基于系统动力学模型的建筑物中水回用技术评价研究

2022-10-01焦永乐

工程与建设 2022年4期

焦永乐

(太原市政建设集团有限公司辰宇公司，山西太原 030024)

0 引言

地球上水的总量约为14亿km3，但是全球的淡水储量仅占全球总水量的2.53%，约为0.35亿km3。并且，绝大多数(约为68.7%)淡水为固体冰川，分布在难以利用的高山和南、北两极地区，还有一部分淡水埋藏于地下很深的地方，很难进行开采[1，2]。因此，虽然地球水资源丰富，但可利用的淡水资源却十分稀缺。随着经济社会的飞速发展，全社会已经越来越关注地球的水资源匮乏问题。水污染治理和水资源循环利用是解决水资源匮乏的有效措施，传统废污水治理方法已经难以对抗水资源恶化问题，先进的废污水处理方式成了当前的热点研究问题[3，4]。

中水是指将建筑的生活废污水进行一定的处理后，可以满足相关使用标准的非饮用水。中水不但能够满足居民坐便冲洗、道路和车辆冲洗，还能够保证小区的绿化灌溉[5，6]。将生活废污水转化为中水的技术称为中水处理技术。中水处理技术对于提高建筑物的经济效益和环境效益均具有十分重要的意义。对废污水进行回收再利用，既能够降低建筑物的水资源消耗，又能提高污水利用率，是对抗城市水资源短缺的有效措施，也是确保可持续发展战略的重要举措[7]。

针对目前我国城市废污水处理和水资源缺乏问题，本文研究了建筑物的中水回用技术。首先，介绍和分析了建筑物的中水回用技术；其次，构建了建筑物中水处理系统的评价指标；最后，利用某高校的实际用水和中水处理问题，构建了中水处理系统的SD模型，对自来水用水量和中水使用量进行模拟分析，验证了中水回用技术在处理废污水和节约水资源方面的巨大优势。

1 建筑中水回用技术

1.1 中水水源选用

中水水源是确保中水水质和中水处理技术的基础。通常情况下，建筑物的中水水源均为多种水源的组合。建筑物的中水水源按照水质可以划分为生活排水、杂排水和优质杂排水。生活排水主要是指建筑物内居民的冲厕排水，污染物较多，水质较差，且细菌含量很高，中水处理难度很大；杂排水主要包括厨房排水和空调冷却水，水质优于生活排水，但也含有较多固体悬浮物和化学有机物；优质杂排水的水质最佳，包括洗衣排水、沐浴排水和盥洗排水等。建筑物的中水水源优先考虑使用优质杂排水。

1.2 中水系统组成

中水处理系统主要包括两部分，中水水源集流设施和中水处理设施。此外，还有增压出水设备。

中水水源集流设施包括建筑物内外的集流管道系统，集流设施方案如图1所示。该集流方案采用部分回用方式，能够有效避免水质过差的污水进入中水处理系统，从而降低中水处理工程的投资，缺陷是需要配置双排水管网和双配水管网。

图1 中水水源集流过程

中水处理设施是整个中水处理系统的核心。中水处理设施按照处理流程可以划分为中水预处理设施、中水主处理设施和中水深处理设施。其中预处理设施主要有化粪池、油水分离器、滤网等；主处理设施是一套较为复杂的设备，包括生物和化学处理装置；深处理设施类型较多，常用的设备包括混凝沉淀、消毒、电渗析以及气浮装置。

1.3 中水处理工艺

中水处理工艺是影响中水处理系统效能的关键。按照所处理的中水的水源不同，可以将中水处理工艺分为两类：一是以杂排水和优质杂排水为水源的处理工艺；二是以生活排水为水源的处理工艺。生活排水处理工艺十分复杂，处理成本较高，且生活排水在建筑物排水中占比不大。为此，本文重点研究基于杂排水和优质杂排水的中水处理工艺。

中水用于不同用途时，其处理工艺的设计也会有很大的区别，本文设计的中水处理系统用于建筑物的杂用水，因此将建筑物的杂排水和优质杂排水做物化处理，处理工艺流程如图2所示。

图2 基于物化处理的中水处理工艺

物化处理是指利用物理手段和化学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、过滤、混凝沉淀和混凝气浮等。对于建筑物的中水处理，混凝气浮方法的性能最佳。混凝气浮首先利用化学药剂将污水中胶体的稳定性打破，使之和悬浮物汇聚为絮凝体；然后再基于絮凝体的可分离性充分利用气浮方式进行分离。

2 建筑中水回用评价指标

中水回用系统能够将建筑物产出的污水及时地收集、处理，转化为能够直接使用的非饮用水。中水回用是非常有效的建筑物节水措施，能够有效降低建筑物的用水量，且降低了污水对环境的污染。由于中水回用技术的设备复杂，且我国自来水的价格不高，目前中水回用系统的使用还不是很普遍。但是，随着城市水资源矛盾凸显，经济社会的可持续发展迫切需要在大型建筑物中设计中水回用系统，而科学合理的中水回用系统的评价指标是评判中水回用系统的关键。

2.1 废水回收利用率

中水回用系统能够有效提高建筑物的废水利用，因此可以用废水利用率来评价中水回用系统的效能[8]。废水利用率可以表示为

(1)

式中：Qu表示建筑物中水回用系统的实际收集废水量；Qd表示建筑物的实际用水量。

废水回收利用率与建筑物中水回用系统的设计与安装有关，最理想的状况是废水回收利用率达到百分之百。建筑物的中水回用系统中，科学地调整水池和水泵的启停，能够有效提升中水回用系统的废水回收利用率。

2.2 中水处理运行负荷率

中水处理运行负荷率定义如下

(2)

式中：Qx表示建筑物的实际处理水量；Qy表示建筑物的设计处理水量。

中水处理运行负荷率与建筑物采用的中水处理工艺有关。采用合适的中水处理工艺，可以使建筑物的实际处理水量接近设计处理水量，进一步降低中水处理的成本。中水处理运行负荷率是一个重要的中水系统评价指标。

2.3 非市政水源补水率

中水水源是影响中水回用系统输出中水水质的重要因素。中水回收系统的水源不足时，会采用市政水源进行补充。为了提高中水回用系统的利用效能，需要尽量降低中水回用系统用到的市政水源，提高中水回用系统的节水能力。为了评价中水回用系统对市政水源的依赖程度，定义非市政水源补水率为

(3)

式中：Qf表示非市政水源的补水水量；Qd表示建筑物中水处理系统的实际用水量。

2.4 中水水质达标率

中水水质是评价中水回用系统的关键。经过中水处理系统后，产出的中水水质必须要满足相应的水质标准。采用水质达标率来评价中水回用系统的水质

(4)

式中：Ne表示中水回用系统抽检达标次数；Nf表示中水回用系统的抽检次数。

3 中水回用实例预测分析

本文以太原市某高校作为分析对象，该校的主要建筑物包括教学楼、办公楼、学生宿舍以及餐厅等。中水处理系统的水源主要是学生宿舍和教学办公区的洗漱用水、洗浴用水和餐厅的洗菜用水，均为杂排水和优质杂排水，不但水源充足，而且水质很高。为了降低中水处理系统的复杂性，没有选择水质较差的冲厕水。中水用途主要作为校区灌溉、道路清洗和厕所冲洗。

本节采用系统动力学理论构建评价中水处理系统的SD模型。系统动力学能够不依靠历史数据，基于结构方程对非线性变量进行定量研究[9]。SD模型变量包括中水处理系统需水量、供水量以及自来水的用水量。中水处理系统的具体SD模型变量参数见表1。运行SD模型，结果如图3、图4所示。

表1 中水回用系统SD模型指标体系

图3给出了学校自来水用水量和学校总用水量的预测结果。结果表明，该校在2040年的自来水使用量为118 410 m3/d，总用水量会达到140 430 m3/d。图4给出了学校中水使用量的预测结果。预测结果表明，中水使用量能够达到13 660 m3/d，即通过中水回用系统能够每天为该校节约13 660 m3自来水，为学校每天节省9.7%用水量，能够取得十分显著的经济效益。