城市初期雨水收集與處理方法的探討

史慧婷

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510060）

1 初期雨水收集處理的必要性

城市初期雨水在降雨初期溶解了空氣中的大量酸性氣體、汽車尾氣、工廠廢氣等污染性氣體,降落地面后,又由于沖刷瀝青油氈屋面、瀝青混凝土道路、雨污渠道中存積的污水、污泥及垃圾等,使得雨水中含有大量的有機(jī)物、病原體、重金屬、油脂、懸浮固體等污染物質(zhì)。因此初期雨水的污染程度較高,通常超過了普通的城市污水的污染程度。上海市對(duì)雨水水質(zhì)監(jiān)測(cè)表明，初期20 min雨水污染非常嚴(yán)重。北京市對(duì)城區(qū)1998－2003年不同月份屋面和路面徑流水質(zhì)的大量數(shù)據(jù)分析表明，城區(qū)屋面、道路雨水徑流污染都較嚴(yán)重，其初期雨水的污染程度通常超過城市污水[1]。

隨著城市的發(fā)展,城市面源污染負(fù)荷加大,污染的初期雨水進(jìn)入河道是造成河流污染的主要原因之一,為保證城市河流原本脆弱的景觀生態(tài),實(shí)施區(qū)域污染初雨收集處理是污染減排的基本工程措施。潔凈的符合利用要求的雨水是雨水綜合利用的基礎(chǔ)和最基本條件，因此，無(wú)論是從控制水環(huán)境污染還是雨水綜合利用的角度出發(fā)，初期雨水處理處置是必需的[2]。

2 初期雨水處置方案

從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，截流的初期雨水應(yīng)與生活污水和工業(yè)廢水一起輸送至污水處理廠集中處理后排放。但是，這種方式極大的增加污水處理廠的處理負(fù)荷與日常處理費(fèi)用。且目前我國(guó)尚未有一個(gè)城市污水處理廠在進(jìn)行規(guī)劃時(shí)就考慮到雨水的處理量和收集用地，最初規(guī)劃時(shí)沒有考慮到截流雨水的用地，即使上游不污染，下游污水處理廠跨越排放也是會(huì)造成污染的。對(duì)于目前的情況，彌補(bǔ)此問題的辦法有三個(gè)，一個(gè)是在污水處理廠的周圍征地，擴(kuò)大污水處理能力；第二，通過管網(wǎng)把雨污混合水引到其它的地方，并新建調(diào)蓄池儲(chǔ)存起來(lái)進(jìn)行處理；第三，利用低影響開發(fā)(LID)與綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施（GSI）,實(shí)現(xiàn)低碳、節(jié)能、生態(tài)和可持續(xù)的雨洪控制利用[3]。

3 城市初期雨水處理方法

本文參考國(guó)內(nèi)相關(guān)地區(qū)初雨收集規(guī)模，深圳排水規(guī)劃中初期雨水收集規(guī)模：《深圳市排水規(guī)劃》(2010-2020)專家評(píng)審會(huì)建議在缺乏實(shí)測(cè)徑流與污染物負(fù)荷濃度變化曲線資料的情況下,雨水截流設(shè)施容積暫按《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》（GB 5040-2006）計(jì)算,即屋面徑流截流厚度按3～5mm進(jìn)行計(jì)算;地面徑流截流厚度5～7mm進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果和實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),城市初期雨水處理方式主要分為分散處理方案和集中處理兩類,對(duì)有土地空間、匯水面積小、適合結(jié)合景觀設(shè)置生態(tài)工程措施的范圍,可采用分散措施,利用低影響開發(fā)(LID)與綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施（GSI），通過植物吸收、植被淺溝、低勢(shì)綠地、雨水塘與濕地、生物截流槽等措施降低初期雨水的污染負(fù)荷，在不影響道路功能和安全的前提下，有效滯留初期雨水，消減流量[4]。

實(shí)際上,城市初期雨水的量大、匯水時(shí)間短,多半采取的是“調(diào)蓄+處理”的方式,即先將初期雨水用調(diào)蓄池收集儲(chǔ)存,再利用處理設(shè)施處理。目前初雨處理的主要工藝構(gòu)是混凝沉淀,此種工藝具有生產(chǎn)能力高、處理效果較好等有優(yōu)點(diǎn)，但也受到原水的水量、水質(zhì)、水溫及混凝劑等因素的影響。隨著工藝水平的提高,初期雨水處理的方法也越來(lái)越多,處理效率也會(huì)逐步提高[5]。

4 調(diào)蓄池運(yùn)行原理

調(diào)蓄池的基本原理：在降雨期間，一部分合流水首先進(jìn)入調(diào)蓄池而不是在下游管道和污水處理廠滿負(fù)荷后就直接溢流排放河道，降雨過后，調(diào)蓄池中儲(chǔ)存的合流水通過提升在一定時(shí)間內(nèi)輸送至污水處理廠進(jìn)行處理。流程見圖1。因此，調(diào)蓄池的主要作用就是收集儲(chǔ)存初期合流雨污水，減少合流水溢流量，從而達(dá)到對(duì)下游水體更好的保護(hù)效果[6]。

圖1 調(diào)蓄池運(yùn)行原理圖

通過調(diào)蓄池的調(diào)蓄作用，可以將降雨初期的高濃度合流水進(jìn)行收集，對(duì)進(jìn)廠水質(zhì)、水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，可防止對(duì)污水處理廠的負(fù)荷沖擊，有效保護(hù)現(xiàn)有污水處理廠的運(yùn)行安全，同時(shí)，充分發(fā)揮污水處理廠的潛力，發(fā)揮最大效益。

綜上，調(diào)蓄池的建設(shè)，有效地對(duì)雨季混合水進(jìn)行儲(chǔ)存、調(diào)峰、錯(cuò)峰，并與污水處理廠聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，有效去除污染負(fù)荷，最大限度發(fā)揮污水處理廠的功效，提高污水處理廠的處理效率[7]。

5 國(guó)內(nèi)外調(diào)蓄池工程規(guī)模計(jì)算

目前調(diào)蓄池的計(jì)算方法相對(duì)較多，不同的國(guó)家和地區(qū)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)情均有沿用不同計(jì)算方法，目前資料顯示的計(jì)算方法主要包括以下幾個(gè)種類：

5.1 德國(guó)的計(jì)算方法

德國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范ATVA128中，對(duì)合流制排水系統(tǒng)溢流雨水的處理目標(biāo)定為控制排入水體的污染物負(fù)荷量最小化，即要求合流制排水系統(tǒng)排入水體的污染物負(fù)荷不大于分流制排水系統(tǒng)排入水體的污染物負(fù)荷。溢流調(diào)蓄池計(jì)算參數(shù)設(shè)定為：

（1）平均年降雨量：800 mm（≥800 mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修正，增加調(diào)蓄池體積）；

（2）雨水 CODcr濃度：107 mg/L；

（3）晴天污水 CODcr濃度：600mg/L（≥600mg/L時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修正，增加調(diào)蓄池體積）；

（4）雨天污水廠排放CODcr濃度：70 mg/L。

式中：V——調(diào)蓄池容積，m3；

VSR——每hm2收集面積需調(diào)蓄雨水量，m3/hm2，12≤VSR≤40，一般可取15～20；

Au——地表非滲透面積(hm2)，Au=收集面積(hm2)×徑流系數(shù)(0.70)。

5.2 日本調(diào)蓄池的簡(jiǎn)單算法

《日本合流制下水道改善對(duì)策指南》中，要求合流制排水系統(tǒng)排放的污染物負(fù)荷量與分流制排水系統(tǒng)排放的污染物負(fù)荷量達(dá)到同等水平。指出：將增加截流量與調(diào)蓄結(jié)合起來(lái)是一項(xiàng)有效的實(shí)施對(duì)策。基本的設(shè)計(jì)程序?yàn)椋阂揽磕M試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，研究截流量與調(diào)蓄池的關(guān)系，再通過對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果的評(píng)估，確定合理的調(diào)蓄池容量。

（1）設(shè)定目標(biāo)值：合流制下水道排放的污染負(fù)荷量與分流制下水道排放的污染負(fù)荷量達(dá)到相同水平。

（2）為到達(dá)目標(biāo)設(shè)定值，全年BOD負(fù)荷削減率在90%左右，雨天時(shí)BOD負(fù)荷削減率在65%左右。

（3）通過進(jìn)行模擬試驗(yàn)和對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果的評(píng)估，所采取的對(duì)策為截流雨水1 mm/h（污水處理）+2～4 mm調(diào)蓄量。

通過進(jìn)行模擬試驗(yàn)和對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果的評(píng)估，要達(dá)到與分流制排水系統(tǒng)同等的污染物負(fù)荷控制目標(biāo)，在日本一般要求采取截流雨水量1 mm/h左右+2～4 mm調(diào)蓄對(duì)策；若將調(diào)蓄規(guī)?？刂圃?～5 mm/h時(shí)，雨水溢流次數(shù)將會(huì)減半；通常地，在調(diào)蓄規(guī)模為1～3.5 mm/h時(shí)，可以獲得最佳的投資效益。

日本對(duì)本國(guó)6座城市進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，得出全年BOD負(fù)荷削減率為90%左右，雨天時(shí)BOD負(fù)荷削減率為65%左右才可以達(dá)到污染負(fù)荷削減的目標(biāo)設(shè)定值；并且研究了截流量對(duì)污染負(fù)荷削減的貢獻(xiàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增大截流量可削減更多污染負(fù)荷，但截流量增大到一定程度時(shí)，削減效果已沒有明顯變化，僅當(dāng)截流雨水量在1～2 mm/h以內(nèi)，削減效果明顯；同時(shí)還研究了調(diào)蓄量對(duì)污染負(fù)荷削減的貢獻(xiàn)，以及截流和調(diào)蓄互相配合對(duì)符合削減的作用，結(jié)果表明采用截流雨水量1 mm/h加上調(diào)蓄雨水量2～4 mm/h的措施可達(dá)到污染負(fù)荷削減的目標(biāo)設(shè)定值，相當(dāng)于上海截流倍數(shù)n=1.5加上調(diào)蓄容量20～40 m3/hm2。

5.3 上海合流制排水系統(tǒng)調(diào)蓄研究方法

上海合流制排水系統(tǒng)調(diào)蓄研究對(duì)國(guó)外調(diào)蓄池計(jì)算理論、方法進(jìn)行了大量的研究，結(jié)合上海市降雨特點(diǎn)、管網(wǎng)特點(diǎn)等進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為調(diào)蓄池主要是暴雨期間可收集部分初期雨水，當(dāng)暴雨停止后，該部分雨水再輸送到排水管網(wǎng)、泵站或污水處理廠。概括而言，其主要作用就是截流初期雨水、提高合流制系統(tǒng)的截流倍數(shù)，使調(diào)蓄之后的管道、泵站可以采用較小的設(shè)計(jì)流量。其主要方法是引入“當(dāng)量降雨強(qiáng)度”概念，建立截流倍數(shù)與降雨量之間的關(guān)系，能被截流并送入污水廠處理的不會(huì)產(chǎn)生溢流入河現(xiàn)象，反之會(huì)溢流。

當(dāng)量降雨強(qiáng)度即與晴天平均旱流污水量相當(dāng)?shù)男r(shí)降雨強(qiáng)度，如為1.8 mm/h，當(dāng)截流倍數(shù)n=1，相當(dāng)于1×1.8＝1.8 mm/h的降雨量，也就是說，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于1.8 mm/h時(shí)，雨水及污水可全部由管道和泵站截走，不會(huì)發(fā)生雨污水溢流至河現(xiàn)象，但當(dāng)降雨強(qiáng)度大于1.8 mm/h，如為3 mm/h時(shí)，則有1.2 mm/h的雨水將溢流至河中。不同的截流倍數(shù)代表不同的溢流量（或截流量），根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的削減目標(biāo)，可以確定系統(tǒng)截流倍數(shù)，從而確定調(diào)蓄水量。

5.4 武漢主要計(jì)算方法

武漢主要是借鑒國(guó)家863武漢“水專項(xiàng)”的研究成果，對(duì)武漢市漢陽(yáng)地區(qū)暴雨徑流中COD Cr、SS污染物濃度進(jìn)行測(cè)量并對(duì)水質(zhì)水量變化特點(diǎn)進(jìn)行了分析。根據(jù)相關(guān)研究資料的圖表分析，可確定合流制地區(qū)需囤蓄處理的重污染水（COD Cr＞600mg/L）對(duì)應(yīng)的徑流深約為7 mm，其中截污管截流約1 mm；確保不入湖的中污染水（600 mg/L＞COD Cr＞400 mg/L）對(duì)應(yīng)的徑流深約為7～15 mm；輕污染水（COD Cr＜400 mg/L）在超過調(diào)蓄能力后入湖。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)城市水環(huán)境狀況重視程度的提高,人們對(duì)城市初期雨水也逐漸重視,本文對(duì)城市初期雨水產(chǎn)生的過程、特性、收集處理的方式與方法做了一些粗淺的歸納和分析,希望為城市水環(huán)境改善設(shè)計(jì)有所幫助。

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[4]何衛(wèi)華，車伍.城市綠色道路及雨洪控制利用策略研究[J].給水排水,2012,38（9）：42-47.

[5]鄧志光，吳宗義.城市初期雨水的處理技術(shù)路線初探.水工業(yè)市場(chǎng),2009,(4)：47-49.

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