一种自动曝气式雨水净水系统及其工作方法与流程

本发明涉及一种雨水收集系统及其工作方法，特别涉及自动曝气式雨水净水系统及其工作方法。

背景技术：

雨水收集利用是海绵城市建设的重要组成部分，能够一定程度的提高水资源利用效率，并起到削减雨洪、减轻城市内涝、净化雨水水质、降低城市热岛效应的作用。目前雨水桶是雨水利用的最常见形式之一，将降落在建筑物上的雨水通过雨水管道引入雨水收集桶中，经过处理后转化为可以用于生产生活的水资源。然而，由于雨水本身水质较差，再加上收集过程中混入建筑体上积累的杂质，导致雨水桶中的水在静置过程中常常出现水质恶化的现象，不仅浪费了雨水资源，也降低了雨水桶的使用寿命，增加维护成本。

为解决水质恶化问题，现有的技术往往通过初期过滤、初期弃流、自动监控清洗、增加过滤材料等方式对雨水桶进行改造。然而，这些技术都不能很好的从根源上解决雨量桶水质恶化的问题：经过简单过滤的雨水同样面临水质恶化的问题；通过自动监控清洗仅仅一定程度的节约了维护成本，但很大程度牺牲了雨水资源的利用率；增加过滤材料会极大的提高建设和维护成本。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种自动曝气式雨水净水系统，通过提高雨水桶内微生物的活性，克服现有技术存在的以上问题。本发明另一个目的在于提供自动曝气式雨水净水系统的工作方法，可以通过初期过滤弃流，集水罐收集雨水并周期曝气处理，以及取水时进行活性炭吸附处理，来实现雨水的净化及高效利用。

技术方案：本发明所述的一种自动曝气式雨水净水系统，包括集水模块，与所述集水模块连通的弃流模块、与所述集水模块连通的净化模块以及给所述集水净化模块供气的曝气模块；

所述集水模块包括集水总管以及设置于所述集水总管进口的第一过滤装置；

所述弃流模块包括与所述集水总管出口连通的第一引流管以及与所述第一引流管连通的弃流罐；所述引流管通过设置于所述弃流罐侧边的开孔将雨水送入弃流罐，并在引流管的出口连接有控制所述开孔启闭的浮球阀；所述弃流罐的底部设置有用于导出所述弃流罐中储水的第一出水管；

所述净化模块包括与所述集水总管出口连通的第二引流管以及与所述第二引流管连通的集水罐，所述集水罐上方设置有用于控制所述集水罐水位的溢流出气管，集水罐下方至少设置有一个用于导出集水罐中储水的第二出水管；

所述曝气模块包括气泵以及与气泵出口连接的送气管，所述送气管出口位于所述集水罐底部。

优选地，所述集水罐下方至少设置有一个导出集水罐中储水的第三出水管，所述第三出水管的出口设置有第二过滤装置。

优选地，所述雨水净水系统包括控制模块，所述模块包括控制器、设置于所述第一出水管出口上的与控制器通信连接的第一阀门以及设置于所述集水罐底部的与控制器通信连接的水位传感器。

优选地，所述集水总管与所述第一引流管均为竖直设置。

优选地，所述送气管出口设置有气泡石。

优选地，所述溢流出气管出口设置有过滤网。

优选地，所述第二引流管水平设置，第二引流管高于所述开孔的位置。

优选地，所述溢流出气管的出口下弯折延伸。

上述自动曝气式雨水净水系统的工作方法，包括以下步骤：(a)降雨初期，雨水首先经过设置于集水总管进口的第一过滤装置，进入集水总管，经集水总管流经第一引流管进入弃流罐；(b)随着降雨过程的持续，弃流罐水位不断上涨，当弃流罐水位达到浮球阀的工作水位时，浮球阀将开启，封堵开孔，起到雨水初期弃流的作用；(c)当浮球阀关闭后，第一引流管很快集满，剩余雨水会通过第二引流管进入集水罐中，通过水位传感器的监测，当水位到达曝气要求时，通过控制器开启气泵，气泵通过送气管向集水罐进行周期性送气，气体经气泡石产生大量气泡，与集水罐中水体进行接触，气体经过水体后由溢流出气管排出；(d)当集水罐中水位达到溢流出气管时，多余的雨水经溢流出气管排出；(e)取水时，对水质要求较低的生产生活用水从第二出水管取用，对水质要求稍高的生产生活用水从第三出水管取用。

有益效果：(1)本发明提出的自动曝气式雨水净水系统能够防止雨水桶中出现厌氧环境，同时周期性的曝气提高了水体中微生物的活性，加速了微生物的硝化作用等微生物活动，利用生物方法对雨水桶中雨水水质进行提升；(2)本发明能够实现雨水桶自动收集、自动弃流、自动曝气的功能，能够极大的节省维护成本；(3)本发明能够大大提高雨水收集利用的水质标准及利用效率。

附图说明

图1为本发明雨水净水系统结构示意图；

图2为本发明与传统雨水桶的浊度变化过程；

图3为本发明与传统雨水桶的ph变化过程；

图4为本发明与传统雨水桶的氨氮含量变化过程；

图5为本发明与传统雨水桶的溶解氧含量变化过程；

图6为本发明与传统雨水桶的cod含量变化过程；

图7为本发明与传统雨水桶的bod含量变化过程；

图8为本发明与传统雨水桶的总氮含量变化过程；

图9为本发明与传统雨水桶的总磷含量变化过程。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：如图1所示，本发明所述的自动曝气式雨水净水系统，所述雨水净水系统10包括集水模块100，与所述集水模块连通的弃流模块200、与所述集水模块连通的净化模块300、给所述集水净化模块供气的曝气模块400以及控制模块500。

集水模块100包括竖直设置的集水总管101以及设置于集水总管101进口的第一过滤装置102，第一过滤装置102为不锈钢滤网，目数18目，丝径0.4mm，裁剪直径130mm，滤网安装在集水总管入口处，能够有效拦截雨水中的树叶等杂质，竖向安装能够降低集水管入口堵塞的可能性，集水总管101采用规格φ110的pvc弯头排水管，本实施例中的长度为2m。

弃流模块200包括与集水总管101出口连通的第一引流管201以及弃流罐202，第一引流管201竖直设置，采用规格φ50的pvc排水管，长度共计50cm，弃流罐202采用25l带盖聚丙烯桶，桶高42.5cm，桶直径32cm，桶高34cm处留有直径50mm的开孔203，第一引流管201末端弯折通过开孔203接入弃流罐202，第一引流管201出口连接有控制开孔203启闭的浮球阀204，浮球阀204采用abs塑料浮球阀，浮球直径10cm，杆长10cm，阀体直径50cm，用来控制弃流罐202的弃流水位，弃流罐202的底部设置有用于导出弃流罐中储水的第一出水管205。

净化模块300包括与集水总管101出口连通的第二引流管301以及与第二引流管301连通的集水罐302，第二引流管301水平设置，高于开孔203的位置，第二引流管301采用采用规格φ75的pvc排水管，长度共60cm，出口端伸入集水罐302的长度为2cm，集水罐302选用50l的加厚带盖聚丙烯桶，桶高57cm，口径23.5cm，桶直径37cm，桶盖有一个直径75mm的用于第二引流管伸入的进水孔以及直径6mm用于送气管402伸入的进气孔，集水罐高50cm处留有直径50mm的出水口用于安装溢流出气管303，安装高度视雨水收集目标而定，溢流出气管能够排除多余的雨水，防止雨水通过送气管回灌至气泵，还能够排出曝气产生的气体，同时防止无氧环境的产生，本实施例中溢流出气管303采用规格φ50的pvc排水弯管，长度为30cm，末端向下弯折，出口设置有第二过滤装置307，本实施例中第二过滤装置为32目纱网。

集水罐302在桶底2cm处留有直径20mm的两个出水口，在这两个出水口分别设置有一个用于导出集水罐中储水的第二出水管304以及第三出水管305，第三出水管305的出口设置有第二过滤装置306，第二过滤装置306为内含有活性炭滤芯的过滤柱，活性炭滤芯采用活性炭滤芯规格为10寸的颗粒活性炭滤芯，滤芯长为25.4cm，直径7.1cm，活性炭滤芯能够进行替换，能够对水中污染物进一步的吸附净化，对水质要求较低的生产生活用水可从第二出水管304处取用，对水质要求稍高的生产生活用水可从第三出水管305处取用。

曝气模块400包括气泵401以及与气泵出口连接的送气管402，送气管402出口设置有气泡石403，这样能够尽可能的提升气体与水体的接触面积，更大限度的产生曝气效果，气泡石403采用高温烧结气泡石，直径20mm，高28mm，气泡石403连接送气管402，放置于集水罐302底部，送气管402采用硅胶软管，内径4mm，外径6mm进气口与气泵401相连，气泵401采用aoc系列电磁式空气泵，型号：aoc-006，功率：150w，电源：220vac/50hz，排气量：85l/min。

控制模块500包括控制器501、设置于所述第一出水管205出口上的与控制器通信连接的第一阀门502以及水位传感器503，此外，第二出水管304以及第三出水管305的出口也分别设置有与控制器501通信连接的电磁阀；

本发明的控制器501采用sonoffth10，最大电流10a，最大功率2200w，水位传感器503采用两芯线水位传感器，安置在集水罐302底部，位于第三出水管305之下；当水位传感器503监测到集水罐中水位达到要求时，通过控制器501控制气泵，发出开始计算开始时间的指令，当水位传感器503监测到集水罐中水排干时，通过控制器501向气泵15发出结束时间的指令；可以预约定时气泵的开始和结束时间以及送气周期，建议气泵开启时间设定为储水后的6小时，送气周期设定为12个小时，这样能够促进微生物硝化反应的进行，对总磷的去除能够达到最好的效果，单次送气量由bod5的去除量、氨氮的硝化及脱氮等要求依据公式计算确定。

本发明的第一阀门502与控制器501通信连接，实现第一阀门502的启闭，也可以设定降雨结束后的一定时间自动启闭，因前一场降雨会对屋顶进行一定的冲洗，所以建议自动启闭时间设定为降雨后的1-5天，若在设定自动启闭时间之前又发生了降雨，此时可不进行弃流，雨水直接进入集水罐，自动启闭时间重新开始计算，自动启闭时间应视气候区与季节而定。

上述自动曝气式雨水净水系统的工作方法，包括以下步骤：

第一步：降雨初期，雨水首先经过设置于集水总管101进口的第一过滤装置102，进入集水总管101，经集水总管101流经第一引流管201进入弃流罐202；

第二步：随着降雨过程的持续，弃流罐202水位不断上涨，当弃流罐202水位达到浮球阀204的工作水位时，浮球阀204将开启，封堵开孔203，起到雨水初期弃流的作用；

第三步：当浮球阀204关闭后，第一引流管201很快集满，剩余雨水会通过第二引流管301进入集水罐302中，通过水位传感器503的监测，当水位到达曝气要求时，通过控制器501开启气泵401，气泵通过送气管402向集水罐进行周期性送气，气体经气泡石403产生大量气泡，与集水罐302中水体进行接触，气体经过水体后由溢流出气管303排出；

第四步：当集水罐302中水位达到溢流出气管303时，多余的雨水经溢流出气管303排出；

第五步：取水时，对水质要求较低的生产生活用水从第二出水管304取用，对水质要求稍高的生产生活用水从第三出水管305取用。

应用例：将上述装置用于雨水收集，并与传统雨水桶(无弃流模块与曝气模块)进行水质对比

采用南京市2017年9月、10月的屋面雨水作为实验水样。收集雨水的位置是南京市鼓楼区西康路1号河海大学的水利馆南侧屋顶雨水。将传统雨水桶与自动曝气式雨水净水系统进行安装，屋顶进水口并排设置，进行雨水收集。实验开始日期为9月24，单次实验周期为一周，共9周，即每周测一次集水罐中的水质数据，观察其ph、cod、bod5、氨氮、总氮、总磷、浊度、do各项指标浓度的变化趋势。

浊度对比：如图2所示，自动曝气式雨水净水系统对屋面雨水的浊度有很好的改良效果，且保持良好的水质时间较长，两个月内自动曝气式雨水净水系统桶浊度整体趋势呈下降状态。传统雨水桶的浊度变化早期呈略微下降趋势，是由于初期雨水经过一段时间的沉淀使得浊度短期呈下降趋势；自动曝气式雨水净水系统检测结果浊度均小于3ntu，符合地下水环境质量iii类标准，自动曝气式雨水净水系统平均降低率达到了87.4％，而最大降低率达到了95％以上。其中图2中还可以看出，初期弃流装置对浊度的去除也是有一定的效果的，去除率达到了46.57％。

ph总体改良效果：由图3所示，自动曝气式雨水净水桶对长期存在雨水桶内的雨水ph有良好的保持效果；传统雨水桶的ph值初始呈弱酸性，随着时间增长，变化程度为逐渐接近强酸性；经过自动曝气式雨水净水桶的雨水ph均能够保持在中性偏弱碱性，符合日常用水标准，而且自动曝气式雨水净水系统相对于传统雨水桶ph值平均提高了32.46％，其中初期弃流装置对ph提高了10.12％。

氨氮总体去除效果：由图4所示，自动曝气式雨水净水系统对氨氮得平均去除率为71.89％，其中，初期弃流模块对氨氮的去除率达到54.59％，传统雨水桶的雨水氨氮含量每升均超过1.0mg，未能满足国家地表水环境质量标准对三类水的要求值。自动曝气式雨水净水系统中的曝气模块可以为水体周期提供所需的氧气，氨氮在好氧状态下被氧化为硝酸盐氮或亚硝酸盐氮，氨氮浓度降低。

溶解氧含量变化对比：由图5所示，自动曝气式雨水净水系统对水体的溶解氧含量有所提高，自动曝气式雨水净水系统对溶解氧的平均提高为47.82％，而且水质达到了满足地表水环境质量标准二类水的标准。但是从图中数据看出初期弃流装置对溶解氧的增加效果并不是特别明显。

化学需氧量(cod)变化对比：由图6所示，传统雨水桶和自动曝气式雨水净水桶在收集的前期化学需氧量(cod)均不高，并且都满足国家地表水环境质量标准三类水的规定值，但是随着时间的推移，传统雨水桶中的水体化学需氧量(cod)值快速增长，自动曝气式雨水净水系统的化学需氧量值也有增加，但是增长的速度相对较缓慢，并且在相对较长的时间内可以保持满足国家地表水环境质量标准三类水的限值。其中，自动曝气式雨水净水系统相对于传统雨水桶的化学需氧量指标平均去除率为39.51％，但是初期弃流对其的作用并没有很大，说明周期曝气与活性炭过滤对水体的化学需氧量的影响比较大。

五日生化需氧量(bod5)总体变化对比：由图7所示，自动曝气式雨水净水系统对五日生化需氧量(bod5)有一定的优化效果，国家地表水环境质量标准三类水的标准限值为不大于4.0mg/l，传统雨水桶和自动曝气式雨水净水系统在雨水收集初期bod5均超过标准限值，但是自动曝气式雨水净水桶在经过曝气与活性炭过滤之后，对bod5的去除效果显著。自动曝气式雨水净水桶对bod5的平均去除效果为70.1％。

总氮整体变化过程对比：由图8为传统雨水桶和自动曝气式雨水净水系统对总氮的去除效果图，根据图线的趋势来看，自动曝气式雨水净水系统可以缓解总氮的增长趋势。在实验前期，自动曝气式雨水净水系统的总磷含量略高于传统雨水桶，但是均在标准值附近，观测其整体平均值与后期的变化趋势。在周期内，自动曝气式雨水净水桶相对于传统雨水桶总氮的平均优化值为39.76％。由此可见，自动曝气式雨水净水桶并不能有效的去除雨水中的总氮含量，但是可以起到一定程度上的控制其增长的作用。

总磷整体变化过程：由图9所示，传统雨水桶和自动曝气式雨水净水系统对总磷都有较好的去除效果，实验数据显示两种雨水系统的总磷浓度均达标，其中自动曝气式雨水净水系统的总磷浓度相对于传统雨水桶平均降低了了13.48％。可见自动曝气式雨水净水桶对总磷的去除效果优于传统雨水桶。