城市初期雨水收集与处理方法的探讨

2015-03-19史慧婷

城市道桥与防洪 2015年12期

史慧婷

（广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060）

1 初期雨水收集处理的必要性

城市初期雨水在降雨初期溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体,降落地面后,又由于冲刷沥青油毡屋面、沥青混凝土道路、雨污渠道中存积的污水、污泥及垃圾等,使得雨水中含有大量的有机物、病原体、重金属、油脂、悬浮固体等污染物质。因此初期雨水的污染程度较高,通常超过了普通的城市污水的污染程度。上海市对雨水水质监测表明，初期20 min雨水污染非常严重。北京市对城区1998－2003年不同月份屋面和路面径流水质的大量数据分析表明，城区屋面、道路雨水径流污染都较严重，其初期雨水的污染程度通常超过城市污水[1]。

随着城市的发展,城市面源污染负荷加大,污染的初期雨水进入河道是造成河流污染的主要原因之一,为保证城市河流原本脆弱的景观生态,实施区域污染初雨收集处理是污染减排的基本工程措施。洁净的符合利用要求的雨水是雨水综合利用的基础和最基本条件，因此，无论是从控制水环境污染还是雨水综合利用的角度出发，初期雨水处理处置是必需的[2]。

2 初期雨水处置方案

从环境保护的角度出发，截流的初期雨水应与生活污水和工业废水一起输送至污水处理厂集中处理后排放。但是，这种方式极大的增加污水处理厂的处理负荷与日常处理费用。且目前我国尚未有一个城市污水处理厂在进行规划时就考虑到雨水的处理量和收集用地，最初规划时没有考虑到截流雨水的用地，即使上游不污染，下游污水处理厂跨越排放也是会造成污染的。对于目前的情况，弥补此问题的办法有三个，一个是在污水处理厂的周围征地，扩大污水处理能力；第二，通过管网把雨污混合水引到其它的地方，并新建调蓄池储存起来进行处理；第三，利用低影响开发(LID)与绿色雨水基础设施（GSI）,实现低碳、节能、生态和可持续的雨洪控制利用[3]。

3 城市初期雨水处理方法

本文参考国内相关地区初雨收集规模，深圳排水规划中初期雨水收集规模：《深圳市排水规划》(2010-2020)专家评审会建议在缺乏实测径流与污染物负荷浓度变化曲线资料的情况下,雨水截流设施容积暂按《建筑与小区雨水利用工程技术规范》（GB 5040-2006）计算,即屋面径流截流厚度按3～5mm进行计算;地面径流截流厚度5～7mm进行计算。

结合国内外研究成果和实际运用经验,城市初期雨水处理方式主要分为分散处理方案和集中处理两类,对有土地空间、汇水面积小、适合结合景观设置生态工程措施的范围,可采用分散措施,利用低影响开发(LID)与绿色雨水基础设施（GSI），通过植物吸收、植被浅沟、低势绿地、雨水塘与湿地、生物截流槽等措施降低初期雨水的污染负荷，在不影响道路功能和安全的前提下，有效滞留初期雨水，消减流量[4]。

实际上,城市初期雨水的量大、汇水时间短,多半采取的是“调蓄+处理”的方式,即先将初期雨水用调蓄池收集储存,再利用处理设施处理。目前初雨处理的主要工艺构是混凝沉淀,此种工艺具有生产能力高、处理效果较好等有优点，但也受到原水的水量、水质、水温及混凝剂等因素的影响。随着工艺水平的提高,初期雨水处理的方法也越来越多,处理效率也会逐步提高[5]。

4 调蓄池运行原理

调蓄池的基本原理：在降雨期间，一部分合流水首先进入调蓄池而不是在下游管道和污水处理厂满负荷后就直接溢流排放河道，降雨过后，调蓄池中储存的合流水通过提升在一定时间内输送至污水处理厂进行处理。流程见图1。因此，调蓄池的主要作用就是收集储存初期合流雨污水，减少合流水溢流量，从而达到对下游水体更好的保护效果[6]。

图1 调蓄池运行原理图

通过调蓄池的调蓄作用，可以将降雨初期的高浓度合流水进行收集，对进厂水质、水量进行调节，可防止对污水处理厂的负荷冲击，有效保护现有污水处理厂的运行安全，同时，充分发挥污水处理厂的潜力，发挥最大效益。

综上，调蓄池的建设，有效地对雨季混合水进行储存、调峰、错峰，并与污水处理厂联合调度运行，有效去除污染负荷，最大限度发挥污水处理厂的功效，提高污水处理厂的处理效率[7]。

5 国内外调蓄池工程规模计算

目前调蓄池的计算方法相对较多，不同的国家和地区根据经验和国情均有沿用不同计算方法，目前资料显示的计算方法主要包括以下几个种类：

5.1 德国的计算方法

德国设计规范ATVA128中，对合流制排水系统溢流雨水的处理目标定为控制排入水体的污染物负荷量最小化，即要求合流制排水系统排入水体的污染物负荷不大于分流制排水系统排入水体的污染物负荷。溢流调蓄池计算参数设定为：

（1）平均年降雨量：800 mm（≥800 mm时，应进行修正，增加调蓄池体积）；

（2）雨水 CODcr浓度：107 mg/L；

（3）晴天污水 CODcr浓度：600mg/L（≥600mg/L时，应进行修正，增加调蓄池体积）；

（4）雨天污水厂排放CODcr浓度：70 mg/L。

式中：V——调蓄池容积，m3；

VSR——每hm2收集面积需调蓄雨水量，m3/hm2，12≤VSR≤40，一般可取15～20；

Au——地表非渗透面积(hm2)，Au=收集面积(hm2)×径流系数(0.70)。

5.2 日本调蓄池的简单算法

《日本合流制下水道改善对策指南》中，要求合流制排水系统排放的污染物负荷量与分流制排水系统排放的污染物负荷量达到同等水平。指出：将增加截流量与调蓄结合起来是一项有效的实施对策。基本的设计程序为：依靠模拟试验，根据设定的目标，研究截流量与调蓄池的关系，再通过对实际应用效果的评估，确定合理的调蓄池容量。

（1）设定目标值：合流制下水道排放的污染负荷量与分流制下水道排放的污染负荷量达到相同水平。

（2）为到达目标设定值，全年BOD负荷削减率在90%左右，雨天时BOD负荷削减率在65%左右。

（3）通过进行模拟试验和对实际应用效果的评估，所采取的对策为截流雨水1 mm/h（污水处理）+2～4 mm调蓄量。

通过进行模拟试验和对实际应用效果的评估，要达到与分流制排水系统同等的污染物负荷控制目标，在日本一般要求采取截流雨水量1 mm/h左右+2～4 mm调蓄对策；若将调蓄规模控制在4～5 mm/h时，雨水溢流次数将会减半；通常地，在调蓄规模为1～3.5 mm/h时，可以获得最佳的投资效益。

日本对本国6座城市进行了模拟实验，得出全年BOD负荷削减率为90%左右，雨天时BOD负荷削减率为65%左右才可以达到污染负荷削减的目标设定值；并且研究了截流量对污染负荷削减的贡献，结果发现增大截流量可削减更多污染负荷，但截流量增大到一定程度时，削减效果已没有明显变化，仅当截流雨水量在1～2 mm/h以内，削减效果明显；同时还研究了调蓄量对污染负荷削减的贡献，以及截流和调蓄互相配合对符合削减的作用，结果表明采用截流雨水量1 mm/h加上调蓄雨水量2～4 mm/h的措施可达到污染负荷削减的目标设定值，相当于上海截流倍数n=1.5加上调蓄容量20～40 m3/hm2。

5.3 上海合流制排水系统调蓄研究方法

上海合流制排水系统调蓄研究对国外调蓄池计算理论、方法进行了大量的研究，结合上海市降雨特点、管网特点等进行了分析研究，认为调蓄池主要是暴雨期间可收集部分初期雨水，当暴雨停止后，该部分雨水再输送到排水管网、泵站或污水处理厂。概括而言，其主要作用就是截流初期雨水、提高合流制系统的截流倍数，使调蓄之后的管道、泵站可以采用较小的设计流量。其主要方法是引入“当量降雨强度”概念，建立截流倍数与降雨量之间的关系，能被截流并送入污水厂处理的不会产生溢流入河现象，反之会溢流。

当量降雨强度即与晴天平均旱流污水量相当的小时降雨强度，如为1.8 mm/h，当截流倍数n=1，相当于1×1.8＝1.8 mm/h的降雨量，也就是说，当降雨强度小于1.8 mm/h时，雨水及污水可全部由管道和泵站截走，不会发生雨污水溢流至河现象，但当降雨强度大于1.8 mm/h，如为3 mm/h时，则有1.2 mm/h的雨水将溢流至河中。不同的截流倍数代表不同的溢流量（或截流量），根据系统设定的削减目标，可以确定系统截流倍数，从而确定调蓄水量。

5.4 武汉主要计算方法

武汉主要是借鉴国家863武汉“水专项”的研究成果，对武汉市汉阳地区暴雨径流中COD Cr、SS污染物浓度进行测量并对水质水量变化特点进行了分析。根据相关研究资料的图表分析，可确定合流制地区需囤蓄处理的重污染水（COD Cr＞600mg/L）对应的径流深约为7 mm，其中截污管截流约1 mm；确保不入湖的中污染水（600 mg/L＞COD Cr＞400 mg/L）对应的径流深约为7～15 mm；轻污染水（COD Cr＜400 mg/L）在超过调蓄能力后入湖。