一种楼宇落水管中自动投加混凝剂处理屋面高污染径流的
装置
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种利用楼宇落水管中降水径流重
力势能实现屋面雨水或融
雪初期高污染负荷径流识别与混凝剂自动投加的装置。
背景技术
[0002] 雨水资源化在有效减轻城市内涝危害的同时，也可以显著减缓城市发展中面临的水资源短缺压力，是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，但降雨初期雨水的高污染负荷是目前开展雨水利用的
瓶颈之一。基于雨水产汇流特点和污染负荷变化规律，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。
[0003] 初期雨水径流及污染特征与下垫面特征密切相关，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，因此在可渗透区域的下渗能力也受到限制。
[0004] 另一方面，在目前的海绵城市的建设过程中，绿色
屋顶也是一项重要截留蓄存雨水措施，然而当
土壤层的蓄水达到饱和、雨水溢流外排时，雨水中会带一些泥土颗粒等细小的污染物。初期雨水由于其中所含的污染物质较多，因此在常规的雨水
回收利用系统中，基本上都采用直接弃流的措施，但这对于排水系统的负荷会形成大的冲击。现有屋面初期污染雨水处置方式主要通过弃流进行处理，其作用原理在于：初期降雨时，降落到屋面前2～5mm的雨水一般污染较为严重，初雨径流在流经弃流过滤装置时，因重力作用，雨水将首先通过低敞口的排水污管排放掉。在雨量增大后，作用在
挡板上的压力增大，位于排污管上端的浮球在水流压力的作用下将排污管关闭，液位升高，雨水通过水平的过滤网进行过滤后流向出水口，进入雨水系统进行收集。将初期雨水弃流，雨水弃流最终需要流入污水管网，最终进入污水厂或者人工湿地进行处理，定会加大污水厂的处理量及负荷，或者增加人工湿地处理量，缩短人工湿地的运行年限。
[0005] 由于每次降雨前晴天天数不确定，以及两次降雨之间的天气状况都不相同，因此弃流量不同。弃流量过大，导致一部分后期相对干净的雨水被污染导致要处理的初期雨水量增大；弃流量过小，又使一些污染较为严重的雨水，流入收集的干净的雨水中。手动控制需要在降雨时人工手动去开启，浪费人力。
[0006] 在现有的初期雨水弃流控制方面，主要是人工手动控制与自动控制。手动控制切换排放雨水的可能会出现关闭不及时、不可靠，例如会出现初期污染雨水全部直接排放的后果，导致
污水处理量的增大或环境污染，并且效率会很低。另一方面，在维护设备不好的情况下，会出现
阀门由于污染锈蚀不能及时打不开的情况。自动控制初雨弃流的原理在于：在降雨初期，雨水流入到污水管道或者进入收集池中；在降雨开始后15～20分钟时控制系统动作关闭污水阀，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，实现自动切换。自动控制初雨弃流的设备
费用高，而且维护困难，制约了该系统的推广应用。
[0007] 已有的相关
专利实例：屋面落水管上弃流型，
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，操作不是特别的容易。且不具有初期雨水污染物处理的能力。
发明内容
[0008] 本发明目的在于提供一种利用楼宇落水管中屋面雨水或融雪水的落水重力势能，实现初期高污染负荷雨(雪)水中混凝剂自动投加的装置。装置在落水管中径流形成时开始加药，持续加药20～30分钟(可调)后停止加药，通过延时复位装置控制，经过一周(或数周，可调)以后，整个系统复位待机。药剂可以定期人工补充。系统的安装
位置在落水管接地面以上1.0～1.5米，便于维护管理。
[0009] 本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
[0010]
一种楼宇落水管中自动投加混凝剂处理屋面高污染径流的装置，包括落水管、连接在落水管上的上立管和下立管、倾斜连通于上立管和下立管上的加药筒以及设在加药筒上方并分别与上立管和加药筒相连通的
蒸发槽体，蒸发槽体的下方设有与加药筒体相连通的
制动锁阀体。
[0011] 作为优选，在所述加药筒管腔中设有沿其中
心轴线布置的
导轨，导轨两端分别通过套螺
丝杆由固定
螺母和固定螺母锁定，导轨上套有连动套筒；连动套筒上端设缓释混凝剂储放器,下端通过
橡胶活塞与集水室复位
弹簧联动；集水室
复位弹簧分别固定在加药筒尾部和橡胶活塞一侧；在集水室橡胶活塞带动下，连动套筒和缓释混凝剂储放器沿导轨上下滑动。
[0012] 进一步，在加药筒与下立管相交管腔处设有收水斜挡板，绕收水斜挡板设一虹吸管；虹吸管一端位于集水室与收水斜挡板交汇处，另一端沿下立管向下延伸至集水室最低水位下10cm处。
[0013] 进一步，所述导轨和连动套筒贯穿收水斜挡板，贯穿孔处设薄橡胶片止水。
[0014] 进一步，所述缓释混凝剂储放器中储放为缓释型
硫酸铝粉末或聚合氯化铝粉末和
活性炭粉末的混合物。
[0015] 作为优选，所述蒸发槽体垂直设置在加药筒体上方，蒸发槽体的上方分别通过溢
流管和收水斜管与上立管相连通；
[0016] 所述蒸发槽体包括蒸发槽室、设在蒸发槽室中的蒸发槽橡胶活塞、与蒸发槽橡胶活塞相联动蒸发槽复位弹簧及
连杆；连杆随蒸发槽内的水压和复位弹簧综合作用沿垂直方向上下移动，并与制动锁阀体内部机构联动。
[0017] 进一步，所述制动锁阀体包括与集水室顶部管壁相连的梯形阀体，在梯形阀体顶部管壁上设有开口，连杆通过连接
铰链铰接一与集水室管壁开口相适应的制动销；制动销随连杆上下移动，随集水室橡胶活塞上行制动销翻转，对橡胶活塞下行限位；随蒸发槽内集水蒸发完毕，制动销上升收回，对橡胶活塞下行限位解除。
[0018] 进一步，所述溢流管一端连接在蒸发槽室管壁上，另一端紧贴上立管管壁。
[0019] 作为优选，在所述加药筒顶部管端设有活动盖板，套螺丝杆贯穿所述活动盖板并通过固定螺母将其锁定。
[0020] 作为优选，所述落水管采用U-PVC材料；加药筒、上立管、下立管和蒸发槽体采用ABS工程塑料；集水室复位弹簧和蒸发槽复位弹簧采用钢制材料。
[0021] 本发明单向
制动系统依靠弹
簧片、制动销和连接铰链配合完成加药控制。本装置能够有效处理屋面以及道路
桥梁进入到落水管的溢流雨水，在不影响落水管正常雨水排放的前提下，完全依靠落水重力势能完成初期雨水识别与混凝剂投加，为后期雨水就地回收和资源化利用提供保障。装置结构简单，加工制造方便，完全自主调节，更换混凝剂方便，处理效果好。对于我国建设海绵城市中初期雨水水质控制、实现雨水资源化回用具有更大现实意义。
[0022] 实验研究表明，在屋面径流形成后到20～30分钟以内的径流中，投加一定量混凝剂，通过混凝可以有效实现SS类污染物沉淀截留，其中
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。
[0023] 本发明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。制造本装置简单，造价低，自动制动无须电力，处理效果好。在现今建设海绵城市处理提升雨水水质具有重要意义。
[0024] 本发明的特点在于：
[0025] 1、自主识别初期高污染径流功能
[0026] 研究表明，降雨前的晴天数与降雨径流中的污染物浓度成正比例关系，屋面降水径流中污染物负荷主要集中在径流形成后30分钟以内的初期雨水中。因此，初期雨水中污染物控制是雨水资源化的关键，其中高污染负荷初期雨水的识别又是处理装置有效运行的核心。本发明采用两种方式实现初期雨水的自动识别：(1)针对单场降雨，进入落水管中的雨水通过收水斜挡板进入集水室，随着集水室中积水液位上升至虹吸管动作，集水室中积水瞬间快速排放，在此过程中伴随集水室中橡胶活塞的下降与复位，这一时间段对应初期雨水形成阶段。后期雨水由于蒸发槽中集水压力导致单向制动锁动作，集水室中橡胶活塞无法下移，加压系统不工作；(2)针对两场降雨情况，在两场降雨时间较短，当第一场降雨结束后，蒸发室的雨水没有蒸发完，单向制动锁制动使集水室橡胶活塞无法下移，混凝剂投加系统不工作；两场降雨时间较长时，蒸发槽中随着积水蒸发完毕，单向制动锁复位待机。本发明提出的采用缓释混凝剂可以提高混凝剂的投加效率，避免后期清洁径流中的混凝剂浪费，同时固态缓释型混凝剂的使用避免了系统在冬季严寒条件下的冻结问题，提高装置的适用性和处理功效。
[0027] 2、自主加药以及复位功能
[0028] 本装置通过落水管壁设置的收水斜挡板将屋面溢流雨水收集到集水室，在水压作用下集水室中活塞受压将弹簧下压，同时与活塞连接的连动套筒和缓释型混凝剂储放器下移至落水管中央，在雨水的冲刷下，混凝剂释放到雨水中，当集水室的水位上升至e-e处，集水室中虹吸管排水，在复位弹簧作用下橡胶活塞和混凝剂储放器复位，同时蒸发槽中集水下压单向制动锁启动，橡胶活塞无法下移避免反复加药，初期雨水混凝剂投加结束。蒸发槽中的雨水随时间延长不断蒸发，在复位弹簧作用下活塞及连杆上升，解除单向
制动阀锁定，系统复位待机。
[0029] 3、装置连接安装便捷、便于维护，无外加动力消耗
[0030] 装置与落水管采用
法兰连接，便于安装及老旧系统的改造，装置中集水室上端采用活动盖板便于混凝剂的补充与内部组件的维修。装置完全利用落水管中雨水的重力势能完成初期雨水的识别与混凝剂投加，无其他动力消耗，节能效果显著，便于推广。
[0031] 4、装置处理后的雨水可以流入绿地回补
地下水[0032] 通过装置的初期雨水加入了混凝剂后，雨水中的细小颗粒的污染物形成较大颗粒进入被地表
植物及根系或者土壤截留，雨水下渗入地下，回补地下水，后期雨水较为干净，经溢流收集后可就地储蓄回用。
[0033] 相对于现有“初期雨水弃流+后续雨水回收利用”的雨水利用模式，本装置无外加动力消耗，安装便捷，适用于新建楼宇及老旧系统改造，装置的经济性和适用性突出。
附图说明
[0034] 图1(a)、图1(b)分别是本发明中制动锁阀体局部放大图和装置结构示意图；
[0035] 图2是典型地区降雨径流各污染随时间变化图。
[0036] 图中：1、落水管；2、连接法兰；3、上立管；4、溢流管；5、收水斜管；6、加药筒；7、套丝螺杆；8、固定螺母；9、活动盖板；10、导轨；11、缓释混凝剂释放槽；12、连动套筒；13、收水斜挡板；14、虹吸管；15、下立管；16、集水室；17、橡胶活塞；18、集水室复位弹簧；19、固定螺母；20、梯形阀体；21、连杆；22、蒸发槽复位弹簧；23、蒸发槽橡胶活塞；24、蒸发槽室；25、蒸发槽体；26、设备
箱体；27、制动锁阀体；28、连接铰链；29、制动销。
具体实施方式
[0037] 下面通过具体
实施例对本发明做进一步说明。
[0038] 如图1(a)、图1(b)所示，本发明一种楼宇落水管中自动投加混凝剂处理屋面高污染径流的装置，利用雨水重力势能控制缓释混凝剂投加处理屋面高污染负荷雨(雪)水径流，包括上立管3、下立管15，以及倾斜连通于上下立管的加药筒6，以及设在加药筒6上方并分别与上立管3和加药筒6相连通的蒸发槽体25，蒸发槽体25的下方设有与加药筒体6相连通的制动锁阀体27，制动锁阀体27通过梯形锁阀20的连杆21连接的蒸发槽体25对加药筒6进行制动。
[0039] 其中，加药筒6分别与上立管3、下立管15倾斜贯通布置，且在加药筒6上方管端部设有活动盖板9，沿加药筒6管腔中心轴线设有导轨10，导轨10两端分别通过套螺丝杆7由固定螺母8和固定螺母19锁定，导轨10上套有连动套筒12，连动套筒12上端与缓释混凝剂储放器11连接、下端通过橡胶活塞17与集水室复位弹簧18联动，并可沿导轨10上下滑动。集水室复位弹簧18一端连接于橡胶活塞17、另一端通过固定螺母16固定在加药筒6尾部。
[0040] 在加药筒6上部斜管表面垂直设置有一与落水管1平行的蒸发槽体25，蒸发槽室24的上方与上立管3通过溢流管4和收水斜管5连通，溢流管4一端连接在蒸发槽室24管壁上、另一端紧贴上立管3管壁。
[0041] 在加药筒6与下立管15相交管腔处设有收水斜挡板13以10°倾
角斜向立管中心，绕收水斜挡板13设一虹吸管14；虹吸管14沿收水斜挡板13两侧布设，一端位于收水斜挡板13与集水室16交汇处、另一端沿下立管15向下延伸至集水室16最低水位以下10cm处。连动套筒12贯穿收水斜挡板13中部，孔口处设薄橡胶片止水。收水斜挡板13顶部平齐、并与加药筒上壁保持3～4cm空隙，便于立管中雨水进入集水室16。
[0042] 蒸发槽体25包括蒸发槽室24、设在蒸发槽室24中的蒸发槽橡胶活塞23、与蒸发槽橡胶活塞23相联动蒸发槽复位弹簧22及连杆21；连杆21随蒸发槽24内的水压和复位弹簧22综合作用沿垂直方向上下移动，并与制动锁阀体27内部机构联动。上立管3中雨水沿管壁下滑通过收水斜管5进入蒸发槽室24。
[0043] 如图1(a)所示，制动锁阀系统包括与集水室16顶部管壁相连的梯形阀体20，在梯形阀体20顶部管壁上设有开口，连杆21通过连接铰链28铰接一与集水室16管壁开口相适应的制动销29，连杆21穿过制动锁阀体27顶部的开孔随蒸发槽橡胶活塞23上下移动。制动销29绕连接铰链28可由垂直状态翻转至上仰位置，分别对应橡胶活塞17的“下滑制动”和“上滑通过”，其中“下滑制动”对应缓释混凝剂储放器11的“加药停止”状态。制动销29脱离橡胶活塞17侧边
接触后，在非平衡杠杆作用下复位至垂直状态；当蒸发槽24内集水自然蒸发殆尽、在蒸发槽复位弹簧22作用下，制动销29随连杆上升至制动锁阀体27腔内、进而脱离对橡胶活塞17的限位。制动销29随连杆21上下移动，随集水室橡胶活塞17上行制动销29由竖向翻转为横向，待橡胶活塞17上行至侧边脱离制动销29销体，制动销29复位至竖向，橡胶活塞
17下行限位；蒸发槽24内集水蒸发完毕，在蒸发槽复位弹簧22作用下，制动销29上升收回至制动锁阀20空腔内，橡胶活塞17下行限位解除。
[0044] 本装置可以整体放置在设备箱体26中，上立管3、下立管15分别通过连接法兰2与
建筑物落水管1连接。装置本体中部加药筒体6横贯于装置本体(上立管3和下立管4)左右
侧壁，与装置本体前后侧壁不直接相连，并且与墙体平行，用带有套环的
螺栓固定到墙上。装置本体设计的加药筒体6与落水管1的小夹角为25°。装置本体设置在距离地面1.0～1.5米处，方便更换混凝剂与装置维护。
[0045] 如图1(a)所示，当屋面雨水发生溢流时，雨水顺着落水管1通过收水斜管5和收水斜挡板13分别流进蒸发槽室24和集水室16。集水室16斜管内的雨水重力作用于橡胶活塞17将复位弹簧18向下压，带动连动套筒12向下滑动，当活塞17移至a-a处，使缓释型混凝剂储放器11正处于雨水冲刷下，开始混凝剂的释放，将混凝剂加入到雨水中，达到
净化屋面初期雨水的目的。集水室16内水面随着雨水不断流入上升至位置e-e处，虹吸管14将集水室16的雨水排完，在集水室复位弹簧18作用下橡胶活塞17复位至原始位置b-b处，使缓释型混凝剂储放器11向上运动脱离雨水冲刷，加药过程结束。蒸发槽室24进水后，橡胶活塞16带动连杆21向下运动，见图1(a)所示，制动销29进入集水室橡胶活塞17上边运动轨迹，连接铰链28保证橡胶活塞17的“上行通过”和“下行锁定”，其中“下行锁定”避免了降雨后期的反复加药。
[0046] 蒸发槽雨水过多时，就会通过溢流管4溢流至上立管3中排放，且保证制动销29对橡胶活塞17的制动限位，防止缓释混凝剂储放器11的再次被冲刷。待蒸发槽中的存水自然蒸发完成后，弹簧复位动作，连杆21向上移动解除制动，系统复位待机。通过对蒸发槽体25中收水斜管5管径和蒸发槽复位弹簧22启动压力值的优先，限值蒸发槽室24的进水量，避免制动销29在首次加药前对橡胶活塞17的“下行锁定”。当缓释型混凝剂储放器11的混凝剂消耗完时，可打开活动盖板9，添加混凝剂储放器11中的混凝剂。
[0047] 说明，本发明装置的固定仅需要五个带有套环的固定螺栓固定到墙体上，在上立管3和下立管15靠近连接法兰2的位置各安装一个，在加药筒6两端各安装一个，在蒸发槽体25中上部安装一个。蒸发槽体25和上立管3之间的距离用溢流管4和收水斜管5固定。
[0048] 缓释混凝剂储放器11的轴向外径小于加药筒6内径5cm，蒸发槽体直径为70mm，加药筒6的直径与立管的直径相同。
[0049] 本发明使用的混凝剂为缓释型酸铝粉末或聚合氯化铝粉末和活性炭粉末的混合物。
[0050] 本发明采取U-PVC、ABS材料以及部分橡胶、钢构制造。总重量轻，不会对造成原有落水管的脱落和下沉，安装拆卸方便。
[0051] 本装置的原理是，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，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。在使用一个周期后，将更换缓释的混凝剂药品。
[0052] 在整个使用过程中，仅仅需要隔一定的时间换混凝剂即可，其他过程均自动完成且不需要电力等
能源。缓释型固体混凝剂的使用，满足了装置在寒冷地区的防冻要求，并可用于屋面融雪水的处理要求。
[0053] 本发明的三次实验性能测试结果表1。
[0054]对比项目 实验1 实验2 实验3
SS去除率(％) 85 83 89
[0055] 实验测试结果显示，该装置对于初期高污染负荷雨水的处理效果良好。该装置完全利用落水管中雨水下落的重力势能，不需要额外动力输入；装置靠近地面安放于常规落水管上即可，便于老旧楼宇的改造；整个装置结构简单，便于安装维护。采用自然蒸发的方式实现多场降雨条件下单次降雨初期混凝剂投加功能，充分体现了自然降雨过程中初期雨水高污染负荷的
时空分布特征。
[0056] 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。
