城市非点源污染治理与资源化技术

城市非点源污染治理与资源化技术研究摘要:城市降雨地面径流同时具有危害性与资源性，解决城市非点源污染的问题，亦应将削减污染与资源化结合考虑。本研究根据南方地区包气带中土壤水丰富的特点，设计出一种新型小区雨水处理利用方法。通过工程措施的一级沉淀处理和生态环境的二级生化处理使雨水径流得到处理和利用，实现污染治理与资源利用协调发展。关键词：非点源污染治理与资源化包气带土壤水ResearchforTreatmentandUtilizationTechniqueofUrbanNon-pointPollutionAbstract:Urbanrainfallflowisnotonlynon-pointpollutionsourcebutalsoavailablewaterresource,whilethetreatingmethodsforurbannon-pointpollutionisconsidered,thecutofpollutionandtheutilizationofrainwatersourceshouldbecombinedwitheachother.AccordingtothecharacteristicthatthereisabundantsoilwaterwithinaeratlonzoneinChinasouthcities,onenewtechniqueoftreatmentandutilizationforresidentialarearainwaterisresearched.Residentialarearainwatercanbetreatedandutilizedbymeansofthistechniquewhichdepositionandbiochemicaldecompositionwouldbeused,sothatthetreatmentofpollutionandtheutilizationofrainwatersourcecanbedevelopedinphase.KeyWords:Non-pointpollutiontreatmentandutilizationAeratlonzoneSoilwater一、问题的提出上世纪80年代初期，我国开始对城市雨水径流非点源污染进行研究，但由于点源污染矛盾一直突出，研究的重点在于点源污染治理上，城市雨水径流非点源污染的研究未得到足够的重视。近年来，随着点源污染的治理逐步显现效果，非点源污染对水环境的影响日益突出，城市雨水径流非点源污染已开始引起越来越多的关注。非点源污染的重要性也随着点源污染控制能力的提高而逐渐表现出来,当点源污染控制能力达到一定水平后,非点源污染势必成为水环境污染的主要来源〔1.2.〕。城市非点源污染在时空分布、污染物组成及浓度、源头—输移—汇集方式等诸多方面与农村非点源污染都有明显的不同，因此，在研究城市非点源污染的处理方式时，不能简单地移用农村非点源污染的治理思路，而应结合城市的特点。一方面，我国是一个缺水的国家，许多城市水资源匮乏。另一方面，雨水作为一种潜在的水资源还没有引起足够的重视。由于城市建筑物及道路构建了大量的不透水地面,地面径流系数加大,径流时间缩短,峰值流量加大,增加了城市排水系统的负担。传统的城市雨水径流大多直接排放，导致大量的雨水径流未加以处理和利用而直接排放于江河湖泊,不仅对受纳水体造成了污染,同时也造成水资源的浪费。正因为城市降雨地面径流同时具有危害性与资源性，解决城市非点源污染的问题，亦应将削减污染与资源化结合考虑。鉴于我国城市目前排水体制的现状及城市非点源污染“晴天累积，雨天排放”的特点，降雨地面径流进入输移途径（城市排水管网）后，治理与资源化的难度明显加大。因此，城市非点源污染治理与资源化的重点应放在源头上，尤其是在城市的小区中。二、目前的技术与问题目前国内城市非点源污染的源头治理与资源化方法主要集中在雨水促渗与回灌、雨水处理回用等两大方面，包含了雨水的初期径流弃流技术、促渗技术、过滤技术、回灌技术、储存技术、污染物降解技术、消毒技术等。雨水促渗与回灌是一种技术简易，经济相对节省的雨水径流削减方法，具体可通过土壤改良和构造绿地、修建渗滤沟和渗滤管，改造不透水地面为透水地面，如铺置嵌草砖等技术等，加大下垫面的渗透比率〔5.〕。把汇集的屋面和小区路面雨水径流通过绿地或人工土层处理后促渗,既可涵养地下水,又起到了削减雨水径流同时削减非点源污染污染的目的，减轻城区雨洪负荷和雨水径流对受纳水体的污染,可带来明显的环境和社会效益。雨水促渗技术是一种投资少且能够发挥综合效益的生态型排水方式,但由于屋面和路面雨水径流已受到污染,为保证雨水渗入地下不污染土层和地下水源,必须对收集的雨水进行处理。此外，国内亦有研究人员对雨水直接回灌做过研究，该方法是将雨水经收集处理后，通过深井回灌地下，以补充地下水。雨水回用有多种方式。如将雨水经收集处理后，进入人造景观系统如喷泉、溪流、浅池、湿地等构造中循环，营造景观效果。循环中渗透和蒸发损失大于雨水收集量时，可用自来水补充〔6.〕。也可将雨水经收集处理后，作为中水用于洗车、浇绿地、冲洗地面等杂用。上述城市非点源污染的源头处理方法，既有实用的一面，也有不同程度的缺陷。雨水促渗回补地下水，由于方法简易，其承受的雨水容量也非常有限，雨量或雨强大时,来不及渗滤的雨水仍会形成地表径流进入城市下水系统。至于雨水直接回灌，其在北方城市或地下水过量开采的城市，有一定的实用价值，但许多南方城市，由于地下水埋深较浅，该方式无法采用。另一方面，为避免污染地下水源，对回灌水质要求很高，相应处理费用也很大。景观利用的难点在于，为保持水质符合景观水体要求，必须靠动力维持水流动态，运行费用是一大障碍。而在雨水回用方面，已有的工艺在目前很难推广应用，最主要的原因是水价低廉而处理工程造价和运行费用太高，无经济价值。例如北京某小区花四十余万元建造的一套雨水回用系统，仅静态投资回收就需九年，加上维护烦琐，运行成本高，即便建成了，也很难维持〔3.8.〕。当然，在某些情况下，如果设计合理，雨水回用是有应用价值的，例如德国Ludwigshafen已经运行十年的公共汽车洗车工程利用1000m2屋面雨水作为冲洗水源,除紧急情况外,几乎所有的水源均是雨水。法兰克福Poss2mann苹果轧汁厂将屋顶花园雨水作为冷却循环水源〔4.〕,是工业项目雨水利用的成功范例。三、城市非点源污染治理与资源化研究及运用城市非点源污染治理有别于农村非点源污染的一个显著的特点应是源头处理，如能在源头处理上削减部分雨水径流，则可大大减轻城市排水管网的负担。问题是如何因地制宜，合理设计，使不利的因素在一定的条件下转化为有利因素。例如一些南方城市特别是长江中下游平原地区的城市，地下水普遍埋深较浅，年雨量又比较充沛。一般的雨水回灌或回用方法，要么效率底，要么工程造价高。但如果能够利用南方城市地下水普遍埋深较浅的特性合理设计，则即可提高处理利用效率，又可大大降低工程造价。地下水有广义和狭义的两种概念。广义概念的地下水是指赋存于地面以下包气带及饱水带所有含于空隙中的水，即包气带水、潜水和承压水。狭义概念的地下水仅指赋存于饱水带空隙中的水，即潜水和承压水。在垂直剖面上，包气带地下水的最上部就是土壤水。这一水层随季节变化较大，雨季受雨水补充向下层地下水渗透，旱季向上蒸发，有时甚至会枯竭，加之在人类活动较大影响下，受到不同程度的污染，不宜作为永久性的供水水源。当然，对大多数南方平原地区城市来说，包气带中土壤水含量较丰富且埋深较浅，一般不会枯竭。本研究正是利用南方地区包气带中土壤水丰富的特点，设计出一种新型小区雨水处理利用方法。该方法将工程措施和生态环境有机结合，使雨水、地表水、包气带中土壤水构成一个相对封闭的循环体系。这一循环体系集渗滤技术、净化技术、储存技术、回灌技术、回用技术于一体，使雨水在循环中，通过工程措施的一级沉淀处理和生态环境的二级生化处理得到净化。这种新型的小区雨水处理利用方法是由两个系统相互连接来完成的，一个系统是雨水收集处理系统，另一个是雨水喷灌处理系统。雨水收集处理系统包括：屋面雨水收集处理系统，由初期径流弃流井、渗滤管、渗滤沟等组成；路面雨水收集处理系统，由初沉井、封闭式过滤沟等组成。雨水喷灌处理系统包括：沉淀/储水双井，小型水泵、绿地与喷灌系统等。下雨时，屋面雨水经过雨水管流到初期径流弃流井内，满足初期弃流要求后的雨水旁路进入渗滤管，再流到渗滤沟中，经过沉淀过滤后流入沉淀/储水双井。路面雨水通过路边窨井连接的初沉井、封闭式过滤沟沉淀过滤后进入沉淀/储水双井。收集处理系统过滤后的雨水先进入沉淀/储水双井中的沉淀井，再次沉淀处理后通过井中部的透水墙进入储水井，此时开启储水井中的潜水泵，经过喷灌系统把雨水喷在绿地上，利用绿地易渗滤构造层含水，同时利用土壤中微生物的分解作用和植物根系的吸收去除污染物，直到进入储水井的雨水全部被处理，洁净后的雨水通过渗滤补充包气带中土壤水。晴天时，利用储水井连接的喷灌系统，抽取包气带中土壤水对绿地进行养护或其它方式回用。具体工艺流程如下：路面径流屋面径流路面径流屋面径流窨井过滤沟初期雨水弃流井过滤沟雨水沉淀/存储井初期雨水弃流渗滤管渗滤沟绿地喷灌土壤包气带水降雨小区源处理工艺流程图这种新型的小区雨水处理利用方法的优点是：雨水处理技术吸收了以往城市非点源污染各类源处理利用方法的优点，同时也弥补了方法中的不足。利用井—喷灌循环系统，克服了简易雨水促渗技术雨水承受容量有限的缺点。雨量或雨强大时，形成径流的雨水通过收集系统仍会回到井中，并重新布洒于绿地中。利用绿地中植物根系的吸收和土壤中微生物的作用构成一个二级生态处理系统，使雨水在净化处理后通过土壤毛细管的渗滤作用补充包气带中土壤水。即省略了回灌地下水所需的复杂处理工艺，也避免了雨水径流直接回灌地下水所面对的问题。另一方面，与屋面雨水排管连接的渗滤沟采用侧面多孔砖衬切上部加盖的暗沟形式分布于绿地中。当雨量或雨强大到超过绿地构造含水层的承受能力时，部分蓄满产流的雨水会通过多孔砖反向渗透到渗滤沟并最终进入沉淀/储水双井。水泵停止运行后，井水位上升，当水位超过窨井排水管高程时，蓄满产流的雨水才会排入城市下水管网。而蓄满产流的雨水实际上是经过处理的雨水，这样就大大削减了雨水径流中污染物的含量。由于沉淀/储水双井与包气带中土壤水相通，与其配套的含水绿地构成了一个天然的地下存储调蓄系统，即土壤水库。这样不仅节省了以往雨水回用中必不可少的大型储水池的构建费用，省去了雨水存储中必须的处理工艺和费用，同时也避免了储水池难以保证的调节功能，大大地提高了雨水回用的实用性。利用这一理念设计的系统已在武汉市某生活小区建成，运行表明，该处理系统只要利用生活小区内20%的绿地，即可处理整个小区重现期为一年的大雨（52mm），主要污染物的去除率可达到95%以上。四、结语雨水治理与资源化不仅是开源节流的一条途径,而且对城市生态环境的改善、水污染的控制等方面也具有重大意义。尽管雨水治理与资源化在实际应用时受到许多因素如气候条件、降雨分布、雨水水质情况、特定地区建筑的布局和构造等的制约，但只要因地制宜，合理设计，这些制约因素是可以解决的。我国年降雨量达612万亿m3，但在城市,传统的雨水排放方式使大量的雨水资源白白流失。随着城市建设的不断发展,不透水面积比例不断增加,雨水资源流失量还将不断增大。如果能将流失的雨水进行有效的收集处理和利用,将会成为解决城市水资源短缺的重要措施之一〔7.〕。如果合理地利用雨水渗滤回灌,可涵养地下水源,增加土壤中的含水量，防止地面沉降,调节城市气候,减少城市热岛效应,改善城市生态环境。因此，解决好雨水治理与资源化问题，对城市社会经济可持续发展具有重大意义。参考文献：汪慧贞，李宪法.北京城区雨水径流的污染及控制.城市环境与城市生态.第15卷2期王敏尔，董志勇.城市非点源污染的初步探讨.浙江工业大学学报.第31卷5期曹秀芹，车武.城市