一种海绵设施雨水收集净化回用装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海绵设施雨水收集净化回用装置及方法。

背景技术

海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时渗水、滞水、蓄水、净水，需要时将蓄存的水释放并加以利用，实现城市良性水文循环。海绵城市在缓解城市内涝和热岛效应、削减城市径流污染、节约水资源、保护和改善生态环境等方面具有重要作用。海绵城市建设应遵循生态优先原则，执行慢排缓释、源头分散控制的设计理念，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市排水排涝安全的前提下，最大限度地实现雨水自然积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用。

目前，城市径流雨水的排放大多采用“雨水口/溢流井―连接管―市政雨水管网”的传统方式，通过在路边设置雨水口或在绿化带设置溢流井，将雨水收集汇流至雨水管网排放。由于初期雨水含有有机物、病原体、重金属、油脂、悬浮固体等污染物质，污染程度较高，直接排入河湖等自然水体会造成严重的水环境污染及水资源浪费，并且大量雨水瞬间排入排水管道会增加管网排水压力。市政排水系统依赖大规模基础设施和管网建设，成本较高，效率较低。可见，传统雨水排放方式难以满足现代城市雨洪管理要求。

此外，现有雨水回用系统通常是在雨水管网末端设置PP蓄水模块或其他储水设施(统称雨水回用设施)，降雨时雨水进入回用设施储存，旱季时将储水设施中的雨水处理后加压回用。但是，该装置含有贮水池、预沉池、蓄水箱等多个组成单元，需要单独处理储存的雨水，占地大，成本较高。

因此，现有雨水排放回用技术存在以下问题：(1)缺少“渗滞蓄净”水设施，初期雨水污染程度高，水环境污染及水资源浪费严重；(2)暴雨时管网排水压力大，且海绵项目改造中雨水口、溢流口设施重复布置增加建设成本；(3)雨水回用净化工艺流程复杂，占地大、药剂投入多、能耗大，设备使用维护成本高。截止目前，现有的雨水收集净化回用技术还不能有效解决上述问题。故亟需提出一种自然净化回用系统，可以在排出积存雨水的同时，将径流雨水以自然的手段进行净化蓄存并加以回用。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种海绵设施雨水收集净化回用装置及方法，基于自然手段，通过过滤吸附-氧化还原-微生物降解的多级协同作用，彻底去除初雨径流中的污染物并回用，能够改善雨水水质、恢复水体自净与生态景观功能，具有成本较低、净化高效、结构简单、适用性强、维护方便、生态环保等优点。

为达到上述目的，本发明的海绵设施雨水收集净化回用装置，包括植草沟(1)、下沉式绿地(2)、环保型溢流井(3)、多级净化池(4)和集水灌溉系统(5)；其中，所述的植草沟(1)位于所述下沉式绿地(2)靠近道路边缘，以承接并转输道路及绿地雨水至环保型溢流井(3)；所述溢流井(3)下部设有沉泥井(31)，沉泥井(31)沉淀后的雨水经管道排至多级净化池(4)；多级净化池(4)净化后的雨水通过出水管道接至集水灌溉系统(5)，以将雨水提升用作绿化浇灌或者道路冲洗。

进一步地，所述植草沟(1)沿平式路缘石外直接铺砌，并沿道路纵向方向通长设置，在溢流井(3)处设置横向浅碟形植草沟与纵向植草沟连通，所述溢流井(3)位于下沉式绿地(2)中央；

所述植草沟(1)截面为梯形或沟底下凹的弧形，上口宽20～30cm，深度为15cm，上端面与下沉式绿地(2)顶部齐平，种植耐冲刷植草。

进一步地，所述溢流井(3)由沉泥井(31)、井体(32)、井盖(33)及井盖中部下凹形成的种植腔(34)组成；所述沉泥井(31)位于井体(32)下部，初期雨水中的泥沙以及大颗粒污染物在沉泥井底部沉降。

进一步地，所述井盖(33)凸出地面，侧壁开设有进水口，进水口与植草沟(1)交界处位于植草沟内设置截污网(11)，井内侧壁顶部设置截污网，用于阻隔雨水中较大的落叶、垃圾杂物；所述进水口均布设若干导流片(35)，导流片一端延伸至溢流井井盖侧壁，另一端与种植腔外壁连接；所述种植腔内部种植植物形成微型雨水花园，底部连接有通气管(36)，且与溢流井连通；所述溢流井距离顶部10cm处侧壁连接有雨水排水管，与多级净化池连通。

进一步地，所述多级净化池(4)通过隔板分隔为过滤池(41)、沉水池(42)、生态池(43)及出水池(44)，过滤池隔板底部设置格栅滤网(411)；沉水池和生态池隔板顶部设置溢流堰(421)。

进一步地，所述过滤池(41)填充过滤净化填料，包括卵石、砾石、沸石及活性炭，填料从上到下粒径依次减小；所述沉水池(42)从上到下依次为沉水植物，土壤层和填料层，填料为石英砂、沸石、陶粒等；所述生态池(43)内侧壁四周设置有支撑托，用于支撑并固定支撑架(431)，支撑架下部悬挂生物挂膜填料(432)，生物填料为仿生碳纤维水草；所述出水池(44)内设置溢流管(441)和出水管(442)，溢流管顶部入口靠近池体顶部，高于正常水位50～100mm，可将过量雨水排入市政雨水管网；出水管与所述集水灌溉系统(5)的提升泵(51)连接。

进一步地，所述集水灌溉系统(5)由提升泵(51)、给水管网(52)和喷灌头(53)组成；其中，提升泵(51)与给水管网(52)连接，给水管网上通过多个连接管连接喷灌头(53)。

进一步地，所述种植植物为挺水植物，挺水植物为芦苇、鸢尾、千屈菜、再力花、美人蕉净化污水能力强的植物；所述沉水植物包括苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻等。

为达到上述目的，本发明的海绵设施雨水收集净化回用方法，所述的方法包括下述步骤：

初期及中后期的雨水经植草沟承接并转输至溢流井，在进入溢流井前，树叶、垃圾杂物等被截污网拦截在井外；

井内雨水中的泥沙以及大颗粒污染物在沉泥井底部沉降，预处理后的雨水经管道排至多级净化池；所述的净化池内部通过隔板分隔为过滤池、沉水池、生态池及出水池，各池体之间依次连通，过滤池隔板底部设置格栅滤网，沉水池和生态池隔板顶部设置溢流堰；

过滤池中的净化填料吸附油脂、重金属污染物，初级处理后的水体和残余污染物通过格栅滤网进入沉水池，沉水植物降解氮磷污染物，处理后的水体通过溢流堰进入生态池，在池中投加土著微生物，微生物在碳纤维水草挂膜后继续降解氮磷、有机物等，实现水体自我净化；

雨水经过自然深度净化后通过溢流堰进入出水池，经提升泵提升至给水管网喷灌头或洒水栓，用作绿化浇灌或者道路冲洗。

本发明具有如下有益效果：

(1)针对初雨径流污染及净化回用问题，公开了海绵设施雨水收集净化回用装置及方法，通过植草沟、下沉式绿地将雨水转输至溢流井进行预处理，有效拦截雨水中的杂物和泥沙，降低悬浮物等对多级净化池的影响，同时减少管网堵塞，垃圾杂物和泥沙等只需定期进行清理。

(2)采用多级净化、多层填料层、植物-微生物深度净化的设计工艺，过滤池填充净化填料吸附油脂、重金属等污染物，沉水池中的沉水植物降解氮磷等污染物，生态池中的微生物持续降解氮磷、有机物等，实现水体自我净化。另外，该工艺流程有效延长雨水在净化池中的停留时间，便于填料、植物和微生物吸附降解初期径流雨水中的污染物，提高截污效果和净化功能，自然深度净化后的雨水可直接用于绿化浇灌和道路冲洗等。

(3)通过海绵设施和净化池协同作用，降低雨水径流污染，实现雨水的自然积蓄、自然净化回用，节约水资源，提高雨水资源利用率，且减轻市政管网的排水压力，达到水量与水质的双重管控的效果。

(4)基于海绵设施将净化后的过量雨水导向市政雨水管网，形成全流程的海绵排水系统，可搭配景观设计，实现功能与环境的有机融合，打造宜居、智慧、和美、幸福、韧性城市。本发明基于自然环保措施实现雨水的收集、净化、回用及超标排放，具有成本较低、净化高效、结构简单、适用性强、绿色节能、经济美观、生态环保等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的海绵设施雨水收集净化回用装置的平面图；

图2为本发明实施例的海绵设施雨水收集净化回用装置的剖面图；

图3为本发明实施例的格栅滤网的结构示意图；

图4为本发明实施例的溢流堰的结构示意图；

图5为本发明实施例的种植腔的示意图；

图6为本发明实施例的用于道路雨水口排水型式的装置平面图。

图中：1、植草沟；11、截污网；2、下沉式绿地；3、环保型溢流井；31、沉泥井；32、井体；33、井盖；34/34a、种植腔；35、导流片；36、通气管；4、多级净化池；41、过滤池；411、格栅滤网；41a、反应池；42、沉水池；421、溢流堰；43、生态池；431、支撑架；432、生物挂膜填料；433、曝气管；44、出水池；441、溢流管；442、出水管；5、集水灌溉系统；51、提升泵；52、给水管网；53、喷灌头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例1

从图1～2可以看出，本实施例的海绵设施雨水收集净化回用装置，包括植草沟1、下沉式绿地2、环保型溢流井3、多级净化池4和集水灌溉系统5，溢流井3和净化池4位于下沉式绿地2中央。植草沟1位于下沉式绿地2靠近道路边缘，沿平式路缘石外侧纵向方向通长设置，并在溢流井3处设置横向浅碟形植草沟将纵向植草沟和溢流井连通，承接并转输道路及绿地雨水至溢流井3。溢流井3下部设有沉泥井31，可分离初期雨水中的泥沙以及大颗粒污染物。溢流井3距离顶部10cm处侧壁连接有雨水排水管，排水管与多级净化池4连通，沉淀后的雨水经管道排至多级净化池4。净化池4内部通过隔板分隔为过滤池41、沉水池42、生态池43及出水池44，各池体之间依次连通，过滤池隔板底部设置格栅滤网411，格栅孔长宽为0.5cm～1cm；沉水池和生态池隔板顶部设置溢流堰421，溢流堰为三角堰，高程依次降低10cm。

过滤池41填充净化填料，包括卵石、砾石、沸石及活性炭，填料从上到下粒径依次减小。卵石粒径为20～50mm，厚度5～8cm，用于缓冲消减雨水动能，保护下层滤料；砾石粒径为10～30mm，厚度5～10cm；沸石粒径为5～8mm，厚度15～20cm；颗粒或粉末活性炭填充在反应包中，防止水流冲击流失。反应包材质为透水土工布，可以先在地面填充材料后密封，再通过地面的起吊设备逐个吊装分层置于池底，从而完成填料的全部装载。

沉水池42填充土壤层和填料层，填料为石英砂、沸石、陶粒等，粒径从上到下依次增大形成反渗透层，防止土壤层土体流失。土壤层种植沉水植物，土壤层基质土厚度为10cm～15cm；石英砂滤料粒径为1mm～3mm，厚度为15cm～20cm；陶粒粒径为5mm～8mm，厚度为12cm～15cm。

生态池43内侧四周设置支撑托，用于支撑并固定支撑架431，支撑架由多根不锈钢实心管纵横焊接而成，网格间距10cm，支撑架431下部悬挂生物挂膜填料432作为微生物载体，能够辅助固定微生物，有利于优势菌群富集。生物填料为仿生碳纤维水草，水草底部悬挂有重物，使水草保持垂直舒展悬，并可在水中一定范围内适当摆动，增强微生物附着几率及水体中氮磷、有机质等污染物聚集，提高水生植物吸收降解COD、氮磷的能力。

出水池44内部设置溢流管441和出水管442，溢流管441顶部入口靠近池体顶部，高于正常水位50～100mm，可将过量雨水排入市政雨水管网。出水管442与集水灌溉系统5的提升泵51连接，提升泵51与给水管网52连接，给水管网52上设有多个连接管，用于连接喷灌头53。

初期及中后期的雨水经植草沟1承接并转输至溢流井3，在进入溢流井前，树叶、垃圾杂物等被截污网11拦截在井外，井内雨水中的泥沙以及大颗粒污染物在沉泥井31底部沉降，预处理后的雨水经管道排至多级净化池4，通过过滤池41中的净化填料进行下渗，填料吸附油脂、重金属等污染物，初级处理后的水体和残余污染物通过格栅滤网进入沉水池42，沉水植物降解氮磷等污染物，处理后的水体通过溢流堰进入生态池43，在生态池中投加土著微生物，微生物在碳纤维水草挂膜后继续降解氮磷、有机物等，实现水体自我净化。雨水经过自然深度净化后通过溢流堰进入出水池44，由出水管442接至集水灌溉系统5，经提升泵51提升至给水管网52的喷灌头53或洒水栓，用作绿化浇灌或者道路冲洗。

具体的，植草沟1截面为梯形或沟底下凹的弧形，上口宽20～30cm，深度为15cm，上端面与下沉式绿地顶部齐平，种植耐冲刷植草。

具体的，溢流井3由沉泥井31、井体32、井盖33及井盖中部下凹形成的种植腔34组成，沉泥井31位于井体32下部，初期雨水中的泥沙以及大颗粒污染物在沉泥井底部沉降。井盖33凸出地面，呈倒碗状封盖于井壁顶部，侧壁开设有进水口，进水口与植草沟1交界处位于植草沟内设置截污网11，井内侧壁顶部也设置截污网，用于阻隔雨水中较大的落叶、垃圾杂物等。进水口均布设若干导流片35，导流片35一端延伸至溢流井井盖侧壁，另一端与种植腔34外壁连接。种植腔34内部可种植植物形成微型雨水花园，底部连接有通气管36，且与溢流井连通。

具体的，种植植物为挺水植物，挺水植物为芦苇、鸢尾、千屈菜、再力花、美人蕉净化污水能力强的植物；所述沉水植物包括苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻等。

实施例2

作为上述实施例的进一步改进，如图2所示，多级净化池4的尺寸根据场地规模及初雨水质污染情况可设置为复合型净化池，内部通过隔板分隔为过滤池41、反应池41a、沉水池42、生态池43及出水池44，反应池41a用于去除难降解的氮磷等污染物。反应池41a填充土壤层和多功能纳米材料，土壤层基质土厚度为10cm～15cm，种植挺水植物；多功能纳米材料从上到下依次包括氨氮去除层、磷去除层和COD去除层。多功能纳米材料可填充在反应包中，防止水流冲击流失。氨氮去除层厚度为2～8cm，磷去除层的厚度为2～8cm，COD去除层的厚度为10～20cm。

具体的，生态池43中还设置曝气装置，曝气管433通过阀门连接地面的空压机，由PLC系统自动控制。曝气管433还连接至生态池43内，通过支架固定在池体上游侧壁和底部，距离池底5～10cm处。曝气管直径5～10cm，曝气管上均匀设置曝气孔，孔径5mm。通过曝气装置向生态池间歇曝气，促进微生物菌剂生长并在生物膜填料上进行挂膜，强化降解雨水中污染物，实现自我净化功能。

实施例3

作为上述实施例的进一步改进，本实施例在过滤池41、反应池41a、沉水池42、生态池43任意池体上部设置可移动式植物种植腔34a，腔内种植植物形成雨水花园，能够提升滞水蓄积能力，丰富植被景观。另外，在各池体四周位于腔体底部设置支撑托用于支撑种植腔34a。如图5所示，种植腔34a采用玻璃钢材质，厚8～12mm，腔体底部向内收缩形成上大下小的筒体，可内嵌在池体内部。腔体内填充种植土，厚度为20cm～25cm，底部铺设透水土工膜,底部还均匀开设小孔，孔径1～3cm，使得净化后的雨水能够排入各池体内。具体的，种植土下部还可填充净水滤料，包括石英砂、沸石、陶粒、锰砂、石榴石等其中一种或几种，粒径为1mm～8mm，厚度为10cm～25cm。

具体的，种植腔四周可设置把手，使工作人员能够将种植腔34a从池体上取出，一方面便于清理并更换种植腔内部填料，更新植物；另一方面便于清理池体，清洗并更换过滤池、沉水池及生态池的填料。

实施例4

作为上述实施例的进一步改进，从图6可以看出，本实施例的海绵设施雨水收集净化回用装置可用于道路雨水口排水型式，装置包括雨水口、植草沟1、下沉式绿地2、环保型溢流井3、多级净化池4和集水灌溉系统5，溢流井3和净化池4位于下沉式绿地2中央。雨水口通过排水管道与溢流井3连通。植草沟1位于下沉式绿地2靠近道路边缘，沿立式路缘石外侧纵向方向通长设置，在溢流井3处设置横向浅碟形植草沟将纵向植草沟和溢流井连通。立式路缘石上设有横向贯通的开孔，将路面与植草沟1连通，开孔尺寸30cm*10cm，间距5m。地表径流雨水通过道路汇集，一部分雨水经路缘石开口进入植草沟，一部分雨水经雨水口收集进入排水管道，通过植草沟和排水管道承接并转输道路及绿地雨水至溢流井3。溢流井3距离顶部30cm处侧壁连接有雨水排水管，排水管与多级净化池4连通，沉淀后的雨水经管道排至多级净化池4。本发明中的海绵设施雨水收集净化回用装置能够处理初期雨水径流污染，并持续净化中后期雨水。悬浮物去除率约为90％，COD去除率约为60～85％，总氮去除率约为65～80％，总磷去除率约为70～83％，雨水水质情况明显改善。经过处理后的水体可回用，用作绿化浇灌或道路冲洗，过量雨水通过溢流管排入市政雨水管网。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。