基于消耗平衡模型的機場雨水收集系統(tǒng)設計研究

趙穎

（湖北機場集團有限公司武漢天河機場，湖北武漢 430302）

0.引言

社會對移動性的需求每天都在增加，航空旅行正迅速成為貨物和人員的首選運輸方式。全球化和世界經(jīng)濟的一體化導致跨境貿易增加，大量昂貴的貨物運輸是通過空運進行的。根據(jù)美國航空協(xié)會市場研究報告，2022—2030年，客運量將以平均5.3%的速度繼續(xù)增長，而貨運量將以5.9%的速度增長。因此，機場的規(guī)模和數(shù)量正在快速增長。許多大城市不得不依靠多個機場系統(tǒng)來滿足這種不斷增長的需求。二線城市也出現(xiàn)了大量較小的機場，以提供與遙遠地區(qū)的快速連接。

大規(guī)模的工業(yè)化和生活水平的提高給環(huán)境資源帶來了巨大壓力?？沙掷m(xù)性被定義為“在不損害子孫后代滿足自身需求能力的情況下，滿足當前需求的發(fā)展”，且已成為全球各國發(fā)展的重要主題。在新機場的建設和現(xiàn)有機場的升級過程中，這種可持續(xù)性概念也被考慮在內，預計這將導致自然資源保護政策的實施。具體而言，機場可持續(xù)性被定義為保護環(huán)境、社會進步以及維持穩(wěn)定的經(jīng)濟增長和就業(yè)水平，盡量減少對環(huán)境的有害影響，包括飛機設計以及機場的設計、建造和運營等各方面。因此，大多數(shù)新建或翻新的機場都在采用環(huán)境管理計劃，水資源的利用成為關鍵議題。水是一種稀缺資源，其保護、合理使用和再利用，已經(jīng)得到世界各地監(jiān)管機構的強制要求。機場消耗大量的水，因此在機場實施水資源保護戰(zhàn)略非常重要。

機場的主要用水量通常與擁有數(shù)千個居民的城市的用水量相匹配，例如倫敦希思羅機場（英國）的用水需求相當于一個擁有34000人口的城市的用水量。亞特蘭大（美國）哈茨菲爾德-杰克遜國際機場的用水需求相當于一個擁有15000名居民的城市。機場的大部分用水量用于非飲用水，如景觀灌溉、飛機和鋪砌區(qū)域的清潔，空調和廁所。雨水越來越多地用于部分滿足這種非罐裝水需求。機場擁有大型集水區(qū)，以屋頂和簡易機場的形式存在，由于表面保持良好清潔，可以收集雨水、雜質很少，機場是實施雨水收集技術的最佳場所。收集的雨水在使用之前需要處理，使雨水處理成為一個廣泛的研究領域。

多年來，各種雨水處理方法不斷發(fā)展，近年來對這些方法進行了廣泛的研究。本文回顧全世界各機場正在使用的一些處理方法，并設計消耗平衡模型用于評估這些系統(tǒng)的可行性、可靠性和效率。

1.雨水收集系統(tǒng)的影響因素

雨水可以溶解各種氣體，如二氧化碳、二氧化氮和二氧化硫，以及大氣中的煙灰和微觀顆粒等污染物。在徑流過程中，它被樹枝、樹葉、灰塵、鳥類和動物糞便，昆蟲、殺蟲劑、除草劑和其他寄生蟲，細菌和病毒污染。它與塑料、溶劑、汽油、油脂和油接觸，這些塑料、溶劑、汽油和油，用揮發(fā)性有機化學物質污染水。無機鹽如碳酸鈣、碳酸氫鈉、氯化鈉和硫酸鎂會改變水的味道并影響其硬度。雨水也可能被石棉污染，這是非常危險的。有毒金屬，如鉛、砷，其他如銅、鐵和錳，也會影響其味道、外觀和安全。表1說明了在收集的雨水中發(fā)現(xiàn)的一些污染物及其影響。它可能還含有非致病性生物，如原生動物、藻類、細菌和病毒以及致病生物。非致病性生物會干擾收獲和處理設施，例如，高濃度的藻類會使水變粘并堵塞用于處理水的過濾器。真菌和細菌也可能在水管中定植，影響適當?shù)乃?。病原體包括寄生蟲，如賈第鞭毛蟲、小隱孢子蟲和剛地弓形蟲，以及彎曲桿菌、沙門氏菌、鉤端螺旋體、大腸桿菌和漢坦病毒等。

表1 雨水中污染物的種類和影響

機場收集雨水的另一個重要影響因素是除冰劑和防冰劑的作用。在寒冷天氣的機場需要除冰，以確保安全旅行。除冰用于清除飛機機翼、方向舵和機身的積雪和冰。冰或冰在飛機上的沉積會擾亂空氣動力學，導致阻力增加、失速速度和升力損失，這也可能導致音高特性異常。除冰液通常分為2類：一類是用水稀釋加熱的乙二醇。這種混合物也被稱為牛頓流體，因為它們的粘性與水相似。第二類包括非牛頓流體，如未加熱和未稀釋的丙二醇基流體，如半凝明膠。這些液體用于防止雪或雨夾雪的進一步積聚。此外，許多機場使用尿素或醋酸鹽或甲酸鹽基化合物來除冰跑道。這種除冰器也適用于飛機的機身，因為即使是少量的冰/雨夾雪也會影響飛機的空氣動力學，這些除冰劑和防冰劑對環(huán)境有害。一些研究測量到BOD5在機場徑流中高達245000mg/L，氨是由于施用尿素而產生的，對水生生物是危險的，因此，機場面臨著維護公共安全和保護環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)。這些除冰和防冰產品也應該在實施雨水處理系統(tǒng)時進行處理。雨水收集過程復雜，采用技術進行系統(tǒng)的有效設計。實施雨水收集系統(tǒng)的第一步是制作一個模型來模擬雨水在流域中的運動，以響應降水和流域條件。數(shù)值建模被廣泛用于預測雨水和雨水收集技術的可行性和可靠性。

2.消耗平衡模型

2.1 用水量參數(shù)估計

通過對武漢天河國際機場（IATA：WUH）實施雨水處理系統(tǒng)的可行性研究，評估雨水箱耗水量和節(jié)水潛力。該機場位于中國湖北省武漢市黃陂區(qū)，距武漢市中心25km，是中國中部首家4F級民用國際機場，它有85000m2的屋頂，80000m2跑道和鋪砌區(qū)域。通過使用訪談法來確定樣本的用水量參數(shù)。

n ≥ (1/ε2)·N/((1/ε2)+N)

其中：N是總體大小，n是樣本大小，ε是可接受的樣本誤差。

每天上廁所的水量是估計：C1=fQ

其中：C1是每日用水量（L/d），f是用廁所的頻率（次數(shù)/d），Q是馬桶流量（L/沖水）。

同樣，每日清水消耗量為：C2=fNbVb

其中：C2是清潔消耗量（L/d），f是每日清洗頻率（次/d），Nb是使用的鏟斗數(shù)（鏟斗/時間），Vb是鏟斗的體積（L/鏟斗）。

每日灌溉用水量：C3=fidQiNd

其中：C3是每日灌溉用水量（L/d），fi是每月灌溉頻率（次數(shù)/月），d是每個灌溉事件的持續(xù)時間（min/時間），Qi是流速（L/min），Nd是當月天數(shù)。

每日非飲用水量是根據(jù)建筑物的每月消耗數(shù)據(jù)估算的。上述方法被用來計算節(jié)水潛力，以評估各種尺寸的水箱的可靠性、成本和效率。

2.2 可儲存的雨水量預測

采用如下公式計算可儲存的雨水量：S(t)=RV+S(t-1)-D-EL-L。

其中：S(t)是第td累計儲存的水（ms），RV是收集的雨水量，D是每日非飲用水，EL是蒸發(fā)損失，L代表其他損失。

收集效率定義為：E=((D-es)×100)/D。

其中：E是雨水滿足需求的百分比，D是年需求（ms），es是外部供應（ms）。

可靠性定義為：R=N-U/N

其中：N表示總天數(shù)，U是儲水罐無法滿足需求的天數(shù)。

2.3 綜合平衡模型

首先，采用回歸曲線，綜合平衡雨水收集（RWH）系統(tǒng)的大小，使用過去降雨數(shù)據(jù)的每日質量平衡模擬來評估RWHS的流入，流出和儲水罐尺寸的變化。

其次，使用凈現(xiàn)值法（NPV法）實施經(jīng)濟分析，計算雨水收集系統(tǒng)的投資回報率，該方法采用過濾和氯化法來凈化被污染的雨水。詳細分析表明，通過安裝1000m3的雨水箱可以實現(xiàn)78%～100%的節(jié)水，估計最大投資回收期約為23年，玻璃纖維罐更適合體積小于100m3的儲罐。Ribeiro等人研究了巴西圣保羅國際機場（SPIA）降雨水對非飲用水的再利用潛力，分析雨水水樣的物理化學和微生物特征，發(fā)現(xiàn)收集的樣品不含有害濃度的揮發(fā)性芳香烴，多環(huán)芳烴、砷、鉻、汞和鎘。因此，雨水被證明是一種可行的替代物，可以節(jié)省機場整個水資源的近25%。

3.實施雨水收集系統(tǒng)

武漢天河機場按照年旅客吞吐量3500萬人次、貨郵吞吐量44萬t、飛機起降40.4萬架的目標進行規(guī)劃設計。航站樓面積37萬m2，與10.15萬m2綜合交通配套設施和2.35萬m2生產輔助設施一起，形成了49.5萬m2的航站樓綜合體，是T1、T2航站樓總面積的3倍。設計良好的機場雨水收集系統(tǒng)對于操作安全性和效率以及路面耐久性至關重要，從跑道、滑行道、停機坪、停車場等方面考慮雨水采集與處理的整體流程。

雨水收集系統(tǒng)分為5個主要子系統(tǒng)，包括（1）收集系統(tǒng)；（2）處理系統(tǒng)；（3）存儲系統(tǒng)；（4）分配系統(tǒng)；（5）補水系統(tǒng)。收集系統(tǒng)由集水區(qū)和管道組成，用于收集雨水并將其輸送到處理系統(tǒng)。其主要目的是從集水區(qū)收集最大數(shù)量的水，并造成最小污染，第二階段或處理系統(tǒng)改善了雨水的質量，使其質量符合非飲用水或飲用水標準。雨水產量和消耗量之間的平衡是通過存儲系統(tǒng)實現(xiàn)的，該系統(tǒng)包括一個可以保持水質的儲罐，配電系統(tǒng)關注的是將收集的水從儲存設施供應到最終用途，當雨水不足以滿足需求時，備用系統(tǒng)提供替代水源，從而確保持續(xù)可靠的供水。因此，在典型的雨水收集系統(tǒng)中，來自集水區(qū)的初始沖洗被稱為“第一次沖洗轉移”，這有助于避免過量濃度的懸浮固體，病原體和有機物進入儲罐中，然后安裝過濾器，以避免儲罐中出現(xiàn)粗的雜質，這種過濾被稱為“粗過濾”。下一階段包括過濾器，可消除可能與病原體相關的小顆粒，在治療的最后階段，使用紫外線和/或化學品進行消毒。分配可以直接分配到最終使用點或連接到最終使用點的公共儲罐，用于再利用收集雨水的處理方法還取決于其使用目的和收集的雨水的質量，這取決于該地區(qū)的集水區(qū)表面和大氣特征，雨水可能被灰塵、化學亞氮和微生物污染。

研究表明，從屋頂收集的雨水質量令人滿意，可用于非飲用用途，在某些情況下，甚至不需要緩慢過濾。處理過程由各種過濾器組成，其中不同的過程去除不同類型的污染物。第一階段包括物理篩選和快速沉降過程，以去除粗糙的沉積物。第二階段涉及沉淀和過濾，以去除懸浮固體，營養(yǎng)物質和金屬。第三階段包括增強的沉淀，過濾，生物吸收和吸收。處理雨水的典型方法是第一次沖洗的轉移和使用過濾器來保留粗顆粒。因此，在第一階段，大顆粒大小的顆粒被去除，下一階段涉及去除小懸浮顆粒。一種常用的技術是慢速砂過濾，然后進行氯化。這種技術以2.25和3.92的對數(shù)單位去除大腸桿菌（大腸桿菌），去除99.997%隱孢子蟲卵囊。袋式過濾器和筒式過濾器可用于去除寄生蟲；微濾可以去除寄生蟲和一些細菌；超濾膜可以去除寄生蟲，細菌以及一些病毒，納米過濾膜也可以去除所有病毒。紫外線是消毒的好選擇，但只有當所有病原體都正確暴露于紫外線時才有效。

4.雨水收集質量的改善措施

4.1 評價雨水質量的常見指標

一些常見指示可以用于評價雨水質量，包括：pH值、生物需氧量（BOD）、化學需氧量（COD）、電導率（EC）、硬度、堿度、總溶解固體（TDS）、總懸浮固體（TSS）、大腸桿菌、柴油和汽油、BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）、總重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Sn和Zn）、金屬元素Al、Fe、Mg的含量，對于乙苯和鄰二甲苯的濃度應為<1μg/L和<2μg/L。重金屬如Hg應為<0.001mg/L，As和Cd應為<0.01mg/L，Pb、Cr、Mn、Cu、Ni和Ag應為< 0.05mg/L，Sn和Ba應為<0.5mg/L。pH值應為6.5～8.5。水的濁度也應為<1比濁單位。

4.2 除冰溶劑乙二醇的處理辦法

當機場地表徑流通過下水道系統(tǒng)送到處理設施時，除冰的污水處理系統(tǒng)就會發(fā)揮作用。如果使用好氧或厭氧分解的處理設施建在機場本身，并且徑流在排放到下水道系統(tǒng)之前經(jīng)過處理，則稱為現(xiàn)場系統(tǒng)。乙二醇回收技術使用標準方法從收集的水中除去水、懸浮固體、表面活性劑等。過濾、絮凝、蒸發(fā)、蒸餾和反滲透等各種技術用于乙二醇回收。當徑流中乙二醇的濃度非常高，通常超過 5%時，此類技術非常有用。好氧處理過程通常是能源密集型的，會產生大量需要在處置前進行處理的污泥。在厭氧處理系統(tǒng)的情況下，污染產物被發(fā)酵成甲烷和二氧化碳以及相對較少量的污泥。這些過程中產生的甲烷氣體可用作燃料。由于除冰廢水通常缺乏營養(yǎng)物質，并且具有很高的生物需氧量，因此厭氧系統(tǒng)在這種情況下特別有用。此外，由于除冰系統(tǒng)在冬季使用，因此可以通過儲存廢水來優(yōu)化處理廠，以便處理廠可以全年運行。厭氧植物的自然降解較少，因此，廢水可以很容易地儲存，這些系統(tǒng)的缺點是硫化氫的緩慢降解速率和產量，乙二醇在土壤中迅速降解，因此土壤處理系統(tǒng)通常用于處理除冰徑流。地下水和土壤中存在的微生物可以在3d內降解乙二醇。

4.3 具備自清潔功能的雨水過濾方法

設計具備自清潔功能的雨水過濾系統(tǒng)，實現(xiàn)如下功能：可調節(jié)的處理效率以滿足各種水質標準；無能源消耗；維護要求低；對建筑物中現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)適應性強、低成本。為了符合這些特點，過濾概念需要一種創(chuàng)新但簡單的方法，重點是使用市場上可用的液壓元件。由于此類系統(tǒng)的重量和占地面積，未考慮砂濾過程。順流過濾也被忽略，因為使用這種配置的顆粒可能會沉淀在過濾介質上。因此，這種配置可能會導致過濾介質的頻繁清潔操作，這可能會增加維護、能源和反沖洗水的需求。關鍵操作階段的過濾概念包括待機階段、過濾階段、反沖洗階段和重置階段。在沒有降雨事件期間保持備用，用于雨水過濾。當雨水進入入口，向下流入落水管時，它開始過濾過程。下水管通常存在于建筑物的雨水排水系統(tǒng)中，這有助于使用所提出的概念安裝過濾系統(tǒng)。原雨水向上流方向通過過濾介質，其中的碎屑被截留，處理后的雨水通過處理后的雨水出口分流至雨水儲罐。當儲水箱達到最大容量時，處理過的雨水出口被浮球閥關閉，因此系統(tǒng)中的水位上升。這會促進反沖洗出口的打開，逆轉系統(tǒng)中的流動并用處理過的雨水清潔過濾介質。系統(tǒng)完全排水后，反沖洗出口關閉，系統(tǒng)重新設置，重新開始原雨水過濾。如果未處理的雨水仍然通過系統(tǒng)入口進入，而儲存雨水箱已滿，系統(tǒng)將執(zhí)行多次反沖洗，從而突然逆轉系統(tǒng)雨水流動。由于快速流動反轉和高排放流速，會在過濾介質中產生液壓沖擊，這2個特征都旨在以更有效的方式去除過濾介質中保留的碎屑。為了在沒有電子設備的情況下自動啟動反沖洗階段，基于水位上升增加液壓。因此，反沖洗出口打開，隨著壓力增加促進過濾介質的反沖洗。

5.結論

以武漢天河機場為例，分析了機場雨水的特征和收集要點，設計消耗平衡模型，用于評估機場雨水收集潛力的成本和可靠性參數(shù)，通過設計合理的雨水收集系統(tǒng)的5個方面，包括收集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、分配系統(tǒng)和補水系統(tǒng)，解決了機場的水資源消耗問題。研究成果為國內外大型機場的雨水收集與處理提供了設計思路和參考案例。