环工设计(案例)

1、上海临港新城雨水资源上海临港新城雨水资源化利用中试研究化利用中试研究 雨水集蓄技术雨水集蓄技术：雨水集蓄,顾名思义,即雨水的收集与蓄存。它是指利用天然或人工修筑的汇流面将降雨径流汇集,再通过导流渠(管)引入蓄水设施le存,以备高效利用的过程。它主要分为屋顶和路面雨水集蓄两类,下垫面性质等因素致使两类雨水水质差别较大,最好分别进行集蓄 雨水渗滤技术雨水渗滤技术：雨水渗滤是发达国家常用的一种雨水处理与资源化利用技术。它是指利用工程的措施将雨水按一定的规划目标渗入地下,以改变原有的土地渗透状态或补偿城市建设对土地造成的影响。 雨水处理技术雨水处理技术：国内外对路面雨水径流主要采用生态和非生态两类处理

2、技术，非生态处理技术主要是指用常规的物理、化学、和生物的方法处理雨水。雨水的生态处理技术主要有人工湿地、雨水塘、渗滤沟、缓冲带等。城市雨水利用技术城市雨水利用技术技术路线技术路线上海市降雨径流污染特征概况1.1.环境特征：环境特征：北靠长江,东临东海,南濒杭州湾,三面环水。全境地势低平,平均高度为海拔4m左右,地下水位较高。它淑江临海,具有典型的亚热带季风性气候。上海水资源丰富,。上海作为全国第一大城市,其社会经济一直保持高速增长,城市规模不断地扩大,继而由于城市化进程的加快和人类活动所造成的水环境污染也日益加剧。目前,拥有丰富的河网水系和水资源总量的上海已被列为“水质型缺水”城市,水资源污染

3、问题极为突出。2.2.降雨量分析降雨量分析：上海雨量充沛,全年总雨量平均值为1149_。在上海,三个多雨期分别为春雨期、梅雨期和秋雨期,三个少雨期为盛夏期、晚秋期和冬季。可见,上海降雨量呈现明显的时空分布不均匀的特点。同时,由于上海地势较低,中心城区和城镇地区以非透水地面为主,排水主要依靠市政排水管网,降雨集中且超过排水能力(27-36mm/h)的高强度暴雨就容易造成地面积水,严重时产生错灾。3.3.城市径流污染物种类和来源城市径流污染物种类和来源：污染物大致来源于三方面:大气干湿沉降、地表沉积物和地下排水系统,包括悬浮固体、营养物质、耗氧物质、有毒有机物、细菌和病毒等。4.4.下塾面性质对城

4、市径流污染的影响下塾面性质对城市径流污染的影响：城市下垫面分为透水型和非透水型两种。其中透水型的有城市绿地、河岸带、湿地等;非透水型的有车行道、人行道、停车场、屋顶等水泥、浙青或其他非透水材料所覆盖的表面。随着城市的快速发展,绿地等透水性地面逐渐被各种非透水型地面所代替,后者的比例显著增加。非透水型下塾面改变了地表径流系数,增加了径流洪峰流量和频率,使受纳水体河道加宽、河内沉积物堆积;另外,地面和屋面的大量污染物被雨水冲刷进城市河道、湖泊,成为典型的非点源污染也就是说,非透水性地面(道路、停车场、混凝土建筑、工商业功能区等)的增加不仅是一个地区城市化程度的标志,更成为影响城市径流污染的重要原因

5、。上海的非透水面积已占到整个区域面积的上海的非透水面积已占到整个区域面积的80%80%以上以上。5.5.上海市路面降雨径流污染研究上海市路面降雨径流污染研究: :从表2-4可以看出,四个功能区中CODcr、TSS、TN、TP、NH3-N的平均EMC (EventMean Concentration)值顺序为交通区商业区工业区居民区,其中交通区因繁多的机动车辆和复杂的人类活动而带入持续的污染源,加大了污染物的浓度,水质指标均超过GB3838-2002中规定的地表水环境质量标准V类标准。 临港新城路面径流污染临港新城位于上海市区的东南,是人工填海造陆而建成的新城。其中,滴水湖不仅是重要的景观水体滴

6、水湖不仅是重要的景观水体, ,也是新城连接也是新城连接周围水体的核心周围水体的核心。然而据初步估算,每年直接降入湖面的雨水量为650万m3,湖面直接蒸发损失量为695万m3,净损失40万m3水。同时,考虑到跨集水区的调水工程量大、成本高且水质不稳定等因素,滴水湖水量的平衡则主要依靠集水区的补给水。临港新城建设之初就釆用雨污分流制,所有雨水通过分流制管网排入链河和射河,最终汇入滴水湖。如以来,降雨径流降雨径流既成为滴水湖补给水的既成为滴水湖补给水的“源源”,”,又是径流污染的又是径流污染的“汇汇”,”,径流水质的好坏径流水质的好坏直接影响着滴水湖和整个临港新城的水环境。直接影响着滴水湖和整个临港

7、新城的水环境。吕永鹏对临港新城不同土地利用类型区域的降雨径流污染研究发现,虽然作为建设的新城,临港的降雨径流污染物EMC明显低于上海中心城区。但是该区域水体污染物以有但是该区域水体污染物以有机物和氮磷污染物为主机物和氮磷污染物为主, ,常规污染物均远远超过国家地表水环境标准常规污染物均远远超过国家地表水环境标准(GB3838-2002)(GB3838-2002)中中V V类限值类限值, ,一些样点的一些样点的CODcrCODcr和和TPTP甚至超过上海市污水综甚至超过上海市污水综合排放标准合排放标准(DB31/199-2009)(DB31/199-2009)中的排放限值中的排放限值(CODcr

8、(CODcr为为100mg/L,TP100mg/L,TP为为1.0mg/L)1.0mg/L)。2010年,李娟英等人对上海海洋大学附近交通区、文教区和商居混合区的8次降雨径流污染物监测分析,得出各功能区路面径流中TN和COD为主要污染物。由于路面生活垃圾、树叶、来往车辆的车胎磨损等因素,TN浓度平均值的中值高达地表水V类标准2倍之多,最髙值竟为10.77mg/L。临港新城路面径流污染临港新城路面径流污染 必要性：必要性：降雨径流污染已成为临港地区非点源污染不可忽视的一方面,它影响着整个地区的水环境体系。因此,充分结合临港地域开阔、雨水资源化潜力可观等特点,通过规划、利用各种成熟的生态工程技术,

9、系统地收集、储存和净化雨水,是控制非点源污染、实现雨水资源化利用和滴水湖补水的前提条件和首先要解决的问题。 根据目前国内外的雨水处理技术,从临港降雨径流的自身特点出发,雨水净化设施应满足以下要求雨水净化设施应满足以下要求：(1)雨水净化效果。首先,由于该地区雨水最终汇入滴水湖,必须保证营养盐处理效果要好,防止藻类大量繁殖,破坏景观水体;其次,由于降雨径流水质随降雨季节、降雨历时发生较明显的波动,净化系统需满足污染物浓度大范围变动下的稳定处理效果。(2)净化系统自身特性。系统要维持较好的耐旱和耐错能力,适应各种恶劣的天气情况;对截留在系统内的SS能够快速的降解,防止出现堵塞现象。(3)尽量使用生

10、态技术,避免动力消耗,削减基建成本。(4)与周围环境相协调,具有一定的景观效应。临港地区雨水利用的必要性和要求 通过地区径流污染特征的调查分析和对选定区域的降雨水质监测结果,得出所选路段的降雨径流中降雨径流中TN、CODcr和和SS污染较严重污染较严重,NH3-N和和TP污染相对较小污染相对较小。停车场降雨径流中污染物平均浓度的范围:TN 为 2.416.04mg/L,CODcr为80.098.8mg/L, SS 为 66.0144.0mg/L;道路降雨径流中污染物平均浓度的范为:TN为1.512.72mg/L,CODcr为72.7119.6mg/L, SS为69.1182.0mg/L。其最大

11、值均远远超过地表其最大值均远远超过地表水环境质量标准水环境质量标准(GB3838-2002) V类水质标准类水质标准。与停车场降雨径流相比,道路径流中污染物浓度波动更大。 工艺确定工艺确定 在结论1的基础上,在临港新城护城环路与古棕路段(C港附近)分别分别建立了停车场雨水和道路雨水收集处理工程建立了停车场雨水和道路雨水收集处理工程。根据上海市暴雨强度公式,考虑年降雨量、径流系数等参数,计算得本项目的总设计规模为计算得本项目的总设计规模为750m3/d。采用渗滤沟、人工湿地与复合生态塘结合的方法。采用渗滤沟、人工湿地与复合生态塘结合的方法,收集净化收集净化停车场的雨水停车场的雨水;釆用砂石微生物

12、过滤、釆用砂石微生物过滤、“阶梯式阶梯式生态净化沟的方法生态净化沟的方法,收收集净化道路及临近小塘的雨水集净化道路及临近小塘的雨水。水质情况水质情况停车场雨水净化工程：基于对当地降雨、土壤等自然条件的研究与分析,考虑到项目“低建设成本”的要求和“低碳生态型”的思想,工程对已有的雨水处理系统进行了改组和优化,使停车场雨水经过渗滤沟、人工湿地、生态塘等高效净化,以达到城市杂用水标准。雨水收集井：临港新城的排水管网采用雨、污分流制。中试研究工程通过改造原有的市政雨水井,铺设PVC管。雨水经过调蓄、沉砂后,靠溢流作用自然流至生态渗滤沟进行生态处理。下凹式生态渗滤沟：它可作为雨水径流的输送设施,不仅可以

13、调蓄、滞留雨水,还具有净化功能。由上至下依次为种植层、砂石层、排水管、防渗层。表面流人工湿地：一方面,由于洗车水中可能携带含磷洗漆剂,人工湿地可削减雨水中一定的磷元素含量;另一方面,表面流湿地建造工程量小、成本低,操作简单,适合污染负荷较低的雨水处理;再者,人工湿地选取卢華作为挺水植物,具有一定的景观效果。基质是人工湿地的载体,选择合适的基质材料是构建人工湿地、提髙人工湿地净化能力的关键措施。一般情况下,基质的质地较轻、比表面积大、化学性质第三章稳定、吸附能力强,在选择湿地植物时,要遵循一定的原则:适地适种、耐污能力强、净化能力强、根系发达、经济和观赏价值高。复合生态塘本研究中的复合生态塘是一

14、个天然雨水湿塘。除了具有调蓄雨水、缓解洪峰的功能外,生态塘还能够利用一系列的物理、化学、生物作用净化雨水。雨水在生态塘中可停留25-40天,使污染物得到充分的去除,它也是该中试研究工程的主体处理单元。道路雨水净化工程：工艺的设计借鉴了德国汉诺 生态小城的经验,同时充分利用道路边已有低高程绿地和生态塘,使收集的雨水靠自然溢流的方式依次通过“阶梯式”植物净化塘,最后流至C港。引水布道：为了收集道路降雨径流,本工程特选取适当路段开槽、下设管道,将道路雨水收集并引至系统。初级生态过滤：此处的初级生态过滤是指“砂石+微生物”过滤。将雨水井和引流的道路雨水通过长约lOm的大粒径粗砂和鶴卵石,以截留较大颗粒

15、的污染物,去除道路雨水中较多的悬浮物。挺水植物塘：道路降雨径流中含有大量的CODcr、SS和碳氢化合物。挺水植物塘长度约180m,以卢華、菖蒲为主的湿生植物在塘中不断生长,逐渐形成完整的生态系统。即便是冬季遇到植物枯萎,仍然可以发挥一定的作用。沉水植物塘：选用狐尾藻等藻类植物,利用它们捕捉细小颗粒,提高出水的透明度。睡莲等浮生植物也增加了净化塘的景观效应。此外,考虑到雨水水量不连续、瞬时水量大的特点,植物塘在净化水质的同时兼具有滞洪蓄水的功效。 经过实地勘测与现场调研分析,结合已有雨水收集系统和潜在地表雨水滞留系统(沟渠、塘等)的分布,提出了该雨水收集利用中试研究工程。(1)综合考虑雨水集水区

16、的特点而设计。通过改造道路边已有的沟渠和集水井,并利用区域高程差,收集停车场雨水;在研究区域适当位置引水布道,收集道路雨水。从而,实现雨水的初级过滤和净化。(2)坚持生态工程的思想。在停车场净化工程中,建立较简单、易管理的表流湿地,通过基质、植物和微生物的多重复合作用去除雨水中可能的氮、 等营养元素;充分利用天然生态塘C蓄和净化能力,实现雨水的生化处理。不仅运营、维护费用低,而且具有良好的经济和景观效应。在道路净化工程中,引入“阶梯式”的多级植物净化塘,发挥多种功效。华东师范大学2012硕士毕业论文(3)工艺设计出水水质达到城市污水再生利用城市杂用水水质GB/T18920-2002,可用于冲厕

17、、城市绿化、车辆冲洗,也可排至C港,避免了雨水直接排放而污染水体的问题。工艺可行性分析1.雨水水质监测实验采样点的设置:对于停车场净化工程,选取的采样点依次为:雨水收集井处A1点、生态渗滤沟出口处B1点和复合生态塘出口处C1点;对于道路净化工程,选取的采样点依次为:道路雨水收集口 A2点、挺水植物塘出口处B2点和沉水植物塘出口处C2点。采样方法:降雨发生时,每隔20min在A1、B1和A2三点各采集水样一次,计算各点的平均值作为该次降雨中该点的污染物浓度;考虑到生态塘净化的特殊性,选取在降雨发生后的第二天采集C1、B2和C2三点的水样。雨水生态净化工程运行效果分析雨水生态净化工程运行效果分析水

18、质测定方法:评价各雨水收集利用工程的运行效果评价各雨水收集利用工程的运行效果 首先,检验雨水净化效果检验雨水净化效果。选定采样点,检测两个工艺各阶段的水体中CODct、NH3-N、TP、TN和SS污染物指标，通过水质测定、比较分析后,发现:除SS外,停车场净化工程对其他污染物的去除效果都比道路工程的好,但对所有污染物的去除均在60%以上;道路净化工程可去除降雨径流中64.2%的SS。经过设计的工艺,停车场和道路径流的出水水质符合设计的标准,可达到城市污水再生利用城市杂用水水质(GB/T18920-2002)和地表水环境质量标准(GB3838-2002)景观水体的要求。结果与讨论结果与讨论降雨特

19、征观测结果降雨特征观测结果:降雨水质监测结果:1.停车场雨水净化工程水质分析:图表明,停车场雨水井处Ai点的平均径流污染物浓度因降雨事件的不同而有一定波动。总体上看,由于前三次降雨均为大到暴雨,雨量大而强,随大气的干湿沉降和地表冲刷作用,污染物以吸附或溶解的方式进入降雨径流中,形成较高的浓度。另外,9月29日的污染物浓度有小幅度增加,推测与此前数天晴好的天气情况有关。 在11次降雨事件中,停车场集水井Ai点TN浓度变化范围在2.416.04 mg/L,经过生态渗滤沟到达Bi点时,大约去除20%的总氮;经过表流湿地和天然生态塘中的物理、化学和生物多重作用后,出水总氮达到l.OOmg/L左右。需要

20、指出的是,虽然6月10日、15日和18日的连阴暴雨使得进水TN高达6.04mg/L,但出水TN在2mg/L左右,基本达到地表水环境质量标准V类水标准。图4-3给出了雨水中NH3-N浓度在各阶段的变化。结果表明,该工程对NH3-N的去除效果良好。除6月15日那场降雨外,其他10场降雨条件下,工程对NH3-N的去除率均大于65%,8月19日的NH3-N去除率高达82.0%。此外,同场降雨的不同工艺阶段去除效率也有差异。实验证明,第二段工艺(即表流湿地+天然生态塘)对氮素的净化能力高于生态渗滤沟。图4-4显示了停车场降雨径流中TP浓度变化。进水处Ai的TP浓度有一定波动,最大值发生在6月15日那次降

21、雨,浓度为0.41mg/L,最小值发生在8月27曰,浓度为0.23mg/L。出水TP浓度在O.lOmg/L左右。因为磷元素污染物大多数通过吸附在空气或地表的沉积颗粒物而存在于降雨径流中,故其浓度与降雨强度及对地表的冲刷作用有关,具体的机理有待进一步研究。图4-5是历次降雨雨水中CODcr的浓度。由于汽车燃料的泄漏、润滑油的使用以及日常洗车等活动,停车场路面径流中含油脂等有机物较多。首先,不同日期的降雨事件中Ai点CODcr值高低不一。前三次降雨强度大,雨水对地面的冲刷作用强,CODer值相比其他的较高。其次,经过几段工艺的净化,出水处Ci点的CODer低于40.0mg/L,符合地表水环境质量标

22、准V类水标准。由图4-6可以看出,该停车场雨水井入口处的SS浓度普遍较低,这与停车场路面的洁净程度有关。据了解,该停车场内有专门人员定期的清洁打扫,人为垃圾、车辆泥巴等可得到有效的控制,减少了降雨径流污染。此外,无论在哪次降雨事件中,工艺对SS的整体去除率在60%以上。其中,从进水处的Ai点至生态渗滤沟的出口 Bi点,SS得到较大程度的去除,平均去除率为45%左右。可见,生态渗滤沟中的砂石层和植被层对雨水中的悬浮物质发挥了良好的截留和过滤作用。2.道路雨水净化工程水质分析从图4-7可知,试验区域道路A2点的平均径流污染物浓度范围大。另与图4-1比较,道路雨水径流污染物浓度的波动比停车场的剧烈,

23、尤其是CODer和SS。这可能是前者受路面污染程度、降雨条件等影响较多的原因。这也进一步验证了道路雨水复杂多变、随机性强的特点。同样,9月29日降雨之前数天的晴朗天气所造成的污染物浓度上升的现象在道路雨水径流中表现得更为突出。另外,季节和气温对道路径流水质的影响貌似并不明显。图4-8和4-9是道路雨水净化工程中各阶段氮素浓度的变化。TN和NH3-N进水浓度范围为1.512.72mg/L和0.94?2.31mg/L。以往的研究表明,径流中的氮素很大部分是雨水本身的背景值。去除作用主要发生在第一阶段(砂石过滤+挺水植物塘),经过此阶段,两种污染物分别得到约24.8%和42.0%的去除。研究表明,T

24、P、CODer和SS主要靠雨水径流的冲刷作用,浓度变化不定,图4-11和4-12也证明了这一点。TP浓度范围为0.14?0.40mg/L; CODer和SS污染更为严重,分别为72.7119.6ing/L和69.1182.0mg/L。从污染物去除效果上看,CODer和SS的去除主要发生在“砂石吸附+挺水植物塘”,对TP的去除效果在各工艺阶段不明显。中试研究水质净化效果比较 两个净化工程的水质净化效果见表4-3和图4-13。可以看出,停车场工程对TP、TN、NH3-N和COD四种污染物的平均去除效率高于道路工程,TP和NH3-N达到了 69%左右,其中TP的最高去除率达到89.7%。道路工程对S

25、S去除较好,平均去除效率为64.2%,推测这主要依赖于道路工程中第一阶段的“砂石+微生物”过滤。中试研究水质净化效果比较3. 雨水工程生物多样性分析 浮游藻类是水环境中有机物的生产者,是水生生态系统中食物链的基础环节,其群落结构组成和多样性变化等特征直接影响水环境的质量,也对维持生态系统平衡起着重要作用。因此,对本项目中涉及的天然生态塘、多级梯度生态净化塘等进行浮游藻类研究非常有必要。通过研究其数量分布、群落结构及与环境因子关系,可以有效监测生态环境的变化。釆样点设置与采样方法:将停车场雨水净化工程中的天然生态塘划分为4个区域,每次用釆水器从各区域采集水样250ml,混合均匀后得1000ml,

26、以此混合水样作为天然生态塘C1的待测水样。同时,选取停车场雨水井口点A1作为对照。在道路雨水净化工程中,选取挺水植物塘B2和沉水植物塘C2这两个釆样点,道路进水塘A3作为对照,具体釆样方法同上。 经实验鉴定,得到天然生态塘的浮游藻类共4门23属39种;所选对照区A1点的浮游藻类只有2门12属13种。从浮游藻类组成上分析,虽然两者中桂藻都占较多的比例,但优势种不相同。具体来说,天然生态塘以中营养状态水体中的脆杆藻属为优势种,而对照点以重富营养状态水体中常见的小环藻属为优势种,水质明显较前者差。 釆用Shannon-Wiener物种多样性指数：H= - (ni/N) ln(ni/N)； Margalef物种丰富度指数：d=(S-l)/ InN； Pielou物种均匀度指数J=HVlnS进行浮游生物的多样性分析。 从总体上看,无论停车场雨水净化工程中的天然塘,还是道路雨水净化工程中的多级梯度生态塘,Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数d均明显高于它们的对照点,可见,中试研究区域的浮游藻类种类丰富,群落结构复杂。具体而讲,点C1的H值波动范围1.192.41,B2的H值为1.842.62,Cz的H