中水回用于建筑循環冷卻水可行性研究

夏樹威 楊巧云 孫麗華

(1.中國建筑設計研究院有限公司,北京 100044； 2.北京建筑大學，北京 100044)

“十三五”計劃中，國家要求缺水城市中水回用利用率達到20%以上。在建筑給水排水設計中，中水系統分為市政中水提供用水和自建中水處理站提供用水。以建筑內自建中水處理站為例，中水系統設計是將建筑內空調冷卻水、洗衣、淋浴、盥洗、廚房等排水收集經處理后回用于衛生間大小便器沖洗、車庫地面沖洗、道路清掃、綠地澆灑等(見圖1)。根據案例分析可知[1]，大型公共建筑(除辦公樓和教學樓)的中水回用率均難以達到20%以上。隨著人們對中央空調的需求日益加大，大型醫院、商場、酒店、寫字樓、車站、飛機場等人員密集場所均有中央空調冷卻水系統。而循環冷卻水系統作為空調系統的重要組成部分其補充水量占建筑總供水量的30%[2]。在大型建筑群中用中水替代自來水作為建筑循環冷卻水系統補充水水源，可將中水回用率提高到30%以上。中水水質比自來水水質差，需進行深度處理達到循環冷卻水補充水水質標準后進行回用。

1 國內外現狀

早在1926年，美國亞利桑那州以公園廢水為中水水源，經處理后回用于沖廁、綠化和冷卻水等。1977年日本已開始實行建筑中水回用于空調冷卻水系統補充水的措施，如千葉縣四道街商場，以廚房和廁所排水作為中水原水，處理后用于沖廁和空調冷卻水系統補充水，中水生產規模為160 m3/d。印度孟買已建成7座處理能力為150 m3/d～250 m3/d的供水工程用于空調循環冷卻水系統補充水；發達國家都相繼走上了污水回用的道路，以彌補日益缺乏的水資源[3]。

1990年，北京某假日酒店中水設施已投入運行，生產規模為160 m3/d。原水為洗浴、洗衣廢水，經處理后用于沖廁和冷卻塔補充水[4]。楊偉帥等[5]研究表明中水作為地鐵空調循環冷卻水補充水在技術上是可行的，補充水量越大越有利于節約成本。因此，未來國內中水回用在建筑循環冷卻水補充水方面能夠大力推廣，會帶來很大的經濟和社會利益。

2 水質分析

2.1 水質標準

表1 國內外集中空調冷卻水系統補充水水質要求

2.2 原水水質

《城市污水再生利用城市雜用水水質標準》中洗車用水的水質標準最高。建筑循環冷卻水的水質標準與中水回用于生活雜用水水質標準比較，其中洗車用水除了硬度外，均能滿足建筑循環冷卻水系統的水質要求。趙嘉俊等[8]指出市政中水水質與自來水水質相比水質較差，市政中水比自來水中含有更多的有機物、氮、磷，鈣、鎂、懸浮物等，市政中水的電導率也比自來水的較高(一般在600 μs/cm～1 000 μs/cm)，而且市政中水中存在著微生物污染[8]。

2.3 水質影響因素

1)Cl-濃度值。水中的Cl-是對碳鋼材質腐蝕影響最大的陰離子，Cl-會減弱碳鋼表面氧化膜與碳鋼表面間的作用力，使氧化膜脫落，加速碳鋼的腐蝕速度。李旻等[10]研究表明循環冷卻水系統中Cl-濃度必須控制在1 000 mg/L以下，否則會產生應力腐蝕。建筑內循環冷卻水濃縮倍數一般控制在3倍～4倍，因此原水中的Cl-濃度必須控制在250 mg/L～300 mg/L。

2)電導率。電導率即水的含鹽量(也稱礦化度)表示水含鹽類的數量的重要指標。水中的鹽分含量超標時，會造成整個循環冷卻水系統的結垢、腐蝕、微生物、藻類的繁殖，最終產生菌藻黏泥和腐蝕碎片堵塞管道或設備。黃長山等[11]研究表明控制初始電導率在500 μs/cm～700 μs/cm，基本能保證循環冷卻水系統處于不結垢的穩定狀態。

3 水處理工藝

根據中水水質分析可知，在水質要求方面，中水回用于建筑循環冷卻水系統是可行的，但是針對需要必須進行深度處理。深度處理的對象主要包括水中的濁度(依附于懸浮物的細菌及藻類)、COD、總硬度、氨氮等。

中水回用于建筑循環冷卻水系統的深度水處理工藝主要包括三種[13]：

1)物理化學處理法。

混凝澄清法即通過混凝劑將水中細小懸浮物和膠體凝聚成絮凝體，然后進行分離除去的水處理工藝，主要可以降低水質中濁度、硬度等。由于占地面積小、控制管理簡單等特點，石灰混凝法是目前中水回用于建筑循環冷卻水系統的主要方法。溫丙奎等[14]研究表明石灰混凝法能夠有效降低中水水質中的濁度、總硬度、氨氮和COD。同時石灰混凝處理需與混凝劑、助凝劑同時使用，這樣達到的效果最佳，處理后的水質達到了建筑循環冷卻水水質標準，具體流程如圖2所示。

高級氧化法(AOP)即以強擊自由基為主要氧化劑氧化水中有機物的水處理技術。此方法主要可以降低水質中病菌，同時具有防垢除垢、緩蝕除銹的能力。以臭氧高級氧化法為例，如圖3所示。臭氧發生器將臭氧射流入水中，迅速破壞細菌的DNA，RNA酶和蛋白質，從而去除水中軍團菌、生物黏泥、藻類等[15]。由于無害環保、不受溫度影響、自動化管理的特點，高級氧化法成為了目前比較有發展前景的中水回用于建筑循環冷卻水系統的深度水處理的工藝。

2)膜分離技術。

膜分離技術即利用水溶液中的水分子通過半透膜時被分離的水處理技術。膜分離技術在水處理中的應用可以細分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、滲析、電滲析等[16]。此方法主要可降低水質中的濁度、硬度、電導率等。目前膜技術已經成功用于純水、海水淡化等水處理過程。與傳統分離法相比較，膜分離技術具有可常溫進行操作、工藝流程簡單等特點，但是半透膜造價較高。

張秀麗等[17]研究表明采用市政中水作為循環冷卻水補水的水源，結果表明，超濾—反滲透組合工藝(如圖4所示)對污水廠二級出水的處理效果良好，已達到再生水用于循環冷卻水的標準。劉政修等[18]研究表明采用超濾—反滲透組合工藝時，建議采用連續添加非氧化性殺菌滅藻劑或定期采用非氧化性殺菌滅藻劑對反滲透膜進行化學清洗。

3)生物和膜分離技術結合。

生物處理法與膜分離技術即由膜分離技術和傳統的活性污泥法組合的一種新型水處理技術(見圖5)，此法利用活性污泥進行固液分離，同時利用膜分離技術高效截留硝化細菌和活性污泥，同時去除水中難降解的大分子。可去除水質中的懸浮物、濁度、COD、氨氮等。在全世界范圍內，膜生物反應器已廣泛使用[15]。生物和膜分離技術結合技術具有自動化控制、操作管理方便、環境友好等優點。

建筑空調循環冷卻水系統補充水水源為市政自來水時，需要投加藥劑以緩蝕阻垢、殺菌滅藻等、設置水處理儀去除硬度，以穩定系統中水質。而采用作為建筑空調循環冷卻水系統的補充水時，通過上一節分析可知，經過中水經深度水處理后，可去除水中的細菌含量、COD、濁度，防止結垢腐蝕，不需要額外添加阻垢緩蝕劑。這樣既能滿足系統運行要求，也可以使循環冷卻水系統水質較高，最終使得循環冷卻水系統達到污水零排放。

4 經濟分析

以設計實例日補水600 m2的大型商業建筑空調循環冷卻水系統為例，利用自來水補水，水費按照北京非居民自來水價格為9元/m3，中水價格最高為3.5元/m3。與自來水相比，利用中水在水費方面每年可節省120.45萬元。不同深度水處理工藝成本不同，成本分析如表2所示。水處理系統投資主要包括水泵、膜組件、一體化裝置、超濾、反滲透等設備。土建費用主要包括調節池、清水池等構筑物。化學藥劑主要是自來水作為水源的阻垢緩蝕劑，石灰法中的消毒劑、混凝劑、硫酸，AOP技術中的次氯酸鈉。和UF-RO組合工藝和MBR-RO組合工藝中的消毒劑。通過分析可知，對于業主，中水回用于循環冷卻水系統，雖然設備投資比較高，但是對于長期運行來說，中水回用更經濟。

表2 深度水處理工藝成本分析[20]

5 結論

通過分析建筑循環冷卻水系統的水質要求及國內中水回用水質指標，羅列出了可行的中水回用于建筑循環冷卻水系統的水處理工藝，并對中水和自來水作為建筑循環冷卻水補充水進行技術經濟比較。結果表明：

1)從傳統的生化處理法發展到了最新的膜生物反應法、AOP技術，經處理后的水質均能滿足建筑循環冷卻水補充水水質要求；

2)在經濟方面，中水回用于建筑循環冷卻水系統，設備投資比較高，但是對于長期運行來說，中水回用更經濟。