鄺愛玲，徐 續(xù)

（中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京市 100120）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和工業(yè)化程度的提高，我國城市人口和城市面積急劇膨脹，城區(qū)及周邊地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了顯著的變化，特別是對現(xiàn)有水資源和水環(huán)境造成了巨大的壓力。據(jù)統(tǒng)計[1]，在我國600多座城市中，有50%的城市缺水，其中108座嚴重缺水；另一方面，我國也是一個洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家，隨著水資源供求矛盾的加劇和水污染問題的日趨嚴重，水資源可持續(xù)利用已成為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性問題。長期以來，我國城市規(guī)劃中對水資源的綜合利用一直缺乏足夠的重視，尤其是對雨水，更多是強調(diào)排放而非利用。為解決這一矛盾，一方面，應(yīng)該將雨水蓄積起來，減少洪澇災(zāi)害的發(fā)生；另一方面，控制雨水的排放，減少水體污染，利用雨水水質(zhì)較好的特點對雨水進行再利用，同時，也應(yīng)該進行雨水回用風(fēng)險評估，量化風(fēng)險可能給人們帶來的影響或損失。

1 國內(nèi)外雨水利用現(xiàn)狀

德國是開展雨水利用較早的國家，其雨水收集、處理、利用技術(shù)是世界上發(fā)展最快也是最先進的。德國不僅建立了一套較為系統(tǒng)的關(guān)于雨水利用的法律，而且在雨水利用方面已經(jīng)走上了設(shè)備集成化道路。德國的雨水利用技術(shù)主要包括：屋頂雨水收集利用技術(shù)，滯留、入滲與回灌技術(shù)，雨洪調(diào)控技術(shù)。美國的雨水利用以提高天然入滲能力為宗旨，主要采用地下水回灌系統(tǒng)、入滲設(shè)施和透水鋪裝組成的地表回灌系統(tǒng)、地下隧道蓄水系統(tǒng)、屋頂蓄水系統(tǒng)等。日本是雨量充沛的國家，在城市屋頂修建了雨水澆灌的“空中花園”[2]，在減少城市地表徑流的同時，減少自來水的消耗，增加了城市的綠化面積，美化了城市環(huán)境，凈化了城市空氣，吸收了城市噪聲，還能夠降低城市的熱島效應(yīng)。此外，收集的雨水不僅用于沖洗廁所、澆灑道路、灌溉綠地、補充冷卻水，還出口到別的國家[3]。國外在城市化地區(qū)進行雨水利用主要通過滯留和蓄積、雨水入滲和地下水回灌等途徑。

我國近代城市雨水利用起步較晚，目前主要在缺水地區(qū)有一些應(yīng)用。大中城市的雨水利用還處于探索與研究階段，但已表現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭[4]。近幾年，我國許多城市如北京、上海、深圳等結(jié)合自身的具體情況開展了大量關(guān)于雨水利用的實驗室研究和現(xiàn)場工程應(yīng)用。雨水利用系統(tǒng)收集的雨水主要用于以下途徑：處理后回用；通過下滲設(shè)施如下凹式綠地回補地下水；排放到下游雨水管道或河渠。

2 污染物來源及主要污染物

雨水主要包括屋面徑流和道路徑流。

屋面徑流污染物主要來源有：降雨對大氣污染物的淋洗、徑流雨水對屋面沉積物的沖刷、屋面材料自身析出等。因此，屋面徑流雨水水質(zhì)主要影響因素包括大氣環(huán)境、降雨條件和屋頂材料。主要污染物為 TN、TP、懸浮固體（SS）、有機物（COD）、重金屬、無機鹽等。

道路徑流污染物主要來源有：徑流雨水對道路沉積物的沖刷、路面材料剝落、車輛泄漏、輪胎磨損、行人丟棄的垃圾、殺蟲劑和肥料的使用等。因此，影響城市道路徑流雨水水質(zhì)的主要因素包括降雨量、降雨歷時、降雨強度、兩場降雨之間的時間間隔、路面材料、路面老化程度、路面清潔度及水土流失狀況等[5]。主要污染物為重金屬、氮磷營養(yǎng)物、SS、COD、油和脂、多環(huán)芳烴（PAHs）等。

3 單介質(zhì)過濾研究

濾料根據(jù)其材質(zhì)可以分為無機濾料和有機濾料。衡量濾料性能的指標主要包括：濾料的粒徑和級配、濾料的納污能力、濾料的孔隙率和比表面積、濾料的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性。近年來國內(nèi)外在水處理中廣泛采用的濾料有沸石、陶粒、爐渣、果殼濾料、果殼活性炭、椰殼活性炭。

沸石濾料是一種硅酸鹽礦物質(zhì)，化學(xué)式可表示為Mx/yAlxSiyO2(x+y)P·H2O，化學(xué)成分一般可認為是由Al2O3、SiO2、H2O和金屬陽離子4部分構(gòu)成。沸石作為一種新型的水處理劑，具有廉價、無毒、可再生等優(yōu)點，水處理工藝中常用其作為吸附劑，但它同時還兼具有離子交換劑和過濾劑的作用。天然沸石屬于輕質(zhì)濾料，具有表面粗糙、比表面積大、吸附能力強、視密度小等特點。

陶粒濾料主要成分為偏鋁硅酸鹽，表觀為近似球形不規(guī)則顆粒。陶粒對水中污染物的去除機理主要有：截留、吸附、生物絮凝和氧化。陶粒濾料表面粗糙，比表面積大，孔隙率高，強度高，密度適宜，多微孔，孔徑大小不規(guī)則，化學(xué)和物理穩(wěn)定性好，不含溶解于水的有害物質(zhì)等特點。

爐渣的主要成分為 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等，是電廠鍋爐、各種工業(yè)及民用鍋爐、爐窯排放出的煤炭燃燒固體廢棄物。在煤炭燃燒過程中其孔隙中會進入大量空氣，冷卻后空氣又逸出，使得生成的爐渣具有多孔結(jié)構(gòu)。由于爐渣中含有Al2O3、Fe2O3、CaO等堿性氧化物，這些堿性氧化物與待處理水接觸后會部分溶出，所以對待處理水中的有機物、重金屬、懸浮物具有一定的吸附、過濾、中和及絮凝作用[6]。

果殼濾料具有多方面性和微孔性，截污能力強，對油和懸浮物去除率高；具有多棱性和不同粒徑，可形成深床過濾，增強了除油能力和濾速；具有親水不親油性能和適宜的密度，易反洗，再生能力強。果殼濾料硬度大，且經(jīng)過特殊處理不易腐蝕，不用更換濾料等特點。

果殼活性炭具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，比表面積大，吸附能力強，機械強度高，床層阻力小，化學(xué)穩(wěn)定性好，易再生，經(jīng)久耐用等特點。

椰殼活性炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，比表面積大，吸附性能好，且吸附速度快、吸附容量高；機械強度高，不易磨損和破碎；椰果活性炭密度比水小，會長時間懸浮在水中，因此與水接觸面積大，對水凈化效果好，只有當活性炭吸水飽和后才會逐漸沉入水底；易于再生，經(jīng)久耐用等。

研究表明，沸石、陶粒、爐渣、果殼活性炭、椰殼活性炭對雨水中各污染指標的去除性能強弱順序如下。PO3-4：椰殼活性炭＞果殼濾料＞陶粒＞果殼活性炭＞爐渣＞沸石；氨氮：椰殼活性炭＞沸石＞果殼濾料＞陶粒＞果殼活性炭＞爐渣；硝酸鹽氮：果殼活性炭＞爐渣＞沸石＞椰殼活性炭＞果殼濾料=陶粒；COD：椰殼活性炭＞沸石=陶粒＞果殼活性炭＞爐渣＞果殼濾料；Cu：椰殼活性炭＞果殼活性炭＞爐渣＞沸石＞果殼濾料＞陶粒；Cr：果殼活性炭＞椰殼活性炭=果殼濾料＞爐渣＞沸石＞陶粒。6種濾料對Cd和Pb的去除效果都不好，所以不同濾料針對不同污染物才有較好的去除性能，如果處理對象為多種污染物，就需要幾種介質(zhì)復(fù)合后共同來完成。

4 復(fù)合介質(zhì)多級過濾研究

由于砂土基本沒有吸附作用，但有較強的滲透性能和截留作用，所以在復(fù)合介質(zhì)多級過濾中將砂土選做過濾介質(zhì)中的一種。以下是幾種組合方案對雨水污染物去除率的研究。

10 cm 砂土 +40 cm 沸石對氨氮、Cu、Cd、Cr、Pb的去除效果比10 cm砂土+40 cm陶粒好，但前者不如后者對去除效果好，二者對COD的去除效果都不好。與單獨沸石和陶粒相比，上部加入10 cm砂土后，其對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 沸石陶粒混合物對 SS、TP、、TN、氨氮、硝酸鹽氮、COD、Cu、Cd、Pb 的去除率基本相同，表明無論采用沸石與陶粒分層填裝，還是采用混合后填裝，其對各種污染物的去除效果影響不大。

10 cm砂土+10 cm爐渣+15 cm沸石+15 cm陶粒和10 cm砂土+10 cm爐渣+20 cm沸石+10 cm椰殼活性炭對 SS、TP、、TN、氨氮、硝酸鹽氮、COD、Cu、Cd、Cr、Pb 的去除率基本相同，且變化趨勢基本一致。

由于每種過濾介質(zhì)都只對特定的某一種或幾種污染物有較好的去除性能，所以要根據(jù)去除對象來選擇介質(zhì)復(fù)合方式。介質(zhì)復(fù)合的流程可根據(jù)圖1確定，雨水收集處理的一般流程見圖2。

5 復(fù)合介質(zhì)多級過濾的雨水回用風(fēng)險評估

由于降水受多種因素共同影響，降水量多少、城市徑流水質(zhì)都具有隨機性。從過濾介質(zhì)特性來講，介質(zhì)具有選擇吸附性，每種過濾介質(zhì)只對某種或某幾種污染物有較好的去除效果。從雨水回用途徑來講，不同回用途徑對水質(zhì)要求不同，要求越高，越難達到。所以，復(fù)合介質(zhì)多級過濾的雨水回用存在一定的風(fēng)險。因此，應(yīng)量化風(fēng)險可能帶來的危害或損失，為開展更廣泛的雨水利用提供依據(jù)。

圖1 介質(zhì)復(fù)合方式選擇流程圖

圖2 雨水收集處理流程圖

研究表明，單介質(zhì)用于雨水過濾處理時，只有椰殼活性炭對磷的去除可以達到低風(fēng)險級，果殼濾料對磷的去除可以達到中風(fēng)險級，其他均為高風(fēng)險級。可見，采用單介質(zhì)凈化雨水以達到各種回用途徑是不可能的。

復(fù)合介質(zhì)多級過濾用于雨水回用處理，當回用水用于生活雜用水時，水質(zhì)要求較低，由于城市徑流雨水中溶解性固體和氨氮含量本身低于回用標準，只有濁度超標，而經(jīng)復(fù)合介質(zhì)多級過濾后的雨水濁度均小于1，所以認為不存在回用風(fēng)險，即雨水回用作生活雜用水的風(fēng)險為0。

復(fù)合介質(zhì)多級過濾用于雨水回用處理，當回用水用于工業(yè)用水時，三種方案對總磷的去除都可以達到低風(fēng)險級，所以工業(yè)回用時總磷是沒有風(fēng)險的，但各方案對COD的去除都達不到低風(fēng)險級，所以三種方案處理后的雨水回用于工業(yè)用途時風(fēng)險等級為中級。

復(fù)合介質(zhì)多級過濾用于雨水回用處理，當回用水用于景觀用水時，三個方案用于去除SS和總磷的風(fēng)險等級均為低級，所以城市徑流雨水經(jīng)三種復(fù)合方案的任意一種處理后用于構(gòu)造水景觀風(fēng)險都很低。

復(fù)合介質(zhì)多級過濾用于雨水回用處理，當回用水用于地表回灌和地下回灌時，只有采用10 cm砂土+40 cm沸石處理后，雨水用于回灌風(fēng)險等級可以達到中級，其它兩個方案處理后的雨水用于回灌均為高風(fēng)險等級。

6 問題與建議

由于各種介質(zhì)和各種復(fù)合方案對氨氮和COD的去除效果都不太好，不能保證都達到中級回用風(fēng)險等級，所以需要尋找更好的介質(zhì)和復(fù)合方案用于加強對氨氮和COD的去除，使其達到回用的低等級風(fēng)險。

[1]楊瑞平，李玉玨.雨水資源在城市中的利用[J].山西水土保持科技，2002,2（2）：23-24.

[2]劉俊良.城市節(jié)制用水規(guī)劃原理與技術(shù)[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]李釗.對我國城市雨水利用的思考[J].水資源研究,2011,32(2)∶4-5,18.

[4]潘安君,張書函,陳建剛,等.城市雨水綜合利用技術(shù)研究與應(yīng)用[M].北京∶中國水利水電出版社,2010.

[5]蔣德明,蔣瑋.國內(nèi)外城市雨水徑流水質(zhì)的研究 [J].物探與化探,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.