李瑞娟 張 濤 陶 林 魏 晨 劉 洋

（西安航空學(xué)院，能源與建筑學(xué)院，陜西 西安710077）

我國海綿城市的試點(diǎn)范圍正在不斷擴(kuò)大，西安市的西咸新區(qū)也是我國海綿城市的試點(diǎn)地區(qū)之一，尤其是今年全國不少城市在暴雨天氣出現(xiàn)的內(nèi)澇問題，2020 年8 月5 日，西安市閻良區(qū)突發(fā)短時強(qiáng)降水，發(fā)生了車輛被淹，1 人死亡的悲劇[1]。通過海綿城市建設(shè)，區(qū)域徑流得到一定的削減和控制，部分區(qū)域的內(nèi)澇問題得到一定程度的緩解。

西咸新區(qū)在海綿城市的建設(shè)過程中，以公園綠地和生態(tài)公園為主，目的是為了實(shí)現(xiàn)管道徑流量的減少，但是綠地和公園實(shí)施的范圍有限，對于一個人口密度較大的城市來說，通過綠地和公園建設(shè)對于徑流的削減十分有限，對初期雨水的污染防治也沒有明顯的貢獻(xiàn)。雖然，源頭控制是十分必要的，但是針對雨水主干管的凈化措施也同樣重要。目前西安市普遍的做法是雨水與污水一起進(jìn)入污水處理廠，這加重了污水處理廠的負(fù)擔(dān)，尤其西安是一個水資源匱乏的城市，若能將雨水凈化后加以利用，將從一定程度上緩解水資源的匱乏。經(jīng)筆者查閱前人文獻(xiàn)，還未發(fā)現(xiàn)針對陜西省的雨水提出工程上的凈化方案，并加以研究，本文將針對西咸新區(qū)雨水水質(zhì)，企圖用工程措施，對其凈化效果進(jìn)行初步研究。

1 雨水水質(zhì)初步監(jiān)測

筆者在2019 年6 月，通過實(shí)地采樣監(jiān)測得出雨水水質(zhì)狀況如下，采樣點(diǎn)的位置是西安航空學(xué)院閻良校區(qū)雨水管道及校區(qū)的直接降雨，由于條件所限，未監(jiān)測降水量。

筆者團(tuán)隊對雨水管道和直接降雨都進(jìn)行了三次取樣和監(jiān)測，列出了其中的高濃度和低濃度的數(shù)值，以便后續(xù)的模擬。

由表1 監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直接降雨的水質(zhì)所含污染物比屋面雨水少很多，將其與《地表環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002》相比發(fā)現(xiàn)其指標(biāo)要實(shí)現(xiàn)利用，需要一定程度的凈化。一般來說根據(jù)國家對水質(zhì)的要求，由于供水目的的不相同，所以存在著生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、農(nóng)業(yè)澆灌用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等很多標(biāo)準(zhǔn)，還有一些工業(yè)用水的水質(zhì)要求也不一樣，所以說解決西安市城市雨水資源的利用問題迫在眉睫，經(jīng)過對各種水質(zhì)資料的分析，在通過查閱相關(guān)的資料發(fā)現(xiàn)由國家環(huán)境保護(hù)總局還有國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局在2002 年實(shí)施的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，團(tuán)隊人員進(jìn)行了各種考量。筆者查閱資料顯示：陜西省的關(guān)中地區(qū)，由于氣候比較干燥、降雨量稀少，關(guān)中地區(qū)的多年平均降雨量在大概在600mm 左右，降雨量少且雨水的蒸發(fā)量高達(dá)800～2300mm，是中國唯獨(dú)降雨量少于農(nóng)業(yè)作物和自然植被需水量的地區(qū)。多年來關(guān)中地區(qū)平均水資源總量較低。水資源總量僅占全國的7.0%，同時徑流污染、河道坍塌、水庫淤泥等問題很嚴(yán)重[2]。

表1 西安市雨水水質(zhì)情況表

2 雨水用途分析

因?yàn)槲靼驳慕涤暝趨^(qū)域分布的不均勻性，怎樣才能根據(jù)雨水這個性質(zhì)來設(shè)計一套合理利用雨水的方案，通過閱讀大量的文獻(xiàn)，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)對比后發(fā)現(xiàn)，西安直接降雨的雨水有一部分指標(biāo)較高，比如PH 值、SS、重金屬含量超標(biāo)。雨水中的主要污染是COD 和氨氮污染，其余的指標(biāo)略微超過標(biāo)準(zhǔn)，通團(tuán)隊的討論分析決定將雨水處理成為符合表2 的水質(zhì)，即三類水質(zhì)，既經(jīng)濟(jì)又有較大的用途。

表2《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)——GB3838-2002》三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

3 實(shí)驗(yàn)室小試工藝與設(shè)備設(shè)計

根據(jù)上述進(jìn)出水水質(zhì)，擬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)小試，根據(jù)現(xiàn)有的條件我們選擇的設(shè)計流量是25L/h，根據(jù)實(shí)驗(yàn)處理要求對設(shè)備進(jìn)行如下設(shè)計，設(shè)計的結(jié)果如下所述。

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備儀器主體由六個玻璃柱和一個防腐泵組成，外部接有一個紫外線殺菌消毒裝置。設(shè)備可分為四個主要功能區(qū)。

本實(shí)驗(yàn)中原水為收集的雨水的模擬水質(zhì)，過濾其中肉眼可見較大的雜質(zhì)和懸浮物等，然后將雨水加入原料箱，等雨水在原料箱中有一定的量后打開原料箱下方閥門，接入電源之后原料箱中的雨水通過水泵的作用進(jìn)入微米袋式過濾裝置，雨水進(jìn)入微米袋式過濾器后被過濾器中的微米袋過濾，這時候雨水中的懸浮物和顆粒性雜質(zhì)幾乎已經(jīng)大量去除干凈。在過濾之后進(jìn)行，打開活性炭下方的進(jìn)水閥門，雨水會進(jìn)入活性炭吸附裝置，通過活性炭的吸附作用雨水中的苯類化合物、酚類化合物、汞、鐵等重金屬離子被吸附。然后打開離子樹脂交換柱的進(jìn)水閥門，使雨水進(jìn)入離子樹脂交換柱，這時候等雨水進(jìn)入一定量之后關(guān)閉水泵和進(jìn)水閥門等雨水在離子交換柱中停留足夠長的時間后再打開出水閥門使雨水進(jìn)入下一個裝置。雨水經(jīng)過離子樹脂交換柱后可以選擇直接讓雨水出水，也可以選擇讓雨水進(jìn)入紫外線殺菌裝置。最后對收集的出水進(jìn)行檢測，記錄并分析，統(tǒng)計出水的濁度、COD、氨氮、總磷等，根據(jù)出水水質(zhì)改變離子樹脂、活性炭、過濾加藥量等的用量找出最佳的用量，調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，使出水的水質(zhì)滿足回用水標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)，然后進(jìn)行計算和分析。

4 雨水水質(zhì)的模擬

考慮到實(shí)際情況和時間經(jīng)濟(jì)的限制，模擬了以下污染物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過類比同類型污染物的去除效果來做合理的推測，研究設(shè)備對于同種類污染物的去除率，并分析其可行性。實(shí)驗(yàn)對于單一的污染物水質(zhì)進(jìn)行配比并且分析其實(shí)際的去除效率，得出相關(guān)結(jié)論。同時再對綜合的污染物水質(zhì)進(jìn)行配比，統(tǒng)計結(jié)果分析實(shí)際去除效率，研究對污染物中PH、氨氮、TP 的去除效果，分析實(shí)驗(yàn)中所需離子交換樹脂和活性炭的多少，閥門的開度和水泵運(yùn)行的時長等各種因素進(jìn)行研究。最終實(shí)際的實(shí)驗(yàn)水質(zhì)如表3 所示。

表3 實(shí)驗(yàn)室模擬水質(zhì)表

5 單一污染物的處理效果及分析

表4 是對每種指標(biāo)單獨(dú)模擬處理后的水質(zhì)情況。表4 模擬雨水的處理效果

通過對單一水質(zhì)配比單一污染物實(shí)際去除結(jié)果研究后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)離子交換一體化設(shè)備對單一水質(zhì)中在去除TP 的檢測中，高濃度去除率達(dá)到90.6%，低濃度去除率達(dá)到96%，達(dá)到規(guī)定80%的設(shè)計指標(biāo)，能夠滿足水質(zhì)設(shè)計預(yù)期，在雨水比例比較小時去除率也很高。氨氮離子的去除率為94%，符合設(shè)計預(yù)期指標(biāo)。有機(jī)物的去除率為71.6，BOD 的去除率為92%。

6 結(jié)論與展望

通過上述的分析，可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計的處理設(shè)備對于單一的污染水質(zhì)有非常好的處理效果，對于擁有多個污染物的水質(zhì)處理效果，將在后續(xù)研究中進(jìn)行。

試驗(yàn)表明，該工藝對雨水的處理是有效的，且操作靈活，能滿足不同處理需要，不僅能進(jìn)行雨水的連續(xù)處理，也能進(jìn)行間歇處理，且具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。

雨水資源化利用的市場前景巨大，修建雨水工程，可以以投資的形式來帶動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，若是將雨水利用工程能夠在其設(shè)備的產(chǎn)生、運(yùn)營管理、中水回用、建設(shè)工程這些環(huán)節(jié)達(dá)成一個穩(wěn)定的鏈條，就可以使其形成一個極具價值的新產(chǎn)業(yè)。