程霞++程賢敏++韓思迪++王夢瑤++萬一平
摘 要:雨水是自然界水循環(huán)過程中重要環(huán)節(jié),雨水的回收與利用與景觀結合是生態(tài)校園建設的主要內(nèi)容。在對鄭州大學新校區(qū)進行雨量平衡和雨水徑流水質(zhì)監(jiān)測的基礎上,設計了以混凝沉淀為主的雨水處理工藝流程,提出了雨水收集方式。收集的雨水主要用于景觀用水和補充雜用水,在節(jié)約水資源方面有較大意義。
關鍵詞:校園雨水;雨量平衡;混凝沉淀;雨水回用
1 前言
中國是人口最多的發(fā)展中國家,水資源總量十分匱乏,用水形勢十分嚴峻。面對日益嚴峻的水資源危機和亟待解決的城市雨澇問題,雨水回收與利用成為城市節(jié)水的有效方法之一。高校校園作為城市集中用水大戶,合理利用校園的雨水資源有利于緩解城市用水的壓力,能使節(jié)約用水的觀念深入大學生內(nèi)心,形成良好的學習和生活氛圍,具有較好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益,符合建設資源節(jié)約型社會的主題。
鄭州大學新校區(qū)位于鄭州高新技術開發(fā)區(qū),總用地面積284.4萬m2,其中屋面面積30.15萬m2,道路面積59.4萬m2,綠地面積112.8萬m2。屋頂、道路和綠地是主要的下墊面。其中,綠地徑流雨水以滲透為主,可收集量小,屋面和道路雨水徑流大,水質(zhì)較為理想,尤其是屋面雨水,從水量和水質(zhì)上來說都具有很高的利用價值。
2 雨量平衡分析
通過中華人民共和國水利部水資源公報提供的數(shù)據(jù),鄭州市2008—2012年年平均降水量為602.4mm[1].
收集雨水量可按下式計算:
Q=×α×β×A×(H×10-3)
式中:Q為年平均可用雨量(m3);為徑流系數(shù);α為季節(jié)折減系數(shù);β為初期棄流系數(shù);A為匯水面積,即各用地占地面積(m2);H為年平均降水量(mm)。
結合鄭州氣象局多年統(tǒng)計資料可知鄭州汛期降雨量(主要集中在6-9月)約占全年降雨量的64.65%,故可取α為0.65;鄭州多年平均降水量602.4mm,校園屋面、道路、綠地初期棄流量分別取2、4、1.5mm,年平均降雨次數(shù)取40次,則β分別取為0.87、0.75、0.91; 徑流系數(shù)屋面、地面取0.85,綠地取0.15[2]。代入公式可得出:屋面收集雨量87304.82 m3;路面收集雨量148278.91m3,綠地收集雨量60291.28 m3,總計295875.01 m3。
回收雨水用于景觀用水。眉湖總面積為2.5256萬m2,水深平均為1m,眉湖需水量為2.5256萬m3,考慮到換水情況,眉湖總用水5.0512萬m3。由此可知,收集的雨水足夠眉湖景觀用水。剩余的雨水24.5488 m3,我們可用于補充雜用水。主要用于補充草坪灌溉,綠地面積為112.8萬m2,參考室外設計給水規(guī)范(GB50013-2006)[3],以用綠地用水2.0L/(m2·d)來計算,代入綠地面積,可得年用水量為33.84萬m3。由此看來剩余的雨水可補充72.54%的草坪灌溉用水。
3 雨水水質(zhì)及其處理
3.1 雨水水質(zhì)及其分析
分別選擇校園教學區(qū)路面、行政區(qū)路面、宿舍區(qū)路面、宿舍區(qū)屋面的雨水及混合雨水進行監(jiān)測分析,監(jiān)測指標為COD、NH3-N、TP、pH、濁度。2014年10月20日雨水水質(zhì)。監(jiān)測情況如表1。
*景觀用水水質(zhì)標準(GB/T18921 2002);**城市雜用水水質(zhì)標準(GB/T18920 2002);***城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)。
從表中指標數(shù)據(jù)分析,未落地雨水和屋面徑流的水質(zhì)指標基本滿足景觀用水水質(zhì)標準(GB/T18921 2002)限值和城市雜用水水質(zhì)標準(GB/T18920 2002)限值;混合雨水徑流雨水COD超過城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)2倍;濁度超過雜用水水質(zhì)標準(GB/T18920 2002)約7倍,NH3-N、TP接近標準限值。根據(jù)城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)中COD≦50-60mg/L的要求,路面徑流雨水以及混合雨水水質(zhì)有機物濃度明顯超標;因此,如果將其回收作為景觀用水,需進行進一步凈化處理。對比可發(fā)現(xiàn),路面雨水較屋面污染較重,未落地雨水的污染程度較低,反映出導致高濃度COD、SS、NH3-N、濁度的原因主要還是下墊面因素,與路面材料、來往車輛、人員流動、路面衛(wèi)生狀況等因素有關。
3.2 混凝處理優(yōu)化參數(shù)
落地雨水水質(zhì)雖有超標,但相對污水來說,其水質(zhì)還是比較好的。通過采用以混凝沉淀為主的處理工藝,可以有效改善水質(zhì),用作景觀用水和城市雜用水。
收集多次雨水,按各采樣點比例混合并預沉12小時后,NH3-N降至景觀用水水質(zhì)標準(GB/T18921 2002)以下。采用混凝沉淀工藝對其進行凈化處理,以COD和濁度為指標,,通過實驗確定聚合氯化鋁(PAC)和聚合氯化鐵(PFC)的最佳投加量,對比兩種混凝劑的混凝效果,提出相關建議。各指標經(jīng)混凝沉淀后結果在下圖中體現(xiàn)。
從下圖中分析可知, PAC投加量為25-35mg/L時,處理效果最佳;PFC的投加量為35-45mg/L時處理效果最佳。兩者最佳投加量的水質(zhì)COD去除率均達到40%左右,濁度達到雜用水水質(zhì)標準(GB/T18920 2002),降至1NTU以下;但是由于投加PFC后,水中色度有所增加,因此應采用PAC作為絮凝劑對雨水進行凈化處理,且適宜的投加量為25-35mg/L。
4 雨水收集與回收利用系統(tǒng)的設計
4.1 雨水回收利用工藝流程
通過實驗室燒杯實驗,進行雨水水質(zhì)分析和混凝實驗沉淀處理可以發(fā)現(xiàn),混凝沉淀的處理工藝完全能夠滿足雨水的沖擊負荷,且處理后的雨水能滿足景觀用水和城市雜用水標準,因此不需要采取初期棄流措施。雨水經(jīng)過簡單的混凝沉淀工藝就能回收利用。其工藝流程如圖3:endprint
結合鄭州大學新校區(qū)的特點,雨水主要用于補充景觀用水和綠地澆灌。據(jù)了解,眉湖所在地地勢相對較低,因此可以考慮在此建立儲水池。
4.2 雨水收集方式
城市雨水利用尚屬于一種新的、非標準化的項目,雨水收集也沒有固定的系統(tǒng)。在此我們提出兩種雨水收集方案。
方案一:充分利用校區(qū)現(xiàn)有地下雨水管網(wǎng),不用單獨鋪設雨水回收的管道,由雨水落水管收集屋面雨水,雨水口收集路面雨水,經(jīng)雨水管道匯集到儲水池[5]。
方案二:路面雨水經(jīng)雨水管網(wǎng)匯集儲水池;在屋面建設雨水花園,具體做法是在屋頂結構上由里向外依次鋪設保溫層、不透水層、排水層、種植土層與植物蓄水層。降雨時,雨水降落到屋頂,通過雨水景觀下滲,并通過其中埋藏的管道排出。新校區(qū)的建筑周圍都有綠化,可以根據(jù)這一優(yōu)點,適當?shù)膶⒕G化改造成雨水花園,既美觀,又能有效地防止雨水對地面的沖刷。屋頂收集的雨水沿著管道流入雨水花園,多余的水可從雨水溢流口排出,流入雨水收集系統(tǒng)[6]。
5 結論
(1)雨量平衡結果:通過對鄭州大學新校區(qū)的雨量平衡分析可知,收集的雨水可補充校園的景觀用水和72.54%的綠地灌溉,在節(jié)約水資源方面有重大意義。
(2)水質(zhì)監(jiān)測結果:2014年10月20日未落地雨水和屋面雨水水質(zhì)較好,基本滿足景觀用水水質(zhì)標準(GB/T18921 2002)和城市雜用水水質(zhì)標準(GB/T18920 2002);混合徑流雨水COD超過城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)2倍;濁度超過雜用水水質(zhì)標準(GB/T18920 2002)約7倍;NH3-N、TP基本滿足景觀用水水質(zhì)標準(GB/T18921 2002)混凝試驗結果:對預沉后的雨水進行混凝沉淀實驗可知,混凝沉淀處理工藝對預沉后雨水有很好的處理效果,其出水水質(zhì)滿足景觀用水(GB/T18921 2002)和城市雜用水標準(GB/T18920 2002)。對于混凝劑的選擇來看,對比濁度、COD去除率,發(fā)現(xiàn)PAC的效果略優(yōu)于PFC;同時PAFC是具有顏色的混凝劑,對處理效果有一定影響。對于選擇PAC進行雨水處理的混凝過程,25~35mg/L左右的加藥量較為合適,濁度能降低到1NTU以下,COD去除率達40%左右。
參考文獻:
[1] 河南省水利網(wǎng).河南省水資源公報[Z]. http://www.hnsl.gov.cn/viewCmsCac.do?cacId=ff8080812afa870c012afae4033c00c0
[2] 胡良明.雨水綜合利用理論與實踐[M].鄭州:黃河水利出版社,2009.
[3] 室外給水設計規(guī)范[M]. 北京, 中國計劃出版社, 2006.
[4] 給水排水設計手冊[K].第二冊,建筑給水排水.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.
[5]徐錦生.雨水回收與利用生態(tài)工程.后勤工程學院學報.2012,1(01).
[6] 趙萌.北京科技園區(qū)雨水景觀規(guī)劃設計策略研究[D].北京:北京工業(yè)大學,建筑與城市規(guī)劃學院.2013.
項目:《鄭州大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃》資助項目
作者簡介:程霞(1994-),女,湖南岳陽人,在校本科,研究方向為環(huán)境工程。endprint