本发明涉及雨水处理利用和植物无土栽培领域的一种装置，更确切地说，本发明涉及一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置。
背景技术：
中国是世界上缺水最为严重国家之一，水资源危机已成为限制发展的重要因素，雨水作为一种免费水源，备受重视。现有的雨水收集及处理装置，多用于收集一定区域范围内的降雨，然后经混凝、沉淀、过滤、消毒等处理操作后作为生活杂用或市政用水。现有的装置与方法一般存在如下问题：占地面积大，建设费用高；运行成本高，在降雨较少的地区，基本处于闲置状态，经济性低；由于多用于收集全部降雨历程雨水，水质、水量波动大，处理困难，处理成本高；处理过程复杂，由于添加各种化学药剂，影响雨水的优质性，出水水质差。
无土栽培指不用土壤，用基质代替土壤，或直接采用液体营养液培养植物的方法，现有的栽培装置多种多样。营养液是无土栽培的关键，水源对于营养液尤为重要，无土栽培对水源水质要求高，水量需求大。目前一般以去离子水或自来水作为供应水源，成本高，不利于无土栽培的推广和发展。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的占地大、建设和运行成本高、处理成本高、经济性低、出水水质差，以及无土栽培营养液水源成本高的问题，提供了一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置包括预沉池、模式选择判别器、吸附过滤池、清水池、营养液调配池、自来水池与载物架；
所述的预沉池安装在载物架的上层，吸附过滤池安装在载物架的中层，位于预沉池的右下方，清水池安装在吸附过滤池的右侧，预沉池通过开关阀s1、模式选择判别器与开关阀s2和吸附过滤池采用管道连接，模式选择判别器的右端通过开关阀s3与清水池的a室之间管道连接，吸附过滤池的上端通过开关阀s6与清水池的a室管道连接，吸附过滤池的下端通过开关阀s4与清水池的a室管道连接；自来水池安装在清水池的右侧，营养液调配池安装在载物架的底层,并位于清水池与自来水池的下方，清水池的b室通过开关阀s7与营养液调配池管路连接，营养液调配池通过开关阀s8与自来水池管道连接。
技术方案中所述的预沉池包括预沉池主体、1号筛网、1号传感器组与滤网式进水管口；所述的预沉池主体为圆筒形壳体式结构件，预沉池主体的筒壁下端设置有出水口；所述的1号传感器组包括ph传感器与ec传感器，ph传感器选用型号为e-201-c的复合ph玻璃电极，ec传感器选用型号为dsj-1c的铂黑电极；所述的1号筛网选用1.00mm筛孔或18目的不锈钢丝焊接筛网；所述的滤网式进水管口的滤网选用0.090mm筛孔或170目的不锈钢丝焊接筛网；1号筛网安装在预沉池主体内部的距顶端1/4位置处，滤网式进水管口安装在预沉池主体的出水口的里侧，1号传感器组安装在预沉池主体内的底端，1号传感器组采用导线与模式选择判别器相连接。
技术方案中所述的吸附过滤池包括吸附过滤池主体、多层滤料与2号筛网；所述的吸附过滤池主体为立式长方体形的壳体式结构件，吸附过滤池主体的顶端设置有进出水口，吸附过滤池主体的池壁的上端与底端分别设置有1个进出水口；所述的多层滤料选用颗粒活性炭、石英砂、陶粒，按粒径与密度依次排列，相对密度小、粒径大的滤料层布置在上面，相对密度大、粒径小的滤料层布置在下面；所述的2号筛网的筛孔尺寸小于下层滤料的最小粒径；2号筛网安装在吸附过滤池主体的中下部，其上按滤料粒径小到滤料粒径大由下至上地布置滤料层。
技术方案中所述的清水池包括清水池主体、开关阀s5、2号传感器组与水位计w1；所述的水位计w1与自来水池中的水位计w2型号相同；所述的2号传感器组和预沉池中的1号传感器组中所选传感器型号相同；所述的清水池主体为双层空间式长方体形的空心结构件，清水池主体采用中间隔板分为上层的a室与下层的b室，a室为判别室，b室为储水室，清水池主体的顶壁、侧壁与底板上分别设置1个、2个与1个通孔，清水池主体放置在载物架的中层上；2号传感器组安装在清水池主体的a室内的隔板上，水位计w1安装在清水池主体的b室内，开关阀s5安装在中间隔板上，2号传感器组、水位计w1与开关阀s5分别采用导线和营养液调配池中的控制中心连接。
技术方案中所述的自来水池包括自来水池主体、水位计w2；所述的自来水池主体为长方体形的空心结构件，自来水池主体的侧壁上设置有1个通孔，自来水池放置在载物架中层；所述的水位计w2与w1选择djl－y25型非接触式液位感应器，水位计w2安装在自来水池主体内，水位计w2的输出端采用导线与营养液调配池中的控制中心连接。
技术方案中所述的营养液调配池包括营养液调配池主体、3号传感器组、控制中心、酸液罐、碱液罐与浓缩营养液罐；所述的营养液调配池主体为长方体形的内部放置着无土栽培需要浓度营养液的空心结构件；所述的3号传感器组包括ph传感器与ec传感器，ph传感器选用e-201-c型复合ph玻璃电极，ec传感器与1号传感器组及2号传感器组中所选ec传感器相同，选用dsj-1c型铂黑电极；3号传感器组放置在营养液调配池底部；所述的酸液罐、碱液罐与浓缩营养液罐皆为圆柱体形空心结构件，分别内装用于调节营养液调配池内营养液ph及ec的hcl、naoh和浓缩营养液溶液，罐壁底部设置有出水口；所述的控制中心包括显示部分与控制部分，控制中心放置在载物架下层，显示部分通过导线与3号传感器组相连接，控制部分通过导线和开关阀s2至开关阀s7相连接，控制部分通过导线和连接在酸液罐、碱液罐与浓缩营养液罐上的电磁阀相连接；所述的开关阀s1至开关阀s8选择dn40型电动球阀。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置主要用于收集处理降雨历程中后期雨水，非酸雨区中后期雨水，重金属含量少，cod(化学需氧量，用于表征水质的有机物含量)较低，溶解氧接近饱和，总硬度小，几乎没有有机污染物，水质较好，处理过程相对简单，处理成本低；
2.采用本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置的雨水处理过程中不添加化学药剂，只通过自由沉降与吸附过滤的物理作用，降低处理成本，为无土栽培提供优质水源；
3.本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置加入的模式选择判别器，可以通过传感器组检测到的雨水ec和浊度值选择相应的处理模式，适用性较强，可适应不同地区的雨水处理；
4.本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置将清水池分为a、b两室，a室用于判别雨水处理是否达标；b室用于存放处理后的雨水，节省占地，提高空间利用率，降低成本。
5.本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置以两种水源为无土栽培装置的供应水源，稳定性强；多个开关阀控制相应通道，故障维修时关闭相应控制开关阀即可，管理方便；各种传感器和水位计实时监测水质状况，提高了整个装置的可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置的结构原理示意图；
图2是本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置中所采用的模式选择判别器的判别流程框图；
图3是本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置中所采用的吸附过滤池的运行流程框图；
图4是本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置中所采用的营养液调配池的运行流程框图；
图5是本发明所述的一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置中所采用的放置整套装置的载物架结构示意图；
图中：1.预沉池，2.模式选择判别器，3.吸附过滤池，4.清水池，5.营养液调配池，6.自来水池，7.2号传感器组,8.1号筛网，9.1号传感器组，10.滤网式进水管口，11.多层滤料，12.2号筛网，13.控制中心，14.3号传感器组，15.酸液罐，16.碱液罐，17.浓缩营养液罐，s1—s8为开关阀，w1、w2为水位计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置包括预沉池1、模式选择判别器2、吸附过滤池3、清水池4、营养液调配池5、自来水池6。其中，预沉池1、清水池4、营养液调配池5、自来水池6的池体材料选用质轻、耐腐蚀、易加工、价格低廉的pp材质，吸附过滤池3池体材料选用具有较好透明性、化学稳定性、力学性能、耐腐蚀、耐湿、绝缘性能好、比重小、易加工的有机玻璃。各池体间通过橡胶管道相连，通过各开关阀控制相应管道的启闭。各池体外贴一层遮光膜，上部使用胶带与各池体紧贴，下部则不必贴紧，需要时可打开下部遮光膜，观察水质处理状况。
为减小占地，提高空间利用率，整套装置如附图1所示由上、中、下三部分构成，放置在拥有三层空间的载物架上。其中预沉池1在上层，吸附过滤池3、清水池4与自来水池6在中层，营养液调配池5则在下层。
所述的预沉池1包括预沉池主体、1号筛网8、1号传感器组9与滤网式进水管口10，
所述的预沉池主体型式上选择占地小、排泥方便、处理水量较小的竖流式沉淀池，为圆筒形壳体式结构件，预沉池主体的筒壁下端设置有出水口；预沉池1放置在载物架上层。预沉池1内主要通过自然沉降作用分离比重大于水的悬浮物，降低悬浮物浓度；预沉池的出水流向吸附过滤池3或清水池4。
所述的1号筛网8与滤网式进水管口10用于截留不慎落入雨水中的粗大颗粒物与漂浮物，材质选用工作性能良好、防腐、防蚀性能较好的不锈钢丝焊接筛网；粗大颗粒物尺寸一般为0.1或1mm以上，故1号筛网8选用1.00mm筛孔、18目的不锈钢筛网；滤网式进水管口10的过滤网选用0.090mm筛孔、170目的不锈钢丝焊接筛网；1号筛网8安装在预沉池1中靠近池体上部1/4位置处，1号筛网8与预沉池1通过销连接进行固定；滤网式进水管口10安装在通向下一级池体的管道入口处，与管道连接方式为螺纹连接。1号筛网8和滤网式进水管口10为不锈钢制标准件，符合gb6003.1-1997标准，二者为可拆卸式的，工作时安装在预沉池1中，需要清洗时拆卸下来即可。
所述的1号传感器组9由ec传感器与浊度传感器组成，用于检测处理后雨水的水质。ec传感器选用dsj-1c型铂黑电极，它可以有效防止在较高电导溶液中测定时的极化现象，被广泛用于测定液体电导率，适用于纯水、高电导率电介质溶液(如酸、碱、工业废水、海水等)及常规水体等电导率的精确测量。它的工作原理是当水中电导率发生变化时，电导电极的电阻值便会发生变化，继而导致电极输出端电压发生变化，根据输出电压信号便可得知水中ec状况。
所述的浊度传感器选用arduino水质浊度传感器，它被用于河流、污水等污浊程度的测量，也被用于澄清池检测和水质研究等。它的工作原理是利用光学原理，通过测量溶液中的透光率和散射率，输出与浊度对应的电压值，根据电压信号，达到检测水质浊度的目的。ec传感器与浊度传感器通过导线与模式选择判别器2相接，1号传感器组9放置在预沉池1通向下一级池体的管口附近，用于检测处理后雨水的ec与浊度值。
所述的模式选择判别器2是一个判别装置，可以根据与之相接的1号传感器组9检测的ec和浊度值将检测值通过显示屏显示出来，并据此选择预沉池1出水的流向，水质达标则直接排入清水池4，否则排入吸附过滤池3进行处理。
所述的吸附过滤池3包括吸附过滤池主体、多层滤料11与2号筛网12；
所述的吸附过滤池主体为立式长方体形的壳体式结构件，吸附过滤池主体的顶端设置有进出水口，吸附过滤池主体的池壁的上端与底端分别设置有1个进出水口；吸附过滤池3放置在载物架中层，出水排入清水池4中。
所述的吸附过滤池3主要利用多层滤料11的吸附和过滤的物理作用对雨水进行处理，可以去除水中溶解性的有机物质，此外还能除去微生物、病毒和微量重金属，除掉雨水的色度、浊度等；多层滤料11选用颗粒活性炭、石英砂、陶粒等滤料，滤料层的排列规则为：按粒径与密度依次排列，相对密度较小、粒径较大的滤料层在上，相对密度较大、粒径较小的滤料层在下。运行时，雨水先通过粗粒径滤料层，之后再通过细粒径滤料层，可以增加滤料层截污容量，延长过滤周期。
所述的2号筛网12为不锈钢丝焊接筛网，为标准件，符合gb6003.1-1997标准。筛孔尺寸根据最下层滤料粒径而定，使最小粒径的滤料无法通过即可，筛网对滤料起承托作用，还可减少滤料的流失。2号筛网12设计为可拆卸式的，与吸附过滤池主体通过销连接安装在吸附过滤池3中下部，其上按多层滤料11的放置规则放置滤料层。
所述的清水池4包括清水池主体、2号传感器组7、水位计w1与开关阀s5，
所述的清水池主体为双层空间式长方体形的空心结构件，放置在载物架中层。清水池4的池内空间分为a室与b室两部分，a室为判别室，b室为储水室，两室空间通过中央有孔的隔板隔开，通过开关阀s5控制雨水从a室到b室的流通。清水池4出水排入营养液调配池5中。
所述的清水池4的a室内配置有2号传感器组7，2号传感器组7由ec传感器与浊度传感器组成，传感器型号与1号传感器组9所选传感器相同，2号传感器组7放置于隔板上，用于检测a室内雨水的ec与浊度值。a室根据2号传感器组7测得的ec与浊度值判别雨水水质是否达标，达标则打开开关阀s5，雨水排入b室中，否则排入吸附过滤池3进行再处理。b室暂存处理后的雨水与营养液调配池5通过管道相连接，为其供给水源，b室配置的水位计w1用于检测水位，并实现低水位预警功能。
所述的营养液调配池5包括营养液调配池主体、3号传感器组14、控制中心13、酸液罐15、碱液罐16与浓缩营养液罐17及电磁阀。
所述的营养液调配池主体为长方体形的空心结构体件，放置在载物架下层。营养液调配池主体内放置根据无土栽培需要配制的所需浓度的营养液，出水可通过泵输送至无土栽培装置，为植物提供营养与水分。营养液调配池5的水源由清水池4与自来水池6供给，运行时优先使用清水池4内储存的雨水，不足时营养液调配池5所需剩余水由自来水池供应。
所述的3号传感器组14包括ph传感器与ec传感器，用于实时监测营养液组分变化；ph传感器选用e-201-c型复合ph玻璃电极，它具有较高的测量准确性和稳定性，被广泛应用于需检测ph的各个领域中。它的工作原理是采用电位法测量溶液的ph，通过测量电极使化学能转为电能，输出电压值，此值与所测溶液中的h+浓度有关，继而可得出溶液ph值。ec传感器与1号传感器组9及2号传感器组7中所选ec传感器相同，选用dsj-1c型铂黑电极；3号传感器组14放置在营养液调配池5底部。
所述的控制中心13为小型长方体形结构体，包括显示部分与控制部分，放置在载物架下层。控制中心13通过导线与3号传感器组14相连，显示部分可以通过显示屏显示3号传感器组14测得的营养液ph与ec值，为控制部分输出控制信号提供依据。
所述的控制中心13的控制部分，通过导线与开关阀s2—开关阀s7及控制酸液罐15、碱液罐16与浓缩营养液罐17内液体流出的电磁阀相连。控制部分通过plc(可编程逻辑控制器)内存储的控制指令输出控制信号便可以控制开关阀s2—开关阀s7的启闭及酸液罐15、碱液罐16与浓缩营养液罐17等罐内液体的流出。控制部分通过3号传感器组14的检测值，可以控制与其相连的电磁阀及开关阀的启闭，向营养液调配池5内注入酸液、碱液、浓缩营养液及水等，实现对池内营养液ph与ec的自动调控，使营养液的ph与ec值保持在控制范围内。
所述的酸液罐15、碱液罐16与浓缩营养液罐17皆为圆柱体形空心结构体，分别内装用于调节营养液调配池5内营养液ph及ec的hcl、naoh和浓缩营养液溶液，罐壁底部设置有出水口，用于与电磁阀一端相接的橡胶管道相连，罐内液体的流出由相连的电磁阀控制，当营养液调配池5内ph或ec变化时，控制中心13通过控制电磁阀的开闭向池内注入相应液体，自动调节池内组分变化。
所述的电磁阀选用jyz-3e型两位两通常闭式电池阀，其工作温度可以适应低温、常温、高温，适用于水、蒸汽及空气等的进出和排气。电磁阀两端以内螺纹形式与管道相连，通过导线与控制中心13连接，可以接受控制中心13输出的控制信号，通过电磁阀的开闭实现酸液罐15、碱液罐16与浓缩营养液罐17内液体的流出控制。
所述的自来水池6包括自来水池主体、水位计w2，自来水池主体为长方体形的空心结构件，放置在载物架中层。自来水池6内置水位计w2，池内装自来水，与营养液调配池5相通，用于雨水不足时的水量补给，水位计w2用于池内水位监测，低水位时预警，提醒工作人员补充自来水。自来水池6出水流向营养液调配池5。
所述的开关阀s1—开关阀s8，选择dn40型电动球阀，阀体使用黄铜材质铸造而成，耐压耐磨损，使用安全；开关阀驱动器与阀体是分离的，可实现快速组装拆卸，驱动方式为电子驱动，方便快捷。开关阀阀球材质为不锈钢，适用于冷水、热水的进水、排水。开关阀与管道的连接方式为螺纹连接，驱动器通过导线与控制中心13相接，由控制中心13控制相应通道的启闭。其中s1为手动控制，s2—s8为电动控制，电磁阀根据收到的控制信号实现相应通道的启闭。
所述的开关阀s1—s8初始状态皆为关闭状态，开关阀s1位于预沉池1之后，池内雨水预沉2～3天后手动开启；开关阀s2位于模式选择判别器2与吸附过滤池3之间，1号传感器组9所测预沉后雨水的ec与浊度值不达标时开启，否则关闭；开关阀s3位于模式选择判别器2与清水池4之间，1号传感器组9所测预沉后雨水的ec与浊度值达标时开启，否则关闭；开关阀s4位于吸附过滤池3与清水池4之间，雨水处理后，s4开启，否则关闭；开关阀s5位于清水池4的a室与b室之间，2号传感器组7所测处理后雨水的ec与浊度值达标时开启，否则关闭；开关阀s6位于吸附过滤池3与清水池4之间，2号传感器组7所测处理后雨水的ec与浊度值不达标时开启，否则关闭；开关阀s7位于清水池4与营养液调配池5之间，营养液调配池5内营养液ec值过高需水时开启，否则关闭；开关阀s8位于自来水池6与营养液调配池5之间，营养液调配池5内营养液ec值过高需水且清水池4内水量不足时开启，否则关闭。
所述的水位计w1与w2，选择djl－y25型非接触式液位感应器，感应器探头安装于被测容器外壁的上下方，对应于液位的高位与低位，安装简易，可实现对高压密闭容器内的各种有毒物质、强酸、强碱及各种液体的液位的检测，不受水垢或其他杂物等的影响。液位感应器对液体介质和容器的材质无特殊要求，输出方式为电压，适合连接各种电路及产品，应用领域广泛。其工作原理为：感应器利用水的感应电容来检测是否有液体存在，在没有液体接近感应器时，感应器上由于分布电容的存在，对地存在一定的静态电容，当液面慢慢升高接近感应器时，液体的寄生电容将耦合到这个静态电容上，使感应器的最终电容值变大，该变化的电容信号再输入到控制电路进行信号转换，将变化的电容量转换成某种电信号的变化量输出。水位计通过导线与控制中心13相连接，向其反馈所在池体的水位值，并在低水位时实现预警功能。水位计w1位于清水池4的b室内，w2位于自来水池6内，水位计始终处于工作状态，向控制中心13反馈所在池体的水位值，并实现低位预警。
一种雨水补给型无土栽培的水源供给装置的工作原理：
所述的雨水补给型无土栽培的水源供给装置运行时，所收集的降雨历程中后期雨水首先进入预沉池1，预沉池1内1号筛网8会截留尺寸大于筛孔的杂质，雨水预沉2～3天，通过自由沉降分离比重大于水的悬浮物，通向下一级的滤网式进水管口10也可以起到截留杂质的作用，池内由ec与浊度传感器组成的1号传感器组9对雨水水质进行实时监测，并通过模式选择判别器2显示出来；
预沉结束后，手动打开开关阀s1，模式选择判别器2根据测得的ec及浊度值判别预沉池1出水的下一步去向。根据相关资料，无土栽培营养液对水源水质要求为：ec：0.2～0.4ms/cm以下；悬浮物ss≤10mg/l。对于某一特定的水源，其悬浮物浓度ss与浊度有着直接的关系，故可以根据浊度值反映悬浮物浓度ss；若指标超出允许值上限，则打开开关阀s2，关闭开关阀s3，雨水排入吸附过滤池3进行处理，否则打开开关阀s3，关闭开关阀s2，直接排入清水池4的a室，详细判别流程参阅附图2；流入吸附过滤池3的水经过多层滤料的吸附与过滤作用后，ec与浊度值会明显降低，然后打开开关阀s4，处理后的雨水排入清水池4的a室；清水池4内a室的2号传感器组7根据测得的ec和浊度值判断指标是否降低，若是再判断雨水处理是否达标，若是则打开开关阀s5，排入b室，若不达标，则关闭开关阀s5，打开开关阀s6，排入吸附过滤池3，继续进行吸附过滤，处理后再继续排入清水池4的a室，继续判别；若2号传感器组7测得的ec和浊度值没有降低，则需对吸附过滤池3中的多层滤料11进行更换或清洗，详细判别流程参阅附图3。清水池4内b室配有水位计w1，可对水位进行实时监测；营养液调配池5中存放着根据栽培需要配制的所需浓度的营养液，内置的由ph、ec传感器组成的3号传感器组14，根据测得的营养液指标变化，通过控制中心13控制与其通过导线相连接的开关阀s7、开关阀s8及控制酸液罐15、碱液罐16与浓缩营养液罐17等罐内液体流出的电磁阀，通过调节营养液调配池5内营养液的ph与ec对其组分进行自动调控。据相关资料，无土栽培对营养液ph及ec的要求一般为：ph：5.5～6.5；ec：2.0～3.0ms/cm。营养液调配池5内ec值过高需水时先打开开关阀s7，由清水池4内雨水供应，不足时由自来水池6进行补给，营养液调配池5的详细运行流程参阅附图4；营养液调配池5出水经泵提升至无土栽培装置，提供植物所需的营养与水；自来水池6内装有自来水，需水时打开开关阀s8，出水依靠自重流入营养液调配池5内，用于雨水不足时的补给，配置的水位计w2，对池内水位进行实时监测，并实现低水位预警。