本發(fā)明涉及一種利用樓宇落水管中降水徑流重力勢能實現(xiàn)屋面雨水或融雪初期高污染負荷徑流識別與混凝劑自動投加的裝置。
背景技術(shù)：
：雨水資源化在有效減輕城市內(nèi)澇危害的同時，也可以顯著減緩城市發(fā)展中面臨的水資源短缺壓力，是目前海綿城市建設(shè)的主要內(nèi)容之一。研究表明雨水作為一種相對水質(zhì)較為好的水資源，經(jīng)過初步處理可以作為城市雜用水用于道路澆灑、綠化及沖廁，但降雨初期雨水的高污染負荷是目前開展雨水利用的瓶頸之一?；谟晁a(chǎn)匯流特點和污染負荷變化規(guī)律，降雨形成徑流后的前30分鐘內(nèi)，初雨的污染ss、cod、氨氮和總磷負荷占比高達69％、83％、73％和80％(詳見圖2)。有效的初期雨水處理可以實現(xiàn)雨水源頭就地回用，并實現(xiàn)徑流量消峰、蓄滯的作用。初期雨水徑流及污染特征與下墊面特征密切相關(guān)，初期雨水中的污染物主要有樹木枝葉、風吹雜物和大氣降塵，其中樹木枝葉和風吹雜物可以通過屋面雨水口柵網(wǎng)有效分離，由于大氣降塵所產(chǎn)生的ss是屋面初雨的主要處理對象。ss類污染物的顯著特征是粒徑小、難沉淀，初期雨水進入地面后由于顆粒物粒徑小、易堵塞，因此在可滲透區(qū)域的下滲能力也受到限制。另一方面，在目前的海綿城市的建設(shè)過程中，綠色屋頂也是一項重要截留蓄存雨水措施，然而當土壤層的蓄水達到飽和、雨水溢流外排時，雨水中會帶一些泥土顆粒等細小的污染物。初期雨水由于其中所含的污染物質(zhì)較多，因此在常規(guī)的雨水回收利用系統(tǒng)中，基本上都采用直接棄流的措施，但這對于排水系統(tǒng)的負荷會形成大的沖擊?，F(xiàn)有屋面初期污染雨水處置方式主要通過棄流進行處理，其作用原理在于：初期降雨時，降落到屋面前2～5mm的雨水一般污染較為嚴重，初雨徑流在流經(jīng)棄流過濾裝置時，因重力作用，雨水將首先通過低敞口的排水污管排放掉。在雨量增大后，作用在擋板上的壓力增大，位于排污管上端的浮球在水流壓力的作用下將排污管關(guān)閉，液位升高，雨水通過水平的過濾網(wǎng)進行過濾后流向出水口，進入雨水系統(tǒng)進行收集。將初期雨水棄流，雨水棄流最終需要流入污水管網(wǎng)，最終進入污水廠或者人工濕地進行處理，定會加大污水廠的處理量及負荷，或者增加人工濕地處理量，縮短人工濕地的運行年限。由于每次降雨前晴天天數(shù)不確定，以及兩次降雨之間的天氣狀況都不相同，因此棄流量不同。棄流量過大，導致一部分后期相對干凈的雨水被污染導致要處理的初期雨水量增大；棄流量過小，又使一些污染較為嚴重的雨水，流入收集的干凈的雨水中。手動控制需要在降雨時人工手動去開啟，浪費人力。在現(xiàn)有的初期雨水棄流控制方面，主要是人工手動控制與自動控制。手動控制切換排放雨水的可能會出現(xiàn)關(guān)閉不及時、不可靠，例如會出現(xiàn)初期污染雨水全部直接排放的后果，導致污水處理量的增大或環(huán)境污染，并且效率會很低。另一方面，在維護設(shè)備不好的情況下，會出現(xiàn)閥門由于污染銹蝕不能及時打不開的情況。自動控制初雨棄流的原理在于：在降雨初期，雨水流入到污水管道或者進入收集池中；在降雨開始后15～20分鐘時控制系統(tǒng)動作關(guān)閉污水閥，同時開啟清水閥，將后期清凈雨水切換到雨水管線內(nèi)或直排系統(tǒng)，實現(xiàn)自動切換。自動控制初雨棄流的設(shè)備費用高，而且維護困難，制約了該系統(tǒng)的推廣應用。已有的相關(guān)專利實例：屋面落水管上棄流型，申請?zhí)枺篶n201410210848.7，發(fā)明名稱為一種落水管上的初期雨水棄流系統(tǒng)。該裝置過于復雜，需要不定期的清洗，由于結(jié)構(gòu)復雜清洗也比較困難，而且該發(fā)明使用的材料為鋼鐵，且易產(chǎn)生生銹污染雨水，建設(shè)費用較高，操作不是特別的容易。且不具有初期雨水污染物處理的能力。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于提供一種利用樓宇落水管中屋面雨水或融雪水的落水重力勢能，實現(xiàn)初期高污染負荷雨(雪)水中混凝劑自動投加的裝置。裝置在落水管中徑流形成時開始加藥，持續(xù)加藥20～30分鐘(可調(diào))后停止加藥，通過延時復位裝置控制，經(jīng)過一周(或數(shù)周，可調(diào))以后，整個系統(tǒng)復位待機。藥劑可以定期人工補充。系統(tǒng)的安裝位置在落水管接地面以上1.0～1.5米，便于維護管理。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。一種樓宇落水管中自動投加混凝劑處理屋面高污染徑流的裝置，包括落水管、連接在落水管上的上立管和下立管、傾斜連通于上立管和下立管上的加藥筒以及設(shè)在加藥筒上方并分別與上立管和加藥筒相連通的蒸發(fā)槽體，蒸發(fā)槽體的下方設(shè)有與加藥筒體相連通的制動鎖閥體。作為優(yōu)選，在所述加藥筒管腔中設(shè)有沿其中心軸線布置的導軌，導軌兩端分別通過套螺絲桿由固定螺母和固定螺母鎖定，導軌上套有連動套筒；連動套筒上端設(shè)緩釋混凝劑儲放器,下端通過橡膠活塞與集水室復位彈簧聯(lián)動；集水室復位彈簧分別固定在加藥筒尾部和橡膠活塞一側(cè)；在集水室橡膠活塞帶動下，連動套筒和緩釋混凝劑儲放器沿導軌上下滑動。進一步，在加藥筒與下立管相交管腔處設(shè)有收水斜擋板，繞收水斜擋板設(shè)一虹吸管；虹吸管一端位于集水室與收水斜擋板交匯處，另一端沿下立管向下延伸至集水室最低水位下10cm處。進一步，所述導軌和連動套筒貫穿收水斜擋板，貫穿孔處設(shè)薄橡膠片止水。進一步，所述緩釋混凝劑儲放器中儲放為緩釋型硫酸鋁粉末或聚合氯化鋁粉末和活性炭粉末的混合物。作為優(yōu)選，所述蒸發(fā)槽體垂直設(shè)置在加藥筒體上方，蒸發(fā)槽體的上方分別通過溢流管和收水斜管與上立管相連通；所述蒸發(fā)槽體包括蒸發(fā)槽室、設(shè)在蒸發(fā)槽室中的蒸發(fā)槽橡膠活塞、與蒸發(fā)槽橡膠活塞相聯(lián)動蒸發(fā)槽復位彈簧及連桿；連桿隨蒸發(fā)槽內(nèi)的水壓和復位彈簧綜合作用沿垂直方向上下移動，并與制動鎖閥體內(nèi)部機構(gòu)聯(lián)動。進一步，所述制動鎖閥體包括與集水室頂部管壁相連的梯形閥體，在梯形閥體頂部管壁上設(shè)有開口，連桿通過連接鉸鏈鉸接一與集水室管壁開口相適應的制動銷；制動銷隨連桿上下移動，隨集水室橡膠活塞上行制動銷翻轉(zhuǎn)，對橡膠活塞下行限位；隨蒸發(fā)槽內(nèi)集水蒸發(fā)完畢，制動銷上升收回，對橡膠活塞下行限位解除。進一步，所述溢流管一端連接在蒸發(fā)槽室管壁上，另一端緊貼上立管管壁。作為優(yōu)選，在所述加藥筒頂部管端設(shè)有活動蓋板，套螺絲桿貫穿所述活動蓋板并通過固定螺母將其鎖定。作為優(yōu)選，所述落水管采用u-pvc材料；加藥筒、上立管、下立管和蒸發(fā)槽體采用abs工程塑料；集水室復位彈簧和蒸發(fā)槽復位彈簧采用鋼制材料。本發(fā)明單向制動系統(tǒng)依靠彈簧片、制動銷和連接鉸鏈配合完成加藥控制。本裝置能夠有效處理屋面以及道路橋梁進入到落水管的溢流雨水，在不影響落水管正常雨水排放的前提下，完全依靠落水重力勢能完成初期雨水識別與混凝劑投加，為后期雨水就地回收和資源化利用提供保障。裝置結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，完全自主調(diào)節(jié)，更換混凝劑方便，處理效果好。對于我國建設(shè)海綿城市中初期雨水水質(zhì)控制、實現(xiàn)雨水資源化回用具有更大現(xiàn)實意義。實驗研究表明，在屋面徑流形成后到20～30分鐘以內(nèi)的徑流中，投加一定量混凝劑，通過混凝可以有效實現(xiàn)ss類污染物沉淀截留，其中濁度、tn、tp和cod的去除率分別為95％、74％、82％和91％。同時由于雨水中顆粒物經(jīng)過混凝處理粒徑增大，減緩了細小顆粒對下滲介質(zhì)的堵塞，改善了初期雨水在綠地中的下滲能力。本發(fā)明填補了現(xiàn)今屋面徑流初期雨水處理的空白。通過在落水管上中加入一個簡單的裝置起到對建筑屋頂溢流初期雨水的處理作用。制造本裝置簡單，造價低，自動制動無須電力，處理效果好。在現(xiàn)今建設(shè)海綿城市處理提升雨水水質(zhì)具有重要意義。本發(fā)明的特點在于：1、自主識別初期高污染徑流功能研究表明，降雨前的晴天數(shù)與降雨徑流中的污染物濃度成正比例關(guān)系，屋面降水徑流中污染物負荷主要集中在徑流形成后30分鐘以內(nèi)的初期雨水中。因此，初期雨水中污染物控制是雨水資源化的關(guān)鍵，其中高污染負荷初期雨水的識別又是處理裝置有效運行的核心。本發(fā)明采用兩種方式實現(xiàn)初期雨水的自動識別：(1)針對單場降雨，進入落水管中的雨水通過收水斜擋板進入集水室，隨著集水室中積水液位上升至虹吸管動作，集水室中積水瞬間快速排放，在此過程中伴隨集水室中橡膠活塞的下降與復位，這一時間段對應初期雨水形成階段。后期雨水由于蒸發(fā)槽中集水壓力導致單向制動鎖動作，集水室中橡膠活塞無法下移，加壓系統(tǒng)不工作；(2)針對兩場降雨情況，在兩場降雨時間較短，當?shù)谝粓鼋涤杲Y(jié)束后，蒸發(fā)室的雨水沒有蒸發(fā)完，單向制動鎖制動使集水室橡膠活塞無法下移，混凝劑投加系統(tǒng)不工作；兩場降雨時間較長時，蒸發(fā)槽中隨著積水蒸發(fā)完畢，單向制動鎖復位待機。本發(fā)明提出的采用緩釋混凝劑可以提高混凝劑的投加效率，避免后期清潔徑流中的混凝劑浪費，同時固態(tài)緩釋型混凝劑的使用避免了系統(tǒng)在冬季嚴寒條件下的凍結(jié)問題，提高裝置的適用性和處理功效。2、自主加藥以及復位功能本裝置通過落水管壁設(shè)置的收水斜擋板將屋面溢流雨水收集到集水室，在水壓作用下集水室中活塞受壓將彈簧下壓，同時與活塞連接的連動套筒和緩釋型混凝劑儲放器下移至落水管中央，在雨水的沖刷下，混凝劑釋放到雨水中，當集水室的水位上升至e-e處，集水室中虹吸管排水，在復位彈簧作用下橡膠活塞和混凝劑儲放器復位，同時蒸發(fā)槽中集水下壓單向制動鎖啟動，橡膠活塞無法下移避免反復加藥，初期雨水混凝劑投加結(jié)束。蒸發(fā)槽中的雨水隨時間延長不斷蒸發(fā)，在復位彈簧作用下活塞及連桿上升，解除單向制動閥鎖定，系統(tǒng)復位待機。3、裝置連接安裝便捷、便于維護，無外加動力消耗裝置與落水管采用法蘭連接，便于安裝及老舊系統(tǒng)的改造，裝置中集水室上端采用活動蓋板便于混凝劑的補充與內(nèi)部組件的維修。裝置完全利用落水管中雨水的重力勢能完成初期雨水的識別與混凝劑投加，無其他動力消耗，節(jié)能效果顯著，便于推廣。4、裝置處理后的雨水可以流入綠地回補地下水通過裝置的初期雨水加入了混凝劑后，雨水中的細小顆粒的污染物形成較大顆粒進入被地表植物及根系或者土壤截留，雨水下滲入地下，回補地下水，后期雨水較為干凈，經(jīng)溢流收集后可就地儲蓄回用。相對于現(xiàn)有“初期雨水棄流+后續(xù)雨水回收利用”的雨水利用模式，本裝置無外加動力消耗，安裝便捷，適用于新建樓宇及老舊系統(tǒng)改造，裝置的經(jīng)濟性和適用性突出。附圖說明圖1(a)、圖1(b)分別是本發(fā)明中制動鎖閥體局部放大圖和裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是典型地區(qū)降雨徑流各污染隨時間變化圖。圖中：1、落水管；2、連接法蘭；3、上立管；4、溢流管；5、收水斜管；6、加藥筒；7、套絲螺桿；8、固定螺母；9、活動蓋板；10、導軌；11、緩釋混凝劑釋放槽；12、連動套筒；13、收水斜擋板；14、虹吸管；15、下立管；16、集水室；17、橡膠活塞；18、集水室復位彈簧；19、固定螺母；20、梯形閥體；21、連桿；22、蒸發(fā)槽復位彈簧；23、蒸發(fā)槽橡膠活塞；24、蒸發(fā)槽室；25、蒸發(fā)槽體；26、設(shè)備箱體；27、制動鎖閥體；28、連接鉸鏈；29、制動銷。具體實施方式下面通過具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。如圖1(a)、圖1(b)所示，本發(fā)明一種樓宇落水管中自動投加混凝劑處理屋面高污染徑流的裝置，利用雨水重力勢能控制緩釋混凝劑投加處理屋面高污染負荷雨(雪)水徑流，包括上立管3、下立管15，以及傾斜連通于上下立管的加藥筒6，以及設(shè)在加藥筒6上方并分別與上立管3和加藥筒6相連通的蒸發(fā)槽體25，蒸發(fā)槽體25的下方設(shè)有與加藥筒體6相連通的制動鎖閥體27，制動鎖閥體27通過梯形鎖閥20的連桿21連接的蒸發(fā)槽體25對加藥筒6進行制動。其中，加藥筒6分別與上立管3、下立管15傾斜貫通布置，且在加藥筒6上方管端部設(shè)有活動蓋板9，沿加藥筒6管腔中心軸線設(shè)有導軌10，導軌10兩端分別通過套螺絲桿7由固定螺母8和固定螺母19鎖定，導軌10上套有連動套筒12，連動套筒12上端與緩釋混凝劑儲放器11連接、下端通過橡膠活塞17與集水室復位彈簧18聯(lián)動，并可沿導軌10上下滑動。集水室復位彈簧18一端連接于橡膠活塞17、另一端通過固定螺母16固定在加藥筒6尾部。在加藥筒6上部斜管表面垂直設(shè)置有一與落水管1平行的蒸發(fā)槽體25，蒸發(fā)槽室24的上方與上立管3通過溢流管4和收水斜管5連通，溢流管4一端連接在蒸發(fā)槽室24管壁上、另一端緊貼上立管3管壁。在加藥筒6與下立管15相交管腔處設(shè)有收水斜擋板13以10°傾角斜向立管中心，繞收水斜擋板13設(shè)一虹吸管14；虹吸管14沿收水斜擋板13兩側(cè)布設(shè)，一端位于收水斜擋板13與集水室16交匯處、另一端沿下立管15向下延伸至集水室16最低水位以下10cm處。連動套筒12貫穿收水斜擋板13中部，孔口處設(shè)薄橡膠片止水。收水斜擋板13頂部平齊、并與加藥筒上壁保持3～4cm空隙，便于立管中雨水進入集水室16。蒸發(fā)槽體25包括蒸發(fā)槽室24、設(shè)在蒸發(fā)槽室24中的蒸發(fā)槽橡膠活塞23、與蒸發(fā)槽橡膠活塞23相聯(lián)動蒸發(fā)槽復位彈簧22及連桿21；連桿21隨蒸發(fā)槽24內(nèi)的水壓和復位彈簧22綜合作用沿垂直方向上下移動，并與制動鎖閥體27內(nèi)部機構(gòu)聯(lián)動。上立管3中雨水沿管壁下滑通過收水斜管5進入蒸發(fā)槽室24。如圖1(a)所示，制動鎖閥系統(tǒng)包括與集水室16頂部管壁相連的梯形閥體20，在梯形閥體20頂部管壁上設(shè)有開口，連桿21通過連接鉸鏈28鉸接一與集水室16管壁開口相適應的制動銷29，連桿21穿過制動鎖閥體27頂部的開孔隨蒸發(fā)槽橡膠活塞23上下移動。制動銷29繞連接鉸鏈28可由垂直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至上仰位置，分別對應橡膠活塞17的“下滑制動”和“上滑通過”，其中“下滑制動”對應緩釋混凝劑儲放器11的“加藥停止”狀態(tài)。制動銷29脫離橡膠活塞17側(cè)邊接觸后，在非平衡杠桿作用下復位至垂直狀態(tài)；當蒸發(fā)槽24內(nèi)集水自然蒸發(fā)殆盡、在蒸發(fā)槽復位彈簧22作用下，制動銷29隨連桿上升至制動鎖閥體27腔內(nèi)、進而脫離對橡膠活塞17的限位。制動銷29隨連桿21上下移動，隨集水室橡膠活塞17上行制動銷29由豎向翻轉(zhuǎn)為橫向，待橡膠活塞17上行至側(cè)邊脫離制動銷29銷體，制動銷29復位至豎向，橡膠活塞17下行限位；蒸發(fā)槽24內(nèi)集水蒸發(fā)完畢，在蒸發(fā)槽復位彈簧22作用下，制動銷29上升收回至制動鎖閥20空腔內(nèi)，橡膠活塞17下行限位解除。本裝置可以整體放置在設(shè)備箱體26中，上立管3、下立管15分別通過連接法蘭2與建筑物落水管1連接。裝置本體中部加藥筒體6橫貫于裝置本體(上立管3和下立管4)左右側(cè)壁，與裝置本體前后側(cè)壁不直接相連，并且與墻體平行，用帶有套環(huán)的螺栓固定到墻上。裝置本體設(shè)計的加藥筒體6與落水管1的小夾角為25°。裝置本體設(shè)置在距離地面1.0～1.5米處，方便更換混凝劑與裝置維護。如圖1(a)所示，當屋面雨水發(fā)生溢流時，雨水順著落水管1通過收水斜管5和收水斜擋板13分別流進蒸發(fā)槽室24和集水室16。集水室16斜管內(nèi)的雨水重力作用于橡膠活塞17將復位彈簧18向下壓，帶動連動套筒12向下滑動，當活塞17移至a-a處，使緩釋型混凝劑儲放器11正處于雨水沖刷下，開始混凝劑的釋放，將混凝劑加入到雨水中，達到凈化屋面初期雨水的目的。集水室16內(nèi)水面隨著雨水不斷流入上升至位置e-e處，虹吸管14將集水室16的雨水排完，在集水室復位彈簧18作用下橡膠活塞17復位至原始位置b-b處，使緩釋型混凝劑儲放器11向上運動脫離雨水沖刷，加藥過程結(jié)束。蒸發(fā)槽室24進水后，橡膠活塞16帶動連桿21向下運動，見圖1(a)所示，制動銷29進入集水室橡膠活塞17上邊運動軌跡，連接鉸鏈28保證橡膠活塞17的“上行通過”和“下行鎖定”，其中“下行鎖定”避免了降雨后期的反復加藥。蒸發(fā)槽雨水過多時，就會通過溢流管4溢流至上立管3中排放，且保證制動銷29對橡膠活塞17的制動限位，防止緩釋混凝劑儲放器11的再次被沖刷。待蒸發(fā)槽中的存水自然蒸發(fā)完成后，彈簧復位動作，連桿21向上移動解除制動，系統(tǒng)復位待機。通過對蒸發(fā)槽體25中收水斜管5管徑和蒸發(fā)槽復位彈簧22啟動壓力值的優(yōu)先，限值蒸發(fā)槽室24的進水量，避免制動銷29在首次加藥前對橡膠活塞17的“下行鎖定”。當緩釋型混凝劑儲放器11的混凝劑消耗完時，可打開活動蓋板9，添加混凝劑儲放器11中的混凝劑。說明，本發(fā)明裝置的固定僅需要五個帶有套環(huán)的固定螺栓固定到墻體上，在上立管3和下立管15靠近連接法蘭2的位置各安裝一個，在加藥筒6兩端各安裝一個，在蒸發(fā)槽體25中上部安裝一個。蒸發(fā)槽體25和上立管3之間的距離用溢流管4和收水斜管5固定。緩釋混凝劑儲放器11的軸向外徑小于加藥筒6內(nèi)徑5cm，蒸發(fā)槽體直徑為70mm，加藥筒6的直徑與立管的直徑相同。本發(fā)明使用的混凝劑為緩釋型酸鋁粉末或聚合氯化鋁粉末和活性炭粉末的混合物。本發(fā)明采取u-pvc、abs材料以及部分橡膠、鋼構(gòu)制造?？傊亓枯p，不會對造成原有落水管的脫落和下沉，安裝拆卸方便。本裝置的原理是，初期雨水進入裝置沖刷緩釋的混凝劑，使初期雨水與混凝劑混合，在落水管降落以及到地表徑流過程中形成的較大顆粒物，由于重量較重，因此沉淀到地表，被地表植被以及淺層土壤的根系截留，避免了地下水或者地表水的污染。在使用一個周期后，將更換緩釋的混凝劑藥品。在整個使用過程中，僅僅需要隔一定的時間換混凝劑即可，其他過程均自動完成且不需要電力等能源。緩釋型固體混凝劑的使用，滿足了裝置在寒冷地區(qū)的防凍要求，并可用于屋面融雪水的處理要求。本發(fā)明的三次實驗性能測試結(jié)果表1。對比項目實驗1實驗2實驗3ss去除率(％)858389實驗測試結(jié)果顯示，該裝置對于初期高污染負荷雨水的處理效果良好。該裝置完全利用落水管中雨水下落的重力勢能，不需要額外動力輸入；裝置靠近地面安放于常規(guī)落水管上即可，便于老舊樓宇的改造；整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝維護。采用自然蒸發(fā)的方式實現(xiàn)多場降雨條件下單次降雨初期混凝劑投加功能，充分體現(xiàn)了自然降雨過程中初期雨水高污染負荷的時空分布特征。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的任何簡單修改及等效結(jié)構(gòu)變換或修飾，均屬于本發(fā)明所提交的權(quán)利要求書確定的保護范圍。當前第1頁12