焦永樂

(太原市政建設(shè)集團有限公司辰宇公司，山西 太原 030024)

0 引 言

地球上水的總量約為14億km3，但是全球的淡水儲量僅占全球總水量的2.53%，約為0.35億km3。并且，絕大多數(shù)(約為68.7%)淡水為固體冰川，分布在難以利用的高山和南、北兩極地區(qū)，還有一部分淡水埋藏于地下很深的地方，很難進行開采[1，2]。因此，雖然地球水資源豐富，但可利用的淡水資源卻十分稀缺。隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，全社會已經(jīng)越來越關(guān)注地球的水資源匱乏問題。水污染治理和水資源循環(huán)利用是解決水資源匱乏的有效措施，傳統(tǒng)廢污水治理方法已經(jīng)難以對抗水資源惡化問題，先進的廢污水處理方式成了當(dāng)前的熱點研究問題[3，4]。

中水是指將建筑的生活廢污水進行一定的處理后，可以滿足相關(guān)使用標準的非飲用水。中水不但能夠滿足居民坐便沖洗、道路和車輛沖洗，還能夠保證小區(qū)的綠化灌溉[5，6]。將生活廢污水轉(zhuǎn)化為中水的技術(shù)稱為中水處理技術(shù)。中水處理技術(shù)對于提高建筑物的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益均具有十分重要的意義。對廢污水進行回收再利用，既能夠降低建筑物的水資源消耗，又能提高污水利用率，是對抗城市水資源短缺的有效措施，也是確?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措[7]。

針對目前我國城市廢污水處理和水資源缺乏問題，本文研究了建筑物的中水回用技術(shù)。首先，介紹和分析了建筑物的中水回用技術(shù)；其次，構(gòu)建了建筑物中水處理系統(tǒng)的評價指標；最后，利用某高校的實際用水和中水處理問題，構(gòu)建了中水處理系統(tǒng)的SD模型，對自來水用水量和中水使用量進行模擬分析，驗證了中水回用技術(shù)在處理廢污水和節(jié)約水資源方面的巨大優(yōu)勢。

1 建筑中水回用技術(shù)

1.1 中水水源選用

中水水源是確保中水水質(zhì)和中水處理技術(shù)的基礎(chǔ)。通常情況下，建筑物的中水水源均為多種水源的組合。建筑物的中水水源按照水質(zhì)可以劃分為生活排水、雜排水和優(yōu)質(zhì)雜排水。生活排水主要是指建筑物內(nèi)居民的沖廁排水，污染物較多，水質(zhì)較差，且細菌含量很高，中水處理難度很大；雜排水主要包括廚房排水和空調(diào)冷卻水，水質(zhì)優(yōu)于生活排水，但也含有較多固體懸浮物和化學(xué)有機物；優(yōu)質(zhì)雜排水的水質(zhì)最佳，包括洗衣排水、沐浴排水和盥洗排水等。建筑物的中水水源優(yōu)先考慮使用優(yōu)質(zhì)雜排水。

1.2 中水系統(tǒng)組成

中水處理系統(tǒng)主要包括兩部分，中水水源集流設(shè)施和中水處理設(shè)施。此外，還有增壓出水設(shè)備。

中水水源集流設(shè)施包括建筑物內(nèi)外的集流管道系統(tǒng)，集流設(shè)施方案如圖1所示。該集流方案采用部分回用方式，能夠有效避免水質(zhì)過差的污水進入中水處理系統(tǒng)，從而降低中水處理工程的投資，缺陷是需要配置雙排水管網(wǎng)和雙配水管網(wǎng)。

圖1 中水水源集流過程

中水處理設(shè)施是整個中水處理系統(tǒng)的核心。中水處理設(shè)施按照處理流程可以劃分為中水預(yù)處理設(shè)施、中水主處理設(shè)施和中水深處理設(shè)施。其中預(yù)處理設(shè)施主要有化糞池、油水分離器、濾網(wǎng)等；主處理設(shè)施是一套較為復(fù)雜的設(shè)備，包括生物和化學(xué)處理裝置；深處理設(shè)施類型較多，常用的設(shè)備包括混凝沉淀、消毒、電滲析以及氣浮裝置。

1.3 中水處理工藝

中水處理工藝是影響中水處理系統(tǒng)效能的關(guān)鍵。按照所處理的中水的水源不同，可以將中水處理工藝分為兩類：一是以雜排水和優(yōu)質(zhì)雜排水為水源的處理工藝；二是以生活排水為水源的處理工藝。生活排水處理工藝十分復(fù)雜，處理成本較高，且生活排水在建筑物排水中占比不大。為此，本文重點研究基于雜排水和優(yōu)質(zhì)雜排水的中水處理工藝。

中水用于不同用途時，其處理工藝的設(shè)計也會有很大的區(qū)別，本文設(shè)計的中水處理系統(tǒng)用于建筑物的雜用水，因此將建筑物的雜排水和優(yōu)質(zhì)雜排水做物化處理，處理工藝流程如圖2所示。

圖2 基于物化處理的中水處理工藝

物化處理是指利用物理手段和化學(xué)手段除去建筑物排水中存有的污染物。常用的中水物化手段有活性炭吸附、過濾、混凝沉淀和混凝氣浮等。對于建筑物的中水處理，混凝氣浮方法的性能最佳?；炷龤飧∈紫壤没瘜W(xué)藥劑將污水中膠體的穩(wěn)定性打破，使之和懸浮物匯聚為絮凝體；然后再基于絮凝體的可分離性充分利用氣浮方式進行分離。

2 建筑中水回用評價指標

中水回用系統(tǒng)能夠?qū)⒔ㄖ锂a(chǎn)出的污水及時地收集、處理，轉(zhuǎn)化為能夠直接使用的非飲用水。中水回用是非常有效的建筑物節(jié)水措施，能夠有效降低建筑物的用水量，且降低了污水對環(huán)境的污染。由于中水回用技術(shù)的設(shè)備復(fù)雜，且我國自來水的價格不高，目前中水回用系統(tǒng)的使用還不是很普遍。但是，隨著城市水資源矛盾凸顯，經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展迫切需要在大型建筑物中設(shè)計中水回用系統(tǒng)，而科學(xué)合理的中水回用系統(tǒng)的評價指標是評判中水回用系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2.1 廢水回收利用率

中水回用系統(tǒng)能夠有效提高建筑物的廢水利用，因此可以用廢水利用率來評價中水回用系統(tǒng)的效能[8]。廢水利用率可以表示為

(1)

式中：Qu表示建筑物中水回用系統(tǒng)的實際收集廢水量；Qd表示建筑物的實際用水量。

廢水回收利用率與建筑物中水回用系統(tǒng)的設(shè)計與安裝有關(guān)，最理想的狀況是廢水回收利用率達到百分之百。建筑物的中水回用系統(tǒng)中，科學(xué)地調(diào)整水池和水泵的啟停，能夠有效提升中水回用系統(tǒng)的廢水回收利用率。

2.2 中水處理運行負荷率

中水處理運行負荷率定義如下

(2)

式中：Qx表示建筑物的實際處理水量；Qy表示建筑物的設(shè)計處理水量。

中水處理運行負荷率與建筑物采用的中水處理工藝有關(guān)。采用合適的中水處理工藝，可以使建筑物的實際處理水量接近設(shè)計處理水量，進一步降低中水處理的成本。中水處理運行負荷率是一個重要的中水系統(tǒng)評價指標。

2.3 非市政水源補水率

中水水源是影響中水回用系統(tǒng)輸出中水水質(zhì)的重要因素。中水回收系統(tǒng)的水源不足時，會采用市政水源進行補充。為了提高中水回用系統(tǒng)的利用效能，需要盡量降低中水回用系統(tǒng)用到的市政水源，提高中水回用系統(tǒng)的節(jié)水能力。為了評價中水回用系統(tǒng)對市政水源的依賴程度，定義非市政水源補水率為

(3)

式中：Qf表示非市政水源的補水水量；Qd表示建筑物中水處理系統(tǒng)的實際用水量。

2.4 中水水質(zhì)達標率

中水水質(zhì)是評價中水回用系統(tǒng)的關(guān)鍵。經(jīng)過中水處理系統(tǒng)后，產(chǎn)出的中水水質(zhì)必須要滿足相應(yīng)的水質(zhì)標準。采用水質(zhì)達標率來評價中水回用系統(tǒng)的水質(zhì)

(4)

式中：Ne表示中水回用系統(tǒng)抽檢達標次數(shù)；Nf表示中水回用系統(tǒng)的抽檢次數(shù)。

3 中水回用實例預(yù)測分析

本文以太原市某高校作為分析對象，該校的主要建筑物包括教學(xué)樓、辦公樓、學(xué)生宿舍以及餐廳等。中水處理系統(tǒng)的水源主要是學(xué)生宿舍和教學(xué)辦公區(qū)的洗漱用水、洗浴用水和餐廳的洗菜用水，均為雜排水和優(yōu)質(zhì)雜排水，不但水源充足，而且水質(zhì)很高。為了降低中水處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，沒有選擇水質(zhì)較差的沖廁水。中水用途主要作為校區(qū)灌溉、道路清洗和廁所沖洗。

本節(jié)采用系統(tǒng)動力學(xué)理論構(gòu)建評價中水處理系統(tǒng)的SD模型。系統(tǒng)動力學(xué)能夠不依靠歷史數(shù)據(jù)，基于結(jié)構(gòu)方程對非線性變量進行定量研究[9]。SD模型變量包括中水處理系統(tǒng)需水量、供水量以及自來水的用水量。中水處理系統(tǒng)的具體SD模型變量參數(shù)見表1。運行SD模型，結(jié)果如圖3、圖4所示。

表1 中水回用系統(tǒng)SD模型指標體系

圖3給出了學(xué)校自來水用水量和學(xué)?？傆盟康念A(yù)測結(jié)果。結(jié)果表明，該校在2040年的自來水使用量為118 410 m3/d，總用水量會達到140 430 m3/d。圖4給出了學(xué)校中水使用量的預(yù)測結(jié)果。預(yù)測結(jié)果表明，中水使用量能夠達到13 660 m3/d，即通過中水回用系統(tǒng)能夠每天為該校節(jié)約13 660 m3自來水，為學(xué)校每天節(jié)省9.7%用水量，能夠取得十分顯著的經(jīng)濟效益。

圖3 用水量預(yù)測結(jié)果

圖4 中水使用量預(yù)測結(jié)果

實例分析結(jié)果表明，利用中水回用系統(tǒng)不但能夠有效提高自來水的利用率，降低水資源消耗，取得十分顯著的經(jīng)濟效益，而且還能夠有效減少建筑物的廢污水排放，降低了廢水處理負擔(dān)和廢水對環(huán)境的污染。

4 結(jié)束語

本文基于系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建了建筑物中水回用系統(tǒng)的平均模型，并以某高校為實例對中水回用系統(tǒng)性能進行了預(yù)測分析。通過該模型對高校未來20年的市政用水和中水處理進行預(yù)測，驗證了中水回用系統(tǒng)能夠有效降低廢污水對環(huán)境的污染，而且能夠顯著提高市政自來水的利用率，具有顯著的經(jīng)濟效益。