一种结合净化与产能的绿色屋顶耦合系统

本发明涉及绿色屋顶,具体涉及一种结合净化与产能的绿色屋顶耦合系统。

背景技术：

1、随着城市化的不断发展，不透水层大量增加，降雨之后容易形成大量的地面径流，给城市的排水工程带来巨大压力，城市内涝越来越频繁，绿色屋顶是构建海绵城市，解决地面径流，缓解城市内涝的有效方式，屋顶绿化在国内外建筑中受到广泛关注。减少污染的一种方法是使用绿色屋顶，使用植物和基质以降解或过滤污染。因此，绿色屋顶被认为能够改善径流质量。它们可能是污染物源或汇，尽管保留雨水和减少雨水径流是绿色屋顶的两个主要功能，但径流的可能性，以及对应解决方案限制了绿色屋顶的生态、经济和社会价值，这将对其广泛使用产生负面影响。

2、绿色屋顶具有有效滞留雨水，并降低出流tss浓度，中和降雨的ph值等多种优势，但是，绿色屋顶的生长基质可以对降雨径流的水质产生巨大影响。尽管有机物的增加会改善基质结构并提供更多的活性养分，但有机物可能是外排雨水污染物的来源，其会导致径流出水中化学需氧量、总氮、生化需氧量及一些金属离子的浓度增加。

3、微生物燃料电池(microbial fuel cells,mfcs)技术是一种利用产电微生物的作用将有机质中的化学能直接转化为电能的新兴技术，近年来受到研究者的广泛关注,微生物燃料电池技术研究方面基本成熟，mfcs已与废水处理、生物电生产、化学生产和脱盐的物理、化学和生物工艺相结合。与独立的mfc相比，混合系统更有前途。这些系统包括生物电芬顿mfc、微生物脱盐电池、mfc电吸附电池、微生物太阳能电池、微生物反向电渗析电池、植物mfc和人工湿地mfc等。mfcs技术为解决目前面临的环境和能源问题提供了理想的路径。

4、此外，在此基础上，绿色屋顶的改造和优化设计促进了其更大范围内的推广应用，目前已公布的绿色屋顶技术方案大部分都是单纯依靠绿色屋顶系统本身的蓄水净化功能，对雨水进行收集净化后用来灌溉屋顶绿化带或用于居民冲洗厕所等对水质要求不高的场所，或结合智能控制系统进行接收传感器信号以及同时协作，但是这种普遍系统成本高，可实施性不强，由于现有绿色屋顶对雨水，尤其是初期雨水地表径流中含有的悬浮物、有机污染物及氮磷等的去除能力不足。同时绿色屋顶的成败关键在于维持总体结构的良好渗透性，而当前的绿色屋顶总体结构的渗透性较差，对雨水的净化能力不强，而且屋顶绿色植被成活率不高，导致维护成本上升。则若能保证水质的前提下以合理的成本对雨水以及径流的潜在污染进行处理，且合理利用现有资源，结合绿色屋顶以及微生物燃料电池功能特性，探索一种适用于绿色屋顶耦合微生物燃料电池优化系统，构建低碳产能、减排且自动化程度高的屋顶系统，对解决上述问题，是有必要且具有意义的。

技术实现思路

1、本发明的内容就是为了克服上述缺陷且为了资源利用更加合理化而提供一种结合净化与产能的绿色屋顶耦合系统，对雨水以及径流水质净化能力强、净化成本相对较低，且维护使用更加方便。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种结合净化与产能的绿色屋顶耦合系统，包括绿色屋顶耦合系统、传感器监控系统和太阳能供电系统；

3、所述绿色屋顶耦合系统包括塑料箱体、植被层、阴极碳毡、阳极碳毡、基质层、过滤层、排水层、陶砾；所述排水层位于塑料箱体最底部，所述陶砾颗粒材料内置堆叠于排水层内，阳极碳毡平铺置于排水层内部，所述排水层上端覆盖有过滤层，所述过滤层上端覆盖有基质层，所述植被层有植被种植于基质层中，所述阴极碳毡平铺埋于基质层中上部并与植物根系相连。

4、所述传感器监控系统包括数据传输单元、rs485数据转接板、电源转接板、温度传感器、电压传感器、氨氮传感器、雨量传感器、pc端，所述数据传输单元通过杜邦线与rs485数据转接板相连，所述rs485数据转接板通过杜邦线分别与温度传感器、电压传感器、氨氮传感器、雨量传感器中rs485通讯接口相连，所述温度传感器的温度探头通过塑料箱体左侧边孔洞放置于植被层中，所述氨氮传感器的氨氮检测电极通过塑料箱体左侧边孔洞伸入排水层中，所述数据传输单元通过无线传输，将数据传输到pc端，所述电源转接版通过杜邦线与太阳能供电系统进行连接，通过太阳能供电系统提供基本用电，所述电源转接板通过杜邦线分别与温度传感器、电压传感器、氨氮传感器、雨量传感器中电源接口相连以供基本用电。

5、所述太阳能供电系统包括蓄电池、太阳能电池板、控制器，所述太阳能电池板通过线缆连接至控制器端口，所述蓄电池通过线缆连接至控制器相应端，所述控制器通过杜邦线连接rs485数据转接板以及电源转接板。

6、进一步地，所述绿色屋顶耦合系统装置中，塑料箱体初步选用规格为50*50*60cm的亚克力材质模块结构，且可根据需求比例进行调整。

7、所述植被层中，植物选用景天科景天属多年生草本植物，具有适应性强，且可以生长在较薄的基质上，耐寒耐旱能力强等多重优势的佛甲草，植被高度为10-20cm，种植面积约为50*50cm。

8、所述基质层基质的选取，选用田园土：腐叶土：蛭石为5：3：2的比例混合而成，均匀铺设于过滤层上方，厚度15cm，其中田园土是指直接从无污染的田园获取的土壤，其颗粒组团结构好，但是在干旱缺水条件下田园土容易结块，水分饱和后通气透水性差，需添加其他物质配合来进行种植基质的配制使用；腐叶土是将植物埋在在土中利用微生物进行分解发酵后形成的营养土，广泛分布于自然环境中，也常用于栽培，其制作简便容易获取，孔隙多，密度小，所以其透水通气效果佳，长期使用土壤内不会凝结成块，抗水肥流失能力强，能促进植物的生长发育。蛭石是存在于自然环境中无毒害的矿物质，也可以通过生蛭石矿经过高温烧制膨胀而成，其内部物质能与环境进行离子交换，有利于改善土壤中的营养结构。

9、所述过滤层采用聚酯纤维无纺布铺置于基质层排水层之间，尺寸选择50*50cm，既能透水又能过滤，防止基质层中杂质以及植物残渣进入排水层阻塞管道。

10、所述排水层选用大粒径5-12mm陶砾，填充铺设10cm。

11、所述阴极碳毡与阳极碳毡选用尺寸为40*40cm，使用前进行预处理，为去除碳毡中的杂质，将碳毡浸泡于1m的hcl中，24h后将其取出，并用去离子水反复冲洗，烘干备用，后分别铺设于基质层与排水层中，阴极碳毡与植物根系以及基质层相接触并与排水层陶砾中阳极碳毡构成简易微型植物微生物燃料电池，并以钛丝紧密缠绕并引出后与电压传感器导线通过绝缘胶带粘连连接，监测产出电压。

12、所述传感器系统中，从传输模块到各类传感器均选用rs485通讯方式传感器进行连接，自制rs485通讯转接板以及电源转接板构型采用多通路布局，方便传感器连接电源接口以及rs485通讯接口，以及后续对监控系统进行传感器或装置的添加，增加系统可调性及灵活性。

13、所述太阳能供电系统中，太阳能电池板初步选用单晶60w板面，蓄电池选用12v55ah容量，搭配控制器储存电量可供传感器基础用电7天左右，且常规情况下，完成储电与用电协调配制运行良好，基本监控系统的运行完全可以保证，实现能源的转化与应用。

14、与现有技术相比，本发明具有以下增益效果：

15、1.首先，本发明通过设置于屋顶上的一体式绿色屋顶结构，可以在下雨时通过植被层基于植物截水、保水以及蒸腾能力一部分被植物吸收或蒸发回大气，通过基质层一部分被生长基质吸收或保留于生长基质孔隙中，减少了洪峰流量和径流，起到良好的雨水衰减能力。

16、2.本发明通过将简易微型微生物燃料电池耦合于传统绿色屋顶中，进行雨水水质以及径流问题改善净化，有效降低绿色屋顶径流出水水质中的cod、tn、tp等有机污染指标，具有良好的处理效果，且由于构型优化，在保证净化效果的前提下，大量节省空间与成本。

17、3.本发明中使用太阳能系统与传感器监控系统结合应用于绿色屋顶耦合系统中，太阳能供电系统利用太阳能转化为电能为监控系统提供电能，实现了节能低碳的目标，在保证绿色屋顶耦合系统发挥其优势功能的同时，监控多种指标，例如与绿色屋顶功能性发挥密切相关的雨量数据，或典型水质变化中的氨氮浓度指标等，既可以达到监控其环境变化的目的，又不需使其复杂化，数据转接板自由度高，可协调性高，例如，若需增加多种参数监控数据,操作也相对便捷，只需加入相关传感器连接至电源以及rs485数据转接板即可。

18、4.本发明系统维护与运行成本相对低廉，更节省空间且材料易获得性价比高，且适用于解决雨水径流污染问题的同时，微生物燃料电池利用其工作原理以雨水中有机质为燃料消耗去除，同时产生电能，可供多种方式利用。

19、5.本发明具有上述良好增益效果，对常规绿色屋顶技术进行深度优化，解决常规技术中处理绿色屋顶雨水径流问题时装置系统空间占比过大以及能源耗费多等问题，可用于延缓径流以及雨水径流水质污染净化且同时产能低碳的绿色屋顶耦合系统。

20、为了使本发明所述的一种结合产能与净化的绿色屋顶耦合系统的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步的说明。