結(jié)合透水混凝土路面的垂直流水平流組合人工濕地雨水收集處理系統(tǒng)設(shè)計.doc

結(jié)合透水混凝土路面的垂直流水平流組合人工濕地雨水收集處理系統(tǒng)設(shè)計 丁權(quán)福DINGQuan-fu；唐碩TANGShuo；姜慧JIANGHui；趙云科ZHAOYun-ke； 魏夢可WEIMeng-ke；孫加亮SUNJia-liang；丁永昌DINGYong-chang；徐棟棟XUDong-dong （徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院，徐州221008） 摘要：本文重點闡述了一種結(jié)合透水混凝土路面的垂直流水平流組合人工濕地系統(tǒng)的設(shè)計，通過人工濕地填料、植物選擇及搭配來改善人工濕地系統(tǒng)處理污水的物理、生物、化學(xué)反應(yīng)，從而提高系統(tǒng)對收集的雨水凈化處理能力。 關(guān)鍵詞：透水混凝土路面；人工濕地；雨水收集處理 ：TU528.37：A：1006-4311（xx）17-0253-03 基金項目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（xx11998056Y）；徐州工程學(xué)院大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（XCXxx056）。 作者簡介：丁權(quán)福（1994-），男，江蘇淮安人，徐州工程學(xué)院本科在讀，主要從事工程結(jié)構(gòu)、節(jié)能材料方向的研究。 0引言 人工濕地是根據(jù)天然濕地凈化污水的原理，通過人工建造和監(jiān)督控制來強化其凈化污水的能力，在建造和設(shè)計人工濕地過程中，可以對進出水方式、填料和植物進行選擇和搭配來優(yōu)化人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的物理、生物、化學(xué)作用，通過三個方面的協(xié)同作用來去除水中的污染物，使得水質(zhì)得到凈化。結(jié)合透水混凝土路面設(shè)計的人工濕地不僅可以充分發(fā)揮透水混凝土本身多孔的性質(zhì)在降低噪聲污染、緩解熱島效應(yīng)具有一定作用，還可以有效收集處理雨水，具有較高的經(jīng)濟價值與環(huán)境效益。 1雨水及污水的收集處理系統(tǒng)的設(shè)計 一方面將屋面雨水通過雨落管導(dǎo)入到透水混凝土路面，通過透水混凝土路面沉降至調(diào)蓄池,另一方面地表徑流產(chǎn)生的雨水也通過透水混凝土路面沉降至調(diào)蓄池。系統(tǒng)的工藝流程雨水透水混凝土路面調(diào)蓄池垂直流人工濕地水平流人工濕地出水回收利用。（圖1） 1.1收集雨水的透水混凝土路面設(shè)計透水混凝土路面的結(jié)構(gòu)從上至下依次為透水混凝土面層、透水混凝土結(jié)構(gòu)層、級配碎石基層、土基。在透水混凝土結(jié)構(gòu)層與級配碎石基層之間鋪設(shè)集水管，集水管與調(diào)蓄池（儲水池）相連便于導(dǎo)水（如圖2），同時在集水管口設(shè)置過濾裝置，避免雨水夾雜的物質(zhì)進入管道影響導(dǎo)水能力。 曹露春，張志軍等人研究的一種煤矸石骨料代替天然骨料生產(chǎn)制備的煤矸石透水混凝土，最大抗壓強度可達到34.7MPa，最大透水系數(shù)可達到0.49cm/s，滿足一般輕載路面承載要求，可在小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等場所的人行道、停車場可采用透水混凝土鋪裝。小區(qū)停車場兩邊路肩可埋設(shè)滲透導(dǎo)水管，進入透水混凝土路面的雨水可通過滲透導(dǎo)水管進入調(diào)蓄池（如圖3，4所示）。透水混凝土路面可采用彩色透水混凝土，便于圖案設(shè)計，美觀大方。 1.2透水混凝土路面雨水收集能力設(shè)計 透水混凝土的滲水能力主要是由透水混凝土面層的孔隙率決定的，計算公式為： V=hF 式中：V透水路面面層中緩存水的體積，（m3）；h透水面層厚度，（m）；透水路面表觀孔隙率；F匯水面積。 如果設(shè)計孔隙率為25%的透水混凝土面層厚度是100mm，采用普通碎石鋪設(shè)的透水混凝土結(jié)構(gòu)層孔隙率為40%，厚度為150mm，那么透水混凝土路面額定存儲雨水量將是85mm（25%100mm+40%150mm=85mm）的降水1。 雨天多孔透水性鋪裝孔隙率的水達到飽和狀態(tài)時，路面的滲水能力采用達西公式表示： V=KI 式中：V雨天滲透速率，（cm/s）；I水力坡降；K滲透系數(shù)（cm/s）。 對于多孔性路面，水力坡降約為1，所以V=K，若降雨強度為80mm/h，則要求滲透速度約為2.2210-3cm/s。這要求路面本身需要的滲透系數(shù)為2.2210-3cm/s的透水能力。 2垂直流水平流組合人工濕地系統(tǒng)設(shè)計 垂直流水平流組合人工濕地最早應(yīng)用于法國的Bohaire和英國的Oakland公園2。微生物的硝化/反硝化作用是人工濕地脫氮的最主要形式，除此之外，人工濕地脫氮還包括氨的揮發(fā)、介質(zhì)沉淀吸附、植物吸收等形式。通常在水平流濕地里，很難進行有機物的降解、硝化作用和基質(zhì)的吸收，這是因為在水平流人工濕地中主要是缺氧、厭氧環(huán)境，但是垂直流濕地則不同，它具有很高的氨傳遞能力，系統(tǒng)的硝化能力顯著增強，但是反硝化能力不足，面對這一狀況，通過垂直流水平流組合人工濕地，把水平流和垂直流的優(yōu)點結(jié)合起來，取長補短，在水平流段完成反硝化，垂直流完成氨氮的硝化，如此可有效提高系統(tǒng)的脫氮效果。硝化是限制人工濕地系統(tǒng)脫氮作用的主要因素，根據(jù)華萊士觀點，設(shè)計強制通風(fēng)式、間歇交替使用式和垂直流式的人工濕地慮床設(shè)計結(jié)構(gòu)，促進根莖的快速成長3。一方面可以降低濕地進水污染負荷、采用間歇式進水原則；或者通過增加種植植物密度來提高植物的根系充氧作用，這些都有助于改變系統(tǒng)內(nèi)的氧狀態(tài)。多點進水改善處理效果，使得植物生長均勻，促進根系深入等，通過這些強化措施大大提高了人工濕地硝化能力。（圖5） 2.1人工濕地床填料的選擇人工濕地的基質(zhì)不僅是水生植物和微生物生長的載體，也能夠有效凈化污染物?，F(xiàn)階段應(yīng)用比較多的是塑料填料、土壤填料、爐渣填料、卵石填料、活性炭填料、塑料填料、陶瓷填料、自然巖石與礦物填料等。人工濕地填料選擇主要考慮以下幾個方面的內(nèi)容：選取質(zhì)量較輕，有一定的機械強度；材料比表面積大且孔隙率較高；具有良好的表面帶電特性；水頭損失小，水力負荷高，工作周期長且有一定的經(jīng)濟價值。 2.2植物選擇及栽種方式植物的選擇：人工濕地的常用植物種類繁多，目前已經(jīng)證明能夠使用在人工濕地的植物達到幾十種，一般包括挺水型植物、浮葉型植物、漂浮型植物、沉水型植物。主要是蘆葦、燈芯草、香蒲、風(fēng)車草、鳳眼蓮、水蔥等。濕地植物的選擇不僅要考慮地帶性、地域性種類，還應(yīng)該與小區(qū)建設(shè)及濕地園林化建設(shè)相結(jié)合，植物的篩選主要從以下幾個方面考慮：根系發(fā)達，具有較好的傳遞氧能力；能忍受較大范圍內(nèi)的含鹽量、溫度和PH值；具有一定的美學(xué)和經(jīng)濟價值，發(fā)揮著美化、綠化環(huán)境的作用；抗熱、抗凍、抗病蟲害能力。 以徐州地區(qū)為例，徐州地處溫帶季風(fēng)性氣候，氣候溫和，雨量適中，具有寒暑變化顯著、四季分明的特征。夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒潮頻襲的條件下香蒲、蓮荷、蘆葦、風(fēng)車草、水生美人蕉等水生植物較為合適。 單一植物如果受到氣候、蟲害等大范圍的影響，很可能造成不可估量的損失，因此必須注重植物的多樣性和適應(yīng)性，建議采用混合種植的方式，同時混合型植物種植可以配合其他微生物形成較為復(fù)雜的食物網(wǎng)，對污水處理起到良好的作用。同時植物的種植密度也會較大影響人工濕地的除污效果。栽種植物的深度應(yīng)根據(jù)人工濕地床的深度而定。栽種植物應(yīng)注意植物種植密度，種植密度過大或者多小都不利于植物的生長，應(yīng)該科學(xué)栽種植物，合理植物種植密度。 2.3幾個重要參數(shù)的計算 水力負荷：=Q/As 式中：Q設(shè)計處理雨水及污水流量，（m3/d）；As濕地面積。水力負荷的取值應(yīng)視特定的氣候、土壤條件和植物類型等因素確定。有研究表明5，最佳的水力負荷取值范圍在187m3/（dhm2）374/（dhm2）。 水力停留時間：t=Ashe/Q 式中：As濕地面積；h填料厚度；e填料孔隙率；Q設(shè)計處理雨水及污水流量，（m3/d）。水力停留時間（HRT）對于人工濕地系統(tǒng)來說是很重要的設(shè)計參數(shù)，水力停留時間會隨著濕地面積的增大而增長，在處理水量和濕地深度確定時應(yīng)充分考慮這一問題。太陽能是人工濕地去除污染物的主要能量，由此我們發(fā)現(xiàn)那些處理效果好的濕地通常面積都很大，因為只有人工濕地占面積大了其系統(tǒng)獲得的能量流才會多6，7。 3系統(tǒng)工程生態(tài)效益及應(yīng)用前景分析 雨水利用是水資源綜合利用的一個新的系統(tǒng)工程，具有良好的節(jié)水效能和環(huán)境生態(tài)效益。透水混凝土與人工濕地的結(jié)合改變了過去人工濕地單純處理污水的局面，在小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院等大型場所的應(yīng)用可以減少對市政自來水的需求量，具有一定的生態(tài)效益。此外，透水混凝土多孔的物理性質(zhì)使其在緩解熱島效應(yīng)、降低城市噪聲污染、改善出行環(huán)境具有眾多生態(tài)效益。目前我國城市缺水問題日益嚴(yán)重，與此同時，健康住宅、生態(tài)住區(qū)正在迅猛發(fā)展，建筑小區(qū)雨水利用系統(tǒng)以良好的節(jié)水效益和生態(tài)環(huán)境效益適應(yīng)了城市現(xiàn)狀與需求，具有廣闊的應(yīng)用前景8。隨著我國對可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入，人們對環(huán)境污染和治理的觀念也發(fā)生了改變，結(jié)合透水混凝土路面的人工濕地具有較低的投資運行費用、良好的處理雨水及生活污水的能力和顯著的生態(tài)效益等優(yōu)點，成為了水處理技術(shù)的重要發(fā)展方向，未來工程的應(yīng)用必將日趨增多。 4結(jié)論 4.1透水混凝土路面相結(jié)合的人工濕地能夠有效收集處理雨水，處理后的水可以用于洗車、沖廁、澆灌等，是水資源綜合利用的一個新的系統(tǒng)工程，具有良好的節(jié)水效能和環(huán)境生態(tài)效益。 4.2選擇出水方式為垂直流水平流組合的人工濕地的植物根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件選擇混合種植方式、人工濕地床填料可采取礫石、沸石混合搭配可以有效強化濕地的硝化/反硝化作用機理，提高了污水的N、P的去除率。 4.3透水混凝土路面在道路的廣泛應(yīng)用可以有效緩解熱島效應(yīng)、補充緩解地下水，降低噪聲污染提供舒適的出行環(huán)境。 參考文獻： 1吳文玲，宋中南，石云興.透水混凝土路面/人工濕地雨水收集處理系統(tǒng)的設(shè)計J.中國給水排水，xx（9）:46-50. 2USEPA.Constructedwetlandsandaquaticplantsystemsformunicipalwastewatertreatmentmanual.Washington,1988:20-52. 3S華萊士，G帕金，C考思，等.寒冷地區(qū)污水處理的人工濕地設(shè)計與運行J.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，xx（6）：40-42. 4李劍波.強化垂直流水平流組合人工濕地處理生活污水研究D.上海：同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，xx. 5RobertA.Corbitt.StandardHandbookofEnvironmentalEngineeringJ.McGrawHill,1998,6:128-136. 6溫東輝.天然廢水吸附生物再生技術(shù)及其在滇池流域暴