自治理雨水调蓄系统及其实施方案

刘 钊,程江琳,朱玉田

(同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804)

生态环境的破坏导致水体严重污染,气候变化加剧不同地区年内年际降雨量分配不匀、旱涝灾害频繁、淡水资源的短缺问题日趋恶化,水资源的保护和水污染的治理成为现代社会最关注的问题之一.为解决城市洪涝和水体污染问题,国内外学者对雨水调蓄池的截污和降低洪峰问题作了大量研究[1-6],各地陆续建造了大量的雨水调蓄池,以缓解城市洪涝和径流雨水对河道湖泊的污染问题.但是,目前国内外雨水调蓄池的作用主要是减少洪峰内涝,缓解污水处理厂接纳污水的压力,提高降雨期间城市排水系统的截污率[7],而雨水调蓄设施一般仅在雨季才能得以利用,其使用频率、运行周期等依赖于各地的降雨情况[8].在无雨季节,雨水调蓄设施长时间处于闲置状态,造成浪费.由于初期雨水具有较高的污染负荷,其本身夹杂着地面的残留污染物,同时还会挟带管道中大量的存积黑泥,其污染物指标远高于典型城市生活污水浓度[9].如果所蓄雨水在调蓄池内长时间储存,调蓄池底部所积存的大量有机物垃圾便腐烂发酵,严重污染水质,进而使雨水发黑变臭,细菌过度繁殖.因此,现有雨水调蓄池通常是在降雨期间收集部分雨水,降雨高峰过后很快将所收集的雨水排空,紧接着对调蓄池底部污泥进行清除,所排出的淤泥须在较短时间内排向污水处理厂,而具有较高含水量的淤泥短时间排放,不能充分缓解污水处理厂的运行压力,这样对雨水的回收利用也极其不利.针对以上存在的问题,需要寻求一种既能满足收集雨水防洪、截污,又能较长时间蓄水利用的措施.本文提出一种自治理雨水调蓄系统方案,包括雨水收集、雨水调蓄池蓄水状态淤泥清理、雨水的分级利用、沉积淤泥的分级处理等,并对方案运行的可行性进行研究分析.

1 雨水调蓄实施方案研究内容

本文根据河北某新区的地理和降雨特点,在保证雨水调蓄池储存雨水功能基础上,研究调蓄系统在无人参与情况下实现自治理功能,主要内容包括:① 雨水收集;② 浮渣隔离;③ 调蓄池蓄水状态下淤泥清除;④ 雨水分级利用;⑤ 污泥分级处理等.

1.1 雨水调蓄池容积设计

根据服务区域内多年来降雨强度、一次降雨历时的发生概率统计,以10年一遇大暴雨事件发生和区域面积因素,雨水调蓄池容积为[10]

(1)

式中:V为设计调蓄容量,m3;ri为降雨强度曲线上对应降雨历时ti的降雨强度,mm/h;rc为调蓄池出流过流能力值对应的降雨强度,mm /h;ti为任意降雨历时,s;α为径流系数,hm2;A为流域面积,hm2.

根据河北地区10年来降雨情况,设定降雨历时ti为3 600 s,降雨强度ri为20 mm/h,调蓄池出流过流能力值对应的降雨强度rc为29 mm/h,径流系数α为0.5,流域面积A为550 hm2,调蓄池设计容量15 000 m3.两台调控离心潜水泵,流量均为1 275 m3/h,功率60 kW,扬程8.7 m.

1.2 雨水调蓄池结构设计

根据雨水调蓄池储存雨水的功能和维护状态,对调蓄池的结构进行设计,以利于在无人参与的情况下实现自治理功能.图1为雨水调蓄系统图.

图1 雨水调蓄系统图Fig.1 Diagram of rainwater storage system

该雨水调蓄系统包含进水口、格栅、控制系统、调蓄池、刮泥机构、水泵、排泥机构和冲洗闸.进水口在调蓄池的上部,进水口处设置进水闸门、格栅.为保证调蓄池快速接纳雨水防止地表积水问题,调蓄池采用自重流的形式,构建于进水口的下方,进水口直接连通调蓄池.进水格栅安装在进水口与调蓄池之间,对雨水中的浮渣进行初级过滤和隔离,过滤后的雨水以重力流形式进入调蓄池.调蓄池是雨水存放主体,为便于池底淤泥的清理,底部修建成具有一定坡度的廊道.随雨水进入调蓄池里的细小垃圾及泥沙自然沉降于调蓄池底部形成淤泥.排泥机构设置在集泥槽末端的排泥口处,淤泥通过刮泥机构推集到调蓄池低部的集泥槽,并通过排泥机构进入集泥井.集泥井设置在排泥口下端,污泥泵安装在集泥井内,污泥通过污泥泵被输送到调蓄池外.池底冲洗闸设置在调蓄池的上部,在调蓄池冲洗闸门上方开设有人工检查口,便于工作人员对设备的安装调试和直观检查,而且对工作人员的安全性也有很大保证障.

1.3 淤泥清理系统

淤泥清理系统是雨水调蓄系统有效治理的重要部分,其功能是能在蓄水状态下将径流雨水沉淀的垃圾淤泥有效排出池外.淤泥清理系统包括刮泥装置、排泥机构和污泥泵组.图2为淤泥清理系统图.

图2 淤泥清理系统图Fig.2 Diagram of sludge clearing system

1.3.1刮泥装置设计

刮泥装置包括驱动马达、牵引绳和刮泥机构.驱动装置通过牵引绳拖动刮泥机构,在调蓄池蓄水状态下无扰动地将池底沉积的淤泥汇集到集泥槽;牵引绳和刮泥机构材质选用304不锈钢,刮泥板选用耐磨树脂材料,以利于减小池底廊道和刮泥板的磨损.池中传动部分滚轮均采用高强度尼龙材料.根据一次降雨汇集淤泥厚度30 cm淤泥厚度,设置刮泥板高度1.2 m,刮泥板宽度与池底廊道宽度一致,刮泥板宽度5 m.刮泥速度2 m/min.驱动装置采用电动机带动涡轮蜗杆机构,采用摩擦离合器结合形式,由驱动装置带动刮泥机构在调蓄池中循环转动,将池底淤泥汇集到集泥槽.

1.3.2排泥机构设计

排泥机构采用浮力自控式调节结构,如图3所示,排泥机构有水箱、转臂和铰座组成,水箱体与排泥通道底部形成排泥口.当水箱内注入水后,水箱体带动转臂绕铰座转动下降,排泥口减小,仅使底部淤泥排出;当水箱体内水释放后,水箱体上升,排泥口扩大,释放堵塞的大块垃圾,大块垃圾释放后,水箱体快速下沉,调回设定排泥开口度.

图3 排泥机构原理图Fig.3 Sludge device schematic

在集泥槽内按设定通泥量,将淤泥排至污泥井,拦留上部清水于调蓄池内.为提高排泥机构在污水中的抗腐蚀能力,机构材料采用304不锈钢.在本文中,排泥机构排泥口开度80 mm,堵塞物自动释放开度180 mm.排污机构正常工作时,箱体上升依靠水的浮力驱动,箱体下降时依靠重力驱动,水箱体有效容积及重心位置为

(2)

式中:β为可靠性系数,β>1;Vw为水的体积;Lwo为水箱体内水的重心到铰接轴中心的距离;φw为水箱体内水的重心到铰接轴中心连线与水平线的夹角;ρw为水的密度;g为重力加速度;Tr为阻力矩.

水箱体材料特性及重心位置为

(3)

式中:ρx为水箱体材料密度;Vx为水箱体材料体积;Lxo为水箱体重心到铰接轴中心的距离;φx为水箱体重心到铰接轴中心连线与水平方向夹角;φf为水箱体所受浮力重心到铰接轴中心连线与水平方向夹角.

1.4 雨水分级利用系统

雨水分级利用系统是雨水调蓄系统雨水有效利用的重要部分.图4为雨水分级利用系统应用原理图.

图4 雨水分级利用系统图Fig.4 Diagram of rainwater utilization system

该系统由导轨、随动机构、清水泵和泥水泵组成.导轨采用两根平行304不锈圆管,安装在集泥槽处地基上.随动机构采用浮箱结构,材料用304不锈钢,泥水泵为潜水泵.导轨固定在调蓄池地基上,随动机构受水的浮力作用沿导轨上下滑动,清水泵固定连接在随动机构下方,使得清水泵汲取调蓄池中上部清水.泥水泵安装在调蓄池下部,汲取比较浑浊的雨水,用于灌溉等用途,同时将带出部分淤泥,可一定程度上净化水质.当上部清水抽取后在调蓄池下部存留大量淤泥,利用刮泥机构将淤泥汇集到集泥井,运用污泥分级处理系统对淤泥进行不同类型、要求的处理,减少污泥处理成本.

1.4.1水泵参数的设计

雨水抽取采用全机铸造不锈钢潜水泵,电压380 V,功率4 kW,流量为60 m3/h,标准扬程12 m,出口直径100 mm,质量58 kg.

1.4.2随动机构参数设计

随动机构利用水的浮力作为平衡动力,使浮箱的浮力支撑潜水泵及其附件的重力.潜水泵质量58 kg,水管及附件质量12 kg,根据所选潜水泵的质量,设计随动机构.随动机构质量52 kg,浮箱体积为0.18 m3,浮箱完全没入水中产生的上浮力为128 kg.

1.5 污泥分级处理系统

污泥分级处理系统是对污泥分类处理的主要部分,由污泥脱水机和污泥生态净化湿地组成,根据污泥的含水状态分别将高浓度污泥脱水处理,中等浓度污泥经生态净化湿地渗透处理,低浓度泥水供应绿化带灌溉;优化污泥的处理工艺,节约处理费用,降低运行成本.

1.6 空池状态下池底残泥冲洗

池底冲洗系统主要对调蓄池底残留淤泥进行彻底清洗,保持空池状态下调蓄池的清洁.在蓄水排空后,需对主调蓄池进行空池清洗.调蓄池底清洗系统构成如图5所示.

图5 池底冲洗系统构成图Fig.5 Diagram of hydraulic flushing system

池底冲洗系统包括冲洗水池、冲洗闸门、水位传感器和控制柜.冲洗水池设置在调蓄池上部,进水口格栅下游，通过导水道进入调蓄池底部.冲洗闸门安装于冲洗池墙壁上,降雨时,冲洗闸门关闭,拦留部分雨水,在调蓄池雨水排空后,打开冲洗闸门,备留的雨水被释放出来冲向调蓄池,将调蓄池底残留的淤泥冲至集泥槽,经排泥机构流进集泥井,通过污泥泵排出.

1.7 监控系统

监控系统是整个自治理雨水调蓄系统运行的中枢,主要由超声波液位仪、压力传感器、气体浓度检测仪、PLC控制器、液压单元等组成.在进水涵底部安装有压力传感器,用于监测进水水位和水涵内水的压力;进水流量测量仪安装于进水闸门后方,根据进水流量的大小,控制和调节浮渣隔离机的运行速度;超声波液位仪安装于调蓄池顶部,用于监测水位上升和下降状况,控制进水闸门的开启和关闭;在刮泥机构的刮泥板上、下部安装有压力传感器,刮泥板上部的压力传感器监测上部水的压力,刮泥板下部的压力传感器监测迎面淤泥的压力,当上部压力值接近下部压力值时,通过PLC控制器的控制,刮泥装置移动速度降低,避免淤泥从刮泥板上部溢流过去;浮球开关悬浮于集泥池上方,设置高度低于调蓄池末端地面,当调蓄池内雨水排空时,浮球开关接通,将排空信号传输到PLC控制中心,经PLC控制中心的综合运算,当开启条件满足时,冲洗闸门打开,储存在冲洗水池内的雨水释放出来,对调蓄池底残留淤泥进行彻底清洗,以待下次蓄水.在调蓄池顶板设置有害气体检测仪,实时监测调蓄池内部有害气体的浓度,一旦超标及时自动预警与处理,避免有害气体对周边环境的危害和可燃气体事故的发生.

2 实施方案可行性分析

自治理雨水调蓄系统是一个相互配合、相互联系的统一体,监测控制系统统领其他各子系统的运行,并始终监测和控制整个系统的运行.在监测控制系统的监测控制下,一旦调蓄系统满足进水条件,监测控制系统对闸门控制系统发出启动指令,打开进水闸门,同时启动浮渣隔离机和浮渣提升机构,过滤后的雨水进入调蓄池静置沉淀,待泥沙沉淀后,由监测控制系统控制淤泥汇集系统,将池底廊道淤泥汇集到集泥槽,通过污泥排送装置将污泥推至排泥机构,经排泥机构将污泥排至污泥井,再由污泥泵抽出,经污泥分级处理系统对不同类型的污泥进行分类处理.监测控制系统对调蓄池水位进行实时监测,当调蓄池底部蓄水排空后,监测控制系统将检测信号输入PLC数据处理中心,并进一步对池底冲洗系统发出激活指令,打开冲洗闸门,释放所蓄清水,对调蓄池池底进行彻底的清洗,保持调蓄池的清洁,以备后续雨季雨水收集.

在对周边环境信息共享方面,检测控制系统通过互联网技术采集相关系统和部门的信息,为调蓄系统的管理提供可靠执行依据,其主要内容包括:① 气象信息.由气象部门发送的降雨信息,为调蓄池进排水提供执行参数.② 市政排水管网运行状况信息.确认市政排水管网运行情况,管道内施工或检修人员的滞留、撤离及管道堵塞等相关排水条件,为排水系统提供执行依据.③ 河道信息采集.确认河道排放条件,河道中施工人员的滞留、撤离及河道堵塞情况、河道决堤隐患情况以及接纳雨水能力等,为向河道排水提供指令依据.④ 污水处理厂接纳污水能力信息采集.采集污水处理厂运行状况,共享向污水处理厂排放污水、污泥的实时信息或停止排放指令,为调蓄池污水、污泥排放调配提供依据.⑤ 池中有害气体(H2S,CO,NH3)检测系统.采用防爆风机吸风,根据气象部门提供的风力风向,适时以风向背离居民生活区和市民活动区方向排放,为适宜有害气体的排放提供依据.通过各子系统之间的配合运行,达到更加完善安全可靠的自运行治理系统.基于以上稳定的互联网技术和信息采集技术的支持,实现雨水调蓄利用的自治理是可行的.

3 结论

本文基于现有调蓄池的运行状况,提出了自治理雨水调蓄方案,分析了雨水长时间储存水质变坏的因素,对蓄水状态下淤泥清理方案、雨水分级利用、污泥分级处理等实施进行了研究.研究结果显示:该系统不仅可以实现快速收纳雨水,防止洪涝,而且可以对径流雨水进行预处理,减少水体污染;可在蓄水状态下对调蓄池底淤泥进行清理,排除造成水质破坏的污染源,保持雨水水质良好,延长存留时间,缓解旱季用水危机,提高城市抵抗自然灾害能力;能较长时间缓冲蓄水排放,从而可更大幅度地降低暴雨期间管网和污水处理厂接纳污水压力;在调蓄池中雨水没有排空的情况下，可以继续接纳雨水,实现可控排放的分级雨水利用,污泥分级处理,节约能源,降低运营费用;提高调蓄池空间利用率,降低运行和维护成本,顺应当今倡导的低碳环保生态主题.