重庆市雨水利用的混凝试验研究

张丹丹,张　敏,王　萌,陈泓先

(重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆　400030)



重庆市雨水利用的混凝试验研究

张丹丹,张敏,王萌,陈泓先

(重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆400030)

摘要：通过对重庆市某校园内雨水径流水质的监测分析，掌握不同下垫面类型、降雨强度下的雨水径流水质特性及变化规律，为重庆市建筑与小区雨水资源化利用提供数据支撑和设计依据。在此基础上，以聚合氯化铝为混凝剂，采用屋面雨水和地面雨水不同配比配置不同浊度梯度的试验用水，通过烧杯混凝试验研究，确定了投加量对不同进水水质下的不同污染物指标去除效果的影响，各指标去除率总体表现为随投加量的增加先增大后减小。将COD作为雨水资源化利用的主要控制指标，当以聚合氯化铝为混凝剂时，进水COD为0～30 mg/L的最佳投加量为10 mg/L；COD为30～60 mg/L的最佳投加量为10～20 mg/L；COD为60～90 mg/L的最佳投加量为20～40 mg/L。

关键词：雨水径流水质；烧杯混凝试验；投加量；雨水利用

雨水作为一种天然的水资源，与中水相比，具有容易收集、水质好、处理方法简单、安全卫生等优点，成为当今世界缓解水资源紧缺、改善城市水环境的重要资源之一，也是当前研究的重点和热点。雨水虽水质相对较好，但受下垫面的材料及受污染程度等因素影响，往往需进行处理才能达到回用要求。

常用的雨水处理技术包括混凝、砂滤、膜滤、吸附、人工湿地及其组合形式[1-3]。但对于城市雨水利用来说，城市用地紧张，且建筑与小区多无景观水体以进行人工湿地建设，混凝常作为其他工艺形式的预处理措施，以防止滤料堵塞和膜污染。Matsushita[4]认为，采用混凝沉淀+微滤的集成工艺存在以下优势：可降低混凝剂的投加量；在较短的混合时间就可使颗粒形成比膜孔径大的粒径；对病毒的去除并不赖于膜孔径，孔径选择的范围相对较宽。

国内针对混凝用于雨水处理的最佳投加量的研究已有很多，不同地区不同下垫面雨水水质不同，相应的混凝剂种类和混凝剂投加量也不同[1,3,5-8]。且以往研究多以浊度去除效果为度量指标来确定混凝剂的最佳投加量[8]，且多为自来水配水，与实际雨水水质存在一定差距[5]。重庆市雨水资源丰富，但仍存在缺水现象。因此有必要对重庆市雨水径流水质进行研究，并在此基础上分析混凝技术对重庆市雨水径流污染物的去除效果。

通过对文献的总结，本文选取聚合氯化铝为混凝剂，在对重庆市雨水径流水质特征分析的基础上，采用屋面雨水和地面雨水不同配比配置出不同浊度梯度的实验用水，通过烧杯混凝实验，得出了不同进水水质雨水在不同控制指标下的最佳混凝剂投药量，为混凝技术用于重庆市雨水资源化利用奠定基础。

1材料及方法

1.1重庆市雨水径流水质分析

1.1.1采样点选取

雨水水质受很多因素影响，如污染源的管理情况、下垫面类型、风和气象条件、收集点的位置[9]。地表降雨径流一般分为屋面径流和路面径流，而对于不同材料的下垫面，雨水的水质特征又有所不同，进而，相对应的处理要求也不一样。本文的雨水采样点设在重庆市沙坪坝区某校园内；屋面雨水采样点设在某实验楼楼顶，该实验楼屋面为水泥材质，无人类及鸟的活动干扰；地面雨水采样点设在校园内某混凝土路面雨水口处，清扫频率为每天1次，该处为交叉路口，通车频繁，水质较差。

1.1.2采样频率及采样方法

考虑到降雨的随机性，水样采集频率根据降雨强度的大小进行调整。一般来说，降雨初期和大雨时取样间隔时间短，降雨后期和小雨取样间隔时间适当延长[10]。本文中，降雨径流形成时开始取样，降雨初期和大雨时，采样间隔时间取5 min，中期采样间隔时间取10 min，后期采样间隔时间取30 min。

本文对重庆市某城区2015-08—2015-10的5场降雨共计53个水样进行了监测分析，其中，屋面降雨包括3场共计24个水样，地面降雨包括5场共计29个水样。5场降雨的降雨特点如表1所示。

由表1可知，9月2日和9月18日降雨事件均为短历时强降雨，其他3场降雨为长历时小雨事件。

表1　降雨特点

1.2不同负荷雨水混凝剂最佳投药量研究

1.2.1试验用水来源

为考察不同雨水污染物负荷下，混凝剂投加量对实际雨水径流中各指标的去除效果，本文采用屋面雨水和地面雨水不同配比来配置不同浊度梯度的实验用水，所采用的实际雨水配比值及配水水质平均值如表2所示。

表2　实际雨水配比值及配水水质平均值

1.2.2烧杯试验确定最佳投药量

通过烧杯混凝实验，考察混凝剂投加量对雨水中各污染物的去除效果，以此选取适宜的投加量。

本实验中混凝剂采用市售聚合氯化铝，其中Al2O3含量为26%。将聚合氯化铝用蒸馏水配制成质量浓度为5%(以Al计)的投加溶液，按照不同投加量分别投加到1 000 mL的雨水水样中，设定搅拌程序如表3所示。取沉淀后上清液测定常规指标浊度、CODcr、NH3-N和色度，绘制各污染物指标去除率随投药量的变化曲线。

表3　烧杯混凝试验搅拌程序

2结果与讨论

2.1雨水径流水质分析

2.1.1雨水径流水质监测结果

对屋面3场降雨径流的主要污染指标浊度、CODcr、氨氮及色度的监测结果如图1～4所示。对地面5场降雨径流的主要污染指标浊度、CODcr、氨氮及色度的监测结果如图5～8所示。

图1　屋面雨水径流浊度随降雨历时的变化

图2　屋面雨水径流CODcr随降雨历时的变化

图3　屋面雨水径流NH3-N随降雨历时的变化

图4　屋面雨水径流色度随降雨历时的变化

图5　地面雨水径流浊度随降雨历时的变化

图6　地面雨水径流CODcr随降雨历时的变化

图7　地面雨水径流NH3-N随降雨历时的变化

图8　地面雨水径流色度随降雨历时的变化

2.1.2结果分析

1) 同笔者所在课题组所监测主干道、次干道雨水径流水质相比[10]，校园内雨水水质较好，与纪桂霞等[7]的研究结果相近。

2) 从图1～4可以看出，对于9月2日的连续两场降雨，虽然均为强降雨事件，但因第一场降雨历时较短，路面的污染物并未冲刷干净，所以第二场降雨的初期雨水径流水质仍然较差。故对于降雨时间间隔较短的两场降雨来说，仍有进行初期雨水弃流的必要，但可相对降低弃流量。

3) 初期雨水径流污染严重，水质混浊，屋面主要污染物的最大值能达到浊度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为浊度220 NTU，CODcr 260 mg/L，氨氮22 mg/L，色度40度。降雨过程的前10 min下降很快，随时间的延长趋于稳定，各污染物的均值为浊度20 NTU，CODcr 35 mg/L，氨氮4.2 mg/L。地面雨水径流污染物均值为浊度100 NTU，CODcr 100 mg/L。地面雨水径流水质明显比屋面雨水更差。

4) 对于8月27日和9月24日小强度降雨事件，屋面径流的污染物浓度相对较低，且基本稳定，虽受降雨强弱有所波动，但波动较小，且由于淋溶作用，后期有升高的趋势。而对于9月2日的强降雨事件来说，初期冲刷效应明显，初期径流水质明显比其他几日降雨的水质要差，且随降雨历时的延长，屋面径流的污染物浓度逐渐下降。

5) 对于9月18日的小强度降雨时间，路面雨水的CODcr、氨氮浓度相对稳定，无明显的初期冲刷效应。

6) 同一降雨事件中，路面径流中的氨氮含量高于屋面径流。这与颜文涛等[11]研究结果相近，可能是因为大量富含可溶性氮的物质从混凝土路面累积的落叶腐殖层中淋溶出来，而与路面材料关系不大。

7) 屋面雨水和地面雨水中氨氮含量及色度相对较低，水质稳定时基本满足城市杂用水的水质要求[12]。

2.2不同负荷雨水PAC最佳投药量研究

2.2.1PAC投加量对污染物指标的去除效果

对于A,B，C，D类进水，PAC投加量对各污染物指标的去除率如图9～12所示。

图10　B类进水PAC不同投加量实验

图11　C类进水PAC不同投加量实验

图12　D类进水PAC不同投加量实验

2.2.2结果分析

1) 混凝沉淀对所配不同浓度梯度雨水的混凝效果存在最佳投药量，当投加量超过一定限值时混凝效果会逐渐变差，与任依丽等[5]的研究结果一致。这主要是因为：当PAC投加量过低时，主要发生电性中和作用，PAC水解产物不足以中和水中带负电荷的颗粒杂质，无法聚集成大颗粒。但当PAC投加量过大时，主要发生的是网捕卷扫，此时形成的絮凝体结构松散，在机械搅拌时易破碎且不宜沉淀出去，造成出水浊度变大。由于污染物指标间存在相关性[13]，进而使其他污染物指标也可能变大。

2) A，B，C，D类水以COD为控制指标的PAC最佳投加量分别为10 mg/L，20 mg/L，20～30 mg/L，20～40 mg/L，去除率分别为70%～80%，65%～70%，55%～60%，55%～60%。

3) PAC投加量对浊度的去除效果影响较小，混凝沉淀对低浊水浊度的去除率较低，约为80%～90%，对其他3类水浊度的去除率均达到95%以上。

4) 混凝沉淀对氨氮有一定的去除效果，但去除率较低，在投加量为10～30 mg/L时，去除率为20%～40%。

5) 混凝沉淀对色度的去除效果较好，A，B，C，D类水在最佳投加量下对色度的去除率分别为40%～50%，50%～60%，70%～80%，60%～70%。

3结论

1) 屋面雨水径流水质优于地面雨水径流，应作为雨水收集下垫面的首选。

2) 初期路面径流污染较严重，屋面主要污染物的最大值能达到浊度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为浊度220 NTU，CODcr 260 mg/L，氨氮22 mg/L，色度40度。

3) 对于降雨时间间隔较短的两场降雨来说，仍有进行初期雨水弃流的必要，但可相对降低弃流量。

4) 混凝沉淀对各污染物指标的去除效果均较好，各指标去除率总体表现为随投加量的增加先增大后减小；

5) 混凝沉淀出水水质各污染物浓度仍然很高，故雨水若作为杂用水水源仍需进一步处理，如活性炭吸附、微滤等深度处理措施。

6) 雨水经混凝沉淀后浊度、氨氮和色度基本能够达到杂用水水质要求，但COD仍然很高，因此用于雨水资源化利用的混凝剂投加量宜以COD为控制指标，即：以聚合氯化铝为混凝剂时，进水COD为0～30 mg/L的最佳混凝剂投加量为10 mg/L，COD为30～60 mg/L的最佳投加量为10～20 mg/L，COD为60～90 mg/L的最佳投加量为20～40 mg/L。

7) 对于混凝与其他工艺的组合处理技术，混凝剂投加量应在出水水质达标的基础上经经济技术分析后确定。

参考文献：

[1]岳志芳.混凝—沉淀—砂滤—超滤工艺对城市小区雨水处理与回用实验研究[D].兰州:兰州交通大学,2013.

[2]黄勇强，吴涛，厉晶晶，等.初期弃流/旋流分离/生态浮床工艺处理径流雨水[J].中国给水排水,2010,26(11):1-4.

[3]吴正刚，江浩，解静静.雨水水质监测与常规处理技术的试验研究[J].环境科学与管理,2008,33(5):125-127.

[4]MATSUSHITA T,MATSUI Y,SHIRASAKI N,et al.Effect of membrane pore size,coagulation time,and coagulant dose on virus removal by a coagulation-ceramic microfiltration hybrid system[J].2005,178(1/3):21-26.

[5]任依丽，李敏.雨水的混凝处理实验研究[J].环境科学与管理,2015,40(4):58-62.

[6]任刚，余燕，杜耀民，等.混凝-超滤处理径流雨水效果——以华南地区为例[J].环境化学,2015,34(6):1142-1149.

[7]纪桂霞，王平香，邱卫国.上海市雨水径流水质监测与混凝沉淀试验研究[J].给水排水,2007,33(2):47-51.

[8]王先兵，王志勇，吕雨涵，等.校园雨水径流混凝试验研究[J].台州学院学报,2011,33(3):44-47.

[9]AREERACHAKUL N,KITIPHATMONTREE M,KANDASAMY J,et al.Submerged Membrane System with Biofilter as a Treatment to Rainwater[J].Water,Air,& Soil Pollution:Focus,2009,9(5/6):431-438.

[10]宋迁凤.重庆市某城区地表降雨径流污染特征研究[D].重庆:重庆大学,2012.

[11]颜文涛，韩易，何强.山地城市径流污染特征分析[J].土木建筑与环境工程,2011,33(3):136-142.

[12]GB/T 18920,城市污水再生利用、城市杂用水水质标准[S].

[13]王书敏，何强，柴宏祥，等.山地城市路面雨水径流水质特性及控制对策[C].2010:155-160.

(责任编辑何杰玲)

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

基金项目：国家级大学生创新训练资助项目(201510611043)

作者简介：张丹丹(1989—),女，山东聊城人,硕士研究生,主要从事建筑与小区雨水资源化利用研究。

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

中图分类号：TU991.11+4

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)05-0064-06

引用格式：张丹丹,张敏,王萌，等.重庆市雨水利用的混凝试验研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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.