如图1所示，采样类型包含屋面雨水径流和路面雨水径流。西大望路地处CBD核心地区，南北垂直于长安街，本研究选择西大望路附近住宅区、交通区、商业区和教学区作为北京市区雨水径流取样点。郊区B村处于北京六环外，北京城市副中心建设全面提速，留下了相当一部分城中村，本研究选择B村附近住宅区、交通区、河道溢流口、小型厂区作为城中村雨水径流取样点。

屋面雨水径流采样点布设于在西大望路南侧北京工业大学教学区建工西楼(图1中W1所示)，B村某厂房 (W2) 、B村某二层居住建筑 (W3)；路面雨水径流市区采样点布设于西大望路住宅区居民楼下 (CS1) 、市区交通主干道 (CS2) 、商圈广场区 (CS3) 和北工大校园道路 (CS4) ，均为沥青路面，城中村采样点布设于B村村民庭院内 (CZ1)、城中村乡村道路 (CZ2) 、城中村附近河道溢流口 (CZ3) 和城中村内小型厂区内 (CZ4) 。

对近3年内数次降雨及雨水径流进行人工取样及水质检测，同一样品检测3次，以保证结果的准确性。采用常规标准方法进行各项指标检测：总悬浮物采用重量法；总磷采用钼酸铵分光光度法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；硝态氮采用紫外分光光度法测定；有机污染物 (以COD计) 采用重铬酸钾法测定；pH、溶解氧、电导率采用德国WTW pH3310便携仪测定。

1) 屋面雨水径流实验。实验装置如图2所示。 固定床吸附柱为玻璃材料制品，高度为3 m，内径为10 cm。设置了1.0 m、2.0 m和3.0 m 3个出水口。在固定床的底端设置石英砂，作为承托层。实际雨水采用下向流的方式进入固定床中进行吸附实验。实验选用的主要材料为沈阳法库天然斜发沸石，用氯化钠溶液进行改性处理^[15]。

2) 路面雨水径流实验。混凝沉淀处理路面雨水径流的正交实验与单因素影响实验装置采用六联搅拌机 (ZR4-6) ，其配带6个1 L的圆柱状塑料杯。主要实验试剂为聚合氯化铝 (PAC)、硫酸 (H₂SO₄) 和氢氧化钠 (NaOH) 。

3) 实验雨水径流水质。实验室实验所采用的雨水径流水质如表1所示。

对3类屋面雨水径流和8类路面雨水径流水质指标进行监测 (表2) ，对总悬浮物含量 (TSS) 、化学需氧量 (COD) 、氨氮 (NH₄⁺-N) 和硝态氮 (NO₃⁻-N) 负荷进行对比分析 (图3) 。

屋面雨水在形成径流的过程中先与集水屋面接触，因此，屋面材质对水质有重要影响。本研究选择市区与城中村中3种不同种类材质、不同建筑类型的3类屋面雨水径流进行监测分析。其中，市区屋面W1、城中村厂房W2和住宅W3分别为水泥、钢板和石板与混凝土材质。钢板屋面的TSS污染负荷平均值为709.5 mg·L⁻¹，低于水泥屋面749 mg·L⁻¹和石板与混凝土材质917 mg·L⁻¹。钢板屋面的氨氮平均负荷、COD也低于其他2种，分别为11.4和133.9 mg·L⁻¹。该结果与MENDEZ等^[16]和GIKAS等^[17]的研究结果一致，金属材质集水面收集的雨水水质更好。

根据地理位置和土地使用方式不同，分别选取市区与城中村各4类路面雨水径流进行监测分析。结果表明，市区地表雨水TSS污染物平均质量浓度特征为：交通区>住宅区>高校教学区>商业区；氨氮平均负荷和COD平均值大小：交通区>商业区>住宅区>高校教学区。TSS、COD、氨氮和硝态氮负荷峰值分别为：2 870 mg·L⁻¹、878.3 mg·L⁻¹、25.7 mg·L⁻¹、4 mg·L⁻¹，且峰值水样均来自交通区。城中村路面雨水径流TSS、COD、氨氮和硝态氮负荷峰值分别为：3 278 mg·L⁻¹、767.2 mg·L⁻¹、37.3 mg·L⁻¹ 、6.6 mg·L⁻¹，COD和TSS峰值水样来自交通区，氨氮、硝态氮负荷峰值水样来自河道溢流口。同时，河道溢流口平均COD为57.8 mg·L⁻¹，平均TSS质量浓度为609 mg·L⁻¹，低于其他类型径流。这与B村生活污水、农业面源污染混入和径流量大会降低部分污染物质量浓度有关。对比市区与城中村路面雨水径流监测结果发现，城中村交通区TSS和氨氮污染负荷高于市区，城中村住宅区3种污染物负荷均高于市区，城中村路面雨水径流氨氮污染负荷均高于市区。这与城中村污染物来源、生活习惯、土地使用方式有关。

北京城中村屋面和路面雨水径流的生物可降解性较差，结合快速削减需求，故采用物理与化学的方法处理屋面和路面雨水径流。屋面雨水径流方便收集、污染负荷小，采用改性沸石滤料进行过滤处理。探究不同实验条件对固定床实验吸附效果的影响。针对降雨间歇式发生、路面雨水径流污染负荷高且强度大的特点，采用混凝沉淀法处理，通过使用PAC混凝剂进行正交实验和单因素影响实验，探究不同影响因素及最优实验条件。

研究雨水流速、滤柱高度和沸石粒径对实验的影响。在其他条件不变的基础上，分别调整恒流蠕动泵的转速，控制其为50 mL·min⁻¹、150 mL·min⁻¹和250 mL·min⁻¹。设置沸石填充高度分别为1.0 m、2.0 m和3.0 m，沸石粒径分别为1~2 mm、2~4 mm和4~8 mm。根据固定床吸附雨水中的氨氮实验结果，绘制穿透曲线 (图4) 。由于改性后沸石内部的Na⁺与雨水中的阳离子进行了离子交换，故氯化钠改性沸石能更有效地去除雨水径流中氨氮 (式 (1) ) 。另外，通过氯化钠改性还可以有效扩宽沸石的孔穴与孔道，以改善其对其他污染物的吸附效果。如表3所示，屋面雨水径流通过流速越小、填充高度越大、沸石颗粒粒径越小，雨水径流与改性沸石便可更深入地接触，反应向有利于吸附反应发生的状态发展，则表现出更好的吸附效果。由此说明，采用改性沸石过滤吸附处理雨水径流中的污染物质是有效的。同时，通过长期实验室固定床屋面雨水径流处理研究发现，其对多种污染物质吸附具有不同效果，故决定采用该技术处理屋面雨水径流，并进行中试滤罐装置的应用研究。

1)单因素实验。初始pH值实验。设定初始pH变化范围为3、4、5、6、7、8、9、10；PAC投加量为100 mg·L⁻¹；搅拌方式为快速搅拌 (300 r·min⁻¹) 1 min+中速搅拌 (150 r·min⁻¹) 3 min+慢速搅拌 (70 r·min⁻¹) 5 min。在快速搅拌开始时加入PAC混凝剂，反应结束后沉淀20 min，取上清液测定各项指标。如图5所示，浊度、SS、TP、COD去除率明显随着初始pH的增加先升高后降低，在初始pH为6~7时保持较高去除效率，分别为96.8%~97.8%、95.1%~96%、98.1%~98.4%、51%~64.4%。当pH在6~7时，PAC的存在形式主要以氢氧化铝聚合物为主，对有机物质以吸附架桥和羟基配合物的电性中和作用为主，能去除大部分悬浮颗粒及多量溶解性有机物。因此，该雨水径流的最佳初始pH为6~7。

PAC投加量实验。设定初始pH为7，PAC投加量变化范围为50、60、70、80、90、100、110、120、130、140 mg·L⁻¹，其他条件同上。如图6所示，PAC投加量在50~70 mg·L⁻¹时，浊度、SS、TP、COD去除率逐渐分别增长至86.2%、90.7%、94.6%、48%。并当PAC投加量为80~140 mg·L⁻¹时，前三者保持在90%以上，COD保持50%以上的去除率。实验中可观察到，搅拌器专用烧杯底部絮体量会随着无机混凝剂PAC投加量增加而增加。当投加量为80~100 mg·L⁻¹时，通过化学机理分析可知，聚合氯化铝PAC发生了水解作用，产生了大量带电荷的高分子聚合物，其与路面雨水径流中带电荷的有机物发生电性中和作用从而形成了密实絮体，同时还发生了吸附架桥作用，絮体具有“胶粒-高分子-胶粒”吸附结构。因此，PAC合理投加量为80~100 mg·L⁻¹。

2) 正交实验。在雨水径流处理利用技术实际应用时，城中村雨水径流处理单元与城中村污水处理厂 (站) 联合运行，参照《北京市农村生活污水处理设施水污染物排放标准》，COD为重要考察指标。因此，釆用4因素3水平正交实验，以COD去除效果作为评价标准，对PAC处理城中村雨水径流的效果进行研究。4种影响实验的反应因素分别为初始pH、混凝剂投加量、中速和慢速搅拌方式。表4为正交实验的因素设置和水平设置，作为混凝实验操作依据。

表5说明以PAC作为混凝剂时，系统对有机物 (以COD计) 具有较好的处理效果，最高去除率为67.03%。而4种不同因素对有机物去除效果的影响 (表6) 依次为：初始pH>混凝剂投加量>慢速搅拌时间>中速搅拌时间。随着PAC混凝剂投加量的增加，COD去除率增大，中性条件下混凝效果最好。中速和慢速搅拌时间对COD去除率的影响较小，初始pH和PAC混凝剂投加量因素对混凝沉淀实验影响程度大。因此，在雨水径流处理利用技术方案和实际工程中，应关注体系pH和混凝剂投加量等因素，设置pH计、药剂投加量控制单元，并实时显示相关元件的各项参数，以便于在实际应用中应对不可控的雨水径流量变化。

在实验室固定床屋面雨水径流处理利用技术研究基础上，开展改性沸石滤料处理屋面雨水工艺与装置研究。由于屋顶绿化形式多样但需要设置在平面屋顶上，对建筑具有选择性^[18]；而雨水罐等储存方式在理论上简单且实用，但往往因水体的循环流动性较差，长期储存后水质不达标，丧失可利用的价值^[19]。由此决定采用可快速处理屋面雨水径流的工艺和滤罐装置进行进一步的应用研究。

设计流程为：屋面雨水径流沿雨水管从屋面流向集雨装置，采用自上而下的方式进入过滤装置 (高为3 m，直径为1 m) 实现雨水的高效处理；经反冲洗后，滤料可重复多次使用；经过改性沸石滤料处理后的屋面雨水径流可用于浇灌附近绿地。如图7所示，改性沸石滤料处理屋面雨水装置包含收集单元和过滤单元；收集单元包含依次连接的雨水收集管道、集水模块、进水泵；过滤单元包含进水管、出水管、反冲洗进水管、反冲洗出水管、进料斗、出料口、进水口、出水口、罐体内含改性滤料腔室，铺设鹅卵石、改性沸石滤料^[20]。

过滤装置的汇水屋面面积可超过500 m³。屋面雨水沿收集管道进入集水模块中储存，集雨装置采用可折叠收纳的塑料橡胶材质，外围使用金属架支撑。当非雨季时，场地可作他用。在进水泵的作用下，屋面雨水沿进水管进入罐体处理，进水流速为6 m³·h⁻¹。每隔30 min从下端出水管口取样检测出水的各项污染指标。测试指标有氨氮、SS和COD。当出水SS小于10 mg·L⁻¹时，关闭进水管和出水管上的阀门，打开反冲洗进水管和反冲洗出水管上的阀门，进行反冲洗法处理。反冲洗时间为15 min。过滤装置处理效果明显，对实际屋面雨水的氨氮去除率高达80%以上。同时，出水SS小于10 mg·L⁻¹，COD去除率高于60%。前期实验结果表明：改性沸石的粒径越小、流速越小，其吸附过滤屋面雨水径流中氨氮的效果越好。在此基础上，使用过滤装置继续开展中试研究，考察滤料装填方式及进水流速2个因素对实际屋面雨水径流影响，考察氨氮、SS、COD 3种指标的变化。出水水质均满足《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》 (GB 50400-2016) 要求^[20]。

本研究为郊区B村提供混凝沉淀法处理路面雨水径流技术方案，具体工艺流程如图8 (a) 所示。雨水处理单元与城中村污水处理厂 (站) 联合运行。受污染雨水处理模块流程为：雨水经过智能弃流井识别后，通过流入蓄水池进入反应罐，在罐中加速处理路面雨水径流。当降雨强度过大时，降雨量在12 h内超过70 mm，路面雨水径流受污染程度降低，雨水量超过蓄水池处理量，溢流直接排入水体。图8 (b) 为蓄水池-反应罐装置结构示意图。混凝反应罐置于蓄水池内，混凝反应罐包含药剂进口、电机、传动杆、搅拌桨、雨水进口、雨水出口和pH传感器。混凝反应罐体采用不锈钢金属材质，具有较强的耐酸耐碱和耐腐蚀性；罐内传动杆将电机和搅拌桨连接可用于控制转速；罐体底部为V形沉淀段，便于沉淀物的累积与排放。通过实验室正交实验分析，初始pH和混凝剂投加量对混凝沉淀实验影响程度大。罐内设置药剂进口可投加液态混凝试剂、酸液、碱液，设置pH传感器实时显示酸碱度，有助于及时调节pH保证处理效果。

在具体使用蓄水池-反应罐装置处理路面雨水径流时，受污染的地表径流雨水经管道和沟渠流入蓄水池，在蓄水池存储。降雨量在12 h内超过15 mm。蓄水池雨水量达到雨水进口水位时，雨水自动流入混凝反应罐，启动电机通过连接传动杆控制搅拌桨速度。通过药剂进口投加混凝剂和助凝剂，pH传感器实时显示酸碱度，控制pH条件为6~7。从罐体外读取数据继续投加酸碱试剂控制处理条件，处理过的雨水通过V型沉淀段后经雨水出口流出罐体。经过蓄水池-反应罐装置处理路面雨水径流，总悬浮物 (TSS) 、浊度、总磷 (TP) 的去除率可达到90%以上。有机物 (以COD计) 的去除率为约70%，出水水质达到地表水3类标准，处理后的雨水可用于河道补给。

1) 根据对3种屋面雨水径流和8种路面雨水径流的COD、TSS、氨氮和硝态氮监测结果的分析发现，金属材质屋面收集雨水径流水质最好。在路面雨水径流方面，城中村交通区TSS和氨氮污染负荷高于市区，城中村住宅区3种污染物负荷均高于市区，城中村路面雨水径流氨氮污染负荷均高于市区。

2) 开展改性沸石过滤法固定床吸附小试实验发现：雨水流速越小、滤柱越高和沸石粒径越小，对氨氮吸附效果越好。当流速分别为250 mL·min⁻¹、150 mL·min⁻¹、50 mL·min⁻¹时，吸附饱和时间分别为250、270和330 min，当滤柱高度分别为1.0 m、2.0 m和3.0 m时，吸附饱和时间分别为170、190和280 min；当沸石粒径分别为1~2 mm、2~4 mm和4~8 mm时，吸附饱和时间为350、340和230 min。开展混凝沉淀法批次实验发现：当初始pH为6~7、PAC投加量为80~100 mg·L⁻¹时，混凝沉淀效果最佳。通过正交实验发现，初始pH和混凝剂投加量对有机物 (以COD计) 去除影响程度大。

3) 根据过滤沉淀法控制屋面与路面雨水径流污染技术研究，设计出改性沸石过滤法处理城中村屋面雨水径流工艺与装置，出水水质满足《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》 (GB 50400-2016) 要求。设计蓄水池-混凝反应罐处理城中村路面雨水径流，并将混凝反应罐在内的雨水处理单元与城中村污水处理厂 (站) 联合运行，经过处理后的雨水可用于河道补给。