重慶市雨水利用的混凝試驗(yàn)研究

張丹丹,張　敏,王　萌,陳泓先

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶　400030)

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重慶市雨水利用的混凝試驗(yàn)研究

張丹丹,張敏,王萌,陳泓先

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400030)

摘要：通過對(duì)重慶市某校園內(nèi)雨水徑流水質(zhì)的監(jiān)測(cè)分析，掌握不同下墊面類型、降雨強(qiáng)度下的雨水徑流水質(zhì)特性及變化規(guī)律，為重慶市建筑與小區(qū)雨水資源化利用提供數(shù)據(jù)支撐和設(shè)計(jì)依據(jù)。在此基礎(chǔ)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(yàn)用水，通過燒杯混凝試驗(yàn)研究，確定了投加量對(duì)不同進(jìn)水水質(zhì)下的不同污染物指標(biāo)去除效果的影響，各指標(biāo)去除率總體表現(xiàn)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(biāo)，當(dāng)以聚合氯化鋁為混凝劑時(shí)，進(jìn)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(guān)鍵詞：雨水徑流水質(zhì)；燒杯混凝試驗(yàn)；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(zhì)好、處理方法簡(jiǎn)單、安全衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今世界緩解水資源緊缺、改善城市水環(huán)境的重要資源之一，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。雨水雖水質(zhì)相對(duì)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(jìn)行處理才能達(dá)到回用要求。

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

國(guó)內(nèi)針對(duì)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(qū)不同下墊面雨水水質(zhì)不同，相應(yīng)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(biāo)來確定混凝劑的最佳投加量[8]，且多為自來水配水，與實(shí)際雨水水質(zhì)存在一定差距[5]。重慶市雨水資源豐富，但仍存在缺水現(xiàn)象。因此有必要對(duì)重慶市雨水徑流水質(zhì)進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上分析混凝技術(shù)對(duì)重慶市雨水徑流污染物的去除效果。

通過對(duì)文獻(xiàn)的總結(jié)，本文選取聚合氯化鋁為混凝劑，在對(duì)重慶市雨水徑流水質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)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(shí)驗(yàn)用水，通過燒杯混凝實(shí)驗(yàn)，得出了不同進(jìn)水水質(zhì)雨水在不同控制指標(biāo)下的最佳混凝劑投藥量，為混凝技術(shù)用于重慶市雨水資源化利用奠定基礎(chǔ)。

1材料及方法

1.1重慶市雨水徑流水質(zhì)分析

1.1.1采樣點(diǎn)選取

雨水水質(zhì)受很多因素影響，如污染源的管理情況、下墊面類型、風(fēng)和氣象條件、收集點(diǎn)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(duì)于不同材料的下墊面，雨水的水質(zhì)特征又有所不同，進(jìn)而，相對(duì)應(yīng)的處理要求也不一樣。本文的雨水采樣點(diǎn)設(shè)在重慶市沙坪壩區(qū)某校園內(nèi)；屋面雨水采樣點(diǎn)設(shè)在某實(shí)驗(yàn)樓樓頂，該實(shí)驗(yàn)樓屋面為水泥材質(zhì)，無人類及鳥的活動(dòng)干擾；地面雨水采樣點(diǎn)設(shè)在校園內(nèi)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(zhì)較差。

1.1.2采樣頻率及采樣方法

考慮到降雨的隨機(jī)性，水樣采集頻率根據(jù)降雨強(qiáng)度的大小進(jìn)行調(diào)整。一般來說，降雨初期和大雨時(shí)取樣間隔時(shí)間短，降雨后期和小雨取樣間隔時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)[10]。本文中，降雨徑流形成時(shí)開始取樣，降雨初期和大雨時(shí)，采樣間隔時(shí)間取5 min，中期采樣間隔時(shí)間取10 min，后期采樣間隔時(shí)間取30 min。

本文對(duì)重慶市某城區(qū)2015-08—2015-10的5場(chǎng)降雨共計(jì)53個(gè)水樣進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，其中，屋面降雨包括3場(chǎng)共計(jì)24個(gè)水樣，地面降雨包括5場(chǎng)共計(jì)29個(gè)水樣。5場(chǎng)降雨的降雨特點(diǎn)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(shí)強(qiáng)降雨，其他3場(chǎng)降雨為長(zhǎng)歷時(shí)小雨事件。

表1　降雨特點(diǎn)

1.2不同負(fù)荷雨水混凝劑最佳投藥量研究

1.2.1試驗(yàn)用水來源

為考察不同雨水污染物負(fù)荷下，混凝劑投加量對(duì)實(shí)際雨水徑流中各指標(biāo)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(shí)驗(yàn)用水，所采用的實(shí)際雨水配比值及配水水質(zhì)平均值如表2所示。

表2　實(shí)際雨水配比值及配水水質(zhì)平均值

1.2.2燒杯試驗(yàn)確定最佳投藥量

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

本實(shí)驗(yàn)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(zhì)量濃度為5%(以Al計(jì))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(shè)定攪拌程序如表3所示。取沉淀后上清液測(cè)定常規(guī)指標(biāo)濁度、CODcr、NH3-N和色度，繪制各污染物指標(biāo)去除率隨投藥量的變化曲線。

表3　燒杯混凝試驗(yàn)攪拌程序

2結(jié)果與討論

2.1雨水徑流水質(zhì)分析

2.1.1雨水徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)屋面3場(chǎng)降雨徑流的主要污染指標(biāo)濁度、CODcr、氨氮及色度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1～4所示。對(duì)地面5場(chǎng)降雨徑流的主要污染指標(biāo)濁度、CODcr、氨氮及色度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5～8所示。

圖1　屋面雨水徑流濁度隨降雨歷時(shí)的變化

圖2　屋面雨水徑流CODcr隨降雨歷時(shí)的變化

圖3　屋面雨水徑流NH3-N隨降雨歷時(shí)的變化

圖4　屋面雨水徑流色度隨降雨歷時(shí)的變化

圖5　地面雨水徑流濁度隨降雨歷時(shí)的變化

圖6　地面雨水徑流CODcr隨降雨歷時(shí)的變化

圖7　地面雨水徑流NH3-N隨降雨歷時(shí)的變化

圖8　地面雨水徑流色度隨降雨歷時(shí)的變化

2.1.2結(jié)果分析

1) 同筆者所在課題組所監(jiān)測(cè)主干道、次干道雨水徑流水質(zhì)相比[10]，校園內(nèi)雨水水質(zhì)較好，與紀(jì)桂霞等[7]的研究結(jié)果相近。

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

3) 初期雨水徑流污染嚴(yán)重，水質(zhì)混濁，屋面主要污染物的最大值能達(dá)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(shí)間的延長(zhǎng)趨于穩(wěn)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(zhì)明顯比屋面雨水更差。

4) 對(duì)于8月27日和9月24日小強(qiáng)度降雨事件，屋面徑流的污染物濃度相對(duì)較低，且基本穩(wěn)定，雖受降雨強(qiáng)弱有所波動(dòng)，但波動(dòng)較小，且由于淋溶作用，后期有升高的趨勢(shì)。而對(duì)于9月2日的強(qiáng)降雨事件來說，初期沖刷效應(yīng)明顯，初期徑流水質(zhì)明顯比其他幾日降雨的水質(zhì)要差，且隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，屋面徑流的污染物濃度逐漸下降。

5) 對(duì)于9月18日的小強(qiáng)度降雨時(shí)間，路面雨水的CODcr、氨氮濃度相對(duì)穩(wěn)定，無明顯的初期沖刷效應(yīng)。

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(jié)果相近，可能是因?yàn)榇罅扛缓扇苄缘奈镔|(zhì)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(guān)系不大。

7) 屋面雨水和地面雨水中氨氮含量及色度相對(duì)較低，水質(zhì)穩(wěn)定時(shí)基本滿足城市雜用水的水質(zhì)要求[12]。

2.2不同負(fù)荷雨水PAC最佳投藥量研究

2.2.1PAC投加量對(duì)污染物指標(biāo)的去除效果

對(duì)于A,B，C，D類進(jìn)水，PAC投加量對(duì)各污染物指標(biāo)的去除率如圖9～12所示。

圖10　B類進(jìn)水PAC不同投加量實(shí)驗(yàn)

圖11　C類進(jìn)水PAC不同投加量實(shí)驗(yàn)

圖12　D類進(jìn)水PAC不同投加量實(shí)驗(yàn)

2.2.2結(jié)果分析

1) 混凝沉淀對(duì)所配不同濃度梯度雨水的混凝效果存在最佳投藥量，當(dāng)投加量超過一定限值時(shí)混凝效果會(huì)逐漸變差，與任依麗等[5]的研究結(jié)果一致。這主要是因?yàn)椋寒?dāng)PAC投加量過低時(shí)，主要發(fā)生電性中和作用，PAC水解產(chǎn)物不足以中和水中帶負(fù)電荷的顆粒雜質(zhì)，無法聚集成大顆粒。但當(dāng)PAC投加量過大時(shí)，主要發(fā)生的是網(wǎng)捕卷掃，此時(shí)形成的絮凝體結(jié)構(gòu)松散，在機(jī)械攪拌時(shí)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(biāo)間存在相關(guān)性[13]，進(jìn)而使其他污染物指標(biāo)也可能變大。

2) A，B，C，D類水以COD為控制指標(biāo)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(duì)濁度的去除效果影響較小，混凝沉淀對(duì)低濁水濁度的去除率較低，約為80%～90%，對(duì)其他3類水濁度的去除率均達(dá)到95%以上。

4) 混凝沉淀對(duì)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(shí)，去除率為20%～40%。

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

3結(jié)論

1) 屋面雨水徑流水質(zhì)優(yōu)于地面雨水徑流，應(yīng)作為雨水收集下墊面的首選。

2) 初期路面徑流污染較嚴(yán)重，屋面主要污染物的最大值能達(dá)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(duì)于降雨時(shí)間間隔較短的兩場(chǎng)降雨來說，仍有進(jìn)行初期雨水棄流的必要，但可相對(duì)降低棄流量。

4) 混凝沉淀對(duì)各污染物指標(biāo)的去除效果均較好，各指標(biāo)去除率總體表現(xiàn)為隨投加量的增加先增大后減??；

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

6) 雨水經(jīng)混凝沉淀后濁度、氨氮和色度基本能夠達(dá)到雜用水水質(zhì)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(biāo)，即：以聚合氯化鋁為混凝劑時(shí)，進(jìn)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(duì)于混凝與其他工藝的組合處理技術(shù)，混凝劑投加量應(yīng)在出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析后確定。

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(責(zé)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(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練資助項(xiàng)目(201510611043)

作者簡(jiǎn)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(qū)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(hào)：TU991.11+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(yàn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，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.