劣质水资源利用化技术

劣质水资源开发利用技术随着水资源日趋短缺和农林业发展对水资源需求的大幅度增长，雨水集蓄利用越来越受到世界各国的重视。以色列在雨水利用方面，一是集雨用于种草植树，恢复退化的植被；二是通过水库积蓄的方式，向输水网络供水，并用部分水调节沿海地区的地下水位，防止海水入侵；三是田间蓄积后就地利用，在播种时通过机械作业建立集雨积蓄坑或径流面。印度集雨也有三种形式：一是利用蓄水池收集田间降雨，在降水量高的年份把总量的16%～26%收集起来，作为补灌水源；二是利用田间集水形式，收集周围平地或集水区的径流，用于灌溉；三是发展微型集水区，实现雨水的就地拦截利用。1．集雨由于雨水资源比较容易获取，目前使用集雨方式增加水源的国家比较普遍。收集的雨水，大都补充杂水，用于冲洗厕所、浇灌菜园和洗车，以此可以节约好水。但收集雨水往往需要建立另外的收集回用系统，因而也会增加投资和水的使用成本。尽管如此，对雨水的收集和利用已经日益成为各国增加水源的主要方式之一。如日本的降雨量十分丰富，随着对水资源的日益重视，利用雨水资源已日益广泛。据日本1996年的调查，在全国的杂水利用设施中，约有600处是利用雨水的，占全部设施的近30%。一些大城市如东京、大阪、名古屋和福冈等地的体育馆等大型建筑物也都设置了雨水利用装置，各地方也都制定了措施，推进雨水的利用。与日本不同，以沙漠为主的澳大利亚对雨水的利用主要在农村地区非常普遍。其最简单的方式是将屋顶的雨水收集起来加以利用。目前这种方式大都以单户家庭为主，并正在向更加经济有效的社区型雨水收集回用系统转变。位于赤道的新加坡每年降雨密度高、持续时间短，分布面积小，为此，特设计了一套城市骤雨收集系统，几乎每幢大楼的楼顶都有蓄水池用于收集雨水，并由此送往水库。新加坡的集雨系统有3种：一是中央集水区的蓄水池，专门收集水质好的雨水；二是河流入海口的蓄水池；三是专门用于收集暴雨的收集系统。泰国自1983年就开始在干旱的东北地区推广工艺简单的水泥罐工程，大大缓解了这一地区的干旱状况，基本解决了居民的生活用水问题，并带来了积极的经济效益。雨水资源的污染源和污染物①污染源a.大气在工业发达地区，由于空气污染而导致饮用雨水不安全，因此美国不主张在工业区的48km范围以内建设集雨工程作为生活用水源(除非没有其他水源)。由于空气污染，在车流密度大的地方或重工业基地附近，重金属铅是最常见的污染物。b.集雨面在集雨面上的主要污染物有：屋顶灰尘、鸟或动物的粪便、落叶以及其他由人类带来的污染物。在印度进行的试验表明，由于屋顶材料和结构的差异会导致集雨中的细菌含量有很大的不同，其污染程度由低至高依次为：铁制屋顶、塑料屋顶、石棉瓦屋顶、红瓦屋顶，这是因为石棉瓦和红瓦屋顶表面呈波浪型，鸟类易停留且其粪便、灰尘和树叶又难以被风吹走，因此集蓄的雨水中往往大肠杆菌含量较高；而铁制屋顶因表面光滑而使灰尘易被风吹走，另外其表面被晒后温度升高也易于杀灭细菌。②污染物a.微生物污染物目前的研究已发现在雨水集蓄水样中有很多类型的病原微生物，包括沙门氏菌(Salmonela)、梭状芽孢杆菌(Clostridiumperfringens)、产气单胞菌属(Aeromonas)、弧菌(Vibrioparahaemolyticus)、弯曲杆菌属(Campylobacter)、贾第虫(Giardia)等，但这些病原体对人体的危害性仍很难确定，这是因为致病的因素很多，如病菌的浓度、人的抵抗力、使用方法(放置多久、煮沸与否)等。另外由于集雨工程多为家庭行为，如果发生水质问题而致病也因规模小而不会受到广泛重视，所以迄今为止有关因雨水水质而引起疾病爆发的报道仅有几例。20世纪80年代有报道认为集蓄雨水水质达不到饮用水的标准，特别是细菌学指标不合格。b.化学污染物研究发现集雨水质的化学指标一般都符合饮用要求，其含盐量、总溶解性固体、硬度等指标达到软水或极软水水平，但也有例外，如在新西兰发现有25个家庭蓄雨水池中的铅超过国家标准12%；在马来群岛还发现蓄雨水池中的铅超标3.5倍。水质保护措施①集雨系统设计a.集雨屋顶应该采用光滑、干净、不含有毒物质的不透水材料建造，如蓄水池上有悬挂树枝时应该移去以防树叶下落。b.水龙头或取水管距离蓄水池底板至少5cm以上，以防底泥进入。c.蓄水池必须加盖以避免阳光进入而导致藻类生长，还应使用钢丝网或尼龙网盖住所有的入口以防止小动物进入。d.应在雨水入口处设置一个过滤器以预先除去树叶、泥沙等沉淀物。②维护方法a.定期检查和清洗集雨系统的各个部位以确保蓄水箱无渗漏、无污染。b.因大雨过后的水较浑，故不要急于使用，应经过净化处理后再使用。c.不得将其他来源的水与水箱中的存水混合。③排除初雨因初雨污染严重而不宜作为饮用水，但“初雨”如何定量?Yaziz等人利用屋顶集雨采样研究发现，最初1L雨水中的大肠杆菌含量为40～410个，后续的4～5L雨水中的大肠杆菌数几乎为零。Thomas在非洲对集雨工程的水质研究表明，最初1mm的降雨十分浑浊(含泥量很高)，而在1～2.5mm内其浊度则急剧下降，因此去除2.5mm内的初雨是十分必要的。在发达国家有许多类型的自动排除初雨的设备出售(如自动冲洗水槽、蓄水池中设置沉淀小隔室、自动冲洗的入口塞网等)，但价格较贵。在发展中国家的贫穷地区一般只能采用人工操作去除初雨。④防止蚊虫孳生当蚊子带有害菌时会对人体健康带来威胁，目前适合于家庭生活蓄水池防蚊孳生的手段不多，一般只能采取水箱密封或在入口处设立防蚊网等措施。⑤贮存水的净化如果在雨水的收集和使用过程中出现污染则必须进行净化处理：a.氯化处理，当贮存的雨水有异色或异味时常采用此法；b.煮沸处理，煮沸1min以上即可以保证集水不受细菌和病原菌的侵害；c.过滤，在雨水进入贮水池之前或使用之前进行过滤可除去水中的可见物；d.阳光下曝晒，因为太阳直接照射能杀死水中许多有害细菌，所以可把水盛在透明的玻璃容器或塑料瓶中放在太阳下直晒几个小时；e.紫外线照射，Fujioka在夏威夷岛进行的试验表明，利用太阳能紫外线设备对集蓄水中的指示性细菌指标的去除率可达99.9%；国内研究概况水窖的水质及净化我国北方一般把建在地表之下的蓄水箱称为水窖。我国水窖的水质不容乐观，刘洪亮等人对地窖水质的研究发现，由于贮存期过长而使地窖水带有腥味，水中微生物、耗氧量、氨氮等也经常超标，色度和浊度较差，Ⅰ级水率为19.23%～79.62%，Ⅰ级和Ⅱ级水总和也仅仅为23.08%～92.31%［6］。刘洪亮等人采用高分子粘合剂将二氯异氰腮酸粘附、包容以使其逐渐释放、慢慢溶出，经这种简易的持续消毒器处理后的地窖水Ⅰ级水率上升到98.84%、Ⅰ级和Ⅱ级水总和达到了100%(见表1)。水柜的水质南方的老百姓常常把建在地表的小水池称为水柜。广西河池岩溶山区的水柜一般建在房屋附近(1户1个)，用灰岩块石和水泥浆砌筑而成(容积为40～60m3)，有些水柜顶部设有钢筋混凝土盖(有些则无盖)，为取水方便老百姓多用胶管吸水入户使用。河池山区水柜的取水源是季节性山泉水，雨水经过山体上的土壤、植被及山体本身的裂隙渗滤后流出的泉水十分清澈，每到暴雨季节有突发性山泉时才有水涌出，因此每个水柜在一年之中往往只能注一次水，村民们则必须靠各自水柜中的存水生活一年。我国集雨技术发展与实践我国西北黄土高原丘陵沟壑区、华北干旱缺水山丘区、西南干旱山区，主要涉及陕西、山西、甘肃、青海、宁夏、内蒙古、河南、四川、云南、北京等13个省、自治区、直辖市，742个县(市)，面积约200万平方公里，人口2.6亿。水资源贫乏，区域性、季节性干旱缺水问题严重又不具备修建骨干水利工程的条件，是这些地区的共同特征。由于缺水，这些地区3.9亿亩耕地中，70%是“望天田”，农业生产水平低下，农村经济发展水平十分落后。区域内有国家级贫困县353个，约占这些地区县(市)总数的一半，贫困人口2350万，有3420万人饮水困难，是全国有名的“老少边穷”地区和扶贫攻坚的重点地区。长期以来，上述地区的群众就有集蓄雨水，解决饮水困难的作法。从80年代末期开始，随着节水灌溉理论、技术、设备的广泛推广应用，群众将传统的雨水集蓄工程和节水灌溉措施结合起来，实施集雨节灌，发展农业生产，如今已有一定的规模。据不完全统计，到目前为止、西北、西南、华北13个省(区)共修建各类水窖、水池等小、微型蓄水工程464万个，总蓄水容量13.5亿立方米；发展灌溉面积2260多万亩，其中节水灌溉工程面积645万亩，解决了约2380多万人的饮水困难和近1740万人的温饱问题。集雨的工程模式和技术方法也呈现灵活多样的特点。集流面形式有自然坡面、路面、人工集雨场，其中西南地区主要依靠天然集流，北方地区采用人工集流场和天然集流场与人工拦截措施相结合；蓄水工程形式北方地区以水窖、旱井为主，南方地区以水池、水窖、塘坝为主。城市集雨工程技术，无论在国内还是国外，都有了一些成功经验，值得借鉴。在我国北京、大连等地，利用雨水贮留渗透的场所一般为公园、绿地、庭院、停车场、建筑物、运动场和道路等，采用的渗透设施有渗透池、渗透管、渗透井、渗透性铺盖、浸透侧沟、调节池和绿地等。由于采用了雨水贮留渗透，有效补充了地下水，复活泉水，恢复河川基础，改善了生态环境。潜力：城市集雨工程技术随着科学技术的进步，淡化海水正为全球淡水供应开辟广阔的前景。人类缺水情况日益严重并非是因为地球缺水，而是缺少可利用的淡水。因此，越来越多缺水的国家都将把极为丰富的海水变为淡水作为解决淡水缺乏的惟一出路。2．海水淡化目前，海水淡化已在全球120个国家进行，全世界已有1.36万座海水淡化厂，大都是采用多级闪蒸法、多效蒸馏法、膜法、反渗透法等，每天生产淡化海水2600万立方米，其中中东一些国家的淡化海水量已占其淡水总供应量的80%~90%。国际上已经成立了海水淡化协会，并在积极致力于发展海水淡化技术和促进使用淡化海水。目前，世界上通用的两大海水淡化技术是蒸馏和反向渗透。如果将蒸馏和反向渗透技术结合起来，可使每立方米淡化海水的成本将从目前的约70美分降到50美分。由此可见，海水淡化有广阔的发展前景，并可能成为人类解决水资源短缺的根本途径。目前，海水淡化在一些极为缺水的国家应用得比较好。如以色列，沙漠占其国土的60%，人均占有水量约370立方米，仅为世界人均占有水量的1/33，为中国人均占有水量的1/7，是水资源极为短缺的国家。以色列从20世纪50年代起就开始研究海水淡化，技术在国际上处于领先地位。以色列已建立了两个海水淡化工厂，年产淡水近1亿吨。到2020年，还将建立一座海水淡化工厂，年产淡水达到4亿吨，远期再建20个厂，年产淡水可达10亿吨。以色列大规模的海水淡化生产主要采用反向渗透技术，每吨成本低于进口淡水价格，每天生产约3万立方米。目前，以色列正试验将纳米技术用于海水淡化，可使成本大大降低。新加坡，作为一个岛国，国土面积小，天然资源十分有限，水资源总量6亿立方米，人均水资源量仅211立方米，世界排名倒数第二。新加坡为解决水资源短缺问题，近年来也开展了海水淡化工作，第一座海水淡化厂将于2005年投产，每天生产的淡水将可满足新加坡10%的饮用水需求。日本大力开展海水淡化的研究工作并开始实际应用。1992年，日本通过修改“水道法施行令”将海水淡化设施建设追加为国库补助对象。到1993年，日本的海水淡化能力达94214立方米/日，目前研究的热点是如何降低成本和降低能耗。地球除了海水外，还有不少微咸水资源，特别是一些缺水地区，因此有效利用微咸水进行农业灌溉，解决水资源短缺也是许多国家正在使用的一种方法。如西班牙，就将咸水灌溉技术较广泛地应用于旱地农业地区。他们将矿化度小于1克/升的咸水用于所有农作物的灌溉，将矿化度为4~61克/升，其中离子含量为1~3克/升的咸水，用于灌溉棉花、苜蓿、麦类或水稻。另外，西班牙还设有专门灌排设施的地块，使用矿化度5克/升，甚至10~15克/升的咸水灌溉。为了研究和推广咸水灌溉，在西班牙国内，设有咸水灌溉站，专门研究和试验咸水灌溉的技术和理论。在以色列，科学家已发