申请日2016.01.11
公开(公告)日2016.06.15
IPC分类号C02F9/14; H02J7/35; H02S10/10; H02S10/12; G05B19/418
摘要
本发明提供了一种高层建筑生活污水绿色净化回用系统及其控制方法。本系统包括：雨水-污水发电单元、风-光互补发电单元、蓄电池组供电单元、污物处理-污水净化单元、净化水回用单元以及控制单元。本系统不仅能充分地利用高层建筑的特点，将风能、太阳能、雨水及生活污水的机械能综合利用起来，而且还将这些绿色能源应用到生活污水净化回用系统中，实现了高层建筑生活污水的净化回用，最大限度的回收、利用了高层建筑的各种能源;其不仅结构简单，便于现有高层建筑的改造安装，还能有效地改善城市环境。
权利要求书
1.一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统包括：雨水-污水发电单元、风-光互补发电单元、蓄电池组供电单元、污物处理-污水净化单元、净化水回用单元以及控制单元;其中，雨水-污水发电单元、风-光互补发电单元输出的电能串联后与蓄电池组供电单元连接，蓄电池组供电单元输出的稳定电能经导线分别供给污物处理-污水净化单元的排污泵、气泵、水泵C，供给净化水回用单元的水泵A、水泵B以及负载;雨水-污水发电单元的雨水水箱通过补水管与净化水回用单元的净水存储箱连接，通过污水箱的排污管、排泄管、发电机A分别与污物处理-污水净化单元的污物池和一次沉淀池连接;污物处理-污水净化单元的净水池通过净化回用单元的净水上水管连接，净水回用单元经自来水供水总管与污物-污水净化单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统，所述的雨水-污水发电单元是由雨水水箱、补水管、总冲洗管、下水冲洗管、下水总管、住户下水管、发电机B、逆变器A、污水箱、排污管、污水箱出水管、发电机A、排泄管组成;雨水水箱有两个入口一个出口，顶端入水口与补水管连接，设有过滤网A的顶端侧壁入口直接接受高层建筑楼顶雨水，且雨水水箱内侧壁安装液位传感器A，底部出水口经电动阀B与总冲洗管连接;总冲洗管上端通过电动阀A与下水冲洗管连接，下水冲洗管连接在下水总管顶端，总冲洗管下端通过电动阀H连接在污水箱顶端;每层住户下水管分别依次连接在下水总管上，下水总管下端依次与发电机B、污水水箱顶端入口连接;污水箱内上部安有过滤筛，下部安装污泥密度传感器B，中部内壁安装液位传感器C，其顶部两个入口分别与总冲洗管下端、发电机B出口连接，污水箱的过滤筛底部出口与排污管连接，相对侧壁上端出口与污水箱出水管连接，污水箱出水管下端连接着发电机A，污水箱底部出口与排泄管连接;发电机A、发电机B输出电能串联后经整流器A输出。
3.根据权利要求1所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统，所述的风-光互补发电单元包括风力发电机、整流器B、太阳能电池板、稳压器;风力发电机输出电能经整流器B变为直流后与太阳能电池板输出电能串联，再与雨水-污水发电单元的整流器A输出电能一起串联后，连接到稳压器上。
4.根据权利要求1所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统，所述的蓄电池组供电单元包括蓄电池组、电压表、逆变器、负载;蓄电池组、电压表、逆变器依次连接后，将电能通过导线给污物处理-污水净化单元的排污泵、气泵、水泵C提供电能，给净化水回用单元的水泵A、水泵B和负载提供电能，同时，电网可通过电动开关B向系统补充电能。
5.根据权利要求1所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统，所述的污物处理-污水净化单元包括排污池、排污泵、污物池、一次沉淀池排污管、一次沉淀池、二次沉淀池进水管、二次沉淀池、气泵、气管、过滤网B、二次沉淀池吸水管、水泵C、二次沉淀池出水管、膜生物反应池、膜生物反应池出水管、净水池、净水池排污管;污物池顶端分别于排污管和排泄管连接，下端一侧通过排污泵与排污池连接、一侧通过一次沉淀池排污管与一次沉淀池连接;一次沉淀池底部安装污泥密度传感器C，上部出口与二次沉淀池进水管连接，顶端入口与发电机A出口连接;二次沉淀池下部安装有污泥密度传感器D，底部排污口通过电动阀K与净水排污管连接，二次沉淀池吸水管通过其中部的过滤网B与水泵C连接，水泵C出口经二次沉淀池出水管与安装在膜生物反应池中部的膜生物反应膜片连接;污泥密度传感器E安装在膜生物反应池底部，且其底部排污口通过电动阀M也被连接在净水排污管上，气泵向安装在二次沉淀池和膜生物反应池底部气管的喷嘴输送高压气体;膜生物反应池出水管连接到净化水箱顶部，净化水箱上部设有精密过滤筛，精密过滤筛上装有污泥密度传感器A并与净水池排污管出口连接，净水排污管末端连接在排污池下部位置，静水池下部安装有液位传感器D，底部出口通过三通分别与净水回用单元的绿化水管和净水上水管连接。
6.根据权利要求1所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统，所述的净化水回用单元包括净水上水管、绿化水管、泵A、泵B、净水存储箱、净水供水总管、净水进户管、自来水供水总管、自来水进户管;净水存储箱上端一侧接口与净水上水管上端口连接，并通过三通、电动阀E与自来水供水总管顶端连接，一侧接口与补水管连接，净水存储箱下端出口与净水供水总管顶端连接，其内安装液位传感器B;净水供水总管侧壁上分别与净水进户管别分连接，泵A、泵B按照高层建筑高度布置在净水上水管上;自来水总管下端与自来水供水总阀连接。
7.根据权利要求1所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统，所述的控制单元包括安装在下水冲洗管入口处的电动阀A、安装在雨水水箱出口处的电动阀B、安装在雨水水箱补水管出口处的电动阀C、安装在净水水箱入口处的电动阀D、安装在自来水供水总管末端的电动阀E、安装在自来水供水总阀出口处的电动阀F、安装在净水池排污管出口处的电动阀G、安装在总冲洗管出口处的电动阀H、安装在排污管出口处的电动阀I、安装在一次沉淀池排污管出口处的电动阀J、安装在二次沉淀池底部出口处的电动阀K和安装在膜生物反应池底部出口处的电动阀M，分别安装在雨水水箱、净水水箱、污水箱、净水池中的液位传感器A、液位传感器B、液位传感器C、液位传感器D，分别安装在污水箱、一次沉淀池、二次沉淀池、膜生物反应池和净水池中的污泥密度传感器B、污泥密度传感器C、污泥密度传感器D、污泥密度传感器E、污泥密度传感器A，连接在逆变器出口处的电动开关A，接入电网的电动开关B，连接负载的电动开关C，向系统供电的电动开关D和控制排污泵关停的电动开关E，以及数据线和控制器。
8.一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统的控制方法包括以下步骤：根据液位传感器A显示的雨水水箱水位位置，确定电动阀A、电动阀B、电动阀C、电动阀D、电动阀E、电动阀H的启闭;根据液位传感器C显示的污水箱水位，控制电动阀B、电动阀H启闭;根据污泥密度传感器B显示的污泥密度，控制电动阀I、电动阀B、电动阀H启闭;根据污泥密度传感器C显示的一次沉淀池底部污泥密度，控制电动阀J的启闭，根据污泥密度传感器D、污泥密度传感器E显示二次沉淀池底部和膜生物反应池底部污泥密度，控制电动阀K、电动阀M开启;根据污泥密度传感器A的显示，控制电动阀G启闭;根据液位传感器D显示的净水池水位，控制电动阀F启闭;根据蓄电池组出口电压表显示，控制电动开关A、电动开关B、电动开关C、电动开关D、电动开关E。
9.根据权利要求8所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统的控制方法，所述液位传感器A显示雨水水箱水位在30%以下时，控制器控制电动阀B关闭，并根据液位传感器B显示的净水存储箱水位情况确定电动阀C、电动阀D和电动阀E的启闭，若净水存储箱水位在80%以上，控制器控制电动阀C、电动阀D开启，控制电动阀E关闭，当液位传感器B显示净水存储箱水位低于50%时，电动阀C关闭，电动阀D、电动阀E开启，直到净水存储箱水位恢复到80%时，电动阀E关闭;当液位传感器A显示雨水水箱水位在30%-80%之间时，控制器控制电动阀B、电动阀C关闭，并根据需要适时开启电动阀B、电动阀A、电动阀H的启闭;当液位传感器A显示雨水水箱水位在80%以上时，控制器控制电动阀B、电动阀A、电动阀H开启，直到水位恢复80%时关闭。
10.根据权利要求8所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统的控制方法，所述液位传感器C显示污水箱水位在30%以下，控制器控制电动阀B、电动阀H开启，保证污水箱水位恢复到30%的水位。
11.根据权利要求8所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统的控制方法，所述污泥密度传感器B显示污泥密度达到2000kg/m3时，控制器控制电动阀I打开，否则关闭;若液位传感器B显示污水箱水位保持1小时不变时，控制器直接控制电动阀B、电动阀H打开，并保持2分钟后，关闭电动阀B、电动阀H。
12.根据权利要求8所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统的控制方法，所述污泥密度传感器C显示一次沉淀池底部污泥密度达到1500kg/m3，控制器控制电动阀J开启;当污泥密度传感器D、污泥密度传感器E显示二次沉淀池底部和膜生物反应池底部污泥密度达到1200kg/m3，控制器控制电动阀K、电动阀M开启;当污泥密度传感器A显示1100kg/m3时，控制器控制电动阀G开启。
13.根据权利要求8所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统的控制方法，所述液位传感器D显示净水池水位低于50%时，控制器控制电动阀F关闭，否则，电动阀F根据需要启闭。
14.根据权利要求8所述的一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统的控制方法，所述蓄电池组出口电压表显示蓄电池组电量高于40%时，控制器控制电动开关D接通，并依据需要控制电动开关C、电动开关E接通或断开;当蓄电池组出口电压表显示蓄电池组电量低于其额定电量25%时，控制器控制电动开关A断开，控制电动开关B、电动开关D接通，直到蓄电池组电量高于80%后，断开电动开关B。
说明书
一种高层建筑生活污水绿色净化回用系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及高层建筑生活污水的绿色净化回用系统，尤其涉及一种高层建筑生活污水绿色净化回用系统及其控制方法，属于7～10层以上的高层建筑绿色节能技术以及生活污水的处理领域。
背景技术
我国谈水资源短缺，人均淡水资源量仅为世界平均水平的25%。近年来，随着城市化进程的不断推进以及人们生活水平的提高，有效改善城市用地率的高层建筑已成为城市建筑的主体，城市规模也越来越大，人口密度也不断增加，从而也导致了城市淡水需求量的急剧加大、水污染的日趋严重。这进一步的加剧了水资源短缺问题，而且严重的影响着我国可持续发展战略，威胁着城市居民饮水安全和身体健康。目前我国城市污水处理率只有6.7%，而且大都没有净化回用。因此，城市污水净化尤其高层建筑的生活污水净化回用，不仅是对城市可持续发展具有重要的经济效益和社会效益，也是有效解决城市用水矛盾的根本措施。
充分利用城市高层建筑自身特点，综合利用高层建筑上的风、光、水等绿色能源，并将其用于高层建筑生活污水的处理、净化过程中，以替代所需的主要水源，实现高层建筑生活污水绿色净化回用目的，达到高层建筑主要用水的绿色节能自循环供给方式，不仅可以极大的节约和利用淡水资源，减轻城市水环境的污染、排水管道超负荷等问题，同时，也可以有效地降低城市电力需求和高层建筑的电力能耗，改善城市环境质量。
经查阅资料，已有高层建筑生活污水处理回用文献，例如中国专利公开号为CN102373735A、名称为“一种高层建筑中水势能回收与水体回用集成系统”的公开系统，包括了控制单元、第一储水模块和第二储水模块，该专利综合利用了高层建筑楼顶雨水和生活污水势能进行发电，实现了对高层建筑中水势能的回收发电，并通过膜分离工艺对污水进行了处理，实现了对建筑物中水的回收利用，具有节能环保的效果，但该系统没有考虑高层楼顶风能、太阳能的利用，也没有考虑污水发电时管路堵塞以及污物的处理问题。中国专利公开号为CN104831983A、名称为“一种新型绿色智能建筑系统”所公开的系统，包括智能控制模块、遥控按键器、绿色模块，该专利实现了利用风能和太阳能对污水处理和再利用，但该系统并没有充分利用建筑本身污水的机械能发电，而且高层建筑外墙不适合增加植物层方法。
总体来看，当前已公开的相关技术存在以下问题：
1、虽然考虑了高层建筑生活污水的净化处理回用，但仅仅利用了高层建筑的部分绿色能源，并没有充分综合的利用全部绿色能源，且净化回用水没能实现自循环供给方式。
2、大都没有考虑污水排放管道的清洗问题，虽然也有采用楼顶雨水作为补充水源，但并没有将相对清洁的雨水作为污水管路冲洗水源，同时少有采用两级下水发电方式，二两级下水发电充分的利用了高层污水的机械能，并能改善下水发电的发电不稳定行性问题。
3、虽然对高层建筑生活污水进行了净化回用，但并没对分离出的有机肥量回收利用，污物直接排放至城市排水管网，并没有实质减缓城市污水对环境的污染问题。
发明内容
为了克服现有高层建筑生活污水净化回用系统存在的问题，本发明提供了一种高层建筑生活污水绿色净化回用系统及其控制方法。本系统不仅能充分地利用高层建筑的特点，将风能、太阳能、雨水及生活污水的机械能综合利用起来，而且还将这些绿色能源应用到生活污水净化回用系统中，实现了高层建筑生活污水的净化回用，最大限度的回收、利用了高层建筑的各种能源。本发明专利不仅结构简单，便于现有高层建筑的改造安装，还能有效地改善城市环境。
为实现上述目的，本发明一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统采用的技术方案包括：雨水-污水发电单元、风-光互补发电单元、蓄电池组供电单元、污物处理-污水净化单元、净化水回用单元以及控制单元。其中，雨水-污水发电单元、风-光互补发电单元输出的电能串联后与蓄电池组供电单元连接，蓄电池组供电单元输出的稳定电能经导线分别供给污物处理-污水净化单元的排污泵、气泵、水泵C，供给净化水回用单元的水泵A、水泵B以及负载;雨水-污水发电单元的雨水水箱通过补水管与净化水回用单元的净水存储箱连接，通过污水箱的排污管、排泄管、发电机A分别与污物处理-污水净化单元的污物池和一次沉淀池连接;污物处理-污水净化单元的净水池通过净化回用单元的净水上水管连接，净水回用单元经自来水供水总管与污物-污水净化单元连接。
所述的雨水-污水发电单元是由雨水水箱、补水管、总冲洗管、下水冲洗管、下水总管、住户下水管、发电机B、逆变器A、污水箱、排污管、污水箱出水管、发电机A、排泄管组成。雨水水箱有两个入口一个出口，顶端入水口与补水管连接，设有过滤网A的顶端侧壁入口直接接受高层建筑楼顶雨水，且雨水水箱内侧壁安装液位传感器A，底部出水口经电动阀B与总冲洗管连接;总冲洗管上端通过电动阀A与下水冲洗管连接，下水冲洗管连接在下水总管顶端，总冲洗管下端通过电动阀H连接在污水箱顶端;每层住户下水管分别依次连接在下水总管上，下水总管下端依次与发电机B、污水水箱顶端入口连接;污水箱内上部安有过滤筛，下部安装污泥密度传感器B，中部内壁安装液位传感器C，其顶部两个入口分别与总冲洗管下端、发电机B出口连接，污水箱的过滤筛底部出口与排污管连接，相对侧壁上端出口与污水箱出水管连接，污水箱出水管下端连接着发电机A，污水箱底部出口与排泄管连接;发电机A、发电机B输出电能串联后经整流器A输出。
所述风-光互补发电单元是由风力发电机、整流器B、太阳能电池板、稳压器组成。风力发电机输出电能经整流器B变为直流后与太阳能电池板输出电能串联，再与雨水-污水发电单元的整流器A输出电能一起串联后，连接到稳压器上。
所述蓄电池组供电单元是由蓄电池组、电压表、逆变器、负载组成。蓄电池组、电压表、逆变器依次连接后，将电能通过导线给污物处理-污水净化单元的排污泵、气泵、水泵C提供电能，给净化水回用单元的水泵A、水泵B和负载提供电能，同时，电网可通过电动开关B向系统补充电能。
所述污物处理-污水净化单元是由排污池、排污泵、污物池、一次沉淀池排污管、一次沉淀池、二次沉淀池进水管、二次沉淀池、气泵、气管、过滤网B、二次沉淀池吸水管、水泵C、二次沉淀池出水管、膜生物反应池、膜生物反应池出水管、净水池、净水池排污管等组成。污物池顶端分别于排污管和排泄管连接，下端一侧通过排污泵与排污池连接、一侧通过一次沉淀池排污管与一次沉淀池连接;一次沉淀池底部安装污泥密度传感器C，上部出口与二次沉淀池进水管连接，顶端入口与发电机A出口连接;二次沉淀池下部安装有污泥密度传感器D，底部排污口通过电动阀K与净水排污管连接，二次沉淀池吸水管通过其中部的过滤网B与水泵C连接，水泵C出口经二次沉淀池出水管与安装在膜生物反应池中部的膜生物反应膜片连接;污泥密度传感器E安装在膜生物反应池底部，且其底部排污口通过电动阀M也被连接在净水排污管上，气泵向安装在二次沉淀池和膜生物反应池底部气管的喷嘴输送高压气体;膜生物反应池出水管连接到净化水箱顶部，净化水箱上部设有精密过滤筛，精密过滤筛上装有污泥密度传感器A并与净水池排污管出口连接，净水排污管末端连接在排污池下部位置，静水池下部安装有液位传感器D，底部出口通过三通分别与净水回用单元的绿化水管和净水上水管连接。
所述净化水回用单元包括：净水上水管、绿化水管、泵A、泵B、净水存储箱、净水供水总管、净水进户管、自来水供水总管、自来水进户管组成。净水存储箱上端一侧接口与净水上水管上端口连接，并通过三通、电动阀E与自来水供水总管顶端连接，一侧接口与补水管连接，净水存储箱下端出口与净水供水总管顶端连接，其内安装液位传感器B;净水供水总管侧壁上分别与净水进户管别分连接，泵A、泵B按照高层建筑高度布置在净水上水管上;自来水总管下端与自来水供水总阀连接。
所述控制单元包括：安装在下水冲洗管入口处的电动阀A，安装在雨水水箱出口处的电动阀B、安装在雨水水箱补水管出口处的电动阀C、安装在净水水箱入口处的电动阀D、安装在自来水供水总管末端的电动阀E、安装在自来水供水总阀出口处的电动阀F、安装在净水池排污管出口处的电动阀G、安装在总冲洗管出口处的电动阀H、安装在排污管出口处的电动阀I、安装在一次沉淀池排污管出口处的电动阀J、安装在二次沉淀池底部出口处的电动阀K和安装在膜生物反应池底部出口处的电动阀M，分别安装在雨水水箱、净水水箱、污水箱、净水池中的液位传感器A、液位传感器B、液位传感器C、液位传感器D，分别安装在污水箱、一次沉淀池、二次沉淀池、膜生物反应池和净水池中的污泥密度传感器B、污泥密度传感器C、污泥密度传感器D、污泥密度传感器E、污泥密度传感器A，连接在逆变器出口处的电动开关A，接入电网的电动开关B，连接负载的电动开关C，向系统供电的电动开关D和控制排污泵关停的电动开关E，以及数据线和控制器。控制器根据本发明中所有涉及的各种传感器输送信号，控制系统各个可控阀和可控开关的启闭。
本发明一种高层建筑生活污水的绿色净化回用系统的控制方法采用的技术方案是具有如下步骤：根据液位传感器A显示的雨水水箱水位位置，确定电动阀A、电动阀B、电动阀C、电动阀D、电动阀E、电动阀H的启闭;根据液位传感器C显示的污水箱水位，控制电动阀B、电动阀H启闭;根据污泥密度传感器B显示的污泥密度，控制电动阀I、电动阀B、电动阀H启闭;根据污泥密度传感器C显示的一次沉淀池底部污泥密度，控制电动阀J的启闭，根据污泥密度传感器D、污泥密度传感器E显示二次沉淀池底部和膜生物反应池底部污泥密度，控制电动阀K、电动阀M开启;根据污泥密度传感器A的显示，控制电动阀G启闭;根据液位传感器D显示的净水池水位，控制电动阀F启闭;根据蓄电池组出口电压表显示，控制电动开关A、电动开关B、电动开关C、电动开关D、电动开关E。
当液位传感器A显示雨水水箱水位在30%以下时，控制器控制电动阀B关闭，并根据液位传感器B显示的净水存储箱水位情况确定电动阀C、电动阀D和电动阀E的启闭，若净水存储箱水位在80%以上，控制器控制电动阀C、电动阀D开启，控制电动阀E关闭，当液位传感器B显示净水存储箱水位低于50%时，电动阀C关闭，电动阀D、电动阀E开启，直到净水存储箱水位恢复到80%时，电动阀E关闭。
当液位传感器A显示雨水水箱水位在30%-80%之间时，控制器控制电动阀B、电动阀C关闭，并根据需要适时开启电动阀B、电动阀A、电动阀H的启闭。当液位传感器A显示雨水水箱水位在80%以上时，控制器控制电动阀B、电动阀A、电动阀H开启，直到水位恢复80%时关闭。
当液位传感器C显示污水箱水位在30%以下，控制器控制电动阀B、电动阀H开启，保证污水箱水位恢复到30%的水位。当污泥密度传感器B显示污泥密度达到2000kg/m3时，控制器控制电动阀I打开，否则关闭;若液位传感器B显示污水箱水位保持1小时不变时，控制器直接控制电动阀B、电动阀H打开，并保持2分钟后，关闭电动阀B、电动阀H。
当污泥密度传感器C显示一次沉淀池底部污泥密度达到1500kg/m3，控制器控制电动阀J开启;当污泥密度传感器D、污泥密度传感器E显示二次沉淀池底部和膜生物反应池底部污泥密度达到1200kg/m3，控制器控制电动阀K、电动阀M开启;当污泥密度传感器A显示1100kg/m3时，控制器控制电动阀G开启。
当液位传感器D显示净水池水位低于50%时，控制器控制电动阀F关闭，否则，电动阀F根据需要启闭。
当蓄电池组出口电压表显示蓄电池组电量高于40%时，控制器控制电动开关D接通，并依据需要控制电动开关C、电动开关E接通或断开;当蓄电池组出口电压表显示蓄电池组电量低于其额定电量25%时，控制器控制电动开关A断开，控制电动开关B、电动开关D接通，直到蓄电池组电量高于80%后，断开电动开关B。
本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：
1)采用的高层建筑生活污水两级发电方式能多次重复利用生活污水的机械能，其污水箱发电方式，不仅能解决高层建筑下水发电部稳定性问题，且在生活污水净化回用系统中具有初级过滤的作用，有效地收集利用了能源和合理的处理了有机肥料，极大的减轻了后续污水净化处理的工作量。
2)利用了高层建筑楼顶雨水资源，实现了高层建筑生活污水和雨水联合发电和水管道的清洗任务，不仅扩大了高层建筑回用水水源量，而且更为充分的利用了城市淡水资源，还极大的改善了生活环境。
3)充分利用高层建筑的风能、太阳能绿色能源可以有效的解决各种能源的随机性、不连续性以及不确定性问题，将各种“劣质”能源转为稳定的“优质”能源，基本上能实现系统能量的自供应，从而有效地降低了高层建筑的运行能耗。
4)采用简单的电动阀门、电动开关对系统进行控制，结构简单、成本低、运行可靠。采用一次、二次沉淀池方式，有效地延长了膜生物反应膜片的使用寿命、降低了运行成本。
