重慶市雨水利用的混凝試驗研究

張丹丹,張　敏,王　萌,陳泓先

(重慶大學 城市建設與環境工程學院，重慶　400030)

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重慶市雨水利用的混凝試驗研究

張丹丹,張敏,王萌,陳泓先

(重慶大學 城市建設與環境工程學院，重慶400030)

摘要：通過對重慶市某校園內雨水徑流水質的監測分析，掌握不同下墊面類型、降雨強度下的雨水徑流水質特性及變化規律，為重慶市建筑與小區雨水資源化利用提供數據支撐和設計依據。在此基礎上，以聚合氯化鋁為混凝劑，采用屋面雨水和地面雨水不同配比配置不同濁度梯度的試驗用水，通過燒杯混凝試驗研究，確定了投加量對不同進水水質下的不同污染物指標去除效果的影響，各指標去除率總體表現為隨投加量的增加先增大后減小。將COD作為雨水資源化利用的主要控制指標，當以聚合氯化鋁為混凝劑時，進水COD為0～30 mg/L的最佳投加量為10 mg/L；COD為30～60 mg/L的最佳投加量為10～20 mg/L；COD為60～90 mg/L的最佳投加量為20～40 mg/L。

關鍵詞：雨水徑流水質；燒杯混凝試驗；投加量；雨水利用

雨水作為一種天然的水資源，與中水相比，具有容易收集、水質好、處理方法簡單、安全衛生等優點，成為當今世界緩解水資源緊缺、改善城市水環境的重要資源之一，也是當前研究的重點和熱點。雨水雖水質相對較好，但受下墊面的材料及受污染程度等因素影響，往往需進行處理才能達到回用要求。

常用的雨水處理技術包括混凝、砂濾、膜濾、吸附、人工濕地及其組合形式[1-3]。但對于城市雨水利用來說，城市用地緊張，且建筑與小區多無景觀水體以進行人工濕地建設，混凝常作為其他工藝形式的預處理措施，以防止濾料堵塞和膜污染。Matsushita[4]認為，采用混凝沉淀+微濾的集成工藝存在以下優勢：可降低混凝劑的投加量；在較短的混合時間就可使顆粒形成比膜孔徑大的粒徑；對病毒的去除并不賴于膜孔徑，孔徑選擇的范圍相對較寬。

國內針對混凝用于雨水處理的最佳投加量的研究已有很多，不同地區不同下墊面雨水水質不同，相應的混凝劑種類和混凝劑投加量也不同[1,3,5-8]。且以往研究多以濁度去除效果為度量指標來確定混凝劑的最佳投加量[8]，且多為自來水配水，與實際雨水水質存在一定差距[5]。重慶市雨水資源豐富，但仍存在缺水現象。因此有必要對重慶市雨水徑流水質進行研究，并在此基礎上分析混凝技術對重慶市雨水徑流污染物的去除效果。

通過對文獻的總結，本文選取聚合氯化鋁為混凝劑，在對重慶市雨水徑流水質特征分析的基礎上，采用屋面雨水和地面雨水不同配比配置出不同濁度梯度的實驗用水，通過燒杯混凝實驗，得出了不同進水水質雨水在不同控制指標下的最佳混凝劑投藥量，為混凝技術用于重慶市雨水資源化利用奠定基礎。

1材料及方法

1.1重慶市雨水徑流水質分析

1.1.1采樣點選取

雨水水質受很多因素影響，如污染源的管理情況、下墊面類型、風和氣象條件、收集點的位置[9]。地表降雨徑流一般分為屋面徑流和路面徑流，而對于不同材料的下墊面，雨水的水質特征又有所不同，進而，相對應的處理要求也不一樣。本文的雨水采樣點設在重慶市沙坪壩區某校園內；屋面雨水采樣點設在某實驗樓樓頂，該實驗樓屋面為水泥材質，無人類及鳥的活動干擾；地面雨水采樣點設在校園內某混凝土路面雨水口處，清掃頻率為每天1次，該處為交叉路口，通車頻繁，水質較差。

1.1.2采樣頻率及采樣方法

考慮到降雨的隨機性，水樣采集頻率根據降雨強度的大小進行調整。一般來說，降雨初期和大雨時取樣間隔時間短，降雨后期和小雨取樣間隔時間適當延長[10]。本文中，降雨徑流形成時開始取樣，降雨初期和大雨時，采樣間隔時間取5 min，中期采樣間隔時間取10 min，后期采樣間隔時間取30 min。

本文對重慶市某城區2015-08—2015-10的5場降雨共計53個水樣進行了監測分析，其中，屋面降雨包括3場共計24個水樣，地面降雨包括5場共計29個水樣。5場降雨的降雨特點如表1所示。

由表1可知，9月2日和9月18日降雨事件均為短歷時強降雨，其他3場降雨為長歷時小雨事件。

表1　降雨特點

1.2不同負荷雨水混凝劑最佳投藥量研究

1.2.1試驗用水來源

為考察不同雨水污染物負荷下，混凝劑投加量對實際雨水徑流中各指標的去除效果，本文采用屋面雨水和地面雨水不同配比來配置不同濁度梯度的實驗用水，所采用的實際雨水配比值及配水水質平均值如表2所示。

表2　實際雨水配比值及配水水質平均值

1.2.2燒杯試驗確定最佳投藥量

通過燒杯混凝實驗，考察混凝劑投加量對雨水中各污染物的去除效果，以此選取適宜的投加量。

本實驗中混凝劑采用市售聚合氯化鋁，其中Al2O3含量為26%。將聚合氯化鋁用蒸餾水配制成質量濃度為5%(以Al計)的投加溶液，按照不同投加量分別投加到1 000 mL的雨水水樣中，設定攪拌程序如表3所示。取沉淀后上清液測定常規指標濁度、CODcr、NH3-N和色度，繪制各污染物指標去除率隨投藥量的變化曲線。

表3　燒杯混凝試驗攪拌程序

2結果與討論

2.1雨水徑流水質分析

2.1.1雨水徑流水質監測結果

對屋面3場降雨徑流的主要污染指標濁度、CODcr、氨氮及色度的監測結果如圖1～4所示。對地面5場降雨徑流的主要污染指標濁度、CODcr、氨氮及色度的監測結果如圖5～8所示。

圖1　屋面雨水徑流濁度隨降雨歷時的變化

圖2　屋面雨水徑流CODcr隨降雨歷時的變化

圖3　屋面雨水徑流NH3-N隨降雨歷時的變化

圖4　屋面雨水徑流色度隨降雨歷時的變化

圖5　地面雨水徑流濁度隨降雨歷時的變化

圖6　地面雨水徑流CODcr隨降雨歷時的變化

圖7　地面雨水徑流NH3-N隨降雨歷時的變化

圖8　地面雨水徑流色度隨降雨歷時的變化

2.1.2結果分析

1) 同筆者所在課題組所監測主干道、次干道雨水徑流水質相比[10]，校園內雨水水質較好，與紀桂霞等[7]的研究結果相近。

2) 從圖1～4可以看出，對于9月2日的連續兩場降雨，雖然均為強降雨事件，但因第一場降雨歷時較短，路面的污染物并未沖刷干凈，所以第二場降雨的初期雨水徑流水質仍然較差。故對于降雨時間間隔較短的兩場降雨來說，仍有進行初期雨水棄流的必要，但可相對降低棄流量。

3) 初期雨水徑流污染嚴重，水質混濁，屋面主要污染物的最大值能達到濁度170 NTU，CODcr 80 mg/L，氨氮14 mg/L，色度40度；地面主要污染物的最大值為濁度220 NTU，CODcr 260 mg/L，氨氮22 mg/L，色度40度。降雨過程的前10 min下降很快，隨時間的延長趨于穩定，各污染物的均值為濁度20 NTU，CODcr 35 mg/L，氨氮4.2 mg/L。地面雨水徑流污染物均值為濁度100 NTU，CODcr 100 mg/L。地面雨水徑流水質明顯比屋面雨水更差。

4) 對于8月27日和9月24日小強度降雨事件，屋面徑流的污染物濃度相對較低，且基本穩定，雖受降雨強弱有所波動，但波動較小，且由于淋溶作用，后期有升高的趨勢。而對于9月2日的強降雨事件來說，初期沖刷效應明顯，初期徑流水質明顯比其他幾日降雨的水質要差，且隨降雨歷時的延長，屋面徑流的污染物濃度逐漸下降。

5) 對于9月18日的小強度降雨時間，路面雨水的CODcr、氨氮濃度相對穩定，無明顯的初期沖刷效應。

6) 同一降雨事件中，路面徑流中的氨氮含量高于屋面徑流。這與顏文濤等[11]研究結果相近，可能是因為大量富含可溶性氮的物質從混凝土路面累積的落葉腐殖層中淋溶出來，而與路面材料關系不大。

7) 屋面雨水和地面雨水中氨氮含量及色度相對較低，水質穩定時基本滿足城市雜用水的水質要求[12]。

2.2不同負荷雨水PAC最佳投藥量研究

2.2.1PAC投加量對污染物指標的去除效果

對于A,B，C，D類進水，PAC投加量對各污染物指標的去除率如圖9～12所示。

圖10　B類進水PAC不同投加量實驗

圖11　C類進水PAC不同投加量實驗

圖12　D類進水PAC不同投加量實驗

2.2.2結果分析

1) 混凝沉淀對所配不同濃度梯度雨水的混凝效果存在最佳投藥量，當投加量超過一定限值時混凝效果會逐漸變差，與任依麗等[5]的研究結果一致。這主要是因為：當PAC投加量過低時，主要發生電性中和作用，PAC水解產物不足以中和水中帶負電荷的顆粒雜質，無法聚集成大顆粒。但當PAC投加量過大時，主要發生的是網捕卷掃，此時形成的絮凝體結構松散，在機械攪拌時易破碎且不宜沉淀出去，造成出水濁度變大。由于污染物指標間存在相關性[13]，進而使其他污染物指標也可能變大。

2) A，B，C，D類水以COD為控制指標的PAC最佳投加量分別為10 mg/L，20 mg/L，20～30 mg/L，20～40 mg/L，去除率分別為70%～80%，65%～70%，55%～60%，55%～60%。

3) PAC投加量對濁度的去除效果影響較小，混凝沉淀對低濁水濁度的去除率較低，約為80%～90%，對其他3類水濁度的去除率均達到95%以上。

4) 混凝沉淀對氨氮有一定的去除效果，但去除率較低，在投加量為10～30 mg/L時，去除率為20%～40%。

5) 混凝沉淀對色度的去除效果較好，A，B，C，D類水在最佳投加量下對色度的去除率分別為40%～50%，50%～60%，70%～80%，60%～70%。

3結論

1) 屋面雨水徑流水質優于地面雨水徑流，應作為雨水收集下墊面的首選。

2) 初期路面徑流污染較嚴重，屋面主要污染物的最大值能達到濁度170 NTU，CODcr 80 mg/L,氨氮14 mg/L，色度40度；地面主要污染物的最大值為濁度220 NTU，CODcr 260 mg/L，氨氮22 mg/L，色度40度。

3) 對于降雨時間間隔較短的兩場降雨來說，仍有進行初期雨水棄流的必要，但可相對降低棄流量。

4) 混凝沉淀對各污染物指標的去除效果均較好，各指標去除率總體表現為隨投加量的增加先增大后減小；

5) 混凝沉淀出水水質各污染物濃度仍然很高，故雨水若作為雜用水水源仍需進一步處理，如活性炭吸附、微濾等深度處理措施。

6) 雨水經混凝沉淀后濁度、氨氮和色度基本能夠達到雜用水水質要求，但COD仍然很高，因此用于雨水資源化利用的混凝劑投加量宜以COD為控制指標，即：以聚合氯化鋁為混凝劑時，進水COD為0～30 mg/L的最佳混凝劑投加量為10 mg/L，COD為30～60 mg/L的最佳投加量為10～20 mg/L，COD為60～90 mg/L的最佳投加量為20～40 mg/L。

7) 對于混凝與其他工藝的組合處理技術，混凝劑投加量應在出水水質達標的基礎上經經濟技術分析后確定。

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(責任編輯何杰玲)

Coagulation for Reuse of Rainwater in Chongqing

ZHANG Dan-dan, ZHANG Min, WANG Meng, CHEN Hong-xian

(Urban Construction and Environmental Engineering,>Chongqing University, Chongqing 400030, China)

Abstract:Based on the rainwater quality monitored in a university campus in Chongqing, the rules of polluted degree and the variation regulation of runoff quality in different underlying surface and rainfall intensity were analyzed as data support for the rainwater reuse in building and district in Chongqing. By jar test of raw water with different rainwater quality, combined in different proportion with rainwater from roof and ground, we determinated the influence of the additive amount on different removing pollutant indexes under different water quality, and the overall performance for the removal rate of each index first increases and then decreases with the increase of the dosing quantity. And the effect and the best dosages of PAC on the removal of water quality index were obtained, which are 10 mg/L with influent COD 0～30 mg/L, 10～20 mg/L with 30～60 mg/L and 20～40 mg/L with 60～90 mg/L.

Key words:rainwater quality; beaker coagulation test; dosage; rainwater reuse

收稿日期：2016-01-12

基金項目：國家級大學生創新訓練資助項目(201510611043)

作者簡介：張丹丹(1989—),女，山東聊城人,碩士研究生,主要從事建筑與小區雨水資源化利用研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.012

中圖分類號：TU991.11+4

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0064-06

引用格式：張丹丹,張敏,王萌，等.重慶市雨水利用的混凝試驗研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(5):64-69.

Citation format：ZHANG Dan-dan, ZHANG Min, WANG Meng, et al.Coagulation for Reuse of Rainwater in Chongqing[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):64-69.