西安市海綿城市建設中雨水凈化措施及效果初探

李瑞娟 張 濤 陶 林 魏 晨 劉 洋

（西安航空學院，能源與建筑學院，陜西 西安710077）

我國海綿城市的試點范圍正在不斷擴大，西安市的西咸新區也是我國海綿城市的試點地區之一，尤其是今年全國不少城市在暴雨天氣出現的內澇問題，2020 年8 月5 日，西安市閻良區突發短時強降水，發生了車輛被淹，1 人死亡的悲劇[1]。通過海綿城市建設，區域徑流得到一定的削減和控制，部分區域的內澇問題得到一定程度的緩解。

西咸新區在海綿城市的建設過程中，以公園綠地和生態公園為主，目的是為了實現管道徑流量的減少，但是綠地和公園實施的范圍有限，對于一個人口密度較大的城市來說，通過綠地和公園建設對于徑流的削減十分有限，對初期雨水的污染防治也沒有明顯的貢獻。雖然，源頭控制是十分必要的，但是針對雨水主干管的凈化措施也同樣重要。目前西安市普遍的做法是雨水與污水一起進入污水處理廠，這加重了污水處理廠的負擔，尤其西安是一個水資源匱乏的城市，若能將雨水凈化后加以利用，將從一定程度上緩解水資源的匱乏。經筆者查閱前人文獻，還未發現針對陜西省的雨水提出工程上的凈化方案，并加以研究，本文將針對西咸新區雨水水質，企圖用工程措施，對其凈化效果進行初步研究。

1 雨水水質初步監測

筆者在2019 年6 月，通過實地采樣監測得出雨水水質狀況如下，采樣點的位置是西安航空學院閻良校區雨水管道及校區的直接降雨，由于條件所限，未監測降水量。

筆者團隊對雨水管道和直接降雨都進行了三次取樣和監測，列出了其中的高濃度和低濃度的數值，以便后續的模擬。

由表1 監測結果發現，直接降雨的水質所含污染物比屋面雨水少很多，將其與《地表環境質量標準GB3838-2002》相比發現其指標要實現利用，需要一定程度的凈化。一般來說根據國家對水質的要求，由于供水目的的不相同，所以存在著生活飲用水水質標準、農業澆灌用水水質標準等很多標準，還有一些工業用水的水質要求也不一樣，所以說解決西安市城市雨水資源的利用問題迫在眉睫，經過對各種水質資料的分析，在通過查閱相關的資料發現由國家環境保護總局還有國家質量監督檢驗檢疫總局在2002 年實施的地表水環境質量標準，團隊人員進行了各種考量。筆者查閱資料顯示：陜西省的關中地區，由于氣候比較干燥、降雨量稀少，關中地區的多年平均降雨量在大概在600mm 左右，降雨量少且雨水的蒸發量高達800～2300mm，是中國唯獨降雨量少于農業作物和自然植被需水量的地區。多年來關中地區平均水資源總量較低。水資源總量僅占全國的7.0%，同時徑流污染、河道坍塌、水庫淤泥等問題很嚴重[2]。

表1 西安市雨水水質情況表

2 雨水用途分析

因為西安的降雨在區域分布的不均勻性，怎樣才能根據雨水這個性質來設計一套合理利用雨水的方案，通過閱讀大量的文獻，根據水質監測結果與國家標準對比后發現，西安直接降雨的雨水有一部分指標較高，比如PH 值、SS、重金屬含量超標。雨水中的主要污染是COD 和氨氮污染，其余的指標略微超過標準，通團隊的討論分析決定將雨水處理成為符合表2 的水質，即三類水質，既經濟又有較大的用途。

表2《地表水環境質量標準——GB3838-2002》三類水質標準

3 實驗室小試工藝與設備設計

根據上述進出水水質，擬進行實驗小試，根據現有的條件我們選擇的設計流量是25L/h，根據實驗處理要求對設備進行如下設計，設計的結果如下所述。

本實驗的設備儀器主體由六個玻璃柱和一個防腐泵組成，外部接有一個紫外線殺菌消毒裝置。設備可分為四個主要功能區。

本實驗中原水為收集的雨水的模擬水質，過濾其中肉眼可見較大的雜質和懸浮物等，然后將雨水加入原料箱，等雨水在原料箱中有一定的量后打開原料箱下方閥門，接入電源之后原料箱中的雨水通過水泵的作用進入微米袋式過濾裝置，雨水進入微米袋式過濾器后被過濾器中的微米袋過濾，這時候雨水中的懸浮物和顆粒性雜質幾乎已經大量去除干凈。在過濾之后進行，打開活性炭下方的進水閥門，雨水會進入活性炭吸附裝置，通過活性炭的吸附作用雨水中的苯類化合物、酚類化合物、汞、鐵等重金屬離子被吸附。然后打開離子樹脂交換柱的進水閥門，使雨水進入離子樹脂交換柱，這時候等雨水進入一定量之后關閉水泵和進水閥門等雨水在離子交換柱中停留足夠長的時間后再打開出水閥門使雨水進入下一個裝置。雨水經過離子樹脂交換柱后可以選擇直接讓雨水出水，也可以選擇讓雨水進入紫外線殺菌裝置。最后對收集的出水進行檢測，記錄并分析，統計出水的濁度、COD、氨氮、總磷等，根據出水水質改變離子樹脂、活性炭、過濾加藥量等的用量找出最佳的用量，調節設備運行參數，使出水的水質滿足回用水標準水質，然后進行計算和分析。

4 雨水水質的模擬

考慮到實際情況和時間經濟的限制，模擬了以下污染物進行實驗研究，經過類比同類型污染物的去除效果來做合理的推測，研究設備對于同種類污染物的去除率，并分析其可行性。實驗對于單一的污染物水質進行配比并且分析其實際的去除效率，得出相關結論。同時再對綜合的污染物水質進行配比，統計結果分析實際去除效率，研究對污染物中PH、氨氮、TP 的去除效果，分析實驗中所需離子交換樹脂和活性炭的多少，閥門的開度和水泵運行的時長等各種因素進行研究。最終實際的實驗水質如表3 所示。

表3 實驗室模擬水質表

5 單一污染物的處理效果及分析

表4 是對每種指標單獨模擬處理后的水質情況。表4 模擬雨水的處理效果

通過對單一水質配比單一污染物實際去除結果研究后發現，經過實驗后發現離子交換一體化設備對單一水質中在去除TP 的檢測中，高濃度去除率達到90.6%，低濃度去除率達到96%，達到規定80%的設計指標，能夠滿足水質設計預期，在雨水比例比較小時去除率也很高。氨氮離子的去除率為94%，符合設計預期指標。有機物的去除率為71.6，BOD 的去除率為92%。

6 結論與展望

通過上述的分析，可以發現，設計的處理設備對于單一的污染水質有非常好的處理效果，對于擁有多個污染物的水質處理效果，將在后續研究中進行。

試驗表明，該工藝對雨水的處理是有效的，且操作靈活，能滿足不同處理需要，不僅能進行雨水的連續處理，也能進行間歇處理，且具有一定的抗沖擊負荷能力。

雨水資源化利用的市場前景巨大，修建雨水工程，可以以投資的形式來帶動經濟的發展，若是將雨水利用工程能夠在其設備的產生、運營管理、中水回用、建設工程這些環節達成一個穩定的鏈條，就可以使其形成一個極具價值的新產業。