第八节　雨水集蓄利用水质净化技术及其理论

一、雨水污染成因分析

（一）雨水污染来源

通常情况下，雨水资源化利用一般需要经历四个过程，即降雨过程、径流过程、储存过程和利用过程。在这四个过程中，各不相同的原因造成了不同程度的雨水污染。一方面，降雨具有随机性、非连续性和突发性等特征，雨水水质受集雨水源地所处地域、季节、降雨特征、水源地类型及性质、地表径流过程等诸多因素影响，导致雨水水质变化随机性大；另一方面，降雨径流污染的一般规律是初期径流比较严重，但随着降雨历时的延长，各类污染物浓度逐渐下降并最终趋于一个相对稳定的数值。

1.降雨过程雨水污染分析

降雨过程主要是指雨水降落到地面之前的过程。大气污染是雨水最初受到污染的最直接因素。据分析，雨水的化学组成有：气体转化物H+，人为排放源Cr、Pb、Hg等的化合物，有机酸、烷烃等有机物以及燃料燃烧排放到大气中的不溶物等。由于不同地区经济发展水平不同，大气中的污染物有所不同，导致雨水的化学组成也有较大差别。如硫氧化物、氮氧化物和碳氢化合物等，这些物质主要来自矿物燃料燃烧、汽车尾气排放和薪柴焚烧等。因此，城市雨水中Pb含量普遍高于郊区和农村，城市雨水pH值则低于郊区和农村。有研究表明：Pb、Cu在城市雨水中的中值浓度为偏远地区雨水中的489倍、683倍。在干旱年份除了硝酸盐，雨水中其他所有物质的浓度均大于非干旱年份，这是由于在一定的大气污染物水平下，雨水中的污染物浓度与年降雨量成负相关关系。

2.径流过程雨水污染分析

地表径流中的污染物主要来自降雨对地表的淋洗和冲刷。公路集雨面或邻近公路的集雨面，收集到的雨水大多重金属超标，尤其是铅；有些集雨面由于管理不好，在雨水径流过程中，枯枝落叶、人畜粪便、生活垃圾等一并进入水窖，导致水体富营养化或大肠杆菌超标；黄土高原区水土流失剧烈，使得部分泥沙进入水窖，导致窖水悬浮物、浑浊度等增加；沥青油毡类屋顶材料在初期径流雨水中COD浓度很大，且色度超标、有异味。典型研究表明，沥青材料集流面雨水COD可达到131mg/L；黏土夯实集流面雨水浑浊度高达2000NTU；自然集流面雨水细菌总数可达到3300个/L。由此可见，雨水水质与集流面材料有很大关系。JZOBRIST等人研究表明，从瓦片和聚酯材料屋顶收集的雨水中，总碳、总氮、总磷、重金属离子、杀虫剂等物质在径流初期浓度很大，然后急剧下降。AL-Khashman等人研究表明，由于无雨时期空气中大量灰尘等物质积累，降雨初始阶段雨水中各中污染物浓度最高。对典型的坡顶瓦屋面和平顶沥青油毡屋面径流雨水进行比较，发现后者的污染明显重于前者，其初期径流浊度可高达上千，色度大，有异味，且污染物主要以可溶性物质为主，其原因主要是由于沥青为石油的副产品，其成分较为复杂，许多污染物质可能溶入雨水中，而瓦屋面不含溶解性化学成分。同时，两种屋面初期径流浓度一般相差3～8倍左右，而且，随着气温升高差距进一步增大。

3.储存过程雨水污染分析

在我国饮用雨水的地区，一般家庭使用较多的净水剂主要有明矾、漂白粉、熟石灰、次生矿化物等，对加速水体澄清，净化水质起到了重要作用。然而，某些常用的化学物质如漂白粉可与水中有机物发生反应，形成副产品三卤甲烷继而影响人体健康。因此，雨水净化技术有待于进一步研究，以便尽量减少或避免在雨水储存环节产生有害物质。同时，以水泥胶凝材料为主的蓄水设施在投入运行的初期，往往会由于胶凝材料中Ca2+、Al3+等的结晶和析出而污染水体。另外，与通常的认识相反，雨水在水窖中的长时间存储不但不会使雨水变得不新鲜，而且随着细菌和病原体的逐渐死亡，水质还会有所提高。但即便如此，在雨水的储存期内往往由于疏于管理等人为因素造成雨水的污染，从而使得雨水水质不能满足使用要求。

4.利用过程雨水污染分析

利用过程的雨水污染主要发生在取水、用水环节上。一方面，因为传统的吊桶取水模式，对吊桶的存放、保管十分随意，而且潮湿的吊桶很容易滋生细菌，当吊桶反复进入水窖中取水时，吊桶上的细菌等污染物随之进入水体中造成污染；另一方面，几乎所有终端用水普遍采用水缸储水，夏季室温较高，为细菌繁殖创造了有利条件，造成了新的水体污染。

（二）雨水污染物及其特点

从前述雨水污染来源分析可见，雨水污染物主要包括泥沙、有机物、无机物、浮游生物和微生物等，其对水质的评价主要包括浊度以及有机物、氨氮、重金属、微生物等指标。

1.浊度

浊度是由于水中含有泥沙、有机物、无机物、浮游生物和微生物等悬浮物质所造成的，可使光散射或吸收，是评价水质的感官性状指标之一。在降雨过程中，初期径流雨水中含有大量泥沙等悬浮物，导致雨水浊度较高。但随着降雨历时的延长，径流雨水中的悬浮物经冲刷、淋洗而减少，其浊度也随之降低。通常情况下，径流雨水的浊度介于15～105NTU之间，窖水浊度介于1～40NTU之间。

2.有机物

雨水中的有机物主要为天然有机物，包括BOD、CODMn等。CODMn是反映水域受还原性物质污染的一个重要指标，雨水中的CODMn一般在4～7mg/L左右。

3.重金属

随着环境污染的加重，雨水不同程度地受到重金属物质的污染。根据对雨水中重金属物质污染程度的检测，雨水中重金属铬含量介于0～0.1mg/L。但初步分析认为，该项指标值与水窖的分布区域关系密切。

4.微生物

微生物是雨水污染的主要污染源之一，细菌总数是指大肠菌群数、病原菌、病毒及其他细菌数的总和。大肠菌群数是每升水样中含有大肠菌群的数目，是反映水体污染程度的重要指标。据检测，雨水中细菌总数一般介于120～28600Fu/mL之间，大肠菌群数一般在0～23800个/mL左右。

另外，现行的用水模式也极易造成窖水使用环节的污染，一是外界环境污染物随吊桶直接进入水窖；二是由于室温较高引起的细菌繁殖，造成新的水体污染。

典型地区雨水集蓄利用工程水窖水质见表2-22。由此可见，超标的污染物主要包括细菌、大肠杆菌、色度、浊度、重金属等。同时，在有机微污染物方面检出了多环芳烃等，具体见表2-23。

二、水质净化处理技术及适宜性分析

（一）水质处理技术

雨水净化处理主要包括物理方法和化学方法两种。物理方法主要包括沉淀、阻隔（过滤）和吸附等几种，其中沉淀是指依靠自重力沉积并去除水中杂质的过程，阻隔是指利用各种不同孔径的滤材去除水中杂质的过程，吸附则是指依靠以活性炭为主的吸附材料去除水中有机污染物的过程。化学方法则是指利用各种化学药品将水中杂质转化为难溶于水或对人体伤害较小的物质，进而净化水质的过程。

总体来看，水质净化处理方式主要包括电化学絮凝处理、活性炭吸附处理、膜过滤处理、氯系消毒处理和紫外线杀菌处理等5种方式。

1.电化学絮凝处理方式

利用絮凝剂降低浊度是水质净化处理最基本的方法，尤其是在饮用水的前处理中比较常见。水质浊度降低后，细菌、病毒等原生菌会裸露在透明的水中，失去保护，为水体的进一步净化处理创造条件。

按照其化学成分，絮凝剂总体可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两类。其中，无机絮凝剂又包括无机凝聚剂和无机高分子絮凝剂，有机絮凝剂又包括合成有机高分子絮凝剂、合成絮凝剂和微生物絮凝剂等。

（1）无机絮凝剂。无机絮凝剂主要分为两大类：铁制剂系列和铝制剂系列，当然也包括其丛生的高聚物系列。其中，铁制剂系列主要有三氯化铁水合物FeCl3·6H2O、硫酸亚铁水合物FeSO4·17H2O和硫酸铁，铝制剂系列有硫酸铝Al2（SO4）3·18H2O和明矾Al2（SO4）3·K2SO4·24H2O。

简单的无机聚合物絮凝剂主要是铝盐和铁盐的聚合物。如聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铝（PAS）、聚合氯化铁（PFC）以及聚合硫酸铁（PFS）等。无机聚合物絮凝剂之所以比其他无机絮凝剂效果好，其根本原因在于它能提供大量的络合离子，且能够强烈吸附胶体微粒，通过吸附、桥架、交联作用，从而使胶体凝聚。同时还发生物理化学变化，中和胶体微粒及悬浮物表面的电荷，降低了电位，使胶体微粒由原来的相斥变为相吸，破坏了胶团稳定性，使胶体微粒相互碰撞，从而形成絮状混凝沉淀，增加沉淀表面积，提高吸附能力。

（2）有机高分子絮凝剂。有机絮凝剂的优点是比较经济、用法简单，但用量大、絮凝效果低，而且存在成本高、腐蚀性强的缺点。与传统絮凝剂相比，价格较低，因而有逐步成为主流药剂的趋势。加上产品质量稳定，有机聚合类絮凝剂的生产已占絮凝剂总产量30%～60%。天然高分子物质如淀粉、纤维素、壳聚糖等与丙烯酰胺进行接枝共聚，聚合物有良好的絮凝性能，或兼有某些特殊的性能。目前，国内研制的产品主要应用于污水处理和污泥脱水。

（3）复合絮凝剂。复合絮凝剂以品种多样和性能多元化占主导地位，其作用机理主要与协同作用相关。无机高分子成分吸附杂质和悬浮微粒，使形成颗粒并逐渐增大；而有机高分子成分通过自身的桥联作用，利用吸附在有机高分子上的活性基团产生网捕作用，网捕其他杂质颗粒一同下沉。同时，无机盐的存在使污染物表面电荷中和，促进有机高分子的絮凝作用，大大提高絮凝效果。我国无机高分子絮凝剂的生产和应用已取得长足进展，最具代表性的聚合氯化铝和聚合硫酸铁的研究，已居世界前列。

（4）微生物絮凝剂。微生物絮凝剂是利用生物技术，从微生物体或其分泌物提取、纯化而获得的一种安全、高效，且能自然降解的新型水处理剂。微生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物。主要有糖蛋白、黏多糖、纤维素和核酸等。从其来源看，也属于天然有机高分子絮凝剂，因此它具有天然有机高分子絮凝剂的一切优点。

絮凝剂的分子质量、分子结构与形状及其所带基团对絮凝剂的活性都有影响。一般来讲，分子量越大，絮凝活性越高；线性分子絮凝活性高，分子带支链或交联越多，絮凝性越差；絮凝剂产生菌处于培养后期，细胞表面疏水性增强，产生的絮凝剂活性也越高。处理水体中胶体离子的表面结构与电荷对絮凝效果也有影响。一些报道指出，水体中的阳离子，特别是Ca2+、Mg2+的存在能有效降低胶体表面负电荷，促进“架桥”形成。另外，高浓度Ca2+的存在还能保护絮凝剂不受降解酶的作用。

2.活性炭吸附处理方式

活性炭吸附是建立在常规给水处理基础上，一般设置在砂过滤之后，也可与砂滤料组成双层滤料过滤或以活性炭过滤代替沙过滤。目前，活性炭吸附广泛应用于城市污水处理、饮用水及工业废水处理。颗粒活性炭常用于吸附分子，其吸附性能决定于各种炭型的孔径大小与分布。泥煤基活性炭具有微孔和中孔，可用于多种污染物的吸附处理；褐煤基活性炭中孔较多，具有优良的可入性；椰壳基颗粒活性炭主要是微孔，仅适用于低分子的吸附去除。除此之外，利用化学品活化的颗粒活性炭多孔，泥煤基挤压型活性炭能制成各种不同孔径大小的品种，破碎型煤基颗粒活性炭兼有微孔和中孔。

在利用活性炭吸附进行饮用水深度处理的过程中，发现在活性炭滤料上生长有大量的微生物，使出水水质提高且再生延长，于是发展了一种经济有效的去除水中微污染物质的生物活性炭工艺，具体处理流程为：原水→澄清（加入混凝剂）→过滤（加入臭氧）→活性炭吸附→净水。

3.膜过滤处理方式

膜过滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的分离和浓缩的目的。根据过滤精度的不同，膜过滤处理大致可分为超滤膜、纳滤膜、反渗透膜和微滤膜等几种。

（1）超滤膜。所谓的超滤就是指在一定的压力下，含有小分子的溶液经过被支撑的膜表面时，其中的溶剂和小分子溶质会透过膜，而大分子则被拦截，作为浓缩液被回收。超滤膜过滤粒径在5～10nm之间，操作压力在0.1～0.25MPa之间。

（2）纳滤膜。纳滤是一种在反渗透基础上发展起来的膜分离技术，纳滤膜的拦截粒径一般在0.1～1nm之间，操作压力在0.5～1MPa，对水中的有机小分子具有很好的分离能力。

（3）反渗透膜。反渗透也可以称为高滤，是渗透的一种逆过程，通过在待过滤液体一侧施加比渗透压更高的压力，使得原溶液中的溶剂压缩到半透膜的另一边。反渗透膜的过滤粒径在0.2～1.0nm之间，操作压力在1～10MPa之间。

（4）微滤膜。微滤是一种以静压差作为推动力，利用膜的筛分作用进行过滤分离的膜处理技术之一。微滤膜的特点是其整齐、均匀的多孔结构设计，在静压差的作用之下小于膜孔的粒子将会通过滤膜，比膜孔大的粒子则被拦截在滤膜的表面，从而实现有效的分离。另外，微滤膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90～150μm之间，过滤粒径在0.025～10μm之间，操作压力在0.01～0.2MPa之间。

（5）生物膜。生物膜法是使微生物附着在载体表面上，污水在流经载体表面的过程中，通过有机营养物的吸附、氧向生物膜内部的扩散以及在膜中所发生的生物氧化等作用，对污染物进行分解。在生物膜反应器中，污染物、溶解氧及各种必须营养物首先要经过液相扩散到生物膜表面，进而到生物膜内部；只有扩散到生物膜表面或内部的污染物才能有机会被生物膜微生物所分解和转化，最终形成各种代谢产物（二氧化碳、水等）。随着时间延长（30d左右），微生物组成及其对有机物降解功能达到新的平衡和稳定状态，生物膜沿水流方向分布并逐渐成熟，继而形成有机物、细菌、原生动物、后生动物的复合生态系统。目前，各种慢滤处理技术都源于生物膜处理技术原理。最初，人们认为慢滤净化过程仅仅是滤料过滤、表面吸附的结果。但最新许多研究表明，慢滤净化过程主要是通过生物活动在起作用。

4.氯系消毒处理

氯系消毒主要采用液氯和次氯酸盐。液氯消毒法指的是将液氯汽化后通过加氯机投入水中完成氧化和消毒的方法，是迄今为止最常用的水质消毒方法，其特点是液氯成本低、工艺成熟、效果稳定可靠。虽然液氯消毒将生成有害的有机氯化物，但是它的持续灭菌能力，使其成为目前水处理行业比较常用的工艺。氯溶于水后发生下列化学反应：

除液氯外，漂白粉[Ca（ClO）Cl]和漂粉精[Ca（ClO）2]等也能用于消毒，其原理是利用次氯酸分解时产生的强氧化性，使其菌体有机物分解或丧失功能而呈现杀菌作用。HClO（次氯酸）或ClO-（次氯酸根）形态的氯被称之为游离性残余氯。对细菌的杀灭能力而言，在较低的pH条件下，ClO-比HClO更加有效。

5.紫外线杀菌处理

紫外线杀菌主要是使用低压水银放电灯（杀菌灯）的人工253.7nm波长的紫外线能量。此波长的紫外线光，即使是在微量的紫外线投射剂量下，也可以破坏细胞的生命核心——DNA，因此阻止细胞再生，使细菌变得无害，从而达到灭菌的效果。像所有其他紫外线应用技术一样，系统规模取决于紫外线强度（照射器的强度和功率）和接触时间（水、液体或空气暴露在紫外线下的时间长短）。紫外线杀菌灯的原理与日光灯相同，只是灯管内部不涂荧光物质，灯管的材质是采用紫外线穿透率较高的石英玻璃。一般紫外线装置依用途分为照射型、浸泡型及流水型等几种。

（二）雨水水质对处理技术的适宜性分析

1.絮凝处理技术适宜性分析

絮凝剂的品种繁多，从低分子到高分子，从单一型到复合型，总的趋势是向廉价实用、无毒高效的方向发展。无机絮凝剂价格便宜，但对人类健康和生态环境会产生一定的不利影响；有机高分子絮凝剂虽然用量少，浮渣产量少，絮凝能力强，絮体容易分离，去除油及悬浮物的效果好，但这类高聚合物的残余单体存在“三致”危险（致畸、致癌、致突变），因而使其应用范围受到限制；微生物絮凝剂因不存在二次污染，使用方便。

针对我国西部集雨饮用水水窖水体的净化实践，综合考虑经济、方便、高效、可操作等因素，聚合氯化铝铁（PAFC）和聚合氯化铝（PAC）用于集雨水窖水质的絮凝实践效果都很好，是当前此类水质净化处理较好的絮凝剂，其特点是生成的矾花大，投药量少，效率高，沉降快。

2.膜过滤-树脂-活性炭处理技术适宜性分析

随着净水技术的不断发展，普遍适宜于多种水质条件的膜过滤-树脂-活性炭三位一体的微小型净水器得到了大量推广应用。对雨水集蓄利用工程而言，在蓄前粗滤、蓄后沉淀处理的基础上，继而通过PP棉过滤、树脂去除有害金属、活性炭灭菌等水质处理工艺，满足生活饮用水水质标准，短期使用表明水质可完全可满足前述多种型号净水器对原水水质的要求。但由于雨水低温低浊度的特点，经过相对较长时间的使用后，这些净水器的过滤通道往往发生不同程度的堵塞，导致水处理能力下降。

3.陶瓷膜过滤处理技术适宜性分析

根据雨水水质特点，净化处理的重点集中在色度、浑浊度、肉眼可见物、有机物、氨氮、微生物等方面。对此，甘肃省水利科学研究院依托项目执行，研究提出了微絮凝及陶瓷膜过滤水质处理技术，很好地解决了低温低浊度雨水杂质对普通净水器过滤通道的堵塞问题。

除此之外，限于工程规模、运行管理等条件的制约，氯系消毒处理技术、紫外线杀菌处理技术暂不适宜于雨水集蓄利用工程的水质深度处理。