摘 要: 针对生态别墅区屋面雨水的处理与资源化利用问题,设计了屋面雨水过滤器,并开展了处理雨水的效能研究。结果表明,该屋面雨水过滤器是一种简易、有效的雨水处理和资源化利用装置,其最大滤速可达22. 80 m/h。除对浊度、有机物有很好的去除效果外,还能去除部分NH3-N和TP,处理后的出水水质可满足城市杂用水水质标准。
关键词: 屋面雨水; 过滤器; 生态别墅
中图分类号: TU991 文献标识码: A 文章编号:1000-4602(2006)21-0018-04
雨水的资源化利用对于节水、防洪和减少非点源污染等均有十分重要的意义[1、2]。重庆市某高档生态别墅区占地约80 hm2,其核心景观为一水库改造的半人工湖,湖面的面积约13. 3 hm2。为保障该湖的水量和水质,在住宅区设计了一系列的雨水处理和资源化利用措施,如人工湿地、跌水小溪、氧化塘、雨水浅草沟、屋面雨水过滤器等,尽可能地将汇水区的雨水处理后渗入地下蓄水层或汇入湖内。雨水过滤器是设计方案中用于净化屋面雨水的装置,其出水用于浇洒私人庭院或通过雨水排水浅草沟下渗,补充浅层地下水。
1 屋面雨水过滤器的构造
屋面雨水过滤器用PVC板制成,其构造如图1所示。
试验时,为考察雨水过滤器的处理负荷,在雨水过滤器的进水管上设置了旁通管,通过旁通管上的阀门来控制入流雨水量。雨水进入过滤器后首先经过横滤板,横滤板上放置用钢丝网兜住的好氧酶促滤料,滤料粒径为10~15 mm。钢丝网设有手柄,可随时取出滤料进行冲洗。雨水以上向流方式通过滤料后,由竖滤板上的小孔进入沉淀/贮水室,当贮水室水位达到出水管水位时,处理后的雨水由出水管进入雨水贮池。过滤器贮水室的容积为100 L,雨后贮存的雨水可通过杂用水龙头放出进行回用,杂用水龙头与带浮球的软管相连,可保证出水为最上层的洁净雨水。为防止树叶等杂物入桶,过滤器还设计了可透气的盖子。
2 处理雨水的效能试验
试验在重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室进行,所处理雨水为实验大楼的屋面雨水(与雨水过滤器进水管相连的雨水立管的集水面积约365 m2)。该屋面为混凝土平屋面,每周人工清扫一次,屋面生长有部分苔藓和杂草,雨水由屋面顺坡进入两侧排水沟后,经带格栅的雨水斗进入落水立管,最后进入雨水过滤器。
2.1 试验方法
由于降雨的随机性,按照每场降雨的历程来监测屋面雨水过滤器的处理水量和出水水质。试验从2005年4月下旬开始到11月下旬,共监测降雨19场,其中4月—7月上旬的7场雨用作调试, 7月后的12场雨作为正式试验。
① 水质监测
每场降雨中当出水管开始出水时,降雨历时记为零,此后每10 min取样一次并检测水质,所取水样包括旁通管出水和出水管出水。第i次水质数据记为C进i(mg/L)和C出i(mg/L)。当降雨结束,出水管停止出水2 h后取杂用水龙头出水进行水质检测,其值作为屋面雨水过滤器的最终出水即回用水水质,以Cf(mg/L)表示。水质指标的测试中,浊度采用哈希2100P型浊度仪测定, pH值采用pHS-3C型pH计测定,DO采用哈希便携式溶氧仪测定,其他指标采用国家标准方法测定[3]。
② 水量监测
从降雨历时为零开始,每10 min测定旁通管出水流量和出水管流量各一次。每场降雨过后2 h,将雨水过滤器的过滤室放空、闲置,等待下一场降雨。由于无堵塞,试验期间未对滤料进行冲洗和更换。
2.2 屋面雨水水质分析
表1列出了重庆大学校区(试验地点)和生态别墅区(雨水过滤器的应用地点)的实测屋面雨水水质。
屋面雨水过滤器的出水水质应满足城市杂用水水质标准(GB/T 18920—2002)的要求。由表1可以看出,两地的屋面雨水水质均较好,除BOD5和浊度外,其余指标均能达到城市杂用水水质标准。因此,屋面雨水过滤器的去除重点应为悬浮物和有机物。两地屋面雨水的BOD5/COD值偏低,可生化性差,适宜采用以物理作用为主的工艺处理。生态别墅区的屋面雨水水质优于校区屋面的,这主要是由于屋面形式和所处城市地段不同所致。一般来说,平顶水泥屋面的雨水水质较斜瓦屋面的差[4、5]。生态别墅区位于市郊,而重庆大学校区位于市中心地段,人口、车辆、道路密集,受空气降尘等因素的影响更大。
3 试验结果及讨论
屋面雨水过滤器的除污效果见表2。
从表2可以看出,屋面雨水过滤器能利用雨水立管形成的水头进行快速过滤,出水水质能够满足道路浇洒、消防、城市绿化等城市杂用水水质要求。
试验期间,当最大流量为1. 14 L/s时,屋面雨水过滤器的滤速达到了22. 80 m/h,在保证出水水质的前提下,其能承受95 m2的屋面径流。
3.1 对浊度的去除效果
浊度是屋面雨水过滤器的主要去除对象。降雨期间,雨水过滤器主要依靠酶促填料的物理筛滤作用去除进水的浊度,另外填料表面生长的少量生物膜也对浊度有一定的吸附、滤除作用。雨水过滤器对浊度的去除效果较好,去除率稳定在75%以上,出水浊度受雨量冲击负荷的影响不大,平均出水浊度在8 NTU以下。
3.2 对有机物的去除效果
与对浊度的去除情况类似,雨水过滤器对有机物的去除效果也较为稳定,去除率基本在60%以上,出水COD<28 mg/L。由BOD5/COD的平均值可推算出水BOD5应在5. 6 mg/L以下,能达到回用标准(GB/T 18920—2002)。降雨期间,有机物主要依靠填料的物理过滤作用去除,出水中的有机物浓度随进水水量的增大有升高的趋势;雨后酶促填料上的贫营养生物膜可对截留的有机物作进一步的降解[6]。
3.3 对NH3-N和TP的去除效果
由表1可知,屋面雨水中的氮磷含量较低,例如NH3-N含量远低于城市杂用水水质标准。但基于屋面雨水过滤器的应用背景———作为高档住宅区湖水水质保持措施之一,就屋面雨水过滤器对氮、磷的去除效果进行了考察。
试验结果表明,屋面雨水过滤器对氨氮的去除率较低,且去除效果不稳定(见图2),甚至出现了出水值高于进水值的情况。
一般来讲,在污(废)水处理中氨氮主要依靠生物的硝化作用去除。硝化菌是自养菌,虽然雨水的贫营养性使其有机会在生化反应中占据优势,但由于雨水的水力停留时间短且无法调控,导致硝化菌无法发挥其氨氮转化功能。而只靠填料上有限生物膜的吸附作用,仅能去除很少量的氨氮。试验中发现,氨氮的去除与进水负荷没有明显的相关性,但与过滤器所处的状态有关。例如10月2日—4日有多场降雨,在所监测的两场降雨间歇未将过滤室放空,导致10月4日(第11场降雨)的平均出水氨氮浓度明显增高,去除率为负值。这是因为降雨期间屋面雨水过滤器主要依靠物理筛滤及生物吸附作用去除污染物,雨后截留在填料上的污染物可进一步与生物膜反应,若过滤室不放空(填料长久浸没在水下),则易产生缺氧或厌氧环境,导致氨化作用加强而硝化作用减弱,使出水氨氮浓度增高。因此,雨后将滤室水放空,有利于通入空气,维持填料上的好氧生物反应条件,防止水质的恶化。
屋面雨水过滤器在进水磷浓度很低的情况下仍具有一定的除磷效果,如图3所示。
整个试验期间对过滤室和贮水室进行了两次排泥。过滤室排出的泥以密度较大的无机沙粒为主,而贮水室排出的为含水率较高的轻质污泥。将7月28日雨后2 h排出的贮水室泥样搅拌后,在烧杯中加盖静置24 h,测定上清液中的TP浓度为0. 047 mg/L,与最终出水的TP浓度(0. 043 mg/L)相差很小,故认为屋面雨水过滤器的除磷机理主要是填料对水中颗粒性磷的物理过滤与化学吸附作用,生物除磷的作用微不足道。
4 结论
针对高档生态住宅区雨水的处理与资源化利用而设计的屋面雨水过滤器,能利用雨水立管形成的水头进行快速过滤,在保证出水水质满足道路浇洒、消防、城市绿化等城市杂用水水质(GB/T 18920—2002)要求的前提下,其滤速可达22. 80 m/h。每次降雨后放空过滤室内的集水,有利于保持过滤器的处理性能。
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