结合透水混凝土路面的垂直流-水平流组合人工湿地雨水收集处理系统设计

丁权福 DING Quan-fu；唐硕 TANG Shuo；姜慧 JIANG Hui；赵云科 ZHAO Yun-ke；

魏梦可 WEI Meng-ke；孙加亮 SUN Jia-liang；丁永昌 DING Yong-chang；徐栋栋 XU Dong-dong

（徐州工程学院土木工程学院，徐州 221008）

摘要：本文重点阐述了一种结合透水混凝土路面的垂直流—水平流组合人工湿地系统的设计，通过人工湿地填料、植物选择及搭配来改善人工湿地系统处理污水的物理、生物、化学反应，从而提高系统对收集的雨水净化处理能力。

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关键词 ：透水混凝土路面；人工湿地；雨水收集处理

中图分类号：[TU528.37] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0253-03

基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201411998056Y）；徐州工程学院大学生实践创新训练计划项目（XCX2014056）。

作者简介：丁权福（1994-），男，江苏淮安人，徐州工程学院本科在读，主要从事工程结构、节能材料方向的研究。

0 引言

人工湿地是根据天然湿地净化污水的原理，通过人工建造和监督控制来强化其净化污水的能力，在建造和设计人工湿地过程中，可以对进出水方式、填料和植物进行选择和搭配来优化人工湿地生态系统的物理、生物、化学作用，通过三个方面的协同作用来去除水中的污染物，使得水质得到净化。结合透水混凝土路面设计的人工湿地不仅可以充分发挥透水混凝土本身多孔的性质在降低噪声污染、缓解热岛效应具有一定作用，还可以有效收集处理雨水，具有较高的经济价值与环境效益。

1 雨水及污水的收集处理系统的设计

一方面将屋面雨水通过雨落管导入到透水混凝土路面，通过透水混凝土路面沉降至调蓄池,另一方面地表径流产生的雨水也通过透水混凝土路面沉降至调蓄池。系统的工艺流程雨水透水混凝土路面调蓄池垂直流人工湿地水平流人工湿地出水回收利用。（图1）

1.1 收集雨水的透水混凝土路面设计 透水混凝土路面的结构从上至下依次为透水混凝土面层、透水混凝土结构层、级配碎石基层、土基。在透水混凝土结构层与级配碎石基层之间铺设集水管，集水管与调蓄池（储水池）相连便于导水（如图2），同时在集水管口设置过滤装置，避免雨水夹杂的物质进入管道影响导水能力。

曹露春，张志军等人研究的一种煤矸石骨料代替天然骨料生产制备的煤矸石透水混凝土，最大抗压强度可达到34.7MPa，最大透水系数可达到0.49cm/s，满足一般轻载路面承载要求，可在小区、医院、学校等场所的人行道、停车场可采用透水混凝土铺装。小区停车场两边路肩可埋设渗透导水管，进入透水混凝土路面的雨水可通过渗透导水管进入调蓄池（如图3，4所示）。透水混凝土路面可采用彩色透水混凝土，便于图案设计，美观大方。

1.2 透水混凝土路面雨水收集能力设计

透水混凝土的渗水能力主要是由透水混凝土面层的孔隙率决定的，计算公式为：

V=hFα

式中：V—透水路面面层中缓存水的体积，（m3）；h—透水面层厚度，（m）；α—透水路面表观孔隙率；F—汇水面积。

如果设计孔隙率为25%的透水混凝土面层厚度是100mm，采用普通碎石铺设的透水混凝土结构层孔隙率为40%，厚度为150mm，那么透水混凝土路面额定存储雨水量将是85mm（25%×100mm+40%×150mm=85mm）的降水[1]。

雨天多孔透水性铺装孔隙率的水达到饱和状态时，路面的渗水能力采用达西公式表示：

V=K·I

式中：V—雨天渗透速率，（cm/s）；I—水力坡降；K—渗透系数（cm/s）。

对于多孔性路面，水力坡降约为1，所以V=K，若降雨强度为80mm/h，则要求渗透速度约为2.22×10-3cm/s。这要求路面本身需要的渗透系数为2.22×10-3cm/s的透水能力。

2 垂直流—水平流组合人工湿地系统设计

垂直流—水平流组合人工湿地最早应用于法国的Bohaire和英国的Oakland公园[2]。微生物的硝化/反硝化作用是人工湿地脱氮的最主要形式，除此之外，人工湿地脱氮还包括氨的挥发、介质沉淀吸附、植物吸收等形式。通常在水平流湿地里，很难进行有机物的降解、硝化作用和基质的吸收，这是因为在水平流人工湿地中主要是缺氧、厌氧环境，但是垂直流湿地则不同，它具有很高的氨传递能力，系统的硝化能力显著增强，但是反硝化能力不足，面对这一状况，通过垂直流—水平流组合人工湿地，把水平流和垂直流的优点结合起来，取长补短，在水平流段完成反硝化，垂直流完成氨氮的硝化，如此可有效提高系统的脱氮效果。硝化是限制人工湿地系统脱氮作用的主要因素，根据华莱士观点，设计强制通风式、间歇交替使用式和垂直流式的人工湿地虑床设计结构，促进根茎的快速成长[3]。一方面可以降低湿地进水污染负荷、采用间歇式进水原则；或者通过增加种植植物密度来提高植物的根系充氧作用，这些都有助于改变系统内的氧状态。多点进水改善处理效果，使得植物生长均匀，促进根系深入等，通过这些强化措施大大提高了人工湿地硝化能力。（图5）

2.1 人工湿地床填料的选择 人工湿地的基质不仅是水生植物和微生物生长的载体，也能够有效净化污染物。现阶段应用比较多的是塑料填料、土壤填料、炉渣填料、卵石填料、活性炭填料、塑料填料、陶瓷填料、自然岩石与矿物填料等。人工湿地填料选择主要考虑以下几个方面的内容：选取质量较轻，有一定的机械强度；材料比表面积大且孔隙率较高；具有良好的表面带电特性；水头损失小，水力负荷高，工作周期长且有一定的经济价值。

由于沸石晶体存在很多的孔穴和孔道，造成其比表面积很大，再加上其特殊的分子结构形成的较大静电引力，导致沸石的应力场很大。当沸石内部的孔穴和孔道一旦有“空缺”时，沸石就会对SO2、NH3、NO2及某些有机蒸汽的砌体吸附更为有效，另一方面沸石带有负电荷和较高的离子交换能力，所以沸石可作为离子交换树脂用来去除废水中的。沸石填料虽然在脱氮方面很有优势，但是在除磷方面劣势很大，远低于砾石[4]。研究表明：砾石有较强的除磷能力。砾石结构稳定，经过机械加工后粒径均匀，比表面积大，价格便宜，综合二者性质，考虑湿地系统的工程造价，人工湿地床填料可采用混合填料搭配，主要以砾石为主，辅助以沸石填充。

2.2 植物选择及栽种方式 植物的选择：人工湿地的常用植物种类繁多，目前已经证明能够使用在人工湿地的植物达到几十种，一般包括挺水型植物、浮叶型植物、漂浮型植物、沉水型植物。主要是芦苇、灯芯草、香蒲、风车草、凤眼莲、水葱等。湿地植物的选择不仅要考虑地带性、地域性种类，还应该与小区建设及湿地园林化建设相结合，植物的筛选主要从以下几个方面考虑：①根系发达，具有较好的传递氧能力；②能忍受较大范围内的含盐量、温度和PH值；③具有一定的美学和经济价值，发挥着美化、绿化环境的作用；④抗热、抗冻、抗病虫害能力。

以徐州地区为例，徐州地处温带季风性气候，气候温和，雨量适中，具有寒暑变化显着、四季分明的特征。夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒潮频袭的条件下香蒲、莲荷、芦苇、风车草、水生美人蕉等水生植物较为合适。

单一植物如果受到气候、虫害等大范围的影响，很可能造成不可估量的损失，因此必须注重植物的多样性和适应性，建议采用混合种植的方式，同时混合型植物种植可以配合其他微生物形成较为复杂的食物网，对污水处理起到良好的作用。同时植物的种植密度也会较大影响人工湿地的除污效果。栽种植物的深度应根据人工湿地床的深度而定。栽种植物应注意植物种植密度，种植密度过大或者多小都不利于植物的生长，应该科学栽种植物，合理植物种植密度。

2.3 几个重要参数的计算

水力负荷：α=Q/As

式中：Q—设计处理雨水及污水流量，（m3/d）；As—湿地面积。水力负荷的取值应视特定的气候、土壤条件和植物类型等因素确定。有研究表明[5]，最佳的水力负荷取值范围在187m3/（dhm2）—374/（dhm2）。

水力停留时间：t=Ashe/Q

式中：As—湿地面积；h—填料厚度；e—填料孔隙率；Q—设计处理雨水及污水流量，（m3/d）。水力停留时间（HRT）对于人工湿地系统来说是很重要的设计参数，水力停留时间会随着湿地面积的增大而增长，在处理水量和湿地深度确定时应充分考虑这一问题。太阳能是人工湿地去除污染物的主要能量来源，由此我们发现那些处理效果好的湿地通常面积都很大，因为只有人工湿地占面积大了其系统获得的能量流才会多[6，7]。

3 系统工程生态效益及应用前景分析

雨水利用是水资源综合利用的一个新的系统工程，具有良好的节水效能和环境生态效益。透水混凝土与人工湿地的结合改变了过去人工湿地单纯处理污水的局面，在小区、学校、医院等大型场所的应用可以减少对市政自来水的需求量，具有一定的生态效益。此外，透水混凝土多孔的物理性质使其在缓解热岛效应、降低城市噪声污染、改善出行环境具有众多生态效益。目前我国城市缺水问题日益严重，与此同时，健康住宅、生态住区正在迅猛发展，建筑小区雨水利用系统以良好的节水效益和生态环境效益适应了城市现状与需求，具有广阔的应用前景[8]。随着我国对可持续发展理念的不断深入，人们对环境污染和治理的观念也发生了改变，结合透水混凝土路面的人工湿地具有较低的投资运行费用、良好的处理雨水及生活污水的能力和显著的生态效益等优点，成为了水处理技术的重要发展方向，未来工程的应用必将日趋增多。

4 结论

4.1 透水混凝土路面相结合的人工湿地能够有效收集处理雨水，处理后的水可以用于洗车、冲厕、浇灌等，是水资源综合利用的一个新的系统工程，具有良好的节水效能和环境生态效益。

4.2 选择出水方式为垂直流—水平流组合的人工湿地的植物根据当地气候条件选择混合种植方式、人工湿地床填料可采取砾石、沸石混合搭配可以有效强化湿地的硝化/反硝化作用机理，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广泛应用可以有效缓解热岛效应、补充缓解地下水，降低噪声污染提供舒适的出行环境。

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参考文献：

[1]吴文玲，宋中南，石云兴.透水混凝土路面/人工湿地雨水收集处理系统的设计[J].中国给水排水，2011（9）:46-50.

[2]US EPA. Constructed wetlands and aquatic plant systems for municipal wastewater treatment manual.Washington,1988:20-52.

[3]S 华莱士，G 帕金，C 考思，等.寒冷地区污水处理的人工湿地设计与运行[J].中国环保产业，2003（6）：40-42.

[4]李剑波.强化垂直流—水平流组合人工湿地处理生活污水研究[D].上海：同济大学环境科学与工程学院，2008.

[5]Robert A. Corbitt. Standard Handbook of Environmental Engineering[J].Mc Graw—Hill,1998,6:128-136.

[6]温东辉.天然废水吸附—生物再生技术及其在滇池流域暴雨径流污染控制中的试验与机理研究[M].北京：中国环境出版社，2003.

[7]江帆.新型人工湿地处理小区雨水径流的效果和应用研究[D].重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2007.

[8]全新峰，张克峰，李秀芝.国内外城市雨水利用现状及趋势[J].能源与环境，2006（1）:19-21.

[9]宋中南，石云兴.透水混凝土及其应用技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[10]曹露春，张志军.煤矸石生态混凝土透水性及抗压强度研究[J].福建建材，2013（07）.