生活废水循环利用节水器的设计研究

黄帅，满意，张吉祥，张西数，柳婷

(1.山东建筑大学热能工程学院， 山东济南250101；2.山东建筑大学机电工程学院， 山东济南250101；3.山东建筑大学材料科学与工程学院， 山东济南250101；4.山东建筑大学交通工程学院， 山东济南250101)

为了满足不断增长的用水需求，人们采取了很多方法来扩大对水资源的开发利用，但由此对生态环境造成的破坏也日益加重，导致了全球生态系统的恶化和水资源的紧张[1]。据有关部门的统计，目前中国近700个城市中，有超过400个城市经常出现供水紧张的情况，其中有超过100所城市处在水资源严重匮乏的状况。在中国30多个一、二线城市中，大都常年处在缺水状态，高达4 000万城市人口受到影响[2]。

1 生活废水处理装置的研究现状

近些年来，人们的节水和环保意识越来越强，城市生活用水量的激增激发了社会对于生活废水处理装置的需求。很多小型生活废水回收再利用装置应运而生，并应用于家庭、学校、酒店等场合。生活废水包括很多方面，如洗衣、厨房洗涤、盥洗用水等，以上这些用水的用水量占用了生活废水的绝大部分[3]。针对现状，王斌修和李淑玉等人提出采用过滤净化和臭氧氧化两级净化处理方案，在臭氧输送过程中，实现其进入水射器之前的压力和水射器节流孔前水的压力自适应，从而保证了输送臭氧所耗功率。臭氧作为一种强氧化剂能够氧化分解水中的有机物，制取臭氧的方法一般有化学法、紫外法、电解法等，但在制取过程中，往往存在效率低的问题[4]。随着时代的进步，智能化的节水器也得到进一步发展。郭世旭、刘健等人设计了一款家庭智能节水器，通过流量开关传感器检测水流信号，然后将信号传递给控制模块进行分析后控制电磁阀的通断。通过设置水流传感器、控制模块和电磁阀，从而实现节水目的[5]。

目前国内很多节水器虽然在技术方面已经达到较高水准，基本可以实现对生活废水的净化和循环利用。但技术的更新与变革必定会带来产品成本的提高，这就给消费者带来了经济上的负担以及给研发单位带来了销售推广上的压力。也有部分节水器虽然价格惠民，且能基本实现废水的循环净化处理，但其设计结构较为复杂。对使用空间有极大的限制和要求，这就带来了消费者使用不便及生产原料资源浪费的问题。其他一些价格低廉的节水器在使用时不仅会出现废水循环利用率过低，使用寿命过短等问题，对废水的净化完全度与正规标准节水器相差甚远。基于上述现状，本文对生活废水循环利用节水器做了进一步设计研究。

2 生活废水循环利用节水器设计思路

针对现有技术的不足，本文提供了一种家庭生活废水循环利用节水器，解决了传统的节水器难以对废水进行再利用，废水净化不完全的问题。处理思路如下：①通过水泵将洗浴盆内的废水抽进混合箱；②打开电磁阀使得消毒液瓶内的消毒液流入混合箱内；③控制搅拌电机运转,搅拌电机带动搅拌器对废水和消毒液进行混合；④使得消毒液能完全融入废水内对其进行完全消毒；⑤搅拌好后，打开电磁阀，使废水通过第一滤网过滤；⑥使处理后的废水通过第二滤网过滤；⑦使经过消毒和2次过滤后的水在活性炭管再进行吸附净化；⑧净化好后的水体进入储水箱备用。

3 生活废水循环利用节水器的设计

3.1 技术方案

为实现废水回收利用，提供如下技术方案：节水器的外部管道与洗浴盆的排水口相连接，排水口附近位置的管道上设置有水泵。水泵通过管道与其他用水容器分别连接，在使用过程中分别抽取使用完毕的废水。外壳上部固定设置有消毒液瓶和搅拌电机。其中，消毒液瓶受其下部的电磁阀A控制，实现消毒液的自动排放。节水器下端固定设置三通阀门和水龙头与节水器内部的储水箱连接。节水器内部由外壳包裹，也通过管道与外部组成良好的循环连接。外壳内部上测固定设置有混合箱，混合箱体内部设有搅拌器，搅拌器的搅拌轴通过联轴器与搅拌电机的输出轴固定连接，由外部的搅拌电机控制。混合箱底部固定设置有电磁阀B，电磁阀B的底端与其下方的过滤管一端固定连接。在过滤管内部分别设置第一过滤网和第二过滤网。过滤管外部的另一端与活性炭管固定连接。活性炭管的另一端与第一储水箱连通。在第一储水箱的正面位置设置观察窗，观察窗上部设置指示灯，左侧内壁分别有低液位传感器和高液位传感器固定设置。以上所述搅拌电机、电磁阀A、电磁阀B、水泵、指示灯、低液位传感器和高液位传感器均与处理器电性连接(图1)。

节水器分为第一储水箱(图2)和第二储水箱，第二储水箱与自来水相连，并通过节水阀控制其液面的高低，当初次使用或第二储水箱的液面过低时，节水阀自动接通自来水管路，使用自来水向第二储水箱内补水。节水器正常使用时，符合洗涤用水标准的水会由开启的水龙头处流出，使用后产生的废水通过水泵抽进混合箱体进行接下来的净化处理流程。当第一储水箱的水位低于启动水位时，低液位传感器开始工作，通过电感性作用使消毒液进入混合箱，搅拌器开始搅拌废水，使废水和消毒液充分混合。搅拌完毕混合液经过过滤以及杂质吸附过程后，所得符合洗涤用水标准的水进入第一储水箱，当储水箱即将达到饱和状态时，高液位传感器随即通过中央处理器的控制作用使节水器停止工作。为了增大废水的处理和存储量，增设第二储水箱储存符合洗涤用水标准的水。为了防止水箱内的水误入自来水管道，第二储水箱设计成竖高状，以保持储水箱内可能出现的最高液面与自来水出水口具有足够的高差。综上所述，当洗浴盆内产生废水时，通过节水器的水泵和管道抽入混合箱，随即消毒液瓶中的消毒液进入节水器与废水混合，进而控制搅拌电机进行消毒液与废水的混合搅拌。经过进一步过滤吸附,达到洗涤用水标准的水储存于储水箱中备用，经过处理的废水可用于平时的日常生活盥洗及洗涤。

1.外壳 2.混合箱 3.搅拌器 4.搅拌电机 5.消毒液瓶6.电磁阀A 7.电磁阀B 8.过滤管 9.第一滤网10.第二滤网 11.活性炭管 12.第一储水箱 13.第二储水箱14.三通阀门 15.水龙头 16.洗浴盆 17.废水管道18.水泵 23.中央处理器图1 节水器全剖

12.第一储水箱 19.观察窗 20.指示灯21.低液位传感器 22.高液位传感器图2 节水器第一储水箱结构示意

3.2 结构设计

3.2.1箱体的设计

由于设计的生活废水回收处理装置主要对洗浴盆的水进行过滤回用，且处理的对象是日常生活中的废水，故箱体的整体尺寸不易过大，结合实际情情况尺寸设计为：第一储水箱尺寸为400 mm×400 mm×600 mm；第二储水箱尺寸为600 mm×600 mm×1 200 mm(图3、4)。

本文所设计的节水器的外形尺寸是800 mm×600 mm×1 200 mm，整套装置占地面积不足0.5 m2，使用时可将其放置于卫生间角落，可满足普通家庭的生活废水回用处理，同时不会影响卫生间的正常使用功能。

a) 角度1

b) 角度2图3 节水器第一储水箱结构示尺寸(mm)

a) 角度1

b) 角度2图4 节水器第二储水箱结构示尺寸(mm)

3.2.2过滤元件的设计

在考虑过滤元件时，要详细分析过滤元件的重要技术指标，它们包括：对杂质的截留能力、过滤元件的渗透性和过滤元件抗堵塞能力等。其中最为重要的为对杂质的节流能力和渗透性2个特性。当然过滤元件的选择属于一个综合性的问题，当其组装固定和制作等因素也考虑在内时，则还需要考虑过滤元件的稳定性、密封性、强度、经济性等因素[6-7]。常用过滤元件包括以下2类[8-9]：滤网和滤布。其中金属式过滤网表面光滑、耐腐蚀性和耐高温的性能较好；而且由于金属制成，有很高的硬度，所以使用寿命很长，不易被颗粒堵住，方便清洗。基于生活废水的颗粒较小因此第一滤网选取50目数的不锈钢滤网，第二滤网选取100目数的不锈钢滤网。过滤网管上接混合箱下接活性碳管，待使用一段时间后可将其拆卸下进行清洗。

3.2.3水泵的选择

目前各种塑料管道沿程水头损失hf应按下式计算[10]：

(1)

式中λ——水力摩阻系数；L——管段长度，m；di——管道内径，m；v——断面的平均流速，m/s；g——重力加速度，9.81 m/s2。

通常情况下塑料管道内水流处于水力光滑区，因此水力摩阻系数λ可以按照下式计算：

(2)

式中Re——雷诺数，可按下式计算：

(3)

式中γ——水的运动黏滞系数，在不同温度时的数值见表1。

表1 水在不同温度下的运动黏滞系数 10-6m2/s

由于局部水头损失受多种因素影响，根据实际情况选择局部水头损失系数，结合速度水头可计算出局部水头损失。

(4)

式中ζ——局部水头损失系数，可按照表2取值。

表2 局部水头损失系数在不同R/d条件下的取值

在已知管长、安装高度以及弯头个数的情况可以计算出所需水头，可以根据所得结果选取相应的水泵。废水管道采用直径为DN20的PVC塑料管，根据洗浴盆排水口尺寸，设计流量取1.1～1.2 m3/h 。根据公式Q=v·A，计算得管内流速v=1.07 m/s, 在常温下根据式(3)，可得出Re为2 121.8。将其代入式(2)，得出λ值为0.024 9。节水器废水管长L为2 m，将L、Re和v代入式(1)，算出沿程阻力水头hf=0.31 m。根据(4)式，代入相关数据算出局部阻力水头hj=0.094 m。节水器废水管竖直高差hs=1.5 m。总水头H=hf+hj+hs=1.904 m。预留10%的富裕水头，即所需水头H1=2.1 m，即所需水头。根据节水器废水管道中的流量和所需扬程，结合节水器对水泵安装尺寸和频繁启停的要求,选取MP型磁力驱动管道循环泵MP-20R，其额定流量Qmax=1.98 m3/h，额定扬程hmax=3.8 m，轴功率为25 W，安装尺寸长、宽、高分别为250、120、130 mm，符合相关节水器中的尺寸设计。

3.2.4活性炭的选取

在废水深度处理中主要利用活性炭，其具有处理程度高、可重复利用等优点。往往根据处理的水质选取不同类型的活性炭，由于生活废水成分含有大量磷酸盐，基于改性活性炭对废水中的硝酸盐和磷酸盐具有较好的吸附性，故在节水器的活性炭管中选取改性活性炭。改性活性炭投加量过多会造成一定的资源浪费，投加量不足则对盐类去除效果不佳，因此应用改性活性炭的关键在于确定其投放量。在常温常压下，活性炭的使用寿命可根据T=70m/(a·L)简单计算，其中m为初始活性炭的质量，a为所处理废水中有机物的含量，L为水的流量。在废水有机物浓度不同的条件下，假定废水pH值在7～8范围内，活性炭的使用寿命见表3。

表3 活性炭使用寿命

生活废水有机物浓度一般较大，在所用活性炭管中容量为500 g的前提下，建议10 d更换1次，活性炭年消耗量约为20 kg。

3.2.5其他构件的设计

中央处理器的型号设置为AT32UC3A单片机，搅拌电机、电磁阀、水泵、指示灯、低液位传感器和高液位传感器均与中央处理器电性连接，搅拌电机的型号为M315-402的电机，电磁阀的型号为DMF-Z-25脉冲电磁阀，水泵的型号设置为MP-20R，低液位传感器和高液位传感器的型号均设置为ZJ-118。

4 生活废水循环利用节水器优势

本文所设计的生活废水循环利用节水器，解决了传统节水器难以对废水进行再利用，废水净化不完全的问题，其主要创新点如下。

a) 通过水泵将洗浴盆内的废水抽进混合箱，打开电磁阀A使得消毒液瓶内的消毒液流入混合箱内，再控制搅拌电机运转，搅拌电机带动搅拌器对废水和消毒液进行混合，使得消毒液能完全融入废水内对其进行完全消毒，搅拌好后，打开电磁阀B，废水依次通过第一滤网、第二滤网和活性炭管进行吸附净化，净化好后的水体进入第一储水箱备用。

b) 通过设置搅拌器、双层滤网和弯折的活性炭管，使得该节水器的废水净化能更加完全，净化效率、质量更高。

c) 通过设置指示灯、低液位传感器和高液位传感器，当低液位传感器和高液位传感器探测到第一储水箱内的液位过低或过高时，将信号传给中央处理器，中央处理器控制指示灯发光，从而可随时观察储水箱内部状况。

通过较为充分的消毒，过滤和改性活性炭的吸附等步骤，废水得到进一步的净化，处理后的废水进入第一储水箱备用。通过与中央处理器相连的低位和高位传感器来控制第一储水箱的液面，当第一储水箱的页面过低或者过高时，指示灯就会发光，提示进行下一步操作。被处理后的废水可用于日常生活中的浇花、洗车等，实现了废水的再利用，节约了水资源。

5 社会经济效益

目前市场上正在销售的普通节水器，大多结构设计较为复杂，从而导致体型较为庞大，不仅浪费了原料，也给消费者的日常使用带来了诸多不便。本文所设计的节水器相对于市场上的普通节水器具有明显的优势，该节水器在机构设计上本着消费者使用方便和节约原料成本的原则，设计了较为简单的结构。并且在简单结构的基础上使功能效果得到提升，废水经过消毒、过滤、吸附等过程得以净化，表现出其实用性。由于该节水器结构设计合理，对生产原料的使用量减少，使得生产成本也随之降低。该节水器主要零件价格见表4。

表4 节水器主要零件价格 元

由上表可知节水器初投资成本大约1 016元。每年运行费用见表5。

表5 节水器年运行费用 元

综合考虑水泵、搅拌器消耗的电费及活性炭等主要费用，节水器初投资成本大约在1 016 元左右，每年的运行保养费用约200元左右。考虑到节水器主要构件的使用寿命，该节水器使用年限约8 a。以山东省济南市为例，根据2016年政府有关部门统计数据，济南市常住人口共730万，全市居民平均日用水量为70万～80万m3，折算每位居民的平均日用水量为0.11 m3。若每户家庭按3口人计算，济南市普通家庭平均日用水量为0.33 m3左右。生活废水占日常用水量的85%～90%，日产废水量约为0.3 m3。济南市已实行阶梯水价，按照第一阶梯自来水价格4.2元/m3计算，使用节水器的家庭每年可节约459.9元。

节水器的静态投资回收期使用下式计算[11]：

静态投资回收期=累计净现金流量开始为正值的年份数-1+上年累计净现金流量的绝对值/当年的现金流量

(5)

每年累计现金流量见表6。

表6 每年累计现金流量 元

根据式(5)计算，本研究所设计节水器的静态投资回收期为4-1+236.3/259.9 = 3.9 a。该节水器的设备价格在普通家庭的承受范围之内，具有较好的实用性和经济性。该节水器得到推广使用后，能在保障家庭生活品质的同时降低生活费用。更重要的是，通过生活废水的循环再利用，可以有效减小城市污水处理量，缓解中国的水资源匮乏问题，带来可观的社会效益和经济效益。

6 结论

针对中国水资源短缺的现状以及目前节水器发展过程中存在的一些问题，本文针对家用生活废水循环利用节水器的设计做了深入研究。对节水器内部装置和外部装置做了相关设计，通过消毒、过滤、吸附等步骤将生活废水处理达到洗涤用水标准后就地储存并循环利用，从而达到节约水资源的目的。本研究所设计节水器的初投资成本大约在1 016 元左右，年运行保养费用约200元左右，主要包括耗电量、活性炭及滤网更换、消毒液补充等费用。考虑到节水器主要构件的使用寿命，该节水器使用年限约8 a。按照山东省济南市普通3口家庭的用水量及当地水价标准计算，使用该节水器每年可节约459.9元，节水器的静态投资回收期为3.9 a。节水器的外形尺寸是800 mm×600 mm×1 200 mm，整套装置占地面积不足0.5 m2，使用时可将其安装于卫生间角落，不影响卫生间的正常使用功能。本研究所设计的节水器具有较好的经济性和实用性，得到推广使用后，能在保障家庭生活品质的同时降低生活费用，有效减小城市自来水消耗量和污水处理量，缓解水资源匮乏及废水排放等环境问题。