ， 活性炭填充率对 COD 的去除效果影响如图 3 所 示。由图 3 可知， 进水 COD 质量浓度 180 ～ 196 mg/L 变化时， 活性炭填充率为 20 ， 30 ， 40 ， 50 时差异 较为显著， 而 50 ， 60 ， 70 时差异不显著。 图 3活性炭填充率对 COD 去除效果的影响 由图 3 可知， 在相同条件下， 活性炭填充率在 20 ～ 50 时， COD 去除率呈明显上升趋势， 进一步 提高填充率对 COD 去除效果的增加不明显。这一现 象与活性炭的催化性有关， 活性炭填充的越多， 其表 面的活性基团就越多， 在这些活性基团的作用下 O3 就越容易被分解成 OH， 使得有机污染物被去除 掉， 但随着填充量的继续增加， 废水中可被催化分解 的有机物已基本被去除掉， 剩下基本为难以降解的物 质， 因而继续增加填充量无法进一步提高 COD 的去 除率， 故选择活性炭填充率为 60 为宜。 2. 2. 4成品油废水的臭氧活性炭催化氧化效果评价 按以上试验选定的最佳参数， 设定处理时间为 1. 0 h， 臭氧曝气量为 1. 0 g/ Lh ， 活性炭填充率为 60 ， 测定进出水 COD 及其去除率如图 4 所示， 试验 结果表明 处理效果稳定， 效果明显。 图 4臭氧活性炭催化氧化效果 3结论 1在混凝试验中， 相同的 pH 条件下， 聚硅酸铝 铁的效果比 PAC、 FeCl3略好， COD 去除率达 94. 5 ， 且形成的絮体粗大易于沉淀。 2洗舱废水经絮凝沉淀预处理后， ρ COD 下降 至 200 mg/L 左右， 后续通过臭氧催化氧化处理， 设定 处理时间为 1. 0 h， 臭氧曝气量为 1. 0 g/ Lh ， 活 性炭填充率为 60 ， 处理效果明显， COD 去除率介于 50 ～ 60 。 3该洗舱废水水质、 水量均不稳定， 且来源不稳 定， 虽无法进行常规的生化处理， 但通过混凝沉淀结 合臭氧 － 活性炭催化氧化的物化工艺进行处理， 处理 效果明显， 能够稳定达标。 参考文献 ［ 1］ 陈曦，刘勇健. 催化臭氧氧化法深度处理印染污水的实验研究 ［J］ . 应用化工， 2009， 28 4 576- 579. ［ 2］ 李来胜，祝万鹏，李中和. 催化臭氧化 一种有前景的水处 理高级氧化技术 ［J］ . 给水排水，2001 6 26- 29. ［ 3］ 黄桂荣， 夏冬前，王伟. 消除高氯离子对测定 CODcr 影响的方 法探讨［J］ . 干旱环境监测，2001， 15 4 251- 253. 作者通信处黄河200436上海市宝山区环镇水路 60 弄 52 号 401 室 E- mailhuanghe062984 Yahoo. com. cn 2009 － 12 － 24 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 35 页 ［4 ］ Gordon E P. 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