北方建筑小区雨水资源化利用分析与实验_李喜林

第32卷第9期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2013年9月V ol.32 No.9 Journalof Liaoning Technical University （Natural Science ） Sep. 2013 收稿日期：2013-04-02基金项目：国家自然科学基金资助项目（51174268）；辽宁省教育厅科学研究基金资助项目（L2011045）. 文章编号：1008-0562(2013)09-1242-04 doi:10.3969/j.issn.1008-0562.2013.09.019北方建筑小区雨水资源化利用分析与实验李喜林1，刘 玲1，李 强2，张向东3（1.辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁 阜新 123000；2.阜新市水利局，辽宁 阜新 123000；3.辽宁工程技术大学 土木交通学院，辽宁 阜新 123000）摘 要：为解决北方城市缺水问题，以阜新北方花园小区雨水收集和利用工程为研究对象，对小区雨水利用可行性进行分析，推荐了适合建筑小区雨水利用的工艺流程，并对主体构筑物进行了设计.同时，模拟雨水生产工艺的混合搅拌条件，对影响混凝效果的因素进行了研究，并进行了中试试验及技术经济分析.结果表明：710混凝剂效果最好，最佳投药量20 mg/L ，最佳pH 为7～9.中试出水水质达到相关标准，经济性较好.研究结果为北方缺水型城市住宅小区雨水利用提供可靠参考依据.关键词：雨水利用；缺水城市；建筑小区；混凝实验；中试实验 中图分类号：X 703 文献标志码：Arainwater utilization of building district in north of China and experimentLI Xilin 1, LIU Ling 1, LI Qiang 2, ZHANG Xiangdong 3(1. College of Architectural and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2 .Fuxin Water Conservancy Bureau, Fuxin 123000, China; 3. College of Civil Engineering andTransportation, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)Abstract ：In order to solve the issue of water shortage in the cities of northern China ，taking the rainwater collection and utilization of Beifang Garden district in Fuxin as an example, the feasibility of rainwater utilization are analyzed and the adaptive technological process is recommended. According to the selection, the rainwater utilization engineering for the sub-district was designed and the technical design parameters were achieved. Meanwhile, simulating the mixture and stir conditions of rainwater production technology and the factors influencing coagulation effect are researched. Then the medium-test experiment and technical and economic analysis were completed. The result of the coagulation experiments shows that coagulant 710 has optimum effects and its dosage is 20mg/L, corresponding to pH values of 7 ~ 9. The effluent quality of the medium-test experiment can meet the correlated national standard and the treatment technology has better economy. This study offered a comparatively reliable reference data for construction of rainwater utilization engineer of building district in water shortage of cities in northern China.Key words ：rainwater utilization; water shortage city; building and sub-district; coagulation experiment ；the me dium-test experiment0 引 言进入21世纪，水资源的形势更为严峻，水资源可持续利用已成为经济社会可持续发展的战略性问题[1].如果水资源短缺问题得不到解决，到2025年，大约世界人口（接近55亿）的三分之二将面对严重的水危机[2]，而雨水是地球上一切可更新水资源的源泉，其总量达510万亿m 3，中国降雨总量为5万亿m 3，雨水资源开发、收集、利用不仅对解决目前水资源短缺问题具有战略意义，也将成为21世纪干旱、半干旱地区水利深度发展的必然趋势[3].科学合理地开发、收集、利用雨水资源将成为解决21世纪水问题的重要途径. 目前，日本、美国、德国、印度等国家，都已开始收集屋顶、平台雨水，用于非饮用的生活用水[4].但中国雨水利用工作重心在农村，城市雨水利用仍处于起步阶段[5].在城市社区雨洪利用中，北京走在全国的前列，在全国较早启动“城区雨洪控制与利用示范工程”，特别是北京奥林匹克公园雨水利第9期李喜林，等：北方建筑小区雨水资源化利用分析与实验1243用工程已经成为中国雨水利用的样板工程[6].继北京之后，天津、青岛、上海、南京、大连等许多城市也陆续开展了相关研究[7-8].阜新市位于辽宁西部，作为中国北方严重缺水城市之一，其水资源人均占有量仅为507 m3，不足全国人均量的1/4，缺水问题已成为制约阜新发展的重要问题[9].同时，雨水作为一种经济实用的水资源开发方式，它的开收集、处理和利用，在阜新还没有引起足够的重视.基于此，以中国北方典型缺水城市—阜新北方花园小区雨水利用工程为依托，进行北方缺水型城市住宅小区雨水收集、处理和利用研究，为北方缺水型城市住宅小区雨水利用提供可靠参考依据.1 小区雨水处理利用分析1.1 水量分析北方花园小区占地面积22.23万m2，其中建筑面积14.86万m2，路面面积6.81万m2，绿化面积2.92万m2，水景面积为500 m2.以阜新市年平均降水量为510 mm计算，小区每年可收集雨水量3.84万m3；收集雨水用于小区绿化、浇洒道路、洗车、水景等杂用水，总需水量3.21万m3，从水量看，小区总需水量小于雨水可收集量，对该小区的雨水进行回收利用是可行的.表1 北方花园建筑小区雨水口水质监测数据Tab.1 data of rainwater quality of gully in beifanggarden building district取样时间降雨量/mm取样地点SS/(mg·L-1)BOD5/(mg·L-1)NH3-N/(mg·L-1)屋面300 36.1 3.02007-04-2113.9（中雨）道路480 53.2 5.0 屋面420 38.7 2.62007-07-0530.2（大雨）道路585 95.0 3.61.2 水质监测表1为2007年4月21日和7月5日北方花园建筑小区道路和屋面雨水口所取雨水水样水质检测结果.收集雨水用于小区绿化、浇洒道路、洗车、水景等杂用水，其水质应符合国家标准《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》(GB/T18920-2002).分析可知，雨水水质较好，处理工艺简单，其杂质主要是由降水中的基本物质和流经汇水面而携带的外加杂质组成.1.3 小区雨水利用方案确定北方花园新园区采用屋面、道路混合雨水作为水源，雨水经收集处理后用于小区杂用水.由于初期雨水径流冲刷屋面、路面、以及其他裸露的地面等，初期雨水携带的污染负荷较高且难于控制，已经严重超出可直接回用的标准，需在雨水管线末端设置弃流井；对于较粗的漂浮物与悬浮物，如树叶、果皮、纤维等，需在雨水口和雨水井设置截污筛网和格栅，或设计专门的浮渣隔离、沉淀截污井；经过弃流和格栅之后，雨水水质比较稳定.污染物质量浓度会有明显降低，以去除SS、BOD5及NH3-N为主，宜采用物化法或生物法处理后即可使用.虽然生物法比较经济，但由于该小区雨水可生化性差（BOD5//COD=0.11-0.23<0.3）[10]，因此考虑采用物化法.雨水的来水量不均匀，需要较大的雨水收集池兼做沉淀池；为进一步去除剩余的悬浮物固体颗粒、胶体物质、浊度及有机物等，雨水需进行过滤.滤后水水质大大提高，但往往还含有细菌、病毒，需进行消毒.滤后水经消毒后可作为小区杂用水.根据以上分析，将各个处理工艺进行筛选、组合，确定工艺流程见图1.图1 小区雨水处理利用工艺流程Fig.1 technological process of rainwater utilization of building district辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第32卷12441.4 主体构筑物尺寸确定（1）弃流井 将每场雨初期5 min 作为初期弃流，初期雨水弃流量0.72 m 3，在4根主管段末端各设置弃流井1个，容积为0.16 m 3.（2）调蓄池 调蓄池容积为1 200 m 3，其尺寸为L ·B ·H =30m ×20m ×2 m ，溢流超高0.3 m ；采用管式静态混合器加药，加药种类和加药量通过混凝实验确定，投药量由投药计量泵控制.（3）筛网 在雨水进水管的进水口处设置高 2 m ，宽1 m 的吊篮，吊篮上出口为三角堰，吊篮内设置筛网，筛网放置形式为对角式，筛孔选择 0.5 mm 的网孔.（4）重力无阀滤池 重力无阀滤池不需设置阀门、自动冲洗管理方便、可成套定型制作，适用于2万m 3/d 以下的小型水厂（站）.滤池为圆形，直径2 m ，高3 m ，处理水量30 m 3/h ，滤速10 m/h ，采用无烟煤和石英砂双层滤料，滤料厚度分别为400 mm 和600 mm.（5）回用水池 回用水池容积175 m 3，尺寸L ·B =7m×5 m ，池体高度H =5 m （含超高0.2 m ）.采用液氯消毒，加药量为3 mg/L.2 雨水混凝实验实验装置选用DBJ-621型六联定时变速搅拌器，浊度测定用GDS-3型光电浊度仪，pH 值用pHS-2型酸度计测定.对屋面初期、路面初期以及雨水排放口的雨水进行了收集并混合稳定后进行测试.混合后水质情况为pH 值7.35，浊度76.5NTU ，BOD 5为38.1 mg/L ，SS 为370 mg/L ，水温为16.5℃.实验采用聚合氯化铝、PFS 及710三种混凝剂进行烧杯实验，确定最佳混凝剂及最佳pH.实验水力条件为混合时间 3 min ，混合转速300 r/min ，反应时间15 min ，反应转速50 r/min ，沉降时间20 min.（a ）PAC 、PFS 和710投药量对絮凝效果影响 （b ）PAM 投药量对絮凝效果影响图2 混凝剂及投加量对絮凝效果影响Fig.2 influence of coagulant and dosage on flocculation（1）最佳混凝剂种类和投药量的确定图2是混凝剂及投加量对剩余浊度影响曲线图.由图2可以看出，随着PAC 、PFS 、710混凝剂的投加，雨水剩余浊度逐渐减少，达到最小值后继续投加，剩余浊度反而有上升趋势，三种混凝剂最佳投药量范围都在10～20 mg/L 之间；PAM 最佳投药量为2 mg/L ，对应剩余浊度14 NTU.由此可知，710混凝剂效果最好，在投加量为20 mg/L 时剩余浊度仅为6.5 NTU ，投药范围在10～25 mg/L 之间剩余浊度都在10 NTU 以下.（2）水的pH 值的影响水的pH 值对混凝效果影响很大，pH 值的大小直接关系到选用药剂的种类、加药量和混凝沉淀效果.水中H +和OH -参与混凝的水解反应，因此pH 值强烈影响混凝剂的水解速度，产物存在形态与性能.实验用710混凝剂20 mg/L ，改变pH 值，考察其对混凝效果的影响.0pH值图3 pH 值对絮凝效果影响Fig.3 influence of pH values on flocculation由图3可以看出，对于710混凝剂，pH 在7～9之间，处理效果较好，剩余浊度在10 NTU 以下.根据北方花园小区雨水情况，不用对pH 进行调节.第9期李喜林，等：北方建筑小区雨水资源化利用分析与实验12453 雨水中试实验及经济技术分析3.1 雨水中试实验在静态混凝实验基础上，按图1工艺流程设计一套中试装置，根据混凝实验所确定最佳实验条件，监测进出水的浊度、BOD5、氨氮.取样雨水初始水质为pH值7.3，浊度24.7 NTU，BOD5为35 mg/L，氨氮为2.5 mg/L，经中试装置后，出水水质为pH值7.4，浊度2.3 NTU，BOD5为5.5 mg/L，氨氮为0.35 mg/L，完全达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》标准(GB/T18920-2002).3.2 经济技术分析依据建筑工程概算定额，基建工程总投资合计83.71万元，雨水处理成本为0.80元/m3，雨水处理后主要用于小区道路喷洒、绿化、洗车及景观补水，阜新自来水为 2.5元/m3，则直接经济效益为6.54万元/a，投资回收期仅为12.8 a，具有明显的经济效益，同时具有巨大的社会效益和环境效益.4 结 论（1）根据阜新北方花园小区雨水水质和水量分析，采用将屋面雨水和路面雨水收集利用模式，雨水经处理后用于小区杂用水；雨水处理利用的工艺流程为:雨水→初期雨水弃流→筛网→调蓄池（加710混凝剂）→重力无阀滤池→回用水池（液氯消毒）→杂用水.（2）雨水混凝实验确定710混凝剂效果最好，最佳投药量为20 mg/L，投药范围在10～25 mg/L 之间时，剩余浊度都在10NTU以下；最佳pH值在7～9之间，与小区雨水pH吻合，可不做调节.（3）对所选雨水利用工艺的中试结果显示，出水水质完全达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》标准.项目基建工程总投资合计83.71万元，雨水处理成本为0.80元/m3，直接经济效益为6.54万元/a，投资回收期仅为12.8 a.参考文献：[1] Li Xilin,Wang Laigui,Zhou xinhua,et al.Study on rainwater utilization ofbuilding district in water shortage city of northern China[C].The International conference on Environmental Pollution and PublicHealth,2010:325-328.[2] 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