城市水资源短缺与雨水收集利用

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1、23城镇饮用水安全保障与提标创新工艺的应用水工业市场 2010年第6期城市水资源短缺与雨水收集利用一、引言 早在1972年，联合国第一 次环境与发展大会就指出：“石 油危机之后，下一个危机便是 水”。1977年联合国大会进一步 强调：“水，不久将成为一个深 刻的社会危机”。 1997年联合 国大会再次大声疾呼：“目前地 区性的水危机可能预示着全球性 水危机的到来”。1998年在巴黎 召开的国际水和可持续发展会议 上法国总统希拉克在报告中警告 说：“21世纪可能因水的争执而 爆发战争”。 然而，这些骇世的 警告并未引起人们的足够重视。 地球表面虽然有2/3被水覆 盖，但其中97.5%是咸水，在剩

2、 余的2.5%的淡水中，又有87%是 人类难以利用的两极冰盖、冰 川、冰雪。人类可利用的淡水只 占全球水总量的0.26%，而这些 淡水大部分是地下水。实际上， 人类可以从江河湖泊中取用的淡 水只占水总量的0.014%。世界 卫生组织指出，全球每年至少有 1500万人死于食用被污染的水而 引起的疾病，每年有2.5亿人患 上和水有关的疾病，每天多达 2.7万人死于由于饮用不洁水引 起的疾病。于是，在迫使人们离 乡背井的因素中，水成了重要因素之一，已超过战争因素。如果 传统意义上的难民仅为2200万， 而由于缺水和水环境污染而出现 的“环境难民”则多达2500万， 到2025年，缺水难民将多达1亿

3、人。 持续的人口增长，地表水与 地下水污染，水资源的时空分配 不均和周期性的干旱，迫使人们 寻找可替代的水资源。我国水资 源短缺严重，据1997年的统计报 告，缺水城市333座。据预测到 2010、2030和2050，城市需水量 将达到1290、1730和2070亿m3/ 年，城市缺水严重。 而雨水是一种经济的水资 源，我国雨水资源丰富，年降水 量达6190108m3。但由于没有 健全的暴雨洪水汇集和调蓄设 施，造成暴雨时的洪涝灾害和旱 季的严重缺水。雨水是轻污染 水，水中有机污染轻；溶解氧接 近饱和溶解氧浓度；钙质含量 低，总硬度小，属于软水；处理 容易，可用于生活杂用水和工业 用水。因此建

4、立和健全完善的雨 水资源利用的实用技术、行业标 准和管理条例是解决我国城市水 资源短缺的有效措施之一。二、伦敦世纪圆顶泰晤士河水公司为了研究不 同规模的水循环方案。设计了英 国2000年的展示建筑世纪园 顶示范工程。在该建筑物内每天 回收500m3/d水用以冲洗该建筑 物内的厕所，其中100m3/d为从 屋顶收集的雨水。使其成为欧洲 最大的建筑物内的水循环设施。 从面积相当于12个足球场大 小的100,000m2的圆顶盖上收集 来的雨水，经过24个专门设的汇 水斗进入地表水排放管中，初降 雨水含有从圆顶上的冲刷下的污 染物，通过地表水排放管道直接 排入泰晤士河。由于贮存容积有 限，收集的雨水量

5、仅100m3/d， 多余的雨水排入泰晤士河。 收集的雨水在芦苇床中处 理，这是污水三级处理中常用的 一种自然处理方法。收集的雨水 质量较好，在抽送至第一级芦苇 床之前只需要预过滤。其处理过 程包括两个芦苇床，每个芦苇 床的表面积为250m2和一个塘， 其容积为300m3，并选用了具有 高度耐盐性能的芦苇(Phragmites Australis)，其种植密度为4株 /m2。因此芦苇床很容易纳入圆 顶的景观点设计中，是一个很好 的生态主题。 雨水在芦苇床中通过多种过文 / 王琳1 王宝贞2（1 中国海洋大学 环境科学与工程学院；2 哈尔滨工 业大学 市政环境工程学院 哈尔滨 150006）24专

6、题水工业市场 2010年第6期程进行净化：在芦苇根区的天然 细菌降解雨水中的有机物；芦苇 本身吸收雨水中的营养物质；床 中的砾石、砂粒和芦苇的根系起 过滤系统的作用。三、 柏林水的收集 公共雨水管收集雨水，采用 简单的处理后，达到用水水质标 准，用于几个街区公寓的厕所冲 洗和浇洒庭院。 位于柏林HLankwitzBeless- luedecke-Strasse公寓始建于20世 纪50年代，经过改建予以加高和 扩宽，居住人数迅速增加，而屋 顶面积仅有少量增加。通过采用 新的卫生原则，并有效地同雨水收集相结合，实现了雨水的最大 量收集。 从屋顶、周围街道、停车 场和通道收集的雨水通过独立的 雨水管

7、道进入地下贮水池。贮水 池容积160m3，经几个简单的处 理步骤后，用于冲厕所和浇洒庭 院。该项目的详细的数据资料如 表1所示。 按照10年期间进行预测，利 用雨水每年可节省2430m3饮用水。四、尼日利亚 在尼日利亚的缺水地区，雨 水是唯一的水源，为了将雨水收 集起来作为饮用水水源，对于来 自不同屋顶材料现场收集的雨水的水质进行了分析测试，其具有 代表性的不同来源雨水的物理化 学性质如表2所示。 不同来源雨水的物理化学性 质的测试结果表明，水质的化学 需氧量较低，溶解氧浓度接近饱 和溶解氧浓度。几乎没有有机物 染物的污染，或者较少，其他指 标也优于可回用的生活污水的水 质。五、丹麦雨水用作生

8、活杂用 水 丹麦98%以上的供水是地下 水。Denmark占地面积43,000km2，由 四部分组成，包括Zealand岛、 Funen、Bornholm和Jutland半 岛。年平均降雨量从西南部的 900mm到东部的500mm。年净 降雨量是年平均降雨量的30 50%，或者渗入地下形成地下水 或者径流进入小溪、河流和湖 泊。但是由于目前的取水/可持 续取水的比率除了在哥本哈根市 周围的地区外都小于1，一些地 区的含水层已经过度开采。为此 丹麦开始寻找可替代的水源和方 法，以减少地下水的消耗。 在城市从屋顶收集雨水， 收集后的雨水经过收集管底部的 预过滤设备，进入贮水池进行储 存。使用时利用

9、泵经进水口的浮 筒式过滤器过滤后，用于冲洗厕 所和洗衣服。 全年系统的水量平衡以75m2 的屋顶和3个人进行计算，以年 降雨量为平均600mm为例（全年 降雨量是不均匀分布），7个月的 降雨（71月）（下转第34页）表2 不同来源的雨水的物理化学性质水样温度范围 ： 26-28.5 ；氯 ： 0.057-0.329 ； pH ： 7.02-7.45 ；生物化学需氧量很低 ； 溶解氧 ： 8.27-8.71mg/L ；铁浓度 ： 0.02-0.16 mg/L ； 氨氮 ： 0.01-0.02mg/L ；钙浓度 ： 1.78 mg/L。 硝酸盐氮 ： 0.1-6.98mg/L ；硫浓度 ： 1.9

10、8mg/L ； 亚硝酸盐氮 ： 0.02-0.05mg/L ； 硬度 ： 1.98mg/l CaCO3； 浊度 ： 0.25-0.43NTU ；钾值的范围 ： 0.017-0.09mg/L ； 嗅味 ： 未检出 ；钠值的范围 ： 0.019-0.077 mg/L ；色度 ： 5-20Pt-Co ；异氧菌和丝状真菌的最大值 ： 7.6X103和 4.0X102cfu/ml ；磷 浓 度 .056-0.082mg/L （ 平 均 0.069mg/L） ；大肠杆菌总数 ： 一般小于 3cfu/ml， 最大值 ： 40cfu/ml投产 ( 试运行 )1999 年 5 月 供应雨水的公寓数目 (213

11、人， 35 升 / 天 )80 全年饮用水节省2430m3 浇洒租用的庭院面积 1100m2 平均年降水量774mm 降水利用率 ( 根据贮水池的体积 )58% 屋顶停留因数 1.3mm 7000m2 停车场面积停留因数 3.5mm 2000m2 道路和人行道停留因数 2.62200m2 贮水池的缓冲体积160m3 公共雨水管直径400m 每天贮存水可利用体积6m3表1 柏林雨水回收利用项目数据水中均没有检测出病原微生物 （两虫）。 2、建议改造方案 针对水厂排泥水回收系统的 以上问题，从排泥水收集工艺控 制优化和排泥水收集系统改造两 个方面提出建议： (1) 排泥水收集控制优化 沉淀池与反应

12、池共8个行 车，即每个行车的废水产量是 1700m3/d，按24小时算，每3个 小时一个行车排水，每个行车排 水一小时，废水进入调节沉淀池 沉淀两小时。 砂 滤 池 单 池 反 冲 水 量 300m3，每池每天反冲一次，炭 滤池单池反冲水量400m3，每池 每两天反冲一次。取两天算一个 周期，共64个砂滤池，24个炭滤 池，每小时两个池子反冲。每4 个池子一组，分成22组，每组池子反冲洗一小时，沉淀一小时。 这样就能避免排泥水水量峰值的 产生，从而就能避免有的排泥水 在回收水沉淀池的沉淀时间不 够，沉淀效果不好，影响回用水 质的情形。 (2) 排泥水收集处理系统工 程改造建议 对现有的排泥水和

13、反冲洗 水管线改造（见图8），使排泥 水和反冲洗水分类收集，并对原 回收水泵泵井进行分格，将已有 的回收水沉淀池一池作为排泥水 的沉淀池，另一池作为反冲洗水 的沉淀池，以提高回收水沉淀池 排泥含固率，为后续工艺正常运 行创造条件； 回收水泵井分格，便于回 收水的分类处理，以及泵房的清 疏和设备维修； 原回收水沉淀池有效体积5600m3，分做两个，每个2800m3。 一池作为排泥水的沉淀池，另一 池作为反冲洗水的沉淀池。这样 一方面可以避免滤池反冲洗对沉 淀池排泥水的稀释作用造成的沉 淀效果不佳，另一方面可以避免 不同来水水质差异造成的交叉污 染； 增建浓缩池投药系统，提 高浓缩效果； 恢复使用

14、现有设备齐全的 3个浓缩池，另外两个浓缩池， 增设4台吸泥泵，投入使用； 对储泥罐进行改造，调节 泥质； 由于沉淀池排泥水的生物 安全性问题最为突出，如果沉淀 池排泥水生物密度较高，则考虑 将沉淀池排泥水上清液直接排入 市政污水管网。（上接第24页）就足以满足冲洗 厕所的用水。而洗衣服的需水量 仅4个月就可以满足。 从丹麦屋顶收集的最大的年 降雨量为22900.000m3，相当于 目前饮用水生产总量的24%。每 年能从居民屋顶收集6450.000m3 的雨水，如果用于冲洗厕所和洗 衣服，将占居民冲洗厕所和洗衣 服实际用水量的68%。这相当于 居民总用水量的22%，占市政总 饮用水产量的7%。六

15、、我国应用的前景 在我国许多建筑物已建有完 善的雨水收集系统，但是没有处 理和回用系统。例如在上海浦东 国际机场航站已经建有完善的雨水收集系统用来收集浦东国际机 场航站楼屋面雨水。航站楼屋面 各组成部分的水平投影面积综合 达176150m2，该面积远大于伦敦 世纪圆顶的100,000m2的面积。 在我国的内蒙西部、宁夏、 甘肃、青海和新疆的大部分地 区，年降水量不足200mm，例 如宁夏属于严重缺水的地区。 在该地区水资源的分布情况如 下：地表水平均年资源量8.5 108m3；地下水平均年资源量16.2108m3；平均年降雨总量 157108m3；重复计算量14.8 108m3；平均年水资源总

16、量9.9 108m3。可见该地区的主要水资 源是雨水，而且当地居民已经自 发地进行雨水的收集并将其用作生活饮用水。 城市街道、住宅和大型建 筑使城市的非渗透水面积最高 达90%，这使城区的可收集雨水 量增加，城区降雨的高峰流量增 加。如果能将雨水进行有效的收 集和处理，用作生活杂用水和景 观用水，要比生活污水回用成 本低，且工艺流程简单，水质可 靠，细菌和病毒的污染率低，出 水水质可接受性强。 此外我国地下水开采导致地 下水水位下降，如能将雨水收集 处理后回注地下，对于暴雨洪水 的水量起到调蓄作用，削减洪涝 灾害，同时还能补充地下水。因 此，雨水的利用可缓解水资源的 短缺，促进经济可持续发展。34专题水工业市场 2010年第6期