雨水花园蓄渗处置屋面径流案例分析.pdf

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1、节水与回用雨水花园蓄渗处置屋面径流案例分析李俊奇1,?向璐璐1,?毛?坤1,?李宝宏2,?李海燕1,?车?伍1(1.北京建筑工程学院 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室,北京 100044;2.平顶山工学院 市政工程系,河南 平顶山 467001)?摘?要:?随着城市化进程的加快、不透水面积的增加,雨水径流污染日益严重,雨水径流成为北京水环境的第二大污染源。雨水花园作为一种经济、适用且美观的 LID/B MP措施,能有效去除径流中的污染物。2007年 3月北京城区某办公大楼附近建造了一套以雨水花园为主要处理单元的雨水蓄渗系统,用于处理屋面雨水。2008年 5月?7月,对该雨水花园系统

2、进行了 6场降雨的连续监测,结果表明:雨水花园对 SS、COD、重金属(Pb、Zn、Cu、Fe)、浊度等均有较好的去除效果,出水 p H 值为 6.5 7.2,但对 TN、NO-3-N、TP、PO3-4-P的去除效果较差。?关键词:?雨水花园;?屋面径流;?蓄渗系统;?案例研究中图分类号:X703?文献标识码:C?文章编号:1000-4602(2010)10-0129-05Case Study on Rain Garden Storage?infiltration Syste m for Disposal ofRoofRunoffLI Jun?qi1,?XI ANG Lu?lu1,?MAO K

3、un1,?LIBao?hong2,?LIHai?yan1,?CHEWu1(1.Key Laboratory of Urban Stormwater System andWater Environment,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2.Depart m ent of Municipal Engineering,Pingdingshan Institute of Technology,P ingdingshan 467001,China)?Abstract:?W ith

4、 the development of urbanization and increasing of i mpervious surfaces,runoff pol?lution becomesmore andmore serious.The stor mwater runoff is the second largest pollution source ofwa?ter environment in Beijing City.As an econom ica,lsuitable and artistic L I D/BMP facility,rain gardencan effective

5、ly remove pollutants from runof.f A set of storage?infiltration syste m using the rain garden asitsm ain treatment unit to control the roof runoffwas built in a la wn near an office building in Beijing C ityinM arch 2007.The continuousmonitoring of six rain events from May to July 2008 was performed

6、.Theresults indicate that the removal efficiencies of suspended solids,che m ical oxygen demand,heavy metals(Pb,Zn,Cu and Fe)and turbidity are excellent except total phosphorus,phosphate?P,total nitrogen,and nitrate nitrogen,meanwhile,the effluent p H is bet ween 6.5 and 7.2.?Key words:?rain garden;

7、?roof runof;f?storage?infiltration syste m;?case study?基金项目:国家 十一五!科技支撑计划(2006BA J08B04);?北京市规划委员会科研专项基金资助项目(200503001);?北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目129第 26卷?第 10期2010年 5月?中 国 给 水 排 水CHI NA WATER&WASTEWATER?Vo.l 26 No.10M ay 2010?随着城市化进程的加快,不透水面积增加,雨水面源污染逐渐成为城市水环境的第二大主要污染源。以北京为例,2006年雨水径流 COD排放量已占到水环境排放总量的

8、1/3左右 1。雨水花园是一种有效的雨水自然净化与处置技术,也是一种典型的 LID/BMP滞留措施。一般建在地势较低的区域,由耐淹植物、蓄水层、树皮覆盖层、种植填料层、砾石层组成,外表似普通景观花园,却能充分利用各组成部分,即天然/人工土壤-植物-微生物的渗滤、截留和吸附作用净化、消纳小面积汇流的径流雨水,达到削峰减量、保护水质、涵养地下水的目的。鉴于雨水花园具有高效除污、经济简单及生态美观等特点,将其与渗井结合,组成雨水蓄渗系统,用于净化、消纳屋面径流,在充分截污减排的同时还能美化周边环境。对 2007年 3月于北京某办公大楼附近绿地建造的雨水蓄渗系统示范工程中的雨水花园进行连续监测,分析和

9、研究其污染物去除能力及净化规律。1?雨水花园的设计与构造1?1?完全水量平衡法我国多数城市区域雨水径流污染严重,在选择雨水花园建造模式时,要兼顾削减径流量和污染物总量,笔者认为雨水花园面积的计算应对其渗滤能力、蓄水层植物影响、空隙储水能力等因素加以考虑,进而提出以下包括渗滤和滞留在内的完全水量平衡法 2。计算方法如式(1)和(2)所示。?Af=AdH?df/60#K T (df+h)+hm(1-fv)df+n d2f(1)式中?Af?雨水花园的面积,m2?Ad?汇流面积,m2?H?设计降雨量(按设计要求决定),m?径流系数?df?雨水花园的深度,一般包括种植土层和填料层,m?K?种植土层的渗透

10、系数,m/s?T?计算时段,m in?hm?蓄水层的最大水深,m?h?蓄水层设计平均水深,一般为最大水深hm的 1/2,m?fv?植物横截面积占蓄水层表面积的比例,一般为 20%当 K=0时,式(1)可简化为:?Af=AdH?hm(1-fv)+n df(2)1?2?雨水花园构造雨水花园自上而下由以下五部分组成 3:蓄水层。一般为 100 250mm。%树皮覆盖层。一般为 50 80mm。&植被及种植土层。厚度根据所选植物确定,草本植物一般为 250 mm,一般选用多年生的可短时间耐水涝植物。人工填料层。一般为0.5 1.2 m,选用渗滤速度较大(K(1#10-5m/s)、净化效果较好的人工材料

11、。)砾石层。一般为200 300mm,其中可埋设直径为 100mm 的穿孔管进行收集利用。雨水花园的剖面结构如图 1所示。图 1?雨水花园构造示意F ig.1?Sche matic diagram of rain garden2?案例分析2?1?工程概况2007年 3月,北京某办公大楼附近建造了一套以雨水花园为主要处理单元的蓄渗系统,用于收集处理屋面径流,该系统除雨水花园外还包括含有填料层的渗井,处理后的雨水通过穿孔管收集进入渗井并最终回灌地下水,其工艺流程剖面见图 2。图 2?雨水蓄渗系统示意Fig.2?Schematic diagra m of rainwater storage?infi

12、ltrationsyste m该蓄渗系统中雨水花园面积为 12 m2,汇水面积为 390 m2,设计降雨量为 21 mm,蓄水层为 250mm,树皮覆盖层为 75 mm,种植土层为 250 mm,其上种植大花萱草、沙地柏、景天等短时耐水淹植物,130第 26卷?第 10期?中 国 给 水 排 水?人工填料层厚为 1.0 m,砾石层为 250 mm,其中埋设直径为 100 mm的穿孔管将处理后的径流输送至渗井。雨水花园进水水样取自建筑物的雨落管,出水水样从渗井采取。2?2?数据分析与结果2008年 5月?7月对该雨水花园进行了连续 3个月的监测及数据采集,对 6场典型暴雨事件进行分析和研究,评估

13、该系统中雨水花园对径流雨水中主要污染物的去除能力。2?2?1?除污效果分析2008年 5月 11日?7月 18日,该雨水花园进、出水水质及去除效果见表 1。表 1?雨水花园的除污效果T ab.1?Re moval efficiency of pollutants by rain garden项?目CODTNNO-3-NTPPO3-4-PZnFeCuPb5月 11日(降雨量为 11mm,持续时间为 10 h)进水/(mg L-1)60.5208.9006.9000.7500.0301.1601.1100.0340.021出水/(mg L-1)7.7006.9106.7000.1800.1400.

14、0060.0750.0030.003去除率/%87.322.02.876.0-78.999.093.291.285.76月 16日(降雨量为 7 mm,持续时间为 3 h)进水/(mg L-1)107.82017.5477.3400.1880.030?出水/(mg L-1)70.08010.4007.9900.1540.125?去除率/%35.040.7-9.018.1-316.7?6月 23日(降雨量为 19mm,持续时间为 3.5 h)进水/(mg L-1)107.8008.3446.3400.5560.0500.0440.0370.0100.014出水/(mg L-1)32.8305.7

15、224.6600.4750.2010.0050.0280.0020.002去除率/%69.631.420.214.5-302.088.624.380.085.27月 4日(降雨量为 28mm,持续时间为 5 h)进水/(mg L-1)86.2602.250?0.200?出水/(mg L-1)3.3001.754?0.162?去除率/%96.222.0?19.6?7月 8日(降雨量为 4.3mm,持续时间为 2 h)进水(mg L-1)51.0005.8402.7800.0800.0600.0450.0130.006?出水/(mg L-1)4.4003.8803.0000.1490.12600.

16、0090?去除率/%91.433.6-8.0-86.3-110.010030.8100?7月 18日(降雨量为 15.4mm,持续时间为 1 h)进水/(mg L-1)211.61010.6505.4900.2100.020?出水/(mg L-1)38.2305.8204.6700.2600.140?去除率/%81.945.414.9-24.0-574.7?注:?0!为未检出,计算去除率时按 100%计;?!为未测项。?从这 6场降雨的水样采集过程中观察到:在下一场降雨来临前,渗井中的水均未完全下渗至周边土壤中,即每次水样采集过程中,渗井中均存留约0.2 0.3m 深的水,由此可知从出水取样口

17、中采集的水样为雨水花园出水与渗井中部分未完全下渗雨水的混合。因此,分析该系统中雨水花园的除污效果对研究该蓄渗系统的截污能力具有至关重要的作用。?对氮、磷的去除效果及分析考察了雨水花园对 6场降雨的径流污染物 TN、NO-3-N、TP、PO3-4-P 的去除效果。结果表明,雨水花园对 TN有一定的去除效果,去除率为 22%李俊奇,等:雨水花园蓄渗处置屋面径流案例分析第 26卷?第 10期45.4%;对 TP和 NO-3-N的去除效果不稳定,去除率波动范 围较大,分 别为-86.3%76.0%和-9.0%20.2%;对 PO3-4-P无任何去除效果,去除率为-574.7%-78.9%,出水 PO3

18、-4-P浓度远大于进水。国外也有类似研究结果 3 6。分析认为雨水花园脱氮率较低的原因是 NO-3-N的去除需要一个缺氧且有足够的有机物可为细菌提供能量的苛刻环境,而雨水花园的蓄渗系统底部有穿孔管与渗井连接,透气性较好,无法保证其所需的缺氧条件,且人工填料层成分单一,有机物含量较少,不能为反硝化菌提供足够的能量进行反硝化,进而导致对 TN的去除率较低。该系统对 TP的去除率波动较大,且对 PO3-4-P的去除率为负,两者去除率随时间变化呈逐渐下降趋势,分析其原因认为:a.由于雨水花园蓄渗系统的出水管与渗井连接,雨水长时间滞留在渗井中导致渗井填料或周边土壤中的磷释放,且连续降雨间隔时间较短,相邻

19、的两场或多场降雨混合,导致每场降雨的出水 PO3-4-P浓度均大于进水的,同时也影响了对 TP的去除效果。b.雨水花园填料层中磷含量接近饱和,随时间延长慢慢开始向外释放磷,导致除磷率随时间变化而逐渐降低。%?对重金属的去除效果考察了雨水花园对其中 3场降雨径流的 Pb、Zn、Cu、Fe等重金属的处理效果。结果表明,除 Fe外,雨水花园对其他 3种重金属均有较好的去除效果,去除率 80%。这与国外的研究结果类似 雨水花园对 Pb、Zn、Cu有较高的去除率(90%);对Fe的去除效果较差,去除率为负(-1 300%)4、5。国外很多研究报道表明,雨水花园对重金属有较好的去除效果,其去除机理主要源于

20、树皮覆盖层的过滤和吸附。针对 Fe的去除率较低,且随时间变化有整体下降趋势,分析认为,一是后两场降雨径流中 Fe的原水浓度较低,造成对其去除率偏低;另一方面,与磷类似,填料或土壤中 Fe含量接近饱和,慢慢向外释放 Fe,从而导致其去除率较低且呈下降趋势。&?对 COD及其他污染指标的去除效果雨水花园蓄渗系统对 COD有较明显的去除效果,去除率为 35%96.2%。分析认为屋面径流雨水中 COD与 TSS有较好的相关性 7,亦即非溶解性的 COD所占比例较高,进而对 COD的去除率相对较高。监测中发现出水 TSS基本未检出,对浊度、色度等指标的去除率均在 90%以上,出水 pH值为 6.5 7.

21、2。2?2?2?总污染物削减量由于该雨水花园处置后的出水主要通过穿孔收集管进入渗井,最终回灌地下,则雨水花园总污染物削减总量的计算方法如式(3)所示,整个蓄渗系统的总污染物削减总量计算方法如式(4)所示。?M=V C-V C-V1 C(3)?M=V C-V1 C(4)式中?M?雨水花园的总污染物削减量,mg?V?进水体积,L?C?污染物进水平均浓度(进水 EMC),mg/L?V?出水体积,L?C?污染物出水平均浓度(出水 EMC),mg/L?V1?溢流体积,L?M?蓄渗系统总污染物削减量,mg计算得出雨水花园对这 6场降雨所形成屋面径流中 COD、TN、TP的总污染物削减量分别为 3 104、

22、105、4.15 g,对所监测 3场降雨的径流 Pb、Zn、Cu、Fe的总污染物削减量分别为 0.20、7.79、0.28、6.73g。而蓄渗系统对 COD、TN、TP的总污染物削减量分别为 3 950、300、13 g,对 Pb、Zn、Cu、Fe的总污染物削减量分别为 0.24、7.90、0.31、7.35 g。可以看出,雨水花园在整个蓄渗系统中为 COD、重金属等污染物的削减作出了主要贡献。3?结论对北京某办公大楼附近建设的雨水花园/渗井系统的除污效果进行分析发现,雨水花园对 TSS、色度和浊度的去除率较高(90%),对 COD 的去除效果也较为明显,去除率为 35%96.2%;对 TN也

23、有一定的去除效果,去除率为 22%45.4%,但对NO-3-N 的去除率较 低且不稳 定(-9.0%20.2%)。研究结果还表明,雨水花园对磷的去除效果较差,对 TP的去除率为-86.3%76.0%,对PO3-4-P的去除率为-574.7%-78.9%。此外,雨水花园对 Pb、Zn、Cu等重金属的去除率较高(80%),但当部分指标(如 Fe)的径流原水浓度较低时其去除率波动较大。通过对所监测降雨径流中 COD、TN、TP及重金132第 26卷?第 10期?中 国 给 水 排 水?属的总污染物削减量进行量化分析得出,雨水花园在整个蓄渗系统中为去除 COD和重金属等主要污染物作出了主要贡献。对雨水

24、花园截污能力及规律的研究结果在某种程度上也反映了蓄渗系统对屋面径流的处理能力,为我国雨水蓄渗系统的建立积累了一定的经验。参考文献:1?刘洋,李俊奇,车伍,等.北京市城区雨水径流污染控制与节能减排 J.环境污染与防治,2008,30(9):93-96.2?向璐璐,李俊奇,邝诺,等.雨水花园设计方法探析 J.给水排水,2008,34(6):47-51.3?K i m H,Seagren E A,DavisA P.Engineered bioretentionfor re moval of nitrate fro m stomwater runoff J.W aterEnviron Res,2003

25、,75(4):355-367.4?Davis A P,Shokouhian M,Shar ma H,et al.Laboratorystudy of biological retention for urban stor mwatermanage?ment J.W ater Environ Res,2001,73(1):5-14.5?H sieh C H,Davis A P.Multiple?event study of bioreten?tion for treatment of urban stor mwater runoff J.W aterSciTechno,l 2005,51(3-4

26、):177-181.6?HuntWF,Jarrett A R,Sm ith J T,et al.Evaluatingbioretention hydrology and nutrient re moval at three fieldsites in north Carolina J.J Irrigation Drainage Eng,2006,32(6):600-608.7?车伍,李俊奇.城市雨水利用技术与管理 M.北京:中国建筑工业出版社,2006.E-mail:jqli6711 收稿日期:2009-12-13(上接第 121页)节约外加热源。深圳市老虎坑污泥半干化-焚烧处理厂项目总投资近

27、 2.5亿元,日处理 800 t脱水污泥,运行成本为 125.7元/t。厦门水务中环污水处理有限公司总经理谢小青介绍了厦门污泥深度脱水处理处置及资源化利用研究与应用情况。污泥脱水处理,包括污泥预浓缩处理,FeCl3、CaO双调理对污泥的调质改性和高压隔膜压滤机压滤脱水三个步骤,最终实现泥水分离,脱水后的污泥含水率 60%,基本满足填埋要求。脱水污泥资源化处置利用,包括园林绿化、制砖和焚烧等。机械科学研究总院王涛主任和天津机科环保科技有限公司王营利经理介绍了 SACT污泥堆肥技术,通过翻堆、曝气、混料、进出仓、计量、贮存、输送、除臭等八大机械系统保障污泥能够在无人条件下,在极致压缩的空间范围内得

28、到稳定高效的处理,实现减量化、无害化目的。中国市政工程华北设计研究总院的孙卫东高工介绍了国家循环经济示范项目?深南电污泥干化项目的设计与运行情况。南山污水处理厂毗邻南山热电厂,具备了利用电厂余热资源的优势。通过对锅炉受热面的改造,将烟气余热转换为污泥干化的热源,脱水污泥经干化后含水率从 80%降至 10%30%,干化污泥可以用作辅助燃料以及有机制肥、建材等行业原料,实现废物的综合利用。中国市政工程华北设计研究总院的丁艳辉高工和中国科学院工程热物理研究所李诗媛博士介绍了 100 t/d循环流化床一体化污泥焚烧示范工程系统分析报告。采用中国科学院工程热物理研究所自主开发且拥有自主知识产权的循环流化

29、床干化焚烧一体化污泥焚烧技术,在杭州七格污水处理厂建成并进入调试阶段。北京市市政工程设计研究总院的史骏副主任以北京水泥厂污泥干化和水泥窑焚烧项目为例,分析了污泥干化和水泥窑焚烧协同处置系统中一系列关键问题,如:污泥含固率对水泥窑运行温度的影响,污泥热值对干化处置的影响,污泥含固率对水泥窑热平衡的影响,污泥干燥产品的含固率和最优热源系统的分析和确定等。大连市市政设计研究院刘东海副院长介绍了大连市夏家河污泥处理厂工艺设计与运行经验。该厂采用污泥厌氧发酵/工业化生物制气的处理工艺,处理规模为 600 t/d,年产沼气 664.3#104m3、鸟粪石 4 000 t、优质腐殖土 4#104,t 同时减少排放温室气体 6.18#104m3。以上精选了几个典型发言,以飨读者。欲了解详情,欢迎登录 www.watergashea.t com 或与+中国给水排水,编辑部联系。遴选出的优秀论文已安排在近期出版的+中国给水排水,杂志上发表,敬请关注。(本刊编辑部)李俊奇,等:雨水花园蓄渗处置屋面径流案例分析第 26卷?第 10期