基于系統(tǒng)動力學模型的建筑物中水回用技術評價研究

焦永樂

(太原市政建設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)化為中水的技術稱為中水處理技術。中水處理技術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，也是確保可持續(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。首先，介紹和分析了建筑物的中水回用技術；其次，構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

1.1 中水水源選用

中水水源是確保中水水質(zhì)和中水處理技術的基礎。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，中水水源集流設施和中水處理設施。此外，還有增壓出水設備。

中水水源集流設施包括建筑物內(nèi)外的集流管道系統(tǒng)，集流設施方案如圖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

中水處理設施是整個中水處理系統(tǒng)的核心。中水處理設施按照處理流程可以劃分為中水預處理設施、中水主處理設施和中水深處理設施。其中預處理設施主要有化糞池、油水分離器、濾網(wǎng)等；主處理設施是一套較為復雜的設備，包括生物和化學處理裝置；深處理設施類型較多，常用的設備包括混凝沉淀、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，其處理工藝的設計也會有很大的區(qū)別，本文設計的中水處理系統(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。混凝氣浮首先利用化學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。由于中水回用技術的設備復雜，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計中水回用系統(tǒng)，而科學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)的設計與安裝有關，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。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樓、辦公樓、學生宿舍以及餐廳等。中水處理系統(tǒng)的水源主要是學生宿舍和教學辦公區(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)動力學理論構建評價中水處理系統(tǒng)的SD模型。系統(tǒng)動力學能夠不依靠歷史數(shù)據(jù)，基于結(jié)構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給出了學校自來水用水量和學校總用水量的預測結(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給出了學校中水使用量的預測結(jié)果。預測結(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 用水量預測結(jié)果

圖4 中水使用量預測結(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)動力學模型構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。