基于消耗平衡模型的机场雨水收集系统设计研究

赵颖

（湖北机场集团有限公司武汉天河机场，湖北武汉 430302）

0.引言

社会对移动性的需求每天都在增加，航空旅行正迅速成为货物和人员的首选运输方式。全球化和世界经济的一体化导致跨境贸易增加，大量昂贵的货物运输是通过空运进行的。根据美国航空协会市场研究报告，2022—2030年，客运量将以平均5.3%的速度继续增长，而货运量将以5.9%的速度增长。因此，机场的规模和数量正在快速增长。许多大城市不得不依靠多个机场系统来满足这种不断增长的需求。二线城市也出现了大量较小的机场，以提供与遥远地区的快速连接。

大规模的工业化和生活水平的提高给环境资源带来了巨大压力。可持续性被定义为“在不损害子孙后代满足自身需求能力的情况下，满足当前需求的发展”，且已成为全球各国发展的重要主题。在新机场的建设和现有机场的升级过程中，这种可持续性概念也被考虑在内，预计这将导致自然资源保护政策的实施。具体而言，机场可持续性被定义为保护环境、社会进步以及维持稳定的经济增长和就业水平，尽量减少对环境的有害影响，包括飞机设计以及机场的设计、建造和运营等各方面。因此，大多数新建或翻新的机场都在采用环境管理计划，水资源的利用成为关键议题。水是一种稀缺资源，其保护、合理使用和再利用，已经得到世界各地监管机构的强制要求。机场消耗大量的水，因此在机场实施水资源保护战略非常重要。

机场的主要用水量通常与拥有数千个居民的城市的用水量相匹配，例如伦敦希思罗机场（英国）的用水需求相当于一个拥有34000人口的城市的用水量。亚特兰大（美国）哈茨菲尔德-杰克逊国际机场的用水需求相当于一个拥有15000名居民的城市。机场的大部分用水量用于非饮用水，如景观灌溉、飞机和铺砌区域的清洁，空调和厕所。雨水越来越多地用于部分满足这种非罐装水需求。机场拥有大型集水区，以屋顶和简易机场的形式存在，由于表面保持良好清洁，可以收集雨水、杂质很少，机场是实施雨水收集技术的最佳场所。收集的雨水在使用之前需要处理，使雨水处理成为一个广泛的研究领域。

多年来，各种雨水处理方法不断发展，近年来对这些方法进行了广泛的研究。本文回顾全世界各机场正在使用的一些处理方法，并设计消耗平衡模型用于评估这些系统的可行性、可靠性和效率。

1.雨水收集系统的影响因素

雨水可以溶解各种气体，如二氧化碳、二氧化氮和二氧化硫，以及大气中的烟灰和微观颗粒等污染物。在径流过程中，它被树枝、树叶、灰尘、鸟类和动物粪便，昆虫、杀虫剂、除草剂和其他寄生虫，细菌和病毒污染。它与塑料、溶剂、汽油、油脂和油接触，这些塑料、溶剂、汽油和油，用挥发性有机化学物质污染水。无机盐如碳酸钙、碳酸氢钠、氯化钠和硫酸镁会改变水的味道并影响其硬度。雨水也可能被石棉污染，这是非常危险的。有毒金属，如铅、砷，其他如铜、铁和锰，也会影响其味道、外观和安全。表1说明了在收集的雨水中发现的一些污染物及其影响。它可能还含有非致病性生物，如原生动物、藻类、细菌和病毒以及致病生物。非致病性生物会干扰收获和处理设施，例如，高浓度的藻类会使水变粘并堵塞用于处理水的过滤器。真菌和细菌也可能在水管中定植，影响适当的水流。病原体包括寄生虫，如贾第鞭毛虫、小隐孢子虫和刚地弓形虫，以及弯曲杆菌、沙门氏菌、钩端螺旋体、大肠杆菌和汉坦病毒等。

表1 雨水中污染物的种类和影响

机场收集雨水的另一个重要影响因素是除冰剂和防冰剂的作用。在寒冷天气的机场需要除冰，以确保安全旅行。除冰用于清除飞机机翼、方向舵和机身的积雪和冰。冰或冰在飞机上的沉积会扰乱空气动力学，导致阻力增加、失速速度和升力损失，这也可能导致音高特性异常。除冰液通常分为2类：一类是用水稀释加热的乙二醇。这种混合物也被称为牛顿流体，因为它们的粘性与水相似。第二类包括非牛顿流体，如未加热和未稀释的丙二醇基流体，如半凝明胶。这些液体用于防止雪或雨夹雪的进一步积聚。此外，许多机场使用尿素或醋酸盐或甲酸盐基化合物来除冰跑道。这种除冰器也适用于飞机的机身，因为即使是少量的冰/雨夹雪也会影响飞机的空气动力学，这些除冰剂和防冰剂对环境有害。一些研究测量到BOD5在机场径流中高达245000mg/L，氨是由于施用尿素而产生的，对水生生物是危险的，因此，机场面临着维护公共安全和保护环境的双重挑战。这些除冰和防冰产品也应该在实施雨水处理系统时进行处理。雨水收集过程复杂，采用技术进行系统的有效设计。实施雨水收集系统的第一步是制作一个模型来模拟雨水在流域中的运动，以响应降水和流域条件。数值建模被广泛用于预测雨水和雨水收集技术的可行性和可靠性。

2.消耗平衡模型

2.1 用水量参数估计

通过对武汉天河国际机场（IATA：WUH）实施雨水处理系统的可行性研究，评估雨水箱耗水量和节水潜力。该机场位于中国湖北省武汉市黄陂区，距武汉市中心25km，是中国中部首家4F级民用国际机场，它有85000m2的屋顶，80000m2跑道和铺砌区域。通过使用访谈法来确定样本的用水量参数。

n ≥ (1/ε2)·N/((1/ε2)+N)

其中：N是总体大小，n是样本大小，ε是可接受的样本误差。

每天上厕所的水量是估计：C1=fQ

其中：C1是每日用水量（L/d），f是用厕所的频率（次数/d），Q是马桶流量（L/冲水）。

同样，每日清水消耗量为：C2=fNbVb

其中：C2是清洁消耗量（L/d），f是每日清洗频率（次/d），Nb是使用的铲斗数（铲斗/时间），Vb是铲斗的体积（L/铲斗）。

每日灌溉用水量：C3=fidQiNd

其中：C3是每日灌溉用水量（L/d），fi是每月灌溉频率（次数/月），d是每个灌溉事件的持续时间（min/时间），Qi是流速（L/min），Nd是当月天数。

每日非饮用水量是根据建筑物的每月消耗数据估算的。上述方法被用来计算节水潜力，以评估各种尺寸的水箱的可靠性、成本和效率。

2.2 可储存的雨水量预测

采用如下公式计算可储存的雨水量：S(t)=RV+S(t-1)-D-EL-L。

其中：S(t)是第td累计储存的水（ms），RV是收集的雨水量，D是每日非饮用水，EL是蒸发损失，L代表其他损失。

收集效率定义为：E=((D-es)×100)/D。

其中：E是雨水满足需求的百分比，D是年需求（ms），es是外部供应（ms）。

可靠性定义为：R=N-U/N

其中：N表示总天数，U是储水罐无法满足需求的天数。

2.3 综合平衡模型

首先，采用回归曲线，综合平衡雨水收集（RWH）系统的大小，使用过去降雨数据的每日质量平衡模拟来评估RWHS的流入，流出和储水罐尺寸的变化。

其次，使用净现值法（NPV法）实施经济分析，计算雨水收集系统的投资回报率，该方法采用过滤和氯化法来净化被污染的雨水。详细分析表明，通过安装1000m3的雨水箱可以实现78%～100%的节水，估计最大投资回收期约为23年，玻璃纤维罐更适合体积小于100m3的储罐。Ribeiro等人研究了巴西圣保罗国际机场（SPIA）降雨水对非饮用水的再利用潜力，分析雨水水样的物理化学和微生物特征，发现收集的样品不含有害浓度的挥发性芳香烃，多环芳烃、砷、铬、汞和镉。因此，雨水被证明是一种可行的替代物，可以节省机场整个水资源的近25%。

3.实施雨水收集系统

武汉天河机场按照年旅客吞吐量3500万人次、货邮吞吐量44万t、飞机起降40.4万架的目标进行规划设计。航站楼面积37万m2，与10.15万m2综合交通配套设施和2.35万m2生产辅助设施一起，形成了49.5万m2的航站楼综合体，是T1、T2航站楼总面积的3倍。设计良好的机场雨水收集系统对于操作安全性和效率以及路面耐久性至关重要，从跑道、滑行道、停机坪、停车场等方面考虑雨水采集与处理的整体流程。

雨水收集系统分为5个主要子系统，包括（1）收集系统；（2）处理系统；（3）存储系统；（4）分配系统；（5）补水系统。收集系统由集水区和管道组成，用于收集雨水并将其输送到处理系统。其主要目的是从集水区收集最大数量的水，并造成最小污染，第二阶段或处理系统改善了雨水的质量，使其质量符合非饮用水或饮用水标准。雨水产量和消耗量之间的平衡是通过存储系统实现的，该系统包括一个可以保持水质的储罐，配电系统关注的是将收集的水从储存设施供应到最终用途，当雨水不足以满足需求时，备用系统提供替代水源，从而确保持续可靠的供水。因此，在典型的雨水收集系统中，来自集水区的初始冲洗被称为“第一次冲洗转移”，这有助于避免过量浓度的悬浮固体，病原体和有机物进入储罐中，然后安装过滤器，以避免储罐中出现粗的杂质，这种过滤被称为“粗过滤”。下一阶段包括过滤器，可消除可能与病原体相关的小颗粒，在治疗的最后阶段，使用紫外线和/或化学品进行消毒。分配可以直接分配到最终使用点或连接到最终使用点的公共储罐，用于再利用收集雨水的处理方法还取决于其使用目的和收集的雨水的质量，这取决于该地区的集水区表面和大气特征，雨水可能被灰尘、化学亚氮和微生物污染。

研究表明，从屋顶收集的雨水质量令人满意，可用于非饮用用途，在某些情况下，甚至不需要缓慢过滤。处理过程由各种过滤器组成，其中不同的过程去除不同类型的污染物。第一阶段包括物理筛选和快速沉降过程，以去除粗糙的沉积物。第二阶段涉及沉淀和过滤，以去除悬浮固体，营养物质和金属。第三阶段包括增强的沉淀，过滤，生物吸收和吸收。处理雨水的典型方法是第一次冲洗的转移和使用过滤器来保留粗颗粒。因此，在第一阶段，大颗粒大小的颗粒被去除，下一阶段涉及去除小悬浮颗粒。一种常用的技术是慢速砂过滤，然后进行氯化。这种技术以2.25和3.92的对数单位去除大肠杆菌（大肠杆菌），去除99.997%隐孢子虫卵囊。袋式过滤器和筒式过滤器可用于去除寄生虫；微滤可以去除寄生虫和一些细菌；超滤膜可以去除寄生虫，细菌以及一些病毒，纳米过滤膜也可以去除所有病毒。紫外线是消毒的好选择，但只有当所有病原体都正确暴露于紫外线时才有效。

4.雨水收集质量的改善措施

4.1 评价雨水质量的常见指标

一些常见指示可以用于评价雨水质量，包括：pH值、生物需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、电导率（EC）、硬度、碱度、总溶解固体（TDS）、总悬浮固体（TSS）、大肠杆菌、柴油和汽油、BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）、总重金属（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Sn和Zn）、金属元素Al、Fe、Mg的含量，对于乙苯和邻二甲苯的浓度应为<1μg/L和<2μg/L。重金属如Hg应为<0.001mg/L，As和Cd应为<0.01mg/L，Pb、Cr、Mn、Cu、Ni和Ag应为< 0.05mg/L，Sn和Ba应为<0.5mg/L。pH值应为6.5～8.5。水的浊度也应为<1比浊单位。

4.2 除冰溶剂乙二醇的处理办法

当机场地表径流通过下水道系统送到处理设施时，除冰的污水处理系统就会发挥作用。如果使用好氧或厌氧分解的处理设施建在机场本身，并且径流在排放到下水道系统之前经过处理，则称为现场系统。乙二醇回收技术使用标准方法从收集的水中除去水、悬浮固体、表面活性剂等。过滤、絮凝、蒸发、蒸馏和反渗透等各种技术用于乙二醇回收。当径流中乙二醇的浓度非常高，通常超过 5%时，此类技术非常有用。好氧处理过程通常是能源密集型的，会产生大量需要在处置前进行处理的污泥。在厌氧处理系统的情况下，污染产物被发酵成甲烷和二氧化碳以及相对较少量的污泥。这些过程中产生的甲烷气体可用作燃料。由于除冰废水通常缺乏营养物质，并且具有很高的生物需氧量，因此厌氧系统在这种情况下特别有用。此外，由于除冰系统在冬季使用，因此可以通过储存废水来优化处理厂，以便处理厂可以全年运行。厌氧植物的自然降解较少，因此，废水可以很容易地储存，这些系统的缺点是硫化氢的缓慢降解速率和产量，乙二醇在土壤中迅速降解，因此土壤处理系统通常用于处理除冰径流。地下水和土壤中存在的微生物可以在3d内降解乙二醇。

4.3 具备自清洁功能的雨水过滤方法

设计具备自清洁功能的雨水过滤系统，实现如下功能：可调节的处理效率以满足各种水质标准；无能源消耗；维护要求低；对建筑物中现有的液压系统适应性强、低成本。为了符合这些特点，过滤概念需要一种创新但简单的方法，重点是使用市场上可用的液压元件。由于此类系统的重量和占地面积，未考虑砂滤过程。顺流过滤也被忽略，因为使用这种配置的颗粒可能会沉淀在过滤介质上。因此，这种配置可能会导致过滤介质的频繁清洁操作，这可能会增加维护、能源和反冲洗水的需求。关键操作阶段的过滤概念包括待机阶段、过滤阶段、反冲洗阶段和重置阶段。在没有降雨事件期间保持备用，用于雨水过滤。当雨水进入入口，向下流入落水管时，它开始过滤过程。下水管通常存在于建筑物的雨水排水系统中，这有助于使用所提出的概念安装过滤系统。原雨水向上流方向通过过滤介质，其中的碎屑被截留，处理后的雨水通过处理后的雨水出口分流至雨水储罐。当储水箱达到最大容量时，处理过的雨水出口被浮球阀关闭，因此系统中的水位上升。这会促进反冲洗出口的打开，逆转系统中的流动并用处理过的雨水清洁过滤介质。系统完全排水后，反冲洗出口关闭，系统重新设置，重新开始原雨水过滤。如果未处理的雨水仍然通过系统入口进入，而储存雨水箱已满，系统将执行多次反冲洗，从而突然逆转系统雨水流动。由于快速流动反转和高排放流速，会在过滤介质中产生液压冲击，这2个特征都旨在以更有效的方式去除过滤介质中保留的碎屑。为了在没有电子设备的情况下自动启动反冲洗阶段，基于水位上升增加液压。因此，反冲洗出口打开，随着压力增加促进过滤介质的反冲洗。

5.结论

以武汉天河机场为例，分析了机场雨水的特征和收集要点，设计消耗平衡模型，用于评估机场雨水收集潜力的成本和可靠性参数，通过设计合理的雨水收集系统的5个方面，包括收集系统、处理系统、存储系统、分配系统和补水系统，解决了机场的水资源消耗问题。研究成果为国内外大型机场的雨水收集与处理提供了设计思路和参考案例。