社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設技術與集成化策略
孫亞軍*1 何苗2 孫友峰1 胡洪營2 申歡2
（1 北京匯佳漢青中水科技有限公司，北京 100085；
2 清華大學環(huán)境科學與工程系，北京 100084）
2 清華大學環(huán)境科學與工程系，北京 100084）
摘要：人們生活品質(zhì)的不斷提高，推動了城市社區(qū)水景觀的發(fā)展。本文對我國社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用及水景觀建設現(xiàn)狀和存在的問題進行了分析和探討，對傳統(tǒng)景觀水體水質(zhì)凈化與保持技術作了比較，提出社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀綜合解決方略，介紹了典型的技術方案，并通過工程案例論證了其技術科學性、工程合理性和經(jīng)濟可行性，為資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社區(qū)水系統(tǒng)的構建提供了新的思路。
關鍵詞：污水再生利用，雨水蓄用，社區(qū)，水景觀
Technique and Integrated Solution for Wastewater Reclamation, Rainwater Harvesting and Utilization, Water Landscape Construction of Community
Yajun Sun1，Miao He2，Youfeng Sun1，Hongying Hu2，Huan Shen2
（1 Beijing Huijia-Hanqing Water Recycle & Reuse Technologies Co., Ltd., Beijing 100085, China
2 ESPC State Key Joint Laboratory, Dept . of Environ. Sci. and Eng., Tsinghua University, Beijing 100084 ,China）
2 ESPC State Key Joint Laboratory, Dept . of Environ. Sci. and Eng., Tsinghua University, Beijing 100084 ,China）
Abstract: The improvement of public life quality brings the development of water landscape of city community. The actual state of wastewater reclamation, rainwater harvesting and utilization, water landscape construction of city community was analyzed and discussed. Traditional techniques for water quality purification and stabilization were compared. The integrated solution and typical technique were proposed, and its scientific, reasonable and feasible features were demonstrated by case studies. A new idea for the construction of source-saving and environment-friendly community water system was provided.
Keywords: wastewater reclamation, rainwater harvesting and utilization, community, water landscape
引言
水是城市發(fā)展的基礎性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，水環(huán)境是城市發(fā)展所依托的生態(tài)基礎之一。長期以來，社區(qū)水系統(tǒng)僅包括給水和排水兩大系統(tǒng)。給水系統(tǒng)負責向社區(qū)居民、工作場所供水，滿足其生活用水需要；排水系統(tǒng)負責將社區(qū)居民生活產(chǎn)生的污水和雨水排出社區(qū)[1,2]。隨著社會的發(fā)展，水資源的短缺壓力以及公眾生態(tài)環(huán)境意識的提高、對生活質(zhì)量提高的需求，極大豐富了社區(qū)水系統(tǒng)的構成及其內(nèi)涵。除了傳統(tǒng)的給水和排水系統(tǒng)外，社區(qū)水系統(tǒng)還應包括再生利用（含雨水利用）系統(tǒng)和水景觀系統(tǒng)。這一內(nèi)涵的拓展，使得社區(qū)“第二水源”的開發(fā)和利用、景觀水系的建設和維護成為城市基礎設施改進和升級的重要組成部分。
1 現(xiàn)狀及問題
社區(qū)污水再生利用在國內(nèi)已有不少研究和實踐[3]。一些城市已出臺了相關的政策法規(guī)，如北京市2001年5月29日發(fā)布的《關于加強中水設施建設管理的通告》，明確要求新建工程中，建筑面積2萬m2以上的賓館、飯店、公寓等，建筑面積3萬m2以上的機關、科研單位、大專院校和大型文化、體育等建筑，建筑面積5萬m2以上，或可回收水量大于150m3/d的居住區(qū)和集中建筑區(qū)等，必須建設中水設施；對于屬于前兩項范圍的，應根據(jù)條件逐步配套中水設施。天津市人大2003年9月10日通過《天津市城市排水和再生水利用管理條例》，規(guī)定“建筑面積超過2萬m2的賓館、飯店、公寓、綜合性服務樓和高層住宅等建筑；規(guī)劃人口在1萬人以上的住宅小區(qū)；建筑面積超過3萬m2的機關、非企業(yè)單位和綜合性文化體育設施”，“應當按照再生水利用規(guī)劃和建設規(guī)范、標準，建設再生水利用設施”。2005年7月19日天津市人大通過了該條例修正案并正式發(fā)布。此外，濟南、昆明等城市也頒布了相應的政策法規(guī)。這些政策法規(guī)的出臺，對社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用等“第二水源”的開發(fā)起到了有力的推動和有效的規(guī)范作用。
目前我國社區(qū)污水再生利用大多以沖廁和小區(qū)雜用為主。2004年8月~2005年3月，筆者對京津地區(qū)的48家社區(qū)污水再生利用狀況作了調(diào)研（其中商業(yè)樓宇、大專院校、居民小區(qū)各16家），其出水用途統(tǒng)計如圖1所示�？梢娫谏鐓^(qū)污水再生利用中，沖廁和綠化占了相當大的比例。
*作者簡介：孫亞軍（1977~），男，工學碩士
通訊地址：北京市海淀區(qū)上地三街9號嘉華大廈D座807室（100085） E-mail: syj@hanqing.cn
1 現(xiàn)狀及問題
社區(qū)污水再生利用在國內(nèi)已有不少研究和實踐[3]。一些城市已出臺了相關的政策法規(guī)，如北京市2001年5月29日發(fā)布的《關于加強中水設施建設管理的通告》，明確要求新建工程中，建筑面積2萬m2以上的賓館、飯店、公寓等，建筑面積3萬m2以上的機關、科研單位、大專院校和大型文化、體育等建筑，建筑面積5萬m2以上，或可回收水量大于150m3/d的居住區(qū)和集中建筑區(qū)等，必須建設中水設施；對于屬于前兩項范圍的，應根據(jù)條件逐步配套中水設施。天津市人大2003年9月10日通過《天津市城市排水和再生水利用管理條例》，規(guī)定“建筑面積超過2萬m2的賓館、飯店、公寓、綜合性服務樓和高層住宅等建筑；規(guī)劃人口在1萬人以上的住宅小區(qū)；建筑面積超過3萬m2的機關、非企業(yè)單位和綜合性文化體育設施”，“應當按照再生水利用規(guī)劃和建設規(guī)范、標準，建設再生水利用設施”。2005年7月19日天津市人大通過了該條例修正案并正式發(fā)布。此外，濟南、昆明等城市也頒布了相應的政策法規(guī)。這些政策法規(guī)的出臺，對社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用等“第二水源”的開發(fā)起到了有力的推動和有效的規(guī)范作用。
目前我國社區(qū)污水再生利用大多以沖廁和小區(qū)雜用為主。2004年8月~2005年3月，筆者對京津地區(qū)的48家社區(qū)污水再生利用狀況作了調(diào)研（其中商業(yè)樓宇、大專院校、居民小區(qū)各16家），其出水用途統(tǒng)計如圖1所示�？梢娫谏鐓^(qū)污水再生利用中，沖廁和綠化占了相當大的比例。
圖1 社區(qū)污水再生利用目標統(tǒng)計
社區(qū)雨水利用目前尚處于起步階段。北京、上海、杭州等大中城市近年來開始監(jiān)測降雨及其徑流的水量和水質(zhì)變化規(guī)律，逐步積累供雨水處理和利用的基礎數(shù)據(jù)。一些大型建筑物已建有完善的雨水收集系統(tǒng)，如上海浦東國際機場航站樓，其屋面各組成部分的水平投影面積達17萬余m2，暴雨季節(jié)雨水收集量可達500m3/h。遺憾的是，這些雨水未能有效的處理和利用[3]。
近年來隨著人們生活質(zhì)量的提高，社區(qū)水景觀建設越來越受到重視。一批水景樓盤的熱銷，帶動了房地產(chǎn)開發(fā)商的投資熱情。但不少社區(qū)水景觀的補充水源，多為地下水、地表水乃至自來水，一方面造成了水資源的浪費，另一方面增加了水景觀的維護成本。
縱觀社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用和水景觀建設，目前仍有以下問題需要解決：
（1）設計理念問題。目前社區(qū)水景觀的設計，一般只注重其觀賞效果，缺乏對水體的生態(tài)完整性、水流態(tài)的多樣性、生物棲息地的合理配置等生態(tài)要素的統(tǒng)籌考慮，人為破壞了水體的生物系統(tǒng)，降低了水體的自凈能力。
（2）水源問題。人工景觀水體的來源有：地表水（天然河、湖泊、水庫水）、地下水（深層水、淺層水、潛水、滲透水）、雨水（雨水、雪水）、市政自來水、自備水源水、工業(yè)循環(huán)水（大型電廠冷卻水）及城市污水再生利用水。目前景觀水體補充水源過于依賴傳統(tǒng)的地下水、地表水，對社區(qū)污水、雨水等“第二水源”的重視不夠。隨著水資源危機和水污染的加劇，景觀水體以地下水、地表水作為補充水源受到越來越多的限制。如果不考慮社區(qū)污水、雨水等“第二水源”的開發(fā)利用，社區(qū)水景觀無疑將成為一個“奢侈品”。
（3）水質(zhì)保持問題。缺乏成熟的水質(zhì)保持技術措施，尤其是長效、低廉、生態(tài)的水體凈化與水質(zhì)保持技術和雨水污染物控制、雨水利用技術，景觀水體易發(fā)生水華，喪失其景觀效果。不少社區(qū)水景觀經(jīng)歷了短暫的“輝煌”后，要么干涸閑置，要么臟亂不堪，本該成社區(qū)“亮點”，卻反而變成了“污點”。
因此，從社區(qū)水系統(tǒng)的綜合規(guī)劃角度出發(fā)，未來社區(qū)水系統(tǒng)的建設，必須注重社區(qū)污水、雨水等的開發(fā)利用，實現(xiàn)其多目標的再生利用，以新的水源建設社區(qū)水景觀，并根據(jù)生態(tài)和景觀要求，選擇安全可靠、經(jīng)濟可行、效果持續(xù)、景觀觀賞性強的生態(tài)技術，達到水質(zhì)保持的目標，創(chuàng)造健康的景觀水系。
2 景觀水體水質(zhì)凈化與保持技術
目前常見的景觀水體水質(zhì)凈化與保持技術及其特點比較見表1[4~17]。
表1 景觀水體水質(zhì)凈化與保持技術比較
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技術分類
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特 點
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物理方法
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清淤換水
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定期清淤換水可在一定程度上改善水質(zhì)狀況，但大量換水會造成優(yōu)質(zhì)水源的嚴重浪費，在經(jīng)濟上是不可行的，且對水體生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞，無法解決根本問題
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人工增氧
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可增強水體自凈能力，并可與景觀手法中的噴泉、跌水等結合起來，但只能在一定時段內(nèi)（曝氣期間）改善水體的環(huán)境條件，延緩水體富營養(yǎng)化的發(fā)生，不能從根本上去除導致藻類過度繁殖的氮、磷等植物性營養(yǎng)物，而且僅適合在較深的水體使用，且能耗高
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化學方法
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化學除藻
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可作為嚴重富營養(yǎng)化景觀水體的應急除藻措施，通常與混凝劑配合使用。操作簡單，可在短時間內(nèi)取得明顯的除藻效果，但不能將氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)清除出水體，不能從根本解決問題，且除藻劑的生物富集和生物放大作用對水生生態(tài)系統(tǒng)可能造成負面影響，長期使用低濃度的除藻劑還將使藻類產(chǎn)生抗藥性
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絮凝沉淀
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向水體中投加鋁鹽、鐵鹽、鈣鹽等藥劑，使之與水體中溶解態(tài)磷形成不溶性固體轉(zhuǎn)移到底泥中。對控制內(nèi)源磷負荷特別是底泥的磷釋放有一定效果，但受磷的存在形態(tài)、溫度、底泥的微生物活動、溶解氧、pH、泥水界面的擾動狀況等影響
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強化生物技術
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生物制劑
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投加高效菌種（如PSB光合細菌），促進有機物的降解，僅對有機污染物有一定的去除效果，不具備脫氮除磷特性；高效微生物的選育周期較長，且凈化持續(xù)時間短，易受低溫影響
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滲流生物膜凈化床
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以卵石等做填料，強化生物對水體中有機污染物的去除作用，加之填料的物理吸附、沉降、過濾等作用達到水質(zhì)凈化目的。適用于有機負荷較低的水體，否則容易導致生物膜脫落而使填料堵塞。人工曝氣可大大改善其凈化效果，但會增加處理成本和凈化床復雜程度
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生態(tài)技術
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人工濕地
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污染凈化過程涉及物理、化學、生物等多方面的綜合作用，凈化效果與濕地水流形態(tài)、水力負荷、種植植物類型和數(shù)量、溫度、pH、填料類型、運行方式等因素影響�？色@得持續(xù)的凈化效果，投資省，運行成本很低，濕地植物具有一定的景觀觀賞性
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植物凈化
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在水體水面構造生物浮床（或浮島），利用植物的生長從水體中吸收利用污染物（主要是氮磷等營養(yǎng)元素）。適用于封閉水域或緩慢流動水體，有美化湖面的作用，但去除效率低，且植物根、葉的腐爛使得營養(yǎng)物質(zhì)重新進入水體
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穩(wěn)定塘
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利用細菌和藻類等微生物的共同作用處理污染水的自然生物處理技術，凈化效果受溫度、光照、水的混合、營養(yǎng)物質(zhì)、有毒物質(zhì)、蒸發(fā)量和降雨量、進水性質(zhì)等的影響。投資省，管理簡單，運行費用低，且可與景觀水體的構建結合起來，但占地大
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土地過濾
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通過土壤－植物系統(tǒng)，利用物理過程中的過濾、吸附，化學反應與化學沉淀以及微生物的代謝作用下的有機物分解等凈化水體。
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與其他技術相比，生態(tài)技術具有明顯的優(yōu)越性，具體表現(xiàn)在：①著眼于水體自凈能力的強化，能持續(xù)發(fā)揮作用；②遵循水體生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律，副作用小，對環(huán)境友好；③所需投入能源、物質(zhì)少，人為管理控制少，更為經(jīng)濟；④易融入水景觀整體設計和建設，外在表現(xiàn)形式自然親切，更富人性化。
3 社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設綜合解決方案
社區(qū)景觀水體一般具有以下特點：①與公眾接觸幾率大，必須保證衛(wèi)生學安全和毒理學安全；②景觀美學要求高；③相對封閉，流動性差。社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設技術的選擇，應遵循安全性、長效性、經(jīng)濟性、實用性、系統(tǒng)性和集成性緊密結合的總體原則，根據(jù)社區(qū)構成、水質(zhì)狀況、環(huán)境要求等特點，制定技術上科學、工程上合理、經(jīng)濟上可行的綜合解決方案。據(jù)此，提出了圖2所示的社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設綜合解決方略。
圖2 社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設綜合解決方略
社區(qū)污水和雨水通過收集、凈化系統(tǒng)，一方面滿足社區(qū)綠化、沖廁、道路澆灑等雜用水的需要，另一方面經(jīng)人工濕地等生態(tài)技術單元后達到景觀回用的要求，從而很好地解決了社區(qū)水景觀的水源問題；水景觀在設計時，將水體水質(zhì)保持生態(tài)技術作為必須環(huán)節(jié)考慮進來，在構建景觀元素的同時保護景觀水體的生態(tài)完整性，使水體通過自然生態(tài)的技術不斷得到凈化，保持良好的水質(zhì)狀況。與傳統(tǒng)的社區(qū)水景觀建設相比，該方略的特色表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）優(yōu)化社區(qū)水系統(tǒng)結構，將社區(qū)污水、雨水就地處理利用，既可實現(xiàn)社區(qū)污水、雨水的零排放，有可為社區(qū)水景觀提供穩(wěn)定而廉價的補充水源；
（2）水景觀設計以尊重自然、崇尚自然為基本出發(fā)點，兼顧景觀美學要求和水質(zhì)凈化要求，理念更新、更科學、更系統(tǒng)。水岸、水面、水中、水底多層次、立體化的生態(tài)景觀，更富觀賞性和親和力；
（3）突出經(jīng)濟可行性。污水、雨水的再生利用可節(jié)省數(shù)目可觀的水資源，避免了維護中高昂的補水費用；技術投資和運行成本低廉，不會造成物業(yè)公司和業(yè)主的經(jīng)濟負擔，而且污水零排放的實現(xiàn)，有望獲得污水處理費或其他稅費的減免。
清華大學環(huán)境科學與工程系、北京匯佳漢青中水科技有限公司根據(jù)多年研究成果和工程實踐，提出了社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設典型技術方案（見圖3）。社區(qū)排水按照不同水質(zhì)狀況，可通過膜-生物反應器工藝、循環(huán)式活性污泥法、序批式動態(tài)膜-生物反應器、曝氣生物濾池等工藝，對有機物、氮、磷等進行集中削減，出水進行消毒（有研究認為膜-生物反應器工藝出水可不消毒[18]），再經(jīng)強化人工濕地后進入景觀水體；同時，景觀水體水循環(huán)通過人工濕地，達到水質(zhì)凈化和水質(zhì)保持的目的。社區(qū)雨水經(jīng)雨水收集系統(tǒng)后，先進行預處理，然后進入景觀水體，由人工濕地進行處理。景觀水體可視具體情況增設噴泉、跌水景觀元素等，進一步進行復氧。
圖3 社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設典型技術方案
4 案例研究
清華大學環(huán)境科學與工程系和北京匯佳漢青中水科技有限公司近年在社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設方面進行了較為深入的研究，并已成功應用于工程實踐。下面為幾個典型工程案例的介紹。
4.1 清華大學超低能耗樓雨水利用示范工程
該工程為清華大學超低能耗樓項目示范研究內(nèi)容之一，以屋頂收集的雨水為水源，通過人工濕地加以循環(huán)凈化，形成樓宇小型水景觀。工程于2005年4月底建成，5月初開始正式運行，其中雨水儲存池的面積為32.9m2，人工濕地的面積為32.9m2。濕地種植的植物為景觀效果較好的水柳、鳶尾和美人蕉。
運行結果表明，人工濕地對COD、TP、TN和濁度的去除率分別可達到70%、50%、55%和95%。夏季雨期時水池內(nèi)水體水質(zhì)良好，沒有發(fā)生水華現(xiàn)象。可見人工濕地可以有效改善雨水蓄水池中的水質(zhì)，使其滿足多種雨水利用的需要。
4.2 云南大漁村生活污水再生利用工程
云南大漁村距滇池約2000m。全村共約500戶，現(xiàn)有人口1820人。示范工程設計處理污水量77m3/d，設計進水水質(zhì)：CODCr200mg/L，氨氮23mg/L，總氮30mg/L，總磷5mg/L。根據(jù)工程現(xiàn)場地形特點，采用表面流濕地和潛流濕地相結合的工藝方案。該工程將生態(tài)和景觀設計納入到濕地系統(tǒng)，按照紅、黃綠三種顏色協(xié)調(diào)搭配，植物高低錯落有致的設計原則，對濕地周邊進行了綠化，成為居民生態(tài)休閑區(qū)。工程對污染物的去除效果見表2。
表2 大漁村生活污水再生利用工程對污染物的去除效果
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指標
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COD
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TN
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NH3-N
|
TP
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進水平均濃度（mg/L）
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351.7
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26.3
|
21.9
|
5.40
|
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出水平均濃度（mg/L）
|
47.5
|
3.2
|
1.5
|
0.52
|
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平均去除率（%）
|
86.5
|
87.9
|
93.4
|
90.3
|
|
去除率大于90%的比例*（%）
|
35.0
|
60.9
|
65.3
|
59.0
|
|
去除率大于80%的比例（%）
|
70.0
|
76.1
|
73.5
|
76.9
|
|
去除率小于60%的比例（%）
|
15.0
|
13.0
|
12.2
|
5.1
|
*有效取樣數(shù)量46個。
4.3 某培訓中心污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設工程
該工程位于北京郊區(qū)，包括三個子工程：所有辦公樓排放的污水處理及再生利用工程（含樓內(nèi)節(jié)水設施改造工程）、雨水收集處理工程、人工濕地工程及人工湖景觀工程。
污水處理及再生利用工程采用MBR工藝，對已有的中水工程進行改造，處理規(guī)模為120m3/d。雨水利用工程包括兩部分：一部分經(jīng)預處理（如初期雨水棄流）后進入人工湖，作為人工湖補充水源之一；另一部分通過下凹式綠地、滲透溝、透水路面/廣場等，下滲補充地下水。人工濕地工程處理能力為1000m3/d，可保持培訓中心人工湖水質(zhì)，及時削減再生水和雨水帶入湖內(nèi)水體的各種污染物。
該工程將污水再生利用、雨水利用、社區(qū)水景觀建設融為一體，實現(xiàn)了工程經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益的“共贏”。
4.4 北京清河上游河岸生態(tài)過濾系統(tǒng)
北京清河發(fā)源于香山碧云寺，現(xiàn)源頭泉水已斷流，補充水源主要為污水處理廠出水和雨水。因水源限制，為保證清河各段河道保持水面，河道管理部門將沿河各閘長時間關閉，成為一條滯留型城市景觀河道。河道上游黨校橋附近有中央黨校、圓明園花園小區(qū)等，形成一個較大的社區(qū)。為控制夏季河道水華，改善社區(qū)河道景觀，在上游黨校橋西側(cè)南岸興建了生態(tài)過濾系統(tǒng)工程。
工程設計處理規(guī)模600m3/d，占地面積800m2。系統(tǒng)采用清華大學自主研發(fā)的高效復合功能填料，并選擇栽植了菖蒲、鳶尾、美人蕉、蘆葦?shù)戎参�，形成復合過濾帶。工程于2005年3月開始設計，7月動工，8月開始通水運行。調(diào)試完成后的處理效果如表3所示。
表3 清河河岸生態(tài)過濾系統(tǒng)凈化效果
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進水
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出水
|
去除率/%
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景觀環(huán)境用水水質(zhì)標準*
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|
|
CODCr/mg/L
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141.5
|
37.5
|
73.5
|
－
|
|
NH3-N/mg/L
|
3.55
|
0.58
|
83.7
|
5
|
|
TN/mg/L
|
45.2
|
2.36
|
94.8
|
15
|
|
TP/mg/L
|
1.18
|
0.11
|
90.7
|
1.0
|
|
SS/mg/L
|
60
|
5
|
91.7
|
20
|
|
濁度/NTU
|
134
|
14
|
89.6
|
－
|
*取《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/T 18921—2002）中“觀賞性景觀環(huán)境用水河道類”水體水質(zhì)標準限值。
5 結論
人們生活品質(zhì)的不斷提高，推動了城市社區(qū)水景觀的發(fā)展。社區(qū)水景觀的建設，應當優(yōu)先考慮使用社區(qū)再生水、雨水作為補充水源。通過社區(qū)污水再生利用、雨水蓄用與水景觀建設綜合解決方案，可將社區(qū)的污水再生利用、雨水蓄用、水景觀進行有機的組合，既解決了社區(qū)污水再生利用、雨水利用問題，減少了外排污水和雨水量，節(jié)約了水資源，又可經(jīng)濟地營造社區(qū)水景觀，提高社區(qū)居民生活質(zhì)量，提升社區(qū)建筑品質(zhì)。這一集成化技術方案的推廣，有望為我國社區(qū)水系統(tǒng)規(guī)劃和建設提供一個經(jīng)濟可行、技術可靠的設計思路，為建設節(jié)約型社會服務。
參考文獻
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