申请日2018.03.13
公开(公告)日2018.08.14
IPC分类号E03F5/10
摘要
本发明公布一种截流倍数可调和防止过量雨水进入截污管道的智能截污井，主要包括井体、合流管、排放管、流槽、污水室、污水管、截污口、活门、电机、减速器、转轴。截污井通过降雨传感器、超声波传感器和水质传感器探测合流管的水位和流量，控制单元发出指令控制电机带动活门的开启和关闭，控制污水截留和雨污合流水排放，排放状态下没有雨污合流水进入污水管，克服了现有技术截污井雨天截污管内仍有大量合流水排至污水厂的缺陷。监控中心可通过互联网对合流管的水质水量在线监测。截污井的截流倍数可根据环境保护要求和污水量变化，监控中心远程调整截污井的截留倍数，克服了现有技术的截污井截流倍数固定的缺陷。
权利要求书
1.一种截流倍数可调防止过量雨水进入污水管的智能截污井，主要包括井体(1)、合流管(2)、排放管(3)、流槽(4)、污水室(5)、污水管(6)、截污口(7)组成的截污井的构造部分，其特征是：所述的截污井还包括活门(8)、电机(9)、减速器(10)、转轴(11)组成的机械驱动装置，还包括超声波传感器(12)、水质传感器(13)、降雨传感器(14)、控制单元(15)、传输单元(16)、电源(17)组成的控制及检测传输部分;在截污井内合流管(2)与排放管(3)之间为流槽(4)，在靠近排放管(3)的一侧为污水室(5)，污水管(6)与污水室(5)连接;流槽(4)的底部与污水室(5)之间设有截污口(7)，截污口(7)上安装有活门(8)，活门(8)常态下处于开启状态，合流管(2)的污水通过截污口(7)流入污水室(5)，再通过污水管(6)排至污水处理厂;降雨开始时，降雨传感器(14)感知降雨，超声波传感器(12)对合流管(2)初始状态的污水流量和水深测定，水质传感器(13)测定初始状态水质，随着降雨增大，合流管(2)的雨污合流水位不断升高，超声波传感器(12)探测的水深、流量与初始状态比较，到达设定的截留倍数时，控制单元(15)对水质传感器(13)探测的水质与初始状态比较，水质浓度下降，控制单元(15)向电机(9)发出指令，电机(9)经过减速器(10)减速，通过转轴(11)带动活门(8)关闭截污口(7)，合流管(2)的雨污合流水通过排放管(3)排入水体;降雨结束后，合流管(2)的水位下降，超声波传感器(12)探测的水深、流量减小，低于截留倍数时，水质传感器(13)探测的水质浓度升高，控制单元(15)向电机(9)发出指令，电机(9)经过减速器(10)减速，通过转轴(11)带动活门(8)开启截污口(7)，污水 通过截污口(7)流入污水室(5)，再通过污水管(6)排至污水处理厂。
2.根据权利要求1所述的截流倍数可调防止过量雨水进入污水管的智能截污井，其特征是：所述的合流管(2)、排放管(3)、流槽(4)形成雨污合流水排放的通道，位于截污井的一侧，流槽(4)是上部开口的呈“U”形的构造，流槽(4)靠近井内壁(21)一侧的侧壁与井内壁(21)重合，流槽(4)的另一侧的侧壁顶高于合流管(2)和排放管(3)的管内顶，截污井内设有工作台(24)和驱动仓(25)，驱动仓(25)的上盖顶面与工作台(24)同高，驱动仓(25)与污水室(5)之间设有隔板(26)，防止污水溅到工作台(24)和驱动仓(25)。
3.根据权利要求1或2所述的截流倍数可调防止过量雨水进入污水管的智能截污井，其特征是：所述的流槽(4)的顶部设置一个横梁(27)，用于安装超声波传感器(12)，流槽(4)靠近工作台(24)的一侧设置有水样孔(28)，水样孔(28)内安装水质传感器(13)，水样孔(28)采用连通槽(29)开口锐角朝向水流方向下游与流槽(4)联通。
4.根据权利要求1所述的截流倍数可调防止过量雨水进入污水管的智能截污井，其特征是：所述的超声波传感器(12)为多普勒型超声波传感器，可以通过控制单元(15)控制转换探测水深和流量，所述的水质传感器(13)至少包括pH、溶解氧、氨氮三个参数，超声波传感器(12)探测的水深、流量和水质传感器(13)将探测的水质数据，经过控制单元(15)的处理，传输单元(16)通过互联网传送至监控中心。
5.根据权利要求1所述的截流倍数可调防止过量雨水进入污水管的智能截污井，其特征是：所述的超声波传感器(12)探测的流量，是通过探测水流速度v和水深h计算的，流量Q根据有效过流面积A和流速v计算，Q=Av，根据水深h和管径D计算管道的充满度h/D，水位与管道中心的圆心角2α由反余弦公式计算：Arccosα= ，有效过流面积A由下式计算，A=。
6.根据权利要求1所述的截流倍数可调防止过量雨水进入污水管的智能截污井，其特征是：所述的活门(8)的启闭状态通过控制单元(15)、传输单元(16)通过互联网传送至监控中心，监控中心可以通过互联网传输单元(16)向控制单元(15)发出指令，调整截留倍数。
7.根据权利要求1所述的塑料混凝土混合结构智能截污井，其特征是：所述的电源(17)包括太阳能电池板和锂电池。
说明书
截流倍数可调防止过量雨水进入污水管的智能截污井
技术领域
本发明涉及一种截流倍数可调防止过量雨水进入截污管道的智能截污井，属于排水工程领域，特别涉及雨污合流管道的污水截留构筑物。
背景技术
城市排水体制分为分流制和合流制。分流制是雨水和污水分别采用两个独立的系统进行排放，雨水排入河流等水体，污水通过管道收集排入污水厂处理后再排入水体。合流制是雨水和污水采用一个系统收集，在排入水体前进行污水截流，污水通过截污管排至污水厂处理，雨天雨水和污水合流，超出截污管设计截污量的流量直接排入水体，合流管的造价相对较低。许多城市在建设初期由于人口、资金等问题采用合流制的排水体制，有的甚至不进行污水截流直接排入水体。建设初期由于人口少，对水体的污染不太严重，也未得到重视。随着经济的发展，大量的污水直接排入水体造成污染，人们又重新回过头来进行环境治理。无论是初期建设就设置了截污管的合流制排水系统，还是后期环境治理新增的截污管道，都涉及一种排水构筑物——污水截流井，也称截污井(以下称截污井)。
现有技术的截污井主要有溢流堰式、跳跃式、闸板式等。溢流堰式截污井属于挡水型，是在截污井中设置溢流堰，平时合流管内只有污水，流量较小，不超过溢流堰的高度，污水被溢流堰阻挡截流至截污管排向污水厂，雨天污水与雨水混合进入截污井，当雨污合流流量增大，水位超过溢流堰的高度时，合流水从溢流堰溢出通过截污井的排放管排入水体，此时截污管内充满了合流水排至污水厂。有些截污管并非直接排至污水厂，而是接至城市污水管汇集再排至污水厂，这样污水处理厂的进水并不只是分流制排水系统的纯污水，还混入了大量的雨污合流水，由于过量的合流水与污水混合进入污水厂，进入污水厂的水质和水量，在晴天和雨天的差别过大，给污水厂运行带来很大困难，同时进水超出了污水厂的处理能力，污水厂只能处理一部分污水，超出处理能力的一般是直接排入水体，对环境造成很大的影响。跳跃式截污井属于水力型，截污井的进水合流管高于截污管和排放管，利用上游合流管水量变化形成的水流曲线变化原理截污，截污管和排放管之间设置堰板，合流管进水量小于设计截流量时，进水跌入截流管，当合流管进水量超过设计截污流量时，进水跳跃越过堰板进入排放管排入水体。跳跃式截污井能将大量的合流水排入水体，但仍有一部分会跌入堰板内流入截污管。跳跃式截污井要求出口排放管低于进口的合流管，进水才能跃越过堰板进入排放管，但在现有合流管上改造增设的截污井，进口的合流管与出口排放管处于同一标高，由于下游管道排入水体标高的限制，无法降低，因而在已有的合流管截污改造工程中，跳跃式截污井的不适应。闸板式截污井属于机械式，雨天通过人工或电动在关闭闸板，合流水不进入截污管而全部排入水体，污水厂没有超量的合流水进入，不会造成处理能力超负荷。但闸板式截污井需要在截污管沿线众多的截污井采用人工控制，操作起来十分不便，在现有技术中仍以溢流堰式和跳跃式截污井居多。
对于截污井的计算主要是合理地确定所采用的截流倍数n0，根据n0决定截污管的设计流量和排放管排入水体的泄流量。从环境保护的角度出发，为使水体少受污染，应采用较大的截流倍数，但从经济上考虑，截流倍数n0过大，会大大增加截污管、提升泵站以及污水厂的造价，同时造成进入污水厂的水质和水量，在晴天和雨天的差别过大，给污水厂运行带来很大困难。为使整个合流管排水系统的造价合理和便于运行管理，不宜采用过大的截流倍数n0。现行版《室外排水设计规范》GB50014-2006规定，截流倍数n0应根据旱流污水的水质、水量、排放水体的环境容量、水文、气候、经济和排水区域大小等因素经计算确定，截流倍数n0宜采用1～5。现有技术的截污井截流倍数n0一般都是固定的，随着人口的增加，经济的发展，污水量会随之增加，合流管中晴天时污水水位较原设计时高，雨天混入雨水后，漫过溢流堰或跳跃堰板的水量不变，向水体排放的雨污水混合水并非原设计的截留倍数水量，截污井的截流倍数n0就会相应降低，即排放的水中污水含量增高，雨水含量降低，不利于环境保护。
发明内容
本发明的目的是：提供一种截流倍数可调防止过量雨水进入截污管道的智能截污井，用于雨污合流管道污水截流。截污井通过降雨传感器、超声波传感器和水质传感器探测合流管的水位和流量，控制单元发出指令控制电机带动活门的开启和关闭，控制污水截留和雨污合流水排放，排放状态下没有雨污合流水进入污水管。还可采用控制单元、传输单元将水质状况通过互联网传送至监控中心对水质水量在线监测，以及监控中心远程调整截污井的截留倍数。有益效果是：晴天合流管里的污水截流至截污管排至污水厂，雨天合流管流量超过设计截污流量时，全部通过排放管排至水体，合流水不会进入截污管排至污水厂，不增加污水厂的负荷。截污井的截流倍数n0可根据环境保护要求和污水量变化调整，克服了现有技术的截污井，截流倍数n0固定，雨天截污管内仍有大量合流水排至污水厂的缺陷。
本发明是通过以下技术实现的：截流倍数可调防止过量雨水进入截污管道的智能截污井，主要包括井体1、合流管2、排放管3、流槽4、污水室5、污水管6、截污口7组成的截污井的构造部分，还包括由活门8、电机9、减速器10、转轴11组成的机械驱动装置，还包括由超声波传感器12、水质传感器13、降雨传感器14、控制单元15、传输单元16、电源17组成的控制及检测传输部分。在截污井内合流管2与排放管3之间为流槽4，在靠近排放管3的一侧为污水室5，污水管6与污水室5连接;流槽4的底部与污水室5之间设有截污口7，截污口7上安装有活门8。
活门8常态下处于开启状态，合流管2的污水通过截污口7流入污水室5，再通过污水管6排至污水处理厂;降雨开始时，降雨传感器14感知降雨，超声波传感器12对合流管2初始状态的污水流量和水深测定，水质传感器13测定初始状态水质，随着降雨增大，合流管2的雨污合流水位不断升高，超声波传感器12探测的水深、流量与初始状态比较，到达设定的截留倍数时，控制单元15对水质传感器13探测的水质与初始状态比较，水质浓度下降，控制单元15向电机9发出指令，电机9经过减速器10减速，通过转轴11带动活门8关闭截污口7，合流管2的雨污合流水通过排放管3排入水体;降雨结束后，合流管2的水位下降，超声波传感器12探测的水深、流量减小，低于截留倍数时，水质传感器13探测的水质浓度升高，控制单元15向电机9发出指令，电机9经过减速器10减速，通过转轴11带动活门8开启截污口7，污水通过截污口7流入污水室5，再通过污水管6排至污水处理厂。
合流管2、排放管3、流槽4形成雨污合流水排放的通道，位于截污井的一侧，流槽4是上部开口的呈“U”形的构造，流槽4靠近井内壁21一侧的侧壁与井内壁21重合，流槽4的另一侧的侧壁顶高于合流管2和排放管3的管内顶，截污井内设有工作台24和驱动仓25，驱动仓25的上盖顶面与工作台24同高，驱动仓25与污水室5之间设有隔板26，防止污水溅到工作台24和驱动仓25。流槽4的顶部设置一个横梁27，用于安装超声波传感器12，流槽4靠近工作台24的一侧设置有水样孔28，水样孔28内安装水质传感器13，水样孔28采用连通槽29开口锐角朝向水流方向下游与流槽4联通。
超声波传感器12为多普勒型超声波传感器，可以通过控制单元15控制转换探测水深和流量，所述的水质传感器13至少包括pH、溶解氧、氨氮三个参数，超声波传感器12探测的水深、流量和水质传感器13将探测的水质数据，经过控制单元15的处理，传输单元16通过互联网传送至监控中心。
超声波传感器(12)探测的流量，是通过探测水流速度v和水深h计算的，流量Q根据有效过流面积A和流速v计算，Q=Av，根据水深h和管径D计算管道的充满度h/D，水位与管道中心的圆心角2α由反余弦公式计算：Arccosα=活门8的启闭状态通过控制单元15、传输单元16通过互联网传送至监控中心，监控中心可以通过互联网传输单元16向控制单元15发出指令，调整截留倍数。
电源17包括太阳能电池板和锂电池。
井体1的内侧为井内壁21，外侧为井外壁22，井内壁21和井外壁22之间设置有内肋板23，内肋板23为间隔设置，内肋板23将井内壁21与井外壁22固定成一个整体，构成用于浇筑井体1的模板，位于井内壁21和井外壁22之间的井体1为混凝土浇筑，井体1内设置有钢筋，钢筋下端伸入基础18，上段伸入盖板19，井体1、井内壁21、井外壁22、基础18、盖板19组成一个由塑料防水井壁，钢筋混凝土为框架承重结构的塑混结构截污井。
合流管2、排放管3、流槽4、井内壁21、井外壁22、内肋板23、工作台24、驱动仓25、隔板26为采用聚乙烯注塑成型一体的塑料构件。
本发明设置在雨污合流管道上，合流管2为上游进水管、排放管3为下游出水管，流槽4位于合流管2和排放管3之间，形成雨污合流水排放的通道，“U”的流槽4底部设置的截污口7，下面为污水室5。晴天时活门8常态下处于开启状态，合流管2的污水通过截污口7流入污水室5，再通过污水管6排至污水处理厂。降雨开始时，安装在露天处降雨传感器14感知降雨，超声波传感器12对合流管2初始状态的污水流量和水深测定，水质传感器13测定初始状态水质。随着降雨增大，合流管2的雨污合流水位不断升高，超声波传感器12探测的水深、流量与初始状态比较，到达设定的截留倍数时，控制单元15对水质传感器13探测的水质与初始状态比较，水质浓度下降，说明雨水与污水混合稀释了污水，控制单元15向电机9发出指令，电机9经过减速器10减速，通过转轴11带动活门8关闭截污口7，合流管2的雨污合流水通过排放管3排入水体。此时截污口7被活门8完全关闭，雨污合流水不会进入污水室5，污水管6内是不混雨水的污水，从而不会增加雨天污水处理厂的处理负担。降雨结束后，合流管2的水位下降，超声波传感器12探测的水深、流量减小，低于截留倍数时，水质传感器13探测的水质浓度升高，控制单元15向电机9发出指令，电机9经过减速器10减速，通过转轴11带动活门8开启截污口7，污水通过截污口7流入污水室5，再通过污水管6排至污水处理厂。如果超声波传感器12探测的水位和流量达到截留倍数时，而水中传感器13检测的水质变化不大，未达到直接排放水体的要求，此时可能恰巧是雨量不大但上游排污量增加(如工厂集中排水)，控制单元15不发出指令关闭活门8，污水仍然通过截污口7截留。
本发明可以远程监测平时污水的水质和水量，截污井的截留倍数，是以降雨初始的污水水位和流量确定截污倍数基点，以设定的截污倍数结合水质监测作为活门8开启和关闭的工况转换点，截留和排放工况真正按照实际的截留倍数转换。活门8的启闭状态通过控制单元15、传输单元16通过互联网传送至监控中心，监控中心可以通过互联网传输单元16向控制单元15发出指令，调整截留倍数，实现截污井的智能管理。