CN102505728A - 雨水资源化利用成套技术 - Google Patents

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CN102505728A CN201110342613XA CN201110342613A CN102505728A CN 102505728 A CN102505728 A CN 102505728A CN 201110342613X A CN201110342613X A CN 201110342613XA CN 201110342613 A CN201110342613 A CN 201110342613A CN 102505728 A CN102505728 A CN 102505728A
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王树东
陈嵩
徐晓梅
赵海鹰
姚波
郑金龙
张淼
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Abstract

本发明涉及一种雨水资源化利用成套技术采用弃流、过滤的方法对不同下垫面雨水进行净化,再经过消毒后,清洁雨水与自来水或中水供水系统相结合,实现雨水资源化利用。本发明用管道/沟道依序连接雨水溢流井、雨水格栅井、雨水沉砂池、雨水弃流池、检查井、调蓄池和清水池;提升泵将雨水清水池的雨水提升到高位水箱,高位水箱底部通过管道与机械过滤器底部连接,机械过滤器顶部通过管道与过滤泵后与调蓄池相接,消毒箱经过三通管后分别与清水池和机械过滤器接通,经过相关管道系统相接,共同构成雨水收集系统、高效净化器、雨水回用系统、雨水处理系统和加药消毒系统。

Description

雨水资源化利用成套技术
技术领域
本发明涉及一种雨水资源化利用成套技术采用弃流、过滤的方法对不同下垫面雨水进行净化,再经过消毒后,清洁雨水与自来水或中水供水系统相结合,实现雨水资源化利用。属雨水回收环境保护技术领域。 
背景技术
从现有研究成果可知,雨水净化技术主要有混凝沉淀和过滤两种。 
混凝沉淀技术主要存在以下问题:首先,该技术本身步骤较多,为达到良好的净化效果,各设备结构复杂,制作困难,清洗、维护困难,不利于技术推广。其次,沉淀池的剩余污泥需要进行再处理,增加了净化技术成本。最后,因降雨存在随机性,不同场次降雨水质存在一定差别,则最佳投药量也存在一定差别,若采用同一投药量,出水水质难以稳定,需要人为调控,难以实现自动化控制。 
从操作管理方面考虑,过滤技术优于混凝沉淀技术。但采用以土壤为主要过滤介质的技术,占地面积大,滤速慢,只能采取等水头变速过滤方式,净化效率低。虽然处理出水水质好,但滤料不能再生,一段时间后会失效。单纯以非土壤滤料过滤的技术国内外研究成果较少,且均为常压、单层滤料过滤,对加压、多层滤料过滤的技术研究较少。 
目前国内对雨水的研究时间较短,各研究者均只针对雨水资源化利用的一个方面进行研究.盛铭军根据上海市西干线系统水量、水质和结合调蓄处理设施方案构想,研究开发适用于西干洗系统雨天溢流污水的混凝沉淀工艺和溢流污水的就地高效处理装置。该研究采用强化混凝+高效沉淀处理工艺对雨天不同气象条件下西干线某泵站混合雨水污水进行处理研究。雨水收集后经过格栅进入雨水处理管道,絮凝剂经过管道混合器与雨水混合,泵入反应池反应,反应池内设置导 流筒,筒内安装搅拌设备,反应后的雨水进入沉淀池沉淀,沉淀池由污泥沉淀区、絮凝区、斜管区、水力澄清区和集水区5部分组成,经过固液分离后出水。实验结果表明,在暴雨工况下,污水的SS、浊度、TP和COD平均去除率分别达到82%、79%、77%和69%以上。 
李俊琪,车伍,汪慧贞以雨水净化利用为目的,对北京市某小学雨水进行研究,采用人工土——植物渗滤系统工艺进行雨水净化处理,雨水经过弃流、调节沉淀、人工土——植物渗滤过滤、消毒后进入清水池,进行再利用。其中人工土——植物渗滤池面积为40m2,人工土层深度为1.6m。人工土配方为:炉渣∶土:3∶2。实验结果表明,经过该工艺处理后出水COD为38.2,去除率为59.83%,出水TP为0.377,去除率为83.61%,出水TN为3.47,去除率为90.41%。该工艺处理费用为0.4元/m3(2003年)。 
发明内容
本发明目的在提出一整套雨水资源化利用成套技术,从收集到利用,将雨水资源化研究系统化,便于推广使用。由于降雨存在随机性的特点,本发明雨水收集、净化、利用成套技术的各个环节需能够适应雨水不同的水质和水量,并能与其他用水系统相协调,保证水资源的合理调配和充分利用。通过本发明,解决雨水或与雨水类似的清污水的净化技术问题,力求将雨水利用和自来水或中水供水系统相结合,达到水资源补充的目的。 
本发明雨水资源化利用系统技术方案是:用管道/沟道依序连接雨水溢流井(1)、雨水格栅井(2)、雨水沉砂池(3)、雨水弃流池(4)、检查井(5)、调蓄池(6)和清水池(7);提升泵(8)将雨水清水池(7)的雨水提升到高位水箱(13),高位水箱(13)底部通过管道与机械过滤器(11)底部连接,机械过滤器(11)顶部通过管道与过滤泵(12)后与调蓄池(6)相接,消毒箱(9)经过三通管后分别与清水池(7)和机械过滤器(11)接通,经过相关管道系统相接,共同构成雨水收集系统、高效净化器、雨水回用系统、雨水处理系统和加药消毒系统,各系统工作过程是: 
(1)雨水净化流程:从不同下垫面收集来的雨水首先通过管道汇入溢流井,再进入格栅井,去除树叶等较大悬浮物,然后进入弃流池弃流掉初期雨水,弃流后的雨水进入雨水调蓄沉淀池存放。过滤泵将雨水调蓄沉淀池中的雨水提升到机械过滤器中进行过滤,过滤出水通过消毒设备在管道中加药消毒后进入雨水清水池存放。清洁的雨水通过提升泵提升到高位蓄水箱,再进入供水系统作为绿化、冲厕用水或景观用水。 
(2)溢流:当降雨强度较大时,雨水调蓄沉淀池中不能容纳的雨水通过管道溢流到溢流井,然后进入雨水管网外排。弃流池中弃流的初期雨水排入雨水管网外排。 
(3)反冲洗:过滤器反冲洗水来自高位蓄水箱,根据过滤器使用频率不定期对其进行反冲洗,以保持过滤器过滤效率。 
(4)液位控制:雨水调蓄沉淀池、雨水清水池和高位蓄水箱均设置液位控制器,液位控制分为高、中、低三种液位: 
当雨水调蓄沉淀池水位为低液位时,雨水收集量过少,为保护设备安全并节省能源,雨水处理泵停运,雨水净化过程停止;当雨水调蓄沉淀池水位为中、高液位时,雨水收集量满足处理要求,雨水处理泵正常运转。 
当雨水清水池处于中、低液位时,根据雨水调蓄沉淀池水位情况,决定雨水处理泵是否运转;当雨水清水池处于高液位时,净化后雨水大于此时雨水供水需求,雨水清水池装满,则雨水处理泵停运,雨水净化过程暂停。 
当高位蓄水箱处于高液位时,雨水供水量大于用水量,高位蓄水箱装满,提升泵停运;当高位蓄水箱处于中液位时,提升泵正常运行;当高位蓄水箱处于低液位时,雨水供水量小于用水量,为保证设备安全和供水正常,自来水/中水供应控制阀自动开启,向水箱中供应自来水或中水,保证用水系统正常运转。 
所述的雨水调蓄沉淀池和雨水清水池的总容积应根据汇水面积、下垫面类型和当地暴雨强度公式进行计算,计算公式: 
W=b(A1a1+A2a2)×10-3……………………(2) 
式中W-雨水收集设施设计规模,m3; 
b-昆明市日设计降雨厚度,取25.5mm; 
A1-项目内硬化屋顶和路面的汇水面积,以项目内建筑物占地面积和路面硬化面积计,m2; 
A2-项目内绿地的汇水面积,以绿地面积计,m2。 
a1-硬化屋顶和路面的雨量径流系数,取0.8; 
a2-绿地的雨量径流系数,取0.15。 
所述过滤器采用压力过滤,保证运行时罐内压强为0.1MPa,为中速过滤;根据处理水量计算过滤面积,可选择滤速为1.2m/s左右 
所述的采用的是管道射流加药消毒,消毒法采用氯消毒法,采用次氯酸钠溶液作为消毒药剂,投药量为40mg/L。 
本发明雨水收集、净化、利用成套技术的各个环节需能够适应雨水不同的水质和水量,并能与其他用水系统相协调,保证水资源的合理调配和充分利用。 
本技术系统正常工作情况下自动运行,除弃流池放空外,无需人员操作。 
附图说明
下面结合附图所示实施例,对结构作进一步说明,但本发明保护范围不限于此实施例。 
图1本发明雨水资源化利用成套技术工艺流程图。 
图2本发明弃流设备主视图。 
图3本发明弃流设备俯视图。 
图4本发明机械过滤器示意图。 
图5本发明消毒设备示意图。 
图中:1-溢流井  2-格栅井  3-沉砂池  4-弃流池  5-检查井  6-调蓄池;7-清水池  8-提升泵  9-消毒箱  10-射流消毒器  11-机械过滤器;12-过滤泵  13-高位水箱 14-雨水进水  15-溢流雨水  16-弃流雨水;17-溢流雨水  18-雨水处理水进水  19-自来水  20-反冲洗出水;21-反冲洗进水  22-处理后雨水  23-自来水管  24-回用至绿化冲厕;25-雨落管  26-出水管;27-顶板;28-蓄水箱;29-放空管;30-底板;31-放空阀;32-雨水进水管;33-接雨水调蓄池;34-接管;35-防冲板;36-桶体;37-支座;38-人孔;39-盖板;40-加药桶;41-箱体;42-底板;43-护手半管;44-导向管;45-视镜;46-塑料球阀;47-加强板。 
具体实施方式
本发明雨水资源化利用系统包括雨水集蓄池、雨水高效净化器、雨水清水池、雨水回用水箱、雨水处理泵、雨水回用泵、加药消毒系统以及相关的管道系统。 
(1)雨水净化流程:从不同下垫面收集来的雨水首先通过管道汇入溢流井,再进入格栅井,去除树叶等较大悬浮物,然后进入弃流池弃流掉初期雨水,弃流后的雨水进入雨水调蓄沉淀池存放。过滤泵将雨水调蓄沉淀池中的雨水提升到机械过滤器中进行过滤,过滤出水通过消毒设备在管道中加药消毒后进入雨水清水池存放。清洁的雨水通过提升泵提升到高位蓄水箱,再进入供水系统作为绿化、冲厕用水或景观用水。 
(2)溢流:当降雨强度较大时,雨水调蓄沉淀池中不能容纳的雨水通过管道溢流到溢流井,然后进入雨水管网外排。弃流池中弃流的初期雨水排入雨水管网外排。 
(3)反冲洗:过滤器反冲洗水来自高位蓄水箱,根据过滤器使用频率不定期对其进行反冲洗,以保持过滤器过滤效率。 
(4)液位控制:雨水调蓄沉淀池、雨水清水池和高位蓄水箱均设置液位控制器,液位控制分为高、中、低三种液位: 
当雨水调蓄沉淀池水位为低液位时,雨水收集量过少,为保护设备安全并节省能源,雨水处理泵停运,雨水净化过程停止;当雨水调蓄沉淀池水位为中、高液位时,雨水收集量满足处理要求,雨水处理泵正常运转。 
当雨水清水池处于中、低液位时,根据雨水调蓄沉淀池水位情况,决定雨水处理泵是否运 转;当雨水清水池处于高液位时,净化后雨水大于此时雨水供水需求,雨水清水池装满,则雨水处理泵停运,雨水净化过程暂停。 
当高位蓄水箱处于高液位时,雨水供水量大于用水量,高位蓄水箱装满,提升泵停运;当高位蓄水箱处于中液位时,提升泵正常运行;当高位蓄水箱处于低液位时,雨水供水量小于用水量,为保证设备安全和供水正常,自来水/中水供应控制阀自动开启,向水箱中供应自来水或中水,保证用水系统正常运转。 
Figure BDA0000105047850000061
适用范围 
常规屋面、硬化地面、路面雨水或不同下垫面混合雨水。 
Figure BDA0000105047850000062
各主要设备和构筑物情况 
(1)格栅 
本技术由于收集的是雨水,其中大块悬浮物较少,采用Φ3×32镀锌低碳钢丝斜方眼网过滤大块悬浮物。 
(2)弃流设备 
本技术选择容积式弃流设备对初期雨水进行弃流,弃流池容积按下式计算: 
V=ΨHF   ………………………………(1) 
式中V——初期雨水弃流池容积,m3; 
Ψ——径流系数,屋面和硬化路面、绿地分别取0.9、0.25(可参照《昆明市城市雨水收集利用的规定》); 
H——初期降雨量,一般选取2mm的降雨量作为初期降雨量; 
F——汇水面积,m2。 
(3)机械过滤器 
机械过滤器采用双层滤料过滤的工艺,滤料组成和高度从上到下依次如下表所示: 
表1过滤柱滤料组成方案 
  滤料厚度(mm)   滤料种类
  600   0.5~1.0mm石英砂
  400   2.0~5.0mm活性炭
  6   穿孔板垫层
  100   15~25mm卵石
其中石英砂和活性炭为滤料,卵石为承托层。 
为提高过滤效率,过滤器设计采用压力过滤,保证运行时罐内压强为0.1MPa,为中速过滤。 
可选择滤速为1.2m/s左右,根据处理水量计算过滤面积。 
(4)消毒设备 
由于雨水水量变化较大,净化后雨水有时需要在雨水清水池中较长时间,采用氯消毒法,使处理出水中含有余氯,保证在存放期间清洁雨水的水质不恶化。本技术采用的是管道射流加药消毒,采用次氯酸钠溶液作为消毒药剂,投药量为40mg/L。 
(5)雨水调蓄沉淀池和雨水清水池 
雨水调蓄沉淀池和雨水清水池的总容积应根据汇水面积、下垫面类型和当地暴雨强度公式进行计算。 
针对昆明市情况,根据《昆明市城市雨水收集利用的规定》,雨水收集设施的设计规模,应当根据昆明市日设计降雨厚度,并结合工程项目内所有汇水面积,按下列公式进行计算: 
W=b(A1a1+A2a2)×10-3……………………(2) 
式中W-雨水收集设施设计规模,m3; 
b-昆明市日设计降雨厚度,取25.5mm; 
A1-项目内硬化屋顶和路面的汇水面积,以项目内建筑物占地面积和路面硬化面积计,m2; 
A2-项目内绿地的汇水面积,以绿地面积计,m2。 
a1-硬化屋顶和路面的雨量径流系数,取0.8; 
a2-绿地的雨量径流系数,取0.15。 
(6)高位蓄水箱 
高位蓄水箱的作用是清洁雨水的暂存,可根据当地建设条件和用水速度设计。 
Figure BDA0000105047850000081
处理效果 
本技术处理出水水质均能满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)中冲厕和城市绿化用水的水质标准要求和《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB18921-2002)中观赏性景观环境用水的湖泊类、水景类水质要求。 
Figure BDA0000105047850000082
效益分析 
不考虑设备维修等情况,以昆明市为例,电费为0.612元/度,投加次氯酸钠市场价格1200元/吨计算,中试设备处理1m3雨水的运行费用约0.5元。与中水回用处理费用相比,运行成本低廉,且处理工艺简单,操作管理方便。 
表3各种用水费用对比 
  项目   雨水回用   中水回用   自来水
  运行费用(元/吨)   0.5   1.0   4.85
本集成技术采用的是原有的水处理技术集成,各分项技术成熟,设备制造已有规范,容易制造。技术操作简单,管理简单,运行成本低,可实现雨水对城市杂用水和景观用水的补水,节约水资源,有良好的环境效益和经济效益。
实施例1 
昆明市环境科学研究院雨水资源化利用示范工程 
(1)汇水区域概述 
环科院内有屋面、硬化地面、绿地3种下垫面,各下垫面面积如下表所示: 
Figure BDA0000105047850000091
(2)各构筑物设计 
弃流池:根据式(1)计算可得,示范区域弃流池总容积为4m3。 
雨水调蓄沉淀池和雨水清水池:示范区可收集雨水的下垫面总面积为2875.96m2,其中绿地面积为238m2,其余为屋面和硬化地面,共计2637.96m2。根据式(2)计算可得,示范区的雨水收集设施总容积应不小于54.72m3。考虑到雨水收集需要一定的时间,当雨水收集到雨水调蓄沉淀池后即可进行净化处理,将雨水净化后转移到雨水清水池中,所以本研究设计雨水调蓄沉淀池和雨水清水池容积分别为30m3,总容积为60m3,根据示范区内实际条件进行布置,水池尺寸均为3m×2.5m×4m。 
机械过滤器:根据工程经验,泵连续运行不得超过8h,若需一次处理完雨水调蓄沉淀池中的雨水(30m3),则处理负荷应不小于3.75m3/h,考虑到降雨量变化的随机性,选取处理负荷为5m3/h。根据本发明提供的参数,选择滤速为1.2m/s,机械过滤器过滤面积为0.m2,内径为800mm。进水泵扬程定为30m,运行时罐内压强为0.1MPa,实际过滤速度为1.225m/s。 
高位蓄水箱:环科院内冲厕、绿化浇洒实际用水量约为1.88m3,用水量较少。根据泵起频率限制,设计高位蓄水箱容积为20m3。 
(3)处理效果 
该示范工程经过一段时间的运行后,出水水质平均值如下表所示: 
表2雨水资源化利用技术处理出水净化效果参考 
Figure BDA0000105047850000101
从表中可以看出,各项指标值均能满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)中冲厕和城市绿化用水的水质标准要求和《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB18921-2002)中观赏性景观环境用水的湖泊类、水景类水质要求。 
根据示范区下垫面情况和昆明市降雨情况,可按下式计算示范区可收集雨水量:Q=ΨαβAH×10-3
式中Q——屋面年平均可利用雨量,m3; 
Ψ——径流系数,取屋面和硬化路面、绿地分别取0.8、0.15; 
α——季节折减系数,取0.88; 
β——初期弃流系数,取0.87; 
A——汇水面积,m2; 
H——平均降雨量,mm。 
昆明市年平均降雨量为1004mm,由此可计算示范区年均可收集雨量为1516.87m3。据调查,若设收集的雨水在处理过程中损失15%,则清洁雨水量为1289.34m3,示范区的冲厕和绿化年用水量约为470m3,由此可知,清洁雨水完全能够满足示范区冲厕和绿化用水要求。本技术雨水处理成本为0.5元/m3,成本低,操作简单,处理出水水质均能满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)中冲厕和城市绿化用水的水质标准要求和《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB18921-2002)中观赏性景观环境用水的湖泊类、水景类水质要求。 

Claims (4)

1.一种雨水资源化利用系统,其特在于用管道/沟道依序连接雨水溢流井(1)、雨水格栅井(2)、雨水沉砂池(3)、雨水弃流池(4)、检查井(5)、调蓄池(6)和清水池(7);提升泵(8)将雨水清水池(7)的雨水提升到高位水箱(13),高位水箱(13)底部通过管道与机械过滤器(11)底部连接,机械过滤器(11)顶部通过管道与过滤泵(12)后与调蓄池(6)相接,消毒箱(9)经过三通管后分别与清水池(7)和机械过滤器(11)接通,经过相关管道系统相接,共同构成雨水收集系统、高效净化器、雨水回用系统、雨水处理系统和加药消毒系统,各系统工作过程是:
(1)雨水净化流程:从不同下垫面收集来的雨水首先通过管道汇入溢流井,再进入格栅井,去除树叶等较大悬浮物,然后进入弃流池弃流掉初期雨水,弃流后的雨水进入雨水调蓄沉淀池存放。过滤泵将雨水调蓄沉淀池中的雨水提升到机械过滤器中进行过滤,过滤出水通过消毒设备在管道中加药消毒后进入雨水清水池存放。清洁的雨水通过提升泵提升到高位蓄水箱,再进入供水系统作为绿化、冲厕用水或景观用水。
(2)溢流:当降雨强度较大时,雨水调蓄沉淀池中不能容纳的雨水通过管道溢流到溢流井,然后进入雨水管网外排。弃流池中弃流的初期雨水排入雨水管网外排。
(3)反冲洗:过滤器反冲洗水来自高位蓄水箱,根据过滤器使用频率不定期对其进行反冲洗,以保持过滤器过滤效率。
(4)液位控制:雨水调蓄沉淀池、雨水清水池和高位蓄水箱均设置液位控制器,液位控制分为高、中、低三种液位:
当雨水调蓄沉淀池水位为低液位时,雨水收集量过少,为保护设备安全并节省能源,雨水处理泵停运,雨水净化过程停止;当雨水调蓄沉淀池水位为中、高液位时,雨水收集量满足处理要求,雨水处理泵正常运转。
当雨水清水池处于中、低液位时,根据雨水调蓄沉淀池水位情况,决定雨水处理泵是否运转;当雨水清水池处于高液位时,净化后雨水大于此时雨水供水需求,雨水清水池装满,则雨水处理泵停运,雨水净化过程暂停。
当高位蓄水箱处于高液位时,雨水供水量大于用水量,高位蓄水箱装满,提升泵停运;当高位蓄水箱处于中液位时,提升泵正常运行;当高位蓄水箱处于低液位时,雨水供水量小于用水量,为保证设备安全和供水正常,自来水/中水供应控制阀自动开启,向水箱中供应自来水或中水,保证用水系统正常运转。
2.根据权利要求1所述的雨水资源化利用系统,其特征在于所述的雨水调蓄沉淀池和雨水清水池的总容积应根据汇水面积、下垫面类型和当地暴雨强度公式进行计算,计算公式: 
W=b(A1a1+A2a2)×10-3……………………(2)
式中W-雨水收集设施设计规模,m3
b-昆明市日设计降雨厚度,取25.5mm;
A1-项目内硬化屋顶和路面的汇水面积,以项目内建筑物占地面积和路面硬化面积计,m2
A2-项目内绿地的汇水面积,以绿地面积计,m2
a1-硬化屋顶和路面的雨量径流系数,取0.8;
a2-绿地的雨量径流系数,取0.15。
3.根据权利要求1所述的雨水资源化利用系统,其特征在于所述过滤器采用压力过滤,保证运行时罐内压强为0.1MPa,为中速过滤;根据处理水量计算过滤面积,可选择滤速为1.2m/s左右。
4.根据权利要求1所述的雨水资源化利用系统,其特征在于所述的采用的是管道射流加药消毒,消毒法采用氯消毒法,采用次氯酸钠溶液作为消毒药剂,投药量为40mg/L。 
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