CN112144765B - 一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，包括绿色屋顶和砂滤自动过滤净化装置；所述的绿色屋顶包括种植装置和排水装置，其中种植装置包括植物、基质层种植土、过滤层、透水土工布、蓄排水板；排水装置包括防水结构、屋顶水沟和屋顶排水管；所述的砂滤自动过滤净化装置包括屋顶水沟下水管、砂滤进水配水井、砂滤进水管、弃流雨水排放管和净化池。雨水经绿色屋顶吸收并初步净化后，地表径流汇入屋顶水沟，再通过屋顶水沟下水管经杂物过滤器过滤，初期雨水由弃流雨水排放管排入市政污水管网，后期雨水进入砂滤进水配水井和净化池进一步净化后回收利用。与现有技术相比，本发明具有对雨水的净化能力强、成本低、使用方便等优点。

Description

一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统
技术领域
本发明涉及海绵城市建设技术领域，具体涉及一种新型海绵城市建设用绿色屋顶。
背景技术
“海绵城市”是指城市能像海绵一样，在适应环境变化及应对自然灾害等方面拥有良好的“弹性”，下雨时能吸水、蓄水、渗水、净水，需要时再将蓄存的水“释放”并利用。其本质是利用“渗、滞、蓄、净、用、排”等手段措施对城市降雨径流进行水量控制、峰值削减、污染削减和资源化利用。低影响开发雨水系统中，通常在屋顶上建设花园来改善城市生态环境，绿色屋顶花园同时还具有净化空气、丰富城市景观等重要作用。
绿色屋顶也称种植屋面、屋顶绿化等，绿色屋顶是以绿色植物为主要覆盖物，配以植物生存所需要的种植土层以及屋面所需要的保护层(植物根阻拦层)、排水层、防水层等所共同组成的整个屋面系统。根据种植基质深度和景观复杂程度，绿色屋顶又分简单式和花园式。其特点是滞留、净化屋面雨水，降低径流污染负荷；增加空气湿度，降低室内外温度；释放氧气，滞留飞尘，改善空气质量；固定二氧化碳，减少碳排放；不额外占用城市建设用地，可提高城市绿化面积，美化环境。主要适用于水泥抹面的平屋顶、平台或坡度较缓(应小于15％)的屋顶，如坡度超过15％时需增加防滑、防冲蚀等设施。
绿色屋顶通过植物、沙石及土壤微生物的综合作用使雨水得到一定程度的净化，并使之逐渐渗入土壤，但由于该技术固有的要求，基质深度根据植物需求及屋顶荷载确定，简单式绿色屋顶的基质深度一般不大于300mm，花园式绿色屋顶在种植乔木时基质深度可超过600mm，但由于屋顶荷载问题，乔木种植数量也很有限。常规的绿色屋顶系统对雨水净化能力经常不能满足城市补给杂用水冲厕及车辆清洗等的要求。
近年来，国内外绿色屋顶做了大量的研究。CN111411744A公开了一种用于海绵城市的屋顶结构，包括屋面层、防水层、蓄水层和防护网层。屋面层上设有用于排放雨水的屋面雨水口；防水层设于屋面层上；蓄水层设于防水层上；防护网层设于蓄水层上。通过在蓄水层上设置防护网层，可稳固防护蓄水层。
CN206371225U公开了一种屋面雨水滞留连拱结构与绿色屋顶智能灌溉系统。雨水收集滞留系统用于收集蓄存经过连拱形集雨板分流的大气降水；智能控制系统用于接收各类传感器信号实现各个系统的协同工作；绿色屋顶灌溉系统用于根据土壤湿度和植物需水量完成供水灌溉作业。
CN106284495B公开了一种集雨型屋顶雨水花园，一种集雨型屋顶雨水花园包括露天绿化系统和雨水循环系统，所述露天绿化系统自上而下包括屋顶植被层、砂性土层、粗砂层、土工布层、碎石垫层、砾石层、隔挡层、二次过滤层和素土夯实层，所述雨水循环系统包括蓄水箱、净水器、水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、土壤湿度传感器、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道和PLC控制器，同时解决了雨水排放和过滤的问题。
目前已公布的包括上述绿色屋顶技术方案大部分都是单纯依靠绿色屋顶系统本身的蓄水净化功能，对雨水进行收集净化后用来灌溉屋顶绿化带或用于居民冲洗厕所等对水质要求不高的场所，但是这种系统成本高，可实施性不强，一方面是因为：现有绿色屋顶对雨水，尤其是初期雨水地表径流中含有的悬浮物、有机污染物及氮磷等的去除能力不足。在实际使用过程中，屋面上的一些轻质杂物或者沙石、固体杂物，很容易随着雨水流到绿色屋顶的蓄水层，在渗透过程中易造成蓄水层堵塞，从而导致透水性能下降，需要进行及时的冲洗维护且维护难度较大；另一方面，绿色屋顶的成败关键在于维持总体结构的良好渗透性，而当前的绿色屋顶总体结构的渗透性较差，对雨水的净化能力不强，而且屋顶绿色植被成活率不高，导致维护成本上升。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，对雨水的净化能力强，成本低，使用更为方便。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，包括绿色屋顶和砂滤自动过滤净化装置；
所述的绿色屋顶包括种植装置和排水装置，其中种植装置包括由上到下依次设置的植物、基质层种植土、过滤层、透水土工布、蓄排水板；排水装置包括第一防水水泥层、防穿刺卷材、防水膜、第二防水水泥层、屋顶水沟、屋顶排水管，所述的第一防水水泥层、防穿刺卷材、防水膜、第二防水水泥层由上到下依次设置组成屋顶保护层，该屋顶保护层铺设于屋顶砌体上，所述的屋顶水沟设置在屋顶保护层四周，并与屋顶排水管连通；所述的种植装置放置在屋顶保护层上；
所述的砂滤自动过滤净化装置包括沿墙体设置的屋顶水沟下水管，该屋顶水沟下水管一端连接屋顶排水管，另一端连接砂滤进水配水井，并在屋顶水沟下水管上设有杂物过滤器和弃流雨水排放管(该弃流雨水排放管为从屋顶水沟下水管上引出的旁路管道)，所述的砂滤进水配水井底部通过砂滤进水管连通净化池，该净化池内设有过滤组件和反冲洗组件；
雨水经绿色屋顶吸收并初步净化后，地表径流汇入屋顶水沟，再通过屋顶水沟下水管经杂物过滤器过滤(定期或不定期人工清除杂物)，初期雨水由弃流雨水排放管排入市政污水管网，污水处理厂进行集中处理，后期雨水进入砂滤进水配水井和净化池进一步净化后回收利用。杂物过滤器可去除初期雨水中大的树叶等杂物，初期雨水弃流按6～8mm径流厚度计算降雨初期径流量，根据弃流雨水排放管管径大小确定排放时间，一般10～15min以内，弃流雨水排放后关闭弃流雨水排放管上的弃流雨水阀门，雨水进入后续雨水砂滤自动过滤净化系统。
进一步地，所述的植物为耐水湿、耐旱和耐污染的观赏性多年生草本或灌木，包括宿根花卉、景天类及耐旱的禾草类植物，以本地植物为主，植被的高度为20～80cm。
基质层种植土的厚度需根据屋顶承重能力设计，一般厚度为150～300mm，基质层种植土为种植土壤，种植土壤主要选用当地的未受污染的表土，当土壤渗透系数小于1×10-5m/s时，可以通过使用堆肥、颗粒活性炭等无机轻质介质或者使用稻壳、蔗渣等易于微生物降解的有机基质对种植土壤进行改性，当改性物质为无机轻质介质时，可促进土壤团粒形成、增强土壤的渗透能力，此时，基质层种植土的配方土壤、堆肥和颗粒活性炭的混合物，该混合物中土壤的体积百分比为50～70％，堆肥的体积百分比为10～20％，颗粒活性炭的体积百分比为10～30％。当改性物质为稻壳、蔗渣等易于微生物降解的有机基质，基质层厚度可以适当增加。
为了提高绿色屋顶基质层种植土土壤的渗透性，可加入国内广泛人工饲养的食杂性、耐湿和易繁殖的蚯蚓品种，包括赤子爱胜蚓等具良好抗逆性的蚯蚓，蚯蚓的投加密度为50～100条/m2。蚯蚓以腐败的植物落叶等的土壤腐植质、动物粪便、土壤细菌等以及这些物质的分解产物为食，在土壤内可疏通土壤。由于种植装置内水位高度会变化，也会促使蚯蚓在土壤内掘穴频率增加，蚯蚓产生的粪便具有类似活性炭的多孔状结构，都间接提高了土壤的渗透性，同时蚯蚓可以富集重金属等污染物，对水体中氮、磷及有机物的有去除作用，有利于净化水质。
所述的过滤层为轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭和破碎的加气砖的混合物，该混合物中轻质粉煤灰陶粒的体积百分比为30～50％，颗粒活性炭的体积百分比为15～30％，破碎的加气砖的体积百分比为30～40％；所述的过滤层的厚度为50～80mm；所述的颗粒活性炭粒径不小于2cm，破碎的加气砖的粒径为3～5cm。粉煤灰陶粒可以强化吸磷，颗粒活性炭可吸附COD等污染物，净化水质。当雨水净化要求不高时，为了降低建设成本，颗粒活性炭可采用吸附性能饱和的废碳或吸附活性不高的再生碳，绿色屋顶在利用轻质活性炭蓄水性能的同时，通过微生物的降解作用逐步恢复活性炭活性。加气砖为市售，是以粉煤灰、石膏、磷石膏、水泥、铝粉以及水为原料，通过高温蒸压设备加工而成，其体积密度(绝干)为600～700kg/m3，孔隙率为在70～85％，具有较好的除磷的作用。破碎后接触面积增大，有较好的脱氮和除磷的作用。过滤层下铺设的透水土工布，可减少上层滤料和土壤落入蓄排水板的缝隙造成堵塞。
所述的种植装置内还设有吸水连接管，管径为DN50～100mm，吸水连接管一端伸入基质层种植土，另一端穿过过滤层压在透水土工布和蓄排水板上；所述的吸水连接管管内装有未受污染的表土及颗粒活性炭，表土和颗粒活性炭的体积百分含量分别为60～80％和40～20％。水份按其运动特性有吸着水、毛细管水和重力水三类，目前常规绿色屋顶的设计，是按植被下铺过滤层和排水板的结构，这样的结构利于水的快速下降，但会阻碍毛细管水的上升，土壤水分不足时不利于植物的生长，轻者枯萎，重者干枯死亡。在本发明中，种植装置内缺水时，吸水连接管可以将蓄排水板的雨水输入给土壤供植物使用，可减少浇灌。所述的蓄排水板厚度为20～50mm。
所述第一防水水泥层和第二防水水泥层的厚度均为10～20mm，且第一防水水泥层的中间凸起，形成5～10°的坡度，通过一定坡度处理快速收集屋顶雨水至屋顶水沟，雨水从水沟经屋顶排水管流下屋顶；所述的防水膜的厚度不小于1.2mm。第一防水水泥层和第二防水水泥层均为1:2水泥砂浆(即重量比水泥：砂：水＝1：2：0.6)防潮层(加6％防水粉)，防穿刺卷材为聚酯-铜胎基耐根刺SBS改性沥青防水卷材，防水膜为HDPE土工膜(厚度不小于1.2mm)。第一防水水泥层、防穿刺卷材、防水膜和第二防水水泥层的复合使用是为了保证建筑本体不被雨水侵蚀，保护建筑屋顶。
所述的净化池还连接有聚合氯化铝加药泵和次氯酸钠溶液加药泵。聚合氯化铝加药泵可设置在砂滤进水管上，向管道内添加5～10mg/L絮凝剂聚合氯化铝(PAC)，通过絮凝反应生成较大矾花，经砂滤过滤后去除残留的悬浮物等污染物，为了提高管道内流体的湍流强度，还可在砂滤进水管上增设管道混合器。次氯酸钠溶液加药泵可设置在砂滤进水管上，也可设置在净化池出口处，在进入蓄水箱前向水中加入10％浓度的次氯酸钠溶液(1～3mg/L)消毒。聚合氯化铝和次氯酸钠溶液的投加分别采用加药泵自动投加。聚合氯化铝加药泵的启停与砂滤进水配水井液位连锁，次氯酸钠加药泵的启停与蓄水箱液位连锁，此时出水能够满足城市补给杂用水要求，可用于冲厕以及车辆清洗等。
所述的过滤组件包括由上至下依次设置的盖板、石英砂滤料层、透水板和支架；所述的盖板与石英砂滤料层之间形成空腔，雨水经砂滤进水管流入该空腔内，通过石英砂滤料层过滤净化后从透水板流出；所述的支架底部与净化池底部固定连接。石英砂滤料层过滤净化后的水经位于净化池上部的出水槽流入蓄水箱储存备用。
所述的反冲洗组件包括虹吸管、破坏虹吸管和反冲洗废水池，反冲洗过程中，净化池内的水从下往上流经过滤组件，对过滤组件进行冲洗，形成的反冲洗废水通过虹吸管流入反冲洗废水池，当净化池内的水位降至破坏虹吸管最下沿位置时，反冲洗过程停止。在砂滤自动过滤净化装置工作时，石英砂滤料层逐渐堵塞，直至自动开始反冲洗，反冲洗废水池内的反冲洗废水排入市政污水管网。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明将绿色屋顶和砂滤自动过滤净化装置进行耦合，绿色屋顶可对雨水进行初步净化吸收，砂滤自动过滤净化装置对雨水进行深层次过滤净化，两者耦合大大提高了对雨水的净化效果，且净化效果稳定，抗冲击能力强。砂滤自动过滤净化装置置于屋顶以下，减少对屋顶承重造成的负担，同时利用屋顶水沟下水管位置高的特点，使雨水经重力流可进入后续雨水砂滤自动过滤净化系统，避免了常规无阀滤池使用时需高能耗水泵提升的不足，整套砂滤系统无需动力消耗，利用虹吸的原理实现自动反冲洗，构造简单，使用方便，滤池出水水位仍较高，便于后续雨水回用；
2、本发明在基质层种植土引入食杂性、耐湿和易繁殖的蚯蚓品种，如赤子爱胜蚓等具良好抗逆性的蚯蚓，蚯蚓以腐败的植物落叶等的土壤腐植质及分解产物为食，可疏通土壤提高土壤的透水性的同时净化水质，且蚯蚓还可以富集重金属等污染物，多余的蚯蚓还可以作为高附加值的产品出售；
3、本发明过滤层由轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭、破碎的加气砖按一定比例组成，粉煤灰陶粒可以强化吸磷，颗粒活性炭可吸附去除有机物污染物等，破碎后加气砖接触面积增大，有较好的脱氮和除磷的作用，同时，微生物可以附着在这些滤料上生长，增强了系统净化水质的效果；
4、本发明设置吸水连接管，缺水时该连接管可以将蓄排水板积存的雨水输入给土壤供植物使用，可减少人为浇灌，有利于植物生长，提高系统对雨水的吸收净化能力；
5、本发明系统使用简单，维护和运行成本低，适用于需要高效去除雨水等地表径流污染控制的情况，尤其是需要同步脱氮除磷净化水质时。是对常规绿色屋顶技术的改进和补充，适合海绵城市建设工程中使用，可延缓径流峰值、雨水污染物控制及景观效应等多功能为一体的绿色屋顶。
附图说明
图1为本发明海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统中的绿色屋顶示意图；
图2为本发明海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统中的砂滤自动过滤净化装置示意图；
图中：1-植物，2-基质层种植土，3-过滤层，4-透水土工布，5-蓄排水板，6-第一防水水泥层，7-防穿刺卷材，8-防水膜，9-第二防水水泥层，10-屋顶水沟，11-屋顶排水管，12-屋顶砌体，13-吸水连接管，14-墙体，15-屋顶水沟下水管，16-杂物过滤器，17-弃流雨水排放管，18-砂滤进水配水井，19-净化池，20-砂滤进水管，21-盖板，22-石英砂滤料层，23-透水板，24-支架，25-虹吸管，26-破坏虹吸管，27-反冲洗废水池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，按照以下结构和参数进行设计并运行：
初期雨水地表径流汇入屋顶水沟10，再通过屋顶水沟下水管15，经杂物过滤器16去除大的树叶等杂物后，初期雨水弃流按8mm径流厚度计算降雨初期径流量，根据弃流雨水排放管17管径大小确定排放时间排入市政污水管网，污水处理厂进行集中处理，15分钟后弃流雨水排放后关闭弃流雨水阀门。之后雨水进入后续雨水砂滤自动过滤净化系统。
绿色屋顶系统植物1为耐水湿、耐旱和耐污染的观赏性多年生草本或灌木，植被的高度宜为20～80cm，主要选择宿根花卉、景天类及耐旱的禾草类植物，且以本地植物为主。
绿色屋顶的基质层种植土2厚度为300mm。种植土壤为当地未受污染的表土，为促进土壤团粒形成、增强土壤的渗透能力，使用堆肥、颗粒活性炭等无机轻质介质与土壤进行复配。土壤、堆肥、颗粒活性炭的体积占比分别为50％、20％、30％。
为了提高基质层种植土2的渗透性，加入了具良好抗逆性的赤子爱胜蚓，蚯蚓投加密度为100条/m2，其以腐败的植物落叶等的土壤腐植质为食，在土壤内掘穴可疏通土壤，所产粪便有类似活性炭的多孔状结构可吸附污染物。
基质层种植土2下的过滤层3的厚度为80mm，由轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭、破碎的加气砖混合而成。轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭、加气砖体积占比分别为40％、30％、30％。颗粒活性炭的粒径不小于2cm，破碎加气砖的粒径为3～5cm。粉煤灰陶粒和破碎的加气砖均有较强的吸磷作用，颗粒活性炭可吸附COD等，净化水质。过滤层3下铺设透水土工布4。
蓄排水板5为40mm，可快速收集屋顶雨水至屋顶水沟10。厚度20mm的第一防水水泥层6、防穿刺卷材7、厚度1.4mm的防水膜8及第二防水水泥层9厚度为20mm，多重防护可有效保护建筑屋顶不被雨水侵蚀。
吸水连接管13管径为DN100mm，穿过基质层种植土2和过滤层3，管内表土及颗粒活性炭比例分别为60％和40％。缺水时，吸水连接管13可将蓄排水板5积存的雨水吸入土壤供植物使用。
雨水经绿色屋顶系统后沿屋顶水沟下水管15，经杂物过滤器16后重力流进入雨水砂滤自动过滤净化系统的砂滤进水配水井18，经由砂滤进水管20进入石英砂滤料层22过滤出水，经净化池19上部的出水槽流入蓄水箱储存备用。当石英砂滤料层22堵塞，开始自动反洗，反冲洗废水沿虹吸管25进入反冲洗废水池27，直至净化池19内的水反洗至液位达到破坏虹吸管26破坏虹吸，停止反冲系统再次连续进水。
在砂滤进水管20设管道混合器，添加10mg/L的PAC(质量浓度为10％)利用絮凝反应结合砂滤去除水中的悬浮物等污染物，进蓄水箱前投加10％浓度的次氯酸钠溶液消毒3mg/L，试剂均采用加药泵自动投加。
按照以上结构参数设计，该新型海绵城市建设用绿色屋顶及其雨水砂滤自动过滤净化系统对雨水TSS、COD、TP和TN的削减率分别可达到约95％、85％、90％和80％。
实施例2
一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，按照以下结构和参数进行设计并运行：
初期雨水地表径流汇入屋顶水沟10，再通过屋顶水沟下水管15，经杂物过滤器16去除大的树叶等杂物后，初期雨水弃流按6mm径流厚度计算降雨初期径流量，根据弃流雨水排放管17管径大小确定排放时间排入市政污水管网，污水处理厂进行集中处理，10分钟后弃流雨水排放后关闭弃流雨水阀门。之后雨水进入后续雨水砂滤自动过滤净化系统。
绿色屋顶系统植物1为耐水湿、耐旱和耐污染的观赏性多年生草本或灌木，植被的高度宜为20～60cm，主要选择宿根花卉、景天类及耐旱的禾草类植物，且以本地植物为主。
绿色屋顶的基质层种植土2厚度为150mm。种植土壤为当地的未受污染的表土，为促进土壤团粒形成、增强土壤的渗透能力，使用堆肥、颗粒活性炭等无机轻质介质与土壤进行复配。土壤、堆肥、颗粒活性炭的体积占比分别为70％、20％、10％。
为了提高基质层种植土2的渗透性，加入了具良好抗逆性的赤子爱胜蚓，蚯蚓投加密度为50条/m2，其以腐败的植物落叶等的土壤腐植质为食，在土壤内掘穴可疏通土壤，所产粪便有类似活性炭的多孔状结构可吸附污染物。
基质层种植土2下的过滤层3的厚度为60mm，由轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭、破碎的加气砖混合而成。轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭、加气砖体积占比分别为50％、15％、35％。颗粒活性炭的粒径不小于2cm，破碎加气砖的粒径为3～5cm。粉煤灰陶粒和破碎的加气砖均有较强的吸磷作用，颗粒活性炭可吸附COD等，净化水质。过滤层3下铺设透水土工布4。
蓄排水板5为20mm，可快速收集屋顶雨水至屋顶水沟10。厚度10mm的第一防水水泥层6、防穿刺卷材7、厚度1.2mm的防水膜8及第二防水水泥层9厚度为10mm，多重防护可有效保护建筑屋顶不被雨水侵蚀。
吸水连接管13管径为DN60mm，穿过基质层种植土2和过滤层3，管内表土及颗粒活性炭比例分别为80％和20％。缺水时，吸水连接管13可将蓄排水板5积存的雨水吸入土壤供植物使用。
雨水经绿色屋顶系统后沿屋顶水沟下水管15，经杂物过滤器16后重力流进入雨水砂滤自动过滤净化系统的砂滤进水配水井18，经由砂滤进水管20进入石英砂滤料层22过滤出水，经净化池19上部的出水槽流入蓄水箱储存备用。当石英砂滤料层22堵塞，开始自动反洗阶段，反冲洗废水沿虹吸管25进入反冲洗废水池27，直至净化池19内的水反洗至液位达到破坏虹吸管26破坏虹吸，停止反冲系统再次连续进水。
在砂滤进水管20设管道混合器，添加5mg/L的PAC(质量浓度为10％)利用絮凝反应结合砂滤去除水中的悬浮物等污染物，进蓄水箱前投加10％浓度的次氯酸钠溶液消毒(1mg/L)，试剂均采用加药泵自动投加。
按照以上结构参数设计，该新型海绵城市建设用绿色屋顶及其雨水砂滤自动过滤净化系统对雨水TSS、COD、TP和TN的削减率分别可达到约85％、75％、80％和70％。
实施例3
一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，按照以下结构和参数进行设计并运行：
初期雨水地表径流汇入屋顶水沟10，再通过屋顶水沟下水管15，经杂物过滤器16去除大的树叶等杂物后，初期雨水弃流按6mm径流厚度计算降雨初期径流量，根据弃流雨水排放管17管径大小确定排放时间排入市政污水管网，污水处理厂进行集中处理，12分钟后弃流雨水排放后关闭弃流雨水阀门。之后雨水进入后续雨水砂滤自动过滤净化系统。
绿色屋顶系统植物1为耐水湿、耐旱和耐污染的观赏性多年生草本或灌木，植被的高度宜为20～70cm，主要选择宿根花卉、景天类及耐旱的禾草类植物，且以本地植物为主。
绿色屋顶的基质层种植土2厚度为250mm。种植土壤为当地的未受污染的表土，为促进土壤团粒形成、增强土壤的渗透能力，使用堆肥、颗粒活性炭等无机轻质介质与土壤进行复配。土壤、堆肥、颗粒活性炭的体积占比分别为60％、20％、20％。
为了提高基质层种植土2的渗透性，加入了具良好抗逆性的赤子爱胜蚓，蚯蚓投加密度为75条/m2，其以腐败的植物落叶等的土壤腐植质为食，在土壤内掘穴可疏通土壤，所产粪便有类似活性炭的多孔状结构可吸附污染物。
基质层种植土2下的过滤层3的厚度为70mm，由轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭、破碎的加气砖混合而成。轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭、加气砖体积占比分别为40％、25％、35％。颗粒活性炭的粒径不小于2cm，破碎加气砖的粒径为3～5cm。粉煤灰陶粒和破碎的加气砖均有较强的吸磷作用，颗粒活性炭可吸附COD等，净化水质。过滤层3下铺设透水土工布4。
蓄排水板5为35mm，可快速收集屋顶雨水至屋顶水沟10。厚度15mm的第一防水水泥层6、防穿刺卷材7、厚度1.3mm的防水膜8及第二防水水泥层9厚度为15mm，多重防护可有效保护建筑屋顶不被雨水侵蚀。
吸水连接管13管径为DN80mm，穿过基质层种植土2和过滤层3，管内表土及颗粒活性炭比例分别为70％和30％。缺水时，吸水连接管13可将蓄排水板5积存的雨水吸入土壤供植物使用。
雨水经绿色屋顶系统后沿屋顶水沟下水管15，经杂物过滤器16后重力流进入雨水砂滤自动过滤净化系统的砂滤进水配水井18，经由砂滤进水管20进入石英砂滤料层22过滤出水，经净化池19上部的出水槽流入蓄水箱储存备用。当石英砂滤料层22堵塞，开始自动反洗阶段，反冲洗废水沿虹吸管25进入反冲洗废水池27，直至净化池19内的水反洗至液位达到破坏虹吸管26破坏虹吸，停止反冲系统再次连续进水。
在砂滤进水管20设管道混合器，添加8mg/L的PAC(质量浓度为10％)利用絮凝反应结合砂滤去除水中的悬浮物等污染物，进蓄水箱前投加10％浓度的次氯酸钠溶液消毒(2mg/L)，试剂均采用加药泵自动投加。
按照以上结构参数设计，该新型海绵城市建设用绿色屋顶及其雨水砂滤自动过滤净化系统对雨水TSS、COD、TP和TN的削减率分别可达到约90％、80％、85％和75％。
实施例4
一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，包括绿色屋顶和砂滤自动过滤净化装置。
如图1所示，绿色屋顶包括种植装置和排水装置，其中种植装置包括由上到下依次设置的植物1、基质层种植土2、过滤层3、透水土工布4、蓄排水板5；排水装置包括第一防水水泥层6、防穿刺卷材7、防水膜8、第二防水水泥层9、屋顶水沟10、屋顶排水管11，所述的第一防水水泥层6、防穿刺卷材7、防水膜8、第二防水水泥层9由上到下依次设置组成屋顶保护层，该屋顶保护层铺设于屋顶砌体12上，并延伸至屋顶的竖直面，屋顶水沟10设置在屋顶保护层四周，并与屋顶排水管11连通；种植装置放置在屋顶保护层上。
如图2所示，砂滤自动过滤净化装置包括沿墙体14设置的屋顶水沟下水管15，该屋顶水沟下水管15一端连接屋顶排水管11，另一端连接砂滤进水配水井18，并在屋顶水沟下水管15上设有杂物过滤器16和弃流雨水排放管17，砂滤进水配水井18底部通过砂滤进水管20连通净化池19，该净化池19内设有过滤组件和反冲洗组件。
初期雨水地表径流汇入屋顶水沟10，再通过屋顶水沟下水管15，经杂物过滤器16去除大的树叶等杂物后，初期雨水弃流按6mm径流厚度计算降雨初期径流量，根据弃流雨水排放管17管径大小确定排放时间排入市政污水管网，污水处理厂进行集中处理，12分钟后弃流雨水排放后关闭弃流雨水阀门，之后雨水进入砂滤进水配水井18和净化池19进一步净化后回收利用。
雨水经绿色屋顶吸收并初步净化后，地表径流汇入屋顶水沟10，再通过屋顶水沟下水管15经杂物过滤器16过滤，初期雨水由弃流雨水排放管17排入市政污水管网，后期雨水进入砂滤进水配水井18和净化池19进一步净化后回收利用。
植物1宿根花卉，高度为20～80cm；基质层种植土2的厚度为200mm，为土壤、堆肥和颗粒活性炭的混合物，该混合物中土壤的体积百分比为70％，堆肥的体积百分比为10％，颗粒活性炭的体积百分比为20％，并在基质层种植土2内投加蚯蚓，投加密度为80条/m2；过滤层3厚度为50mm，为轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭和破碎的加气砖的混合物，该混合物中轻质粉煤灰陶粒的体积百分比为30％，颗粒活性炭的体积百分比为30％，破碎的加气砖的体积百分比为40％；蓄排水板5厚度为50mm，第一防水水泥层6和第二防水水泥层9厚度均为10mm，且第一防水水泥层6中间凸起，形成10°的坡度，以便快速收集屋顶雨水至屋顶水沟10。
种植装置内还设有吸水连接管13，其一端伸入基质层种植土2，另一端穿过过滤层3压在透水土工布4和蓄排水板5上，管径为DN50mm，管内装有未受污染的表土及颗粒活性炭，表土和颗粒活性炭的体积百分含量分别为80％和20％。
净化池19连接有聚合氯化铝加药泵和次氯酸钠溶液加药泵，聚合氯化铝加药泵设置在砂滤进水管20上，次氯酸钠溶液加药泵设置在位于净化池19上部的出水槽后方，在净化池19内的水进入蓄水箱前对其进行消毒。氯化铝加药泵向管道内添加10mg/L絮凝剂聚合氯化铝，次氯酸钠溶液加药泵向出水槽中添加1mg/L的10％浓度的次氯酸钠溶液。
过滤组件包括由上至下依次设置的盖板21、石英砂滤料层22、透水板23和支架24，盖板21与石英砂滤料层22之间形成空腔，后期雨水经砂滤进水管20流入该空腔内，通过石英砂滤料层22过滤净化后从透水板23流出，支架24底部与净化池19底部固定连接。
反冲洗组件包括虹吸管25、破坏虹吸管26和反冲洗废水池27，石英砂滤料层22随着过滤的进行发生堵塞，开始反冲洗过程，净化池19内的水从下到上流经过滤组件，对过滤组件进行冲洗，形成的反冲洗废水通过虹吸管25流入反冲洗废水池27，当净化池19内的水位降至破坏虹吸管26最下沿位置时，反冲洗过程停止，重新开始雨水过滤净化过程。
实施例5
一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，包括绿色屋顶和砂滤自动过滤净化装置。
如图1所示，绿色屋顶包括种植装置和排水装置，其中种植装置包括由上到下依次设置的植物1、基质层种植土2、过滤层3、透水土工布4、蓄排水板5；排水装置包括第一防水水泥层6、防穿刺卷材7、防水膜8、第二防水水泥层9、屋顶水沟10、屋顶排水管11，所述的第一防水水泥层6、防穿刺卷材7、防水膜8、第二防水水泥层9由上到下依次设置组成屋顶保护层，该屋顶保护层铺设于屋顶砌体12上，并延伸至屋顶的竖直面，屋顶水沟10设置在屋顶保护层四周，并与屋顶排水管11连通；种植装置放置在屋顶保护层上。
如图2所示，砂滤自动过滤净化装置包括沿墙体14设置的屋顶水沟下水管15，该屋顶水沟下水管15一端连接屋顶排水管11，另一端连接砂滤进水配水井18，并在屋顶水沟下水管15上设有杂物过滤器16和弃流雨水排放管17，砂滤进水配水井18底部通过砂滤进水管20连通净化池19，该净化池19内设有过滤组件和反冲洗组件。
初期雨水地表径流汇入屋顶水沟10，再通过屋顶水沟下水管15，经杂物过滤器16去除大的树叶等杂物后，初期雨水弃流按8mm径流厚度计算降雨初期径流量，根据弃流雨水排放管17管径大小确定排放时间排入市政污水管网，污水处理厂进行集中处理，15分钟后弃流雨水排放后关闭弃流雨水阀门，之后雨水进入砂滤进水配水井18和净化池19进一步净化后回收利用。
雨水经绿色屋顶吸收并初步净化后，地表径流汇入屋顶水沟10，再通过屋顶水沟下水管15经杂物过滤器16过滤，初期雨水由弃流雨水排放管17排入市政污水管网，后期雨水进入砂滤进水配水井18和净化池19进一步净化后回收利用。
植物1景天类植物，高度为20～80cm；基质层种植土2的厚度为350mm，为土壤、稻壳和蔗渣的混合物，该混合物中土壤的体积百分比为60％，稻壳的体积百分比为20％，蔗渣的体积百分比为20％，并在基质层种植土2内投加蚯蚓，投加密度为60条/m2；过滤层3厚度为70mm，为轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭和破碎的加气砖的混合物，该混合物中轻质粉煤灰陶粒的体积百分比为30％，颗粒活性炭的体积百分比为30％，破碎的加气砖的体积百分比为40％；蓄排水板5厚度为30mm，第一防水水泥层6和第二防水水泥层9厚度均为15mm，且第一防水水泥层6中间凸起，形成5°的坡度，以便快速收集屋顶雨水至屋顶水沟10。
种植装置内还设有吸水连接管13，其一端伸入基质层种植土2，另一端穿过过滤层3压在透水土工布4和蓄排水板5上，管径为DN100mm，管内装有未受污染的表土及颗粒活性炭，表土和颗粒活性炭的体积百分含量分别为80％和20％。
净化池19连接有聚合氯化铝加药泵和次氯酸钠溶液加药泵，聚合氯化铝加药泵设置在砂滤进水管20上，次氯酸钠溶液加药泵也设置在砂滤进水管20上，并增设了管道混合器以提高流体湍流强度。氯化铝加药泵向管道内添加5mg/L絮凝剂聚合氯化铝，次氯酸钠溶液加药泵向管道内添加3mg/L的10％浓度的次氯酸钠溶液。
过滤组件包括由上至下依次设置的盖板21、石英砂滤料层22、透水板23和支架24，盖板21与石英砂滤料层22之间形成空腔，后期雨水经砂滤进水管20流入该空腔内，通过石英砂滤料层22过滤净化后从透水板23流出，支架24底部与净化池19底部固定连接。
反冲洗组件包括虹吸管25、破坏虹吸管26和反冲洗废水池27，石英砂滤料层22随着过滤的进行发生堵塞，开始反冲洗过程，净化池19内的水从下往上流经过滤组件，对过滤组件进行冲洗，形成的反冲洗废水通过虹吸管25流入反冲洗废水池27，当净化池19内的水位降至破坏虹吸管26最下沿位置时，反冲洗过程停止，重新开始雨水过滤净化过程。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，其特征在于，包括绿色屋顶和砂滤自动过滤净化装置；
所述的绿色屋顶包括种植装置和排水装置，其中种植装置包括由上到下依次设置的植物(1)、基质层种植土(2)、过滤层(3)、透水土工布(4)、蓄排水板(5)；排水装置包括第一防水水泥层(6)、防穿刺卷材(7)、防水膜(8)、第二防水水泥层(9)、屋顶水沟(10)、屋顶排水管(11)，所述的第一防水水泥层(6)、防穿刺卷材(7)、防水膜(8)、第二防水水泥层(9)由上到下依次设置组成屋顶保护层，该屋顶保护层铺设于屋顶砌体(12)上，所述的屋顶水沟(10)设置在屋顶保护层四周，并与屋顶排水管(11)连通；所述的种植装置放置在屋顶保护层上；所述的基质层种植土(2)厚度为150～300mm，基质层种植土(2)为土壤、堆肥和颗粒活性炭的混合物，该混合物中土壤的体积百分比为50～70％，堆肥的体积百分比为10～20％，颗粒活性炭的体积百分比为10～30％；
所述的过滤层(3)为轻质粉煤灰陶粒、颗粒活性炭和破碎的加气砖的混合物，该混合物中轻质粉煤灰陶粒的体积百分比为30～50％，颗粒活性炭的体积百分比为15～30％，破碎的加气砖的体积百分比为30～40％；
所述的过滤层(3)的厚度为50～80mm；所述的颗粒活性炭粒径不小于2cm，破碎的加气砖的粒径为3～5cm；
所述的砂滤自动过滤净化装置包括沿墙体(14)设置的屋顶水沟下水管(15)，该屋顶水沟下水管(15)一端连接屋顶排水管(11)，另一端连接砂滤进水配水井(18)，并在屋顶水沟下水管(15)上设有杂物过滤器(16)和弃流雨水排放管(17)，所述的砂滤进水配水井(18)底部通过砂滤进水管(20)连通净化池(19)，该净化池(19)内设有过滤组件和反冲洗组件；
雨水经绿色屋顶吸收并初步净化后，地表径流汇入屋顶水沟(10)，再通过屋顶水沟下水管(15)经杂物过滤器(16)过滤，初期雨水由弃流雨水排放管(17)排入市政污水管网，后期雨水进入砂滤进水配水井(18)和净化池(19)进一步净化后回收利用。
2.根据权利要求1所述的海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，其特征在于，所述的植物(1)为耐水湿、耐旱和耐污染的观赏性多年生草本或灌木，包括宿根花卉、景天类及耐旱的禾草类植物，植被的高度为20～80cm。
3.根据权利要求1所述的海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，其特征在于，所述的基质层种植土(2)内投加蚯蚓，包括赤子爱胜蚓，蚯蚓的投加密度为50～100条/m2。
4.根据权利要求1所述的海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，其特征在于，所述的种植装置内还设有吸水连接管(13)，管径为DN50～100mm，吸水连接管(13)一端伸入基质层种植土(2)，另一端穿过过滤层(3)压在透水土工布(4)和蓄排水板(5)上；
所述的吸水连接管(13)管内装有未受污染的表土及颗粒活性炭，表土和颗粒活性炭的体积百分含量分别为60～80％和40～20％。
5.根据权利要求1所述的海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，其特征在于，所述的蓄排水板(5)厚度为20～50mm；
所述第一防水水泥层(6)和第二防水水泥层(9)的厚度均为10～20mm，且第一防水水泥层(6)的中间凸起，形成5～10°的坡度，快速收集屋顶雨水至屋顶水沟(10)；
所述的防水膜(8)的厚度不小于1.2mm。
6.根据权利要求1所述的海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，其特征在于，所述的净化池还连接有聚合氯化铝加药泵和次氯酸钠溶液加药泵。
7.根据权利要求1所述的海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，其特征在于，所述的过滤组件包括由上至下依次设置的盖板(21)、石英砂滤料层(22)、透水板(23)和支架(24)；所述的盖板(21)与石英砂滤料层(22)之间形成空腔，雨水经砂滤进水管(20)流入该空腔内，通过石英砂滤料层(22)过滤净化后从透水板(23)流出；所述的支架(24)底部与净化池(19)底部固定连接。
8.根据权利要求1所述的海绵城市建设用绿色屋顶及雨水净化耦合系统，其特征在于，所述的反冲洗组件包括虹吸下降管(25)、破坏虹吸管(26)和反冲洗废水池(27)，反冲洗过程中，净化池(19)内的水从下往上流经过滤组件，对过滤组件进行冲洗，形成的反冲洗废水通过虹吸下降管(25)流入反冲洗废水池(27)，当净化池(19)内的水位降至破坏虹吸管(26)最下沿位置时，反冲洗过程停止。
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