CN107188357A - 一种用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，包括落水管和连接在落水管上的加药箱体和蒸发室；加药装置包括通过收水斜管和上连接软管连接的活动水箱，活动水箱由位于其下方储药橡胶囊中缺空腔中的储药囊复位弹簧支撑；蒸发室包括设在其内腔的橡胶活塞和连接在其下方的连杆和蒸发室复位弹簧，蒸发室的下方设有与连杆和蒸发室复位弹簧联动的水压截止阀。活动水箱分别连通蒸发室和落水管；所述储药橡胶囊通过连接管连通加药管至落水管。该装置结构简单，加工制造方便，自主调节，更换混凝药剂方便，处理效果好。对于治理初期雨水、提高雨水利用水质、实现雨水资源回用具有更大现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用落水管中雨水重力势能实现初期雨水识别与混凝药剂自动投加的装置。
背景技术
在城镇建设与发展过程中，雨水资源化日益得到重视。高效的雨水收集与利用在减轻城市内涝的同时，可以显著减缓城市发展中面临的水资源短缺压力，同时也可以有效控制由于降水冲刷引起的面源污染。雨水资源化已经成为目前海绵城市建设的主要内容之一。
研究表明，雨水作为一种相对水质较为好的水资源，经过初步处理可以作为城市杂用水用于道路浇洒、绿化及冲厕。基于雨水产汇流特点和污染负荷变化规律，降雨初期雨水处理是改善雨水水质的有效措施。降雨形成径流后的前30分钟内，初雨的污染SS、COD、氨氮和总磷负荷占比高达69％、83％、73％和80％(详见图2)。有效的初期雨水处理可以实现雨水源头就地回用，并实现径流量消峰、蓄滞的作用。
初期雨水径流及污染特征与下垫面特征密切相关，楼宇屋面初期雨水中的污染物主要有树木枝叶、风吹杂物和大气降尘，其中树木枝叶和风吹杂物可以通过屋面雨水口栅网有效分离，由于大气降尘所产生的SS是屋面初雨的主要处理对象。SS类污染物的显著特征是粒径小、难沉淀，初期雨水进入地面后由于颗粒物粒径小、易堵塞，因此致使在可渗透区域的下渗能力也受到限制。在回收利用时也需要增加处理难度和成本。
屋面初期雨水由于其中所含的污染物质浓度较高，为控制雨水系统排放对受纳水体污染，在现有城市的雨水系统构建时多采用“初期高浓度雨水直接弃流进入污水管道、后期雨水收集利用或排放”的模式，但这对于排水系统负荷的冲击不可避免。
屋面初期雨水弃流处置的具体方式多样，但都遵循一般性的操作流程。降雨初期时，降落到屋面上的前2～5mm的雨水冲刷屋面，一般污染较为严重，但流量较小，因此在最前端的雨水井中，通过结构优化和专有设备，将初期雨水分流排放至临近的污水管道中；在径流量增大时，利用水动力变化启动相应的阀板关闭排污管，雨水开始进入相应的雨水系统中。
现有的初期雨水弃流模式存在的主要不足主要包括以下几方面。首先，弃流的雨水通过污水管网转输最终进入污水厂或者人工湿地进行处理，相对于流量比较稳定的城镇污水量，雨水径流弃流进入污水系统后对污水处理厂的负荷冲击巨大，导致污水处理厂设计规模和运行成本上升。其次，降雨事件存在较大的随机性，初期雨水弃流量和弃流污染物浓度的巨大变化范围，也对污水管网和处理设施的设计运行提出了更高的要求。第三点，现有的雨水弃流设施的控制方式主要包括手动和自动控制两种方式。手动控制弃流设施需要在降雨时人工去开启，需要大量的人力资源支持，仅用于大管道的节点控制，同时也可能存在诸如阀板关闭不及时、不可靠，导致的初期污染雨水全部直接排放等问题；自动切换是在降雨开始到15～20min时通过自控设备关闭污水阀，同时开启清水阀，将后期清净雨水切换到雨水管线内或直排系统，自动切换系统工作可靠节省人力但费用高，同时由于工作环境较差，自控系统的故障频发。
与本申请相关的申请举例如下：申请号：CN201410210848.7，发明名称为一种落水管上的初期雨水弃流系统，该装置过于复杂，需要不定期的清洗，由于结构复杂清洗也比较困难，而且该发明使用的材料为钢铁，且易产生生锈污染雨水，建设费用较高，同时操作复杂、且不具有初期雨水污染物处理的能力。
实验研究表明，在屋面径流形成后到的20～30分钟径流中，投加一定量混凝剂，通过混凝可以有效实现SS类污染物的沉淀截留，其浊度、TN、TP和COD的去除率分别为95％、74％、82％和91％。同时由于雨水中颗粒物经过混凝处理粒径增大，减缓了细小颗粒对下渗介质的堵塞，改善了初期雨水在绿地中的下渗能力。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用屋面落水管中雨水的重力势能实现初期雨水中液态混凝药剂的自动投加的装置。该装置填补了现今屋面径流初期雨水处理的空白，通过在落水管上中加入一个简单的装置起到对建筑屋顶溢流初期雨水的处理作用。本装置能够有效处理降落到地面屋面以及道路桥梁路面流到落水管的溢流雨水，在不影响其落水管正常排放屋面的前提下，对其进行混凝处理，形成的絮体经落水管出口之后的绿地或水体中沉淀截留，可显著降低初期雨水径流中污染物浓度。装置制造简单、造价低，不需要外加动力；结合自然蒸发过程设计的控制系统具有调节简便的特点，可以实现初期雨水的自动识别；该装置安装简便，处理效果好，可用于新建楼宇或老旧楼宇改造，具有较好的应用前景。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，混凝药剂自动投加装置包括落水管和连接在落水管上的加药装置和蒸发室；所述加药装置包括通过收水斜管和上连接软管连接的活动水箱，活动水箱由位于其下方储药橡胶囊中缺空腔中的储药囊复位弹簧支撑；所述蒸发室包括设在其内腔的橡胶活塞和连接在其下方的连杆和蒸发室复位弹簧，蒸发室的下方设有与连杆和蒸发室复位弹簧联动的水压截止阀。
所述活动水箱分别连通蒸发室和落水管；所述储药橡胶囊通过连接管连通加药管至落水管。
作为优选，所述活动水箱通过溢流出水管和连接软管连通至蒸发室顶部，活动水箱通过排水管连通连接软管至落水管下侧壁。
作为优选，所述储药囊复位弹簧垂直布设在储药橡胶囊的中缺空腔内，并与加药箱体底面相连接。
作为优选，连接储药橡胶囊的加药管前后分别设有弹簧式阀芯单向阀和水压截止阀；活动水箱连通到落水管的管道中设有流量调节阀。
作为优选，所述水压截止阀设在加药管与蒸发室相连通处，水压截止阀包括通过管箍与加药管相连通的软硅胶管，软硅胶管顶部与连杆相接，软硅胶管的底部设有硬质垫块。
作为优选，所述蒸发室的下方侧壁上设有溢流管，溢流管连通至落水管腔中。
作为优选，所述储药橡胶囊中药液为20％硫酸铝溶液。
作为优选，所述落水管和活动水箱采用U-PVC材料。
作为优选，所述蒸发室的蓄积深度为50～60mm。
进一步，所述混凝药剂自动投加装置设在设备箱体中，设备箱体上下通过连接法兰连接在建筑物落水管上，并通过螺栓紧贴墙体固定。
本发明的特点在于：
1、自主识别初期雨水作用
1)研究表明降雨前的晴天数与降雨产生的径流中的污染物含量成正比例关系，因此，当两场降雨间隔时间较短时，第二场降雨初期雨水水质就较为干净，不用投加药剂。本发明设计具有识别初期雨水的功能，当第一场降雨结束后，蒸发室的雨水仍然存有雨水，雨水的重力使复位弹簧处于压缩状态，水压截止阀处于截流状态，液态混凝药剂不能通过加药管，即为不加药状态。
2)针对一场降雨，当落水管中有雨水通过收水斜管进入活动水箱后，在积存雨水压力作用下，加药橡胶囊受压开始投加混凝剂；活动水箱中液位上升至溢流位置，雨水进入蒸发室中引起水压截止阀动作处于截留状态，停止加药。
以上两点即为“初期雨水自动识别”的具体实现。
2、自主加药以及复位
本装置通过收水斜管将屋顶溢流雨水收集到活动水箱，将活动水箱中的雨水重力挤压储药橡胶囊，致使储药橡胶囊的液态混凝药剂流出通过加药管投加到初期雨水中，在雨水的降落过程以及在地面上流动中与混凝药剂混合，作用于雨水中的细小污染物，通过沉淀截留去除。同时通过连接软管7雨水流到蒸发室中，下压复位弹簧，雨水积累到一定量，使橡胶活塞到d-d面时，便通过水压截止阀截流液态药剂，液态混凝药剂投加结束。此时，初期雨水基本结束，后续屋面溢流下的是水质相对较好的雨水。当屋面径流完成时，蒸发室的雨水开始蒸发，弹簧逐步到c-c面复位。直到下次降雨开始收集雨水。
3、液态混凝剂节省药剂成本
对于我国的南方地区而言，冬季不存在液体结冻问题，液体的20％硫酸铝溶液投加到初期雨水中更加容易与初期雨水混合。液态的药剂已经混合均匀，需要投加的药剂量将减少。
4、初期雨水和后续雨水不分离，沉淀后收集回用
通过本装置的初期雨水加含有混凝药剂后，含有混凝药剂初期雨水通过后面的落水管流入下沉式绿地中，雨水中的细小颗粒在混凝药剂的作用下，污染物形成较大颗粒沉淀下来，部分雨水下渗进入土壤回补地下水，后续雨水在下沉式绿地中积蓄，最后溢流收集利用。
5、本装置安装简单
相对于现有初期雨水弃流后续回收利用系统，本装置安装简单，不增加其他的附属设备，直接用两个法兰连接，经济上节省了很多资金，简单实用。
附图说明
图1(a)是本发明装置结构示意图；
图1(b)是图1(a)A处蒸发室水压截止阀局部放大图；
图2是典型地区降雨径流各污染随时间变化图。
图中：1、落水管；2、连接法兰；3、收水斜管；4、上连接软管；5、设备箱体；6、溢流出水管；7、下连接软管；8、溢流管；9、活塞橡胶；10、蒸发室复位弹簧；11、加药管；12、流量调节阀；13、水压截止阀；14、弹簧式阀芯单向阀；15、连接软管；16、储药囊复位弹簧；17、排水管；18、储药橡胶囊；19、活动水箱；20、蒸发室；21、加药箱体；22、连杆；23、软硅胶管；24、硬质垫块；25、管箍。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1(a)所示，本发明一种用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，包括落水管1和连接在落水管1上的加药装置和蒸发室。其中，加药装置包括通过收水斜管3和由上连接软管4连接的活动水箱19，还包括活动水箱19下方设置的储药橡胶囊18和垂直布设在储药橡胶囊18的中缺空腔内的储药囊复位弹簧16，储药囊复位弹簧16顶部与活动水箱19相连，底部与加药箱体21底面连接；活动水箱19通过溢流出水管6和下连接软管7连接蒸发室20，通过排水管17连通连接软管15连接至落水管1；储药橡胶囊18通过加药管11连通至落水管1。活动水箱19通过溢流出水管6和下连接软管7连通至蒸发室20顶部，活动水箱19通过排水管17连通连接软管15至落水管1下侧壁。
如图1(a)结合图1(b)所示，在蒸发室20中设有橡胶活塞9和连接在其下方的连杆22和蒸发室复位弹簧10，蒸发室20的下方设有与连杆和蒸发室复位弹簧10联动的水压截止阀13；水压截止阀13设在连接储药橡胶囊18的加药管11上。橡胶活塞9上的连杆22与蒸发室复位弹簧10顶部连接，连杆22为水压截止阀13中活动部分，与连杆22的底部相接的加药管11中设软硅胶管23，在软硅胶管23的下方设有硬质垫块24，软硅胶管23两端通过管箍25分别与加药管11管体相连。通过连杆22上下移动分别对应水压截止阀13的“开启”与“关闭”状态作用于加药管11。
其中，在蒸发室20上方侧壁上设有连通到落水管1中的溢流管8。加药管11和通过排水管17连通连接软管15连接至落水管1的管端部均沿落水管1管壁向下设置。在加药管11和活动水箱19连通到落水管1的管道中分别设有弹簧式阀芯单向阀14和流量调节阀12。
当屋面雨水发生溢流时，雨水顺落水管1下流经过收水斜管3、上连接软管4进入活动水箱19，随着活动水箱19中的积累雨水逐渐增加，活动水箱19整体重量增大后作用于储药橡胶囊18，储药橡胶囊18中液压升高后作用于弹簧式阀芯单向阀14，弹簧式阀芯单向阀14开启后储药橡胶囊18中的混凝剂药液通过加药管11进入雨水中。
活动水箱19中水位升高超过溢流出水管6入口后，雨水通过溢流出水管6、下连接软管7进入蒸发室20。蒸发室20中液位上升的同时，在雨水重力作用下橡胶活塞9有c—c位置向下运动至d—d位置，水压截止阀13关闭从而结束混凝剂药液投加，这样实现了初期雨水混凝剂投加的功能。在此系统中，流量调节阀12为常开状态，但流量精准控制实现加药历时调控。降雨结束后，活动水箱19中的积水通过流量调节阀12排放，随着水压力减小和储药囊复位弹簧16作用，储药橡胶囊18所受压力解除，储药橡胶囊18内液压减小后弹簧式阀芯单向阀14关闭。活动水箱19中液位下降低于溢流出水管6进水口后，蒸发室20停止进水，蒸发室20内积存雨水自然蒸发，在复位弹簧作用下，水压截止阀13结束截止功能，系统待机。储药橡胶囊18中药液为20％硫酸铝溶液，人工定期补充。
制作时，在加药装置侧上方落水管上开孔作为活动水箱收集雨水口，在其下方开三个孔(d＝1.5cm)，其从上到下分别为蒸发室溢流管8、加药管11出口以及活动水箱的排水管17出水口。
本发明混凝药剂自动投加装置设在设备箱体5中，设备箱体5的固定仅需要四个螺栓固定到墙体上，在整个装置设备箱两侧各安装两个带有套环的螺栓固定到墙体上，整个设备箱与墙体平行、朝外一面整体设活动面罩，设备箱宽度仅有35cm，不会影响行人的通行，其他部位仅需要两个连接法兰2与上下两个落水管1连接。装置本体设置在距离地面1.0～1.5米处，即为设备箱体的底部距地面的距离，方便添加液态混凝药剂。装置本体的收集管沿立管管壁向上延伸5.0cm布设，且收集管上壁开孔方便收集雨水。在整个装置装在设备箱中，外观整洁，并且保护内部结构稳定。装置本体中的蒸发室的体积依靠本地区的蒸发量而设计，表1为西安地区自然蒸发情况，根据蒸发量设计为7日蒸发完，即蒸发室的蓄积深度为50～60mm。
装置本体设计的活动水箱的排水管上流量调节阀12，可以根据不同地区降雨情况进行调节，可更合理的自主控制投加液体混凝药剂的体积。
本发明使用的20％硫酸铝溶液，也可以使用其他有效的液态混凝剂。
表1 西安地区的部分时间日蒸发量
| 日期 | 4/23 | 4/24 | 4/25 | 4/26 | 4/27 | 4/28 | 4/29 |
| 温度/℃ | 10-21 | 14-23 | 10-25 | 12-30 | 11-29 | 9-28 | 10-28 |
| 天气 | 阴转小雨 | 多云 | 多云 | 晴 | 晴 | 晴 | 晴 |
| 湿度/％ | 42-57 | 39-51 | 38-46 | 36-45 | 36-44 | 35-42 | 33-41 |
| 蒸发量/mm | 2.2 | 4.3 | 5.2 | 6.0 | 6.0 | 6.5 | 6.5 |
| 日期 | 4/30 | 5/1 | 5/2 | 5/3 | 5/4 | 5/5 | 5/6 |
| 温度/℃ | 10-27 | 11-28 | 12-28 | 10-24 | 15-22 | 16-26 | 16-25 |
| 天气 | 晴 | 晴 | 多云 | 中雨转阴 | 多云转阴 | 阴转多云 | 晴 |
| 湿度/％ | 33-42 | 33-41 | 35-45 | 45-61 | 38-46 | 35-51 | 34-46 |
| 蒸发量/mm | 6.9 | 7.3 | 3.5 | 2.0 | 6.0 | 4.5 | 7.5 |
| 日期 | 5/7 | 5/8 | 5/9 | 5/10 | 5/11 | 5/12 | 5/13 |
| 温度/℃ | 12-23 | 13-29 | 14-31 | 14-28 | 16-31 | 16-31 | 15-32 |
| 天气 | 阴转小雨 | 多云 | 晴 | 晴 | 晴 | 晴 | 晴 |
| 湿度/％ | 42-49 | 38-46 | 36-45 | 33-44 | 32-43 | 32-42 | 33-42 |
| 蒸发量/mm | 2.9 | 6.3 | 9.1 | 8.0 | 8.0 | 8.9 | 9.2 |
本装置的原理是，装置在落水管中径流形成时开始加药，初期雨水进入装置冲刷缓释的混凝剂，使初期雨水与混凝剂混合，持续加药20～30分钟(可调)后关闭加药，通过储药箱胶囊延时复位控制，经过一周(或数天，可调)以后，整个系统复位待机。在落水管降落以及到地表径流过程中形成的较大颗粒物，由于重量较重，因此沉淀到地表，被地表植被以及浅层土壤的根系截留，避免了地下水或者地表水的污染。在使用一定周期后补充混凝剂药品。
本发明落水管1和活动水箱19采取U-PVC材料以及橡胶共同制造。外侧设备箱为ABS工程塑料制作，总重量较轻，不会造成原有落水管的脱落和下沉，安装拆卸方便。
在整个使用过程中，仅需要隔一定的时间添加液态混凝药剂，其他过程均自动完成且不需要电力等能源，而其他的弃流等装置则需要过一段时间清除其内部沉积的垃圾，并且弃流雨水还需要进过污水厂或者人工湿地的处理，才能排入水体，本装置维护简单，雨水中污染物通过沉淀分离。
本发明四次实验性能测试，其结果如表2。
| 对比项目 | 实验1 | 实验2 | 实验3 | 实验4 |
| SS去除率(％) | 82 | 85 | 91 | 86 |
以上结果显示，采用了本装置不仅仅使用方便，不需要进行额外的投资改造，只需要将装置安放在落水管上即可，操作简单。数据显示出本发明自动加入缓释混凝剂及时处理效果好，可自动复位，合理控制投加时间和混凝剂量，适合在落水管中处理屋面的初期雨水，不仅可以做到处理屋面初期雨水中的污染物，而且具有初期雨水识别，避免了混凝剂的浪费节省成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换或修饰，均属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：混凝药剂自动投加装置包括落水管(1)和连接在落水管(1)上的加药箱体(21)和蒸发室(20)；所述加药箱体(21)包括通过收水斜管(3)和由上连接软管(4)连接的活动水箱(19)，活动水箱(19)由位于其下方储药橡胶囊(18)中缺空腔中的储药囊复位弹簧(16)支撑；所述蒸发室(20)包括设在其内腔的橡胶活塞(9)和连接在其下方的连杆(22)和蒸发室复位弹簧(10)，蒸发室(20)的下方设有与连杆和蒸发室复位弹簧(10)联动的水压截止阀(13)；
所述活动水箱(19)分别连通蒸发室(20)和落水管(1)；所述储药橡胶囊(18)通过连接管连通加药管(11)至落水管(1)。
2.根据权利要求1所述的用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：所述活动水箱(19)通过溢流出水管(6)和下连接软管(7)连通至蒸发室(20)顶部，活动水箱(19)通过排水管(17)连通连接软管(15)至落水管(1)下侧壁。
3.根据权利要求1所述的用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：所述储药囊复位弹簧(16)垂直布设在储药橡胶囊(18)的中缺空腔内，并与加药箱体(21)底面相连接。
4.根据权利要求1所述的用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：连接储药橡胶囊(18)的加药管(11)前后分别设有弹簧式阀芯单向阀(14)和水压截止阀(13)；活动水箱(19)连通到落水管(1)的管道中设有流量调节阀(12)。
5.根据权利要求1所述的用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：所述水压截止阀(13)设在加药管(11)与蒸发室(20)相连通处，水压截止阀(13)包括通过管箍(25)与加药管(11)相连通的软硅胶管(23)，软硅胶管(23)顶部与连杆(22)相接，软硅胶管(23)的底部设有硬质垫块(24)。
6.根据权利要求1所述的用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：所述蒸发室(20)的上方侧壁上设有溢流管(8)，溢流管(8)连通至落水管(1)管腔中。
7.根据权利要求1所述的用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：所述储药橡胶囊(18)中药液为20％硫酸铝溶液。
8.根据权利要求1所述的用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：所述落水管(1)和活动水箱(19)采用U-PVC材料。
9.根据权利要求1所述的用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：所述蒸发室(20)的蓄积深度为50～60mm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的用于屋面初期雨水处理的落水管混凝药剂自动投加装置，其特征在于：所述混凝药剂自动投加装置设在设备箱体(5)中，设备箱体(5)上下通过连接法兰(2)连接在建筑物落水管(1)上，并通过螺栓紧贴墙体固定。
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