自治理雨水調(diào)蓄系統(tǒng)及其實(shí)施方案

劉 釗,程江琳,朱玉田

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

生態(tài)環(huán)境的破壞導(dǎo)致水體嚴(yán)重污染,氣候變化加劇不同地區(qū)年內(nèi)年際降雨量分配不勻、旱澇災(zāi)害頻繁、淡水資源的短缺問(wèn)題日趨惡化,水資源的保護(hù)和水污染的治理成為現(xiàn)代社會(huì)最關(guān)注的問(wèn)題之一.為解決城市洪澇和水體污染問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雨水調(diào)蓄池的截污和降低洪峰問(wèn)題作了大量研究[1-6],各地陸續(xù)建造了大量的雨水調(diào)蓄池,以緩解城市洪澇和徑流雨水對(duì)河道湖泊的污染問(wèn)題.但是,目前國(guó)內(nèi)外雨水調(diào)蓄池的作用主要是減少洪峰內(nèi)澇,緩解污水處理廠接納污水的壓力,提高降雨期間城市排水系統(tǒng)的截污率[7],而雨水調(diào)蓄設(shè)施一般僅在雨季才能得以利用,其使用頻率、運(yùn)行周期等依賴(lài)于各地的降雨情況[8].在無(wú)雨季節(jié),雨水調(diào)蓄設(shè)施長(zhǎng)時(shí)間處于閑置狀態(tài),造成浪費(fèi).由于初期雨水具有較高的污染負(fù)荷,其本身夾雜著地面的殘留污染物,同時(shí)還會(huì)挾帶管道中大量的存積黑泥,其污染物指標(biāo)遠(yuǎn)高于典型城市生活污水濃度[9].如果所蓄雨水在調(diào)蓄池內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存,調(diào)蓄池底部所積存的大量有機(jī)物垃圾便腐爛發(fā)酵,嚴(yán)重污染水質(zhì),進(jìn)而使雨水發(fā)黑變臭,細(xì)菌過(guò)度繁殖.因此,現(xiàn)有雨水調(diào)蓄池通常是在降雨期間收集部分雨水,降雨高峰過(guò)后很快將所收集的雨水排空,緊接著對(duì)調(diào)蓄池底部污泥進(jìn)行清除,所排出的淤泥須在較短時(shí)間內(nèi)排向污水處理廠,而具有較高含水量的淤泥短時(shí)間排放,不能充分緩解污水處理廠的運(yùn)行壓力,這樣對(duì)雨水的回收利用也極其不利.針對(duì)以上存在的問(wèn)題,需要尋求一種既能滿(mǎn)足收集雨水防洪、截污,又能較長(zhǎng)時(shí)間蓄水利用的措施.本文提出一種自治理雨水調(diào)蓄系統(tǒng)方案,包括雨水收集、雨水調(diào)蓄池蓄水狀態(tài)淤泥清理、雨水的分級(jí)利用、沉積淤泥的分級(jí)處理等,并對(duì)方案運(yùn)行的可行性進(jìn)行研究分析.

1 雨水調(diào)蓄實(shí)施方案研究?jī)?nèi)容

本文根據(jù)河北某新區(qū)的地理和降雨特點(diǎn),在保證雨水調(diào)蓄池儲(chǔ)存雨水功能基礎(chǔ)上,研究調(diào)蓄系統(tǒng)在無(wú)人參與情況下實(shí)現(xiàn)自治理功能,主要內(nèi)容包括:① 雨水收集;② 浮渣隔離;③ 調(diào)蓄池蓄水狀態(tài)下淤泥清除;④ 雨水分級(jí)利用;⑤ 污泥分級(jí)處理等.

1.1 雨水調(diào)蓄池容積設(shè)計(jì)

根據(jù)服務(wù)區(qū)域內(nèi)多年來(lái)降雨強(qiáng)度、一次降雨歷時(shí)的發(fā)生概率統(tǒng)計(jì),以10年一遇大暴雨事件發(fā)生和區(qū)域面積因素,雨水調(diào)蓄池容積為[10]

(1)

式中:V為設(shè)計(jì)調(diào)蓄容量,m3;ri為降雨強(qiáng)度曲線上對(duì)應(yīng)降雨歷時(shí)ti的降雨強(qiáng)度,mm/h;rc為調(diào)蓄池出流過(guò)流能力值對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度,mm /h;ti為任意降雨歷時(shí),s;α為徑流系數(shù),hm2;A為流域面積,hm2.

根據(jù)河北地區(qū)10年來(lái)降雨情況,設(shè)定降雨歷時(shí)ti為3 600 s,降雨強(qiáng)度ri為20 mm/h,調(diào)蓄池出流過(guò)流能力值對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度rc為29 mm/h,徑流系數(shù)α為0.5,流域面積A為550 hm2,調(diào)蓄池設(shè)計(jì)容量15 000 m3.兩臺(tái)調(diào)控離心潛水泵,流量均為1 275 m3/h,功率60 kW,揚(yáng)程8.7 m.

1.2 雨水調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)雨水調(diào)蓄池儲(chǔ)存雨水的功能和維護(hù)狀態(tài),對(duì)調(diào)蓄池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),以利于在無(wú)人參與的情況下實(shí)現(xiàn)自治理功能.圖1為雨水調(diào)蓄系統(tǒng)圖.

圖1 雨水調(diào)蓄系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of rainwater storage system

該雨水調(diào)蓄系統(tǒng)包含進(jìn)水口、格柵、控制系統(tǒng)、調(diào)蓄池、刮泥機(jī)構(gòu)、水泵、排泥機(jī)構(gòu)和沖洗閘.進(jìn)水口在調(diào)蓄池的上部,進(jìn)水口處設(shè)置進(jìn)水閘門(mén)、格柵.為保證調(diào)蓄池快速接納雨水防止地表積水問(wèn)題,調(diào)蓄池采用自重流的形式,構(gòu)建于進(jìn)水口的下方,進(jìn)水口直接連通調(diào)蓄池.進(jìn)水格柵安裝在進(jìn)水口與調(diào)蓄池之間,對(duì)雨水中的浮渣進(jìn)行初級(jí)過(guò)濾和隔離,過(guò)濾后的雨水以重力流形式進(jìn)入調(diào)蓄池.調(diào)蓄池是雨水存放主體,為便于池底淤泥的清理,底部修建成具有一定坡度的廊道.隨雨水進(jìn)入調(diào)蓄池里的細(xì)小垃圾及泥沙自然沉降于調(diào)蓄池底部形成淤泥.排泥機(jī)構(gòu)設(shè)置在集泥槽末端的排泥口處,淤泥通過(guò)刮泥機(jī)構(gòu)推集到調(diào)蓄池低部的集泥槽,并通過(guò)排泥機(jī)構(gòu)進(jìn)入集泥井.集泥井設(shè)置在排泥口下端,污泥泵安裝在集泥井內(nèi),污泥通過(guò)污泥泵被輸送到調(diào)蓄池外.池底沖洗閘設(shè)置在調(diào)蓄池的上部,在調(diào)蓄池沖洗閘門(mén)上方開(kāi)設(shè)有人工檢查口,便于工作人員對(duì)設(shè)備的安裝調(diào)試和直觀檢查,而且對(duì)工作人員的安全性也有很大保證障.

1.3 淤泥清理系統(tǒng)

淤泥清理系統(tǒng)是雨水調(diào)蓄系統(tǒng)有效治理的重要部分,其功能是能在蓄水狀態(tài)下將徑流雨水沉淀的垃圾淤泥有效排出池外.淤泥清理系統(tǒng)包括刮泥裝置、排泥機(jī)構(gòu)和污泥泵組.圖2為淤泥清理系統(tǒng)圖.

圖2 淤泥清理系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of sludge clearing system

1.3.1刮泥裝置設(shè)計(jì)

刮泥裝置包括驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、牽引繩和刮泥機(jī)構(gòu).驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)牽引繩拖動(dòng)刮泥機(jī)構(gòu),在調(diào)蓄池蓄水狀態(tài)下無(wú)擾動(dòng)地將池底沉積的淤泥匯集到集泥槽;牽引繩和刮泥機(jī)構(gòu)材質(zhì)選用304不銹鋼,刮泥板選用耐磨樹(shù)脂材料,以利于減小池底廊道和刮泥板的磨損.池中傳動(dòng)部分滾輪均采用高強(qiáng)度尼龍材料.根據(jù)一次降雨匯集淤泥厚度30 cm淤泥厚度,設(shè)置刮泥板高度1.2 m,刮泥板寬度與池底廊道寬度一致,刮泥板寬度5 m.刮泥速度2 m/min.驅(qū)動(dòng)裝置采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)渦輪蝸桿機(jī)構(gòu),采用摩擦離合器結(jié)合形式,由驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)刮泥機(jī)構(gòu)在調(diào)蓄池中循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),將池底淤泥匯集到集泥槽.

1.3.2排泥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

排泥機(jī)構(gòu)采用浮力自控式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu),如圖3所示,排泥機(jī)構(gòu)有水箱、轉(zhuǎn)臂和鉸座組成,水箱體與排泥通道底部形成排泥口.當(dāng)水箱內(nèi)注入水后,水箱體帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂繞鉸座轉(zhuǎn)動(dòng)下降,排泥口減小,僅使底部淤泥排出;當(dāng)水箱體內(nèi)水釋放后,水箱體上升,排泥口擴(kuò)大,釋放堵塞的大塊垃圾,大塊垃圾釋放后,水箱體快速下沉,調(diào)回設(shè)定排泥開(kāi)口度.

圖3 排泥機(jī)構(gòu)原理圖Fig.3 Sludge device schematic

在集泥槽內(nèi)按設(shè)定通泥量,將淤泥排至污泥井,攔留上部清水于調(diào)蓄池內(nèi).為提高排泥機(jī)構(gòu)在污水中的抗腐蝕能力,機(jī)構(gòu)材料采用304不銹鋼.在本文中,排泥機(jī)構(gòu)排泥口開(kāi)度80 mm,堵塞物自動(dòng)釋放開(kāi)度180 mm.排污機(jī)構(gòu)正常工作時(shí),箱體上升依靠水的浮力驅(qū)動(dòng),箱體下降時(shí)依靠重力驅(qū)動(dòng),水箱體有效容積及重心位置為

(2)

式中:β為可靠性系數(shù),β>1;Vw為水的體積;Lwo為水箱體內(nèi)水的重心到鉸接軸中心的距離;φw為水箱體內(nèi)水的重心到鉸接軸中心連線與水平線的夾角;ρw為水的密度;g為重力加速度;Tr為阻力矩.

水箱體材料特性及重心位置為

(3)

式中:ρx為水箱體材料密度;Vx為水箱體材料體積;Lxo為水箱體重心到鉸接軸中心的距離;φx為水箱體重心到鉸接軸中心連線與水平方向夾角;φf(shuō)為水箱體所受浮力重心到鉸接軸中心連線與水平方向夾角.

1.4 雨水分級(jí)利用系統(tǒng)

雨水分級(jí)利用系統(tǒng)是雨水調(diào)蓄系統(tǒng)雨水有效利用的重要部分.圖4為雨水分級(jí)利用系統(tǒng)應(yīng)用原理圖.

圖4 雨水分級(jí)利用系統(tǒng)圖Fig.4 Diagram of rainwater utilization system

該系統(tǒng)由導(dǎo)軌、隨動(dòng)機(jī)構(gòu)、清水泵和泥水泵組成.導(dǎo)軌采用兩根平行304不銹圓管,安裝在集泥槽處地基上.隨動(dòng)機(jī)構(gòu)采用浮箱結(jié)構(gòu),材料用304不銹鋼,泥水泵為潛水泵.導(dǎo)軌固定在調(diào)蓄池地基上,隨動(dòng)機(jī)構(gòu)受水的浮力作用沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng),清水泵固定連接在隨動(dòng)機(jī)構(gòu)下方,使得清水泵汲取調(diào)蓄池中上部清水.泥水泵安裝在調(diào)蓄池下部,汲取比較渾濁的雨水,用于灌溉等用途,同時(shí)將帶出部分淤泥,可一定程度上凈化水質(zhì).當(dāng)上部清水抽取后在調(diào)蓄池下部存留大量淤泥,利用刮泥機(jī)構(gòu)將淤泥匯集到集泥井,運(yùn)用污泥分級(jí)處理系統(tǒng)對(duì)淤泥進(jìn)行不同類(lèi)型、要求的處理,減少污泥處理成本.

1.4.1水泵參數(shù)的設(shè)計(jì)

雨水抽取采用全機(jī)鑄造不銹鋼潛水泵,電壓380 V,功率4 kW,流量為60 m3/h,標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)程12 m,出口直徑100 mm,質(zhì)量58 kg.

1.4.2隨動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

隨動(dòng)機(jī)構(gòu)利用水的浮力作為平衡動(dòng)力,使浮箱的浮力支撐潛水泵及其附件的重力.潛水泵質(zhì)量58 kg,水管及附件質(zhì)量12 kg,根據(jù)所選潛水泵的質(zhì)量,設(shè)計(jì)隨動(dòng)機(jī)構(gòu).隨動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量52 kg,浮箱體積為0.18 m3,浮箱完全沒(méi)入水中產(chǎn)生的上浮力為128 kg.

1.5 污泥分級(jí)處理系統(tǒng)

污泥分級(jí)處理系統(tǒng)是對(duì)污泥分類(lèi)處理的主要部分,由污泥脫水機(jī)和污泥生態(tài)凈化濕地組成,根據(jù)污泥的含水狀態(tài)分別將高濃度污泥脫水處理,中等濃度污泥經(jīng)生態(tài)凈化濕地滲透處理,低濃度泥水供應(yīng)綠化帶灌溉;優(yōu)化污泥的處理工藝,節(jié)約處理費(fèi)用,降低運(yùn)行成本.

1.6 空池狀態(tài)下池底殘泥沖洗

池底沖洗系統(tǒng)主要對(duì)調(diào)蓄池底殘留淤泥進(jìn)行徹底清洗,保持空池狀態(tài)下調(diào)蓄池的清潔.在蓄水排空后,需對(duì)主調(diào)蓄池進(jìn)行空池清洗.調(diào)蓄池底清洗系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示.

圖5 池底沖洗系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.5 Diagram of hydraulic flushing system

池底沖洗系統(tǒng)包括沖洗水池、沖洗閘門(mén)、水位傳感器和控制柜.沖洗水池設(shè)置在調(diào)蓄池上部,進(jìn)水口格柵下游，通過(guò)導(dǎo)水道進(jìn)入調(diào)蓄池底部.沖洗閘門(mén)安裝于沖洗池墻壁上,降雨時(shí),沖洗閘門(mén)關(guān)閉,攔留部分雨水,在調(diào)蓄池雨水排空后,打開(kāi)沖洗閘門(mén),備留的雨水被釋放出來(lái)沖向調(diào)蓄池,將調(diào)蓄池底殘留的淤泥沖至集泥槽,經(jīng)排泥機(jī)構(gòu)流進(jìn)集泥井,通過(guò)污泥泵排出.

1.7 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)自治理雨水調(diào)蓄系統(tǒng)運(yùn)行的中樞,主要由超聲波液位儀、壓力傳感器、氣體濃度檢測(cè)儀、PLC控制器、液壓?jiǎn)卧冉M成.在進(jìn)水涵底部安裝有壓力傳感器,用于監(jiān)測(cè)進(jìn)水水位和水涵內(nèi)水的壓力;進(jìn)水流量測(cè)量?jī)x安裝于進(jìn)水閘門(mén)后方,根據(jù)進(jìn)水流量的大小,控制和調(diào)節(jié)浮渣隔離機(jī)的運(yùn)行速度;超聲波液位儀安裝于調(diào)蓄池頂部,用于監(jiān)測(cè)水位上升和下降狀況,控制進(jìn)水閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉;在刮泥機(jī)構(gòu)的刮泥板上、下部安裝有壓力傳感器,刮泥板上部的壓力傳感器監(jiān)測(cè)上部水的壓力,刮泥板下部的壓力傳感器監(jiān)測(cè)迎面淤泥的壓力,當(dāng)上部壓力值接近下部壓力值時(shí),通過(guò)PLC控制器的控制,刮泥裝置移動(dòng)速度降低,避免淤泥從刮泥板上部溢流過(guò)去;浮球開(kāi)關(guān)懸浮于集泥池上方,設(shè)置高度低于調(diào)蓄池末端地面,當(dāng)調(diào)蓄池內(nèi)雨水排空時(shí),浮球開(kāi)關(guān)接通,將排空信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制中心,經(jīng)PLC控制中心的綜合運(yùn)算,當(dāng)開(kāi)啟條件滿(mǎn)足時(shí),沖洗閘門(mén)打開(kāi),儲(chǔ)存在沖洗水池內(nèi)的雨水釋放出來(lái),對(duì)調(diào)蓄池底殘留淤泥進(jìn)行徹底清洗,以待下次蓄水.在調(diào)蓄池頂板設(shè)置有害氣體檢測(cè)儀,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)蓄池內(nèi)部有害氣體的濃度,一旦超標(biāo)及時(shí)自動(dòng)預(yù)警與處理,避免有害氣體對(duì)周邊環(huán)境的危害和可燃?xì)怏w事故的發(fā)生.

2 實(shí)施方案可行性分析

自治理雨水調(diào)蓄系統(tǒng)是一個(gè)相互配合、相互聯(lián)系的統(tǒng)一體,監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)統(tǒng)領(lǐng)其他各子系統(tǒng)的運(yùn)行,并始終監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行.在監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制下,一旦調(diào)蓄系統(tǒng)滿(mǎn)足進(jìn)水條件,監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)閘門(mén)控制系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)指令,打開(kāi)進(jìn)水閘門(mén),同時(shí)啟動(dòng)浮渣隔離機(jī)和浮渣提升機(jī)構(gòu),過(guò)濾后的雨水進(jìn)入調(diào)蓄池靜置沉淀,待泥沙沉淀后,由監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)控制淤泥匯集系統(tǒng),將池底廊道淤泥匯集到集泥槽,通過(guò)污泥排送裝置將污泥推至排泥機(jī)構(gòu),經(jīng)排泥機(jī)構(gòu)將污泥排至污泥井,再由污泥泵抽出,經(jīng)污泥分級(jí)處理系統(tǒng)對(duì)不同類(lèi)型的污泥進(jìn)行分類(lèi)處理.監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)調(diào)蓄池水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)調(diào)蓄池底部蓄水排空后,監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)將檢測(cè)信號(hào)輸入PLC數(shù)據(jù)處理中心,并進(jìn)一步對(duì)池底沖洗系統(tǒng)發(fā)出激活指令,打開(kāi)沖洗閘門(mén),釋放所蓄清水,對(duì)調(diào)蓄池池底進(jìn)行徹底的清洗,保持調(diào)蓄池的清潔,以備后續(xù)雨季雨水收集.

在對(duì)周邊環(huán)境信息共享方面,檢測(cè)控制系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集相關(guān)系統(tǒng)和部門(mén)的信息,為調(diào)蓄系統(tǒng)的管理提供可靠執(zhí)行依據(jù),其主要內(nèi)容包括:① 氣象信息.由氣象部門(mén)發(fā)送的降雨信息,為調(diào)蓄池進(jìn)排水提供執(zhí)行參數(shù).② 市政排水管網(wǎng)運(yùn)行狀況信息.確認(rèn)市政排水管網(wǎng)運(yùn)行情況,管道內(nèi)施工或檢修人員的滯留、撤離及管道堵塞等相關(guān)排水條件,為排水系統(tǒng)提供執(zhí)行依據(jù).③ 河道信息采集.確認(rèn)河道排放條件,河道中施工人員的滯留、撤離及河道堵塞情況、河道決堤隱患情況以及接納雨水能力等,為向河道排水提供指令依據(jù).④ 污水處理廠接納污水能力信息采集.采集污水處理廠運(yùn)行狀況,共享向污水處理廠排放污水、污泥的實(shí)時(shí)信息或停止排放指令,為調(diào)蓄池污水、污泥排放調(diào)配提供依據(jù).⑤ 池中有害氣體(H2S,CO,NH3)檢測(cè)系統(tǒng).采用防爆風(fēng)機(jī)吸風(fēng),根據(jù)氣象部門(mén)提供的風(fēng)力風(fēng)向,適時(shí)以風(fēng)向背離居民生活區(qū)和市民活動(dòng)區(qū)方向排放,為適宜有害氣體的排放提供依據(jù).通過(guò)各子系統(tǒng)之間的配合運(yùn)行,達(dá)到更加完善安全可靠的自運(yùn)行治理系統(tǒng).基于以上穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息采集技術(shù)的支持,實(shí)現(xiàn)雨水調(diào)蓄利用的自治理是可行的.

3 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有調(diào)蓄池的運(yùn)行狀況,提出了自治理雨水調(diào)蓄方案,分析了雨水長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存水質(zhì)變壞的因素,對(duì)蓄水狀態(tài)下淤泥清理方案、雨水分級(jí)利用、污泥分級(jí)處理等實(shí)施進(jìn)行了研究.研究結(jié)果顯示:該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)快速收納雨水,防止洪澇,而且可以對(duì)徑流雨水進(jìn)行預(yù)處理,減少水體污染;可在蓄水狀態(tài)下對(duì)調(diào)蓄池底淤泥進(jìn)行清理,排除造成水質(zhì)破壞的污染源,保持雨水水質(zhì)良好,延長(zhǎng)存留時(shí)間,緩解旱季用水危機(jī),提高城市抵抗自然災(zāi)害能力;能較長(zhǎng)時(shí)間緩沖蓄水排放,從而可更大幅度地降低暴雨期間管網(wǎng)和污水處理廠接納污水壓力;在調(diào)蓄池中雨水沒(méi)有排空的情況下，可以繼續(xù)接納雨水,實(shí)現(xiàn)可控排放的分級(jí)雨水利用,污泥分級(jí)處理,節(jié)約能源,降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用;提高調(diào)蓄池空間利用率,降低運(yùn)行和維護(hù)成本,順應(yīng)當(dāng)今倡導(dǎo)的低碳環(huán)保生態(tài)主題.