夏樹威 楊巧云 孫麗華

(1.中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100044； 2.北京建筑大學(xué)，北京 100044)

“十三五”計(jì)劃中，國家要求缺水城市中水回用利用率達(dá)到20%以上。在建筑給水排水設(shè)計(jì)中，中水系統(tǒng)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(nèi)自建中水處理站為例，中水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將建筑內(nèi)空調(diào)冷卻水、洗衣、淋浴、盥洗、廚房等排水收集經(jīng)處理后回用于衛(wèi)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(jù)案例分析可知[1]，大型公共建筑(除辦公樓和教學(xué)樓)的中水回用率均難以達(dá)到20%以上。隨著人們對(duì)中央空調(diào)的需求日益加大，大型醫(yī)院、商場(chǎng)、酒店、寫字樓、車站、飛機(jī)場(chǎng)等人員密集場(chǎng)所均有中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)。而循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分其補(bǔ)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(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水水源，可將中水回用率提高到30%以上。中水水質(zhì)比自來水水質(zhì)差，需進(jìn)行深度處理達(dá)到循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行回用。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

早在1926年，美國亞利桑那州以公園廢水為中水水源，經(jīng)處理后回用于沖廁、綠化和冷卻水等。1977年日本已開始實(shí)行建筑中水回用于空調(diào)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水的措施，如千葉縣四道街商場(chǎng)，以廚房和廁所排水作為中水原水，處理后用于沖廁和空調(diào)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水，中水生產(chǎn)規(guī)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(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水；發(fā)達(dá)國家都相繼走上了污水回用的道路，以彌補(bǔ)日益缺乏的水資源[3]。

1990年，北京某假日酒店中水設(shè)施已投入運(yùn)行，生產(chǎn)規(guī)模為160 m3/d。原水為洗浴、洗衣廢水，經(jīng)處理后用于沖廁和冷卻塔補(bǔ)充水[4]。楊偉帥等[5]研究表明中水作為地鐵空調(diào)循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水在技術(shù)上是可行的，補(bǔ)充水量越大越有利于節(jié)約成本。因此，未來國內(nèi)中水回用在建筑循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水方面能夠大力推廣，會(huì)帶來很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)利益。

2 水質(zhì)分析

2.1 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

表1 國內(nèi)外集中空調(diào)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水水質(zhì)要求

2.2 原水水質(zhì)

《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中洗車用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)最高。建筑循環(huán)冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與中水回用于生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較，其中洗車用水除了硬度外，均能滿足建筑循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)要求。趙嘉俊等[8]指出市政中水水質(zhì)與自來水水質(zhì)相比水質(zhì)較差，市政中水比自來水中含有更多的有機(jī)物、氮、磷，鈣、鎂、懸浮物等，市政中水的電導(dǎo)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(zhì)影響因素

1)Cl-濃度值。水中的Cl-是對(duì)碳鋼材質(zhì)腐蝕影響最大的陰離子，Cl-會(huì)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(huán)冷卻水系統(tǒng)中Cl-濃度必須控制在1 000 mg/L以下，否則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。建筑內(nèi)循環(huán)冷卻水濃縮倍數(shù)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(dǎo)率。電導(dǎo)率即水的含鹽量(也稱礦化度)表示水含鹽類的數(shù)量的重要指標(biāo)。水中的鹽分含量超標(biāo)時(shí)，會(huì)造成整個(gè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕、微生物、藻類的繁殖，最終產(chǎn)生菌藻黏泥和腐蝕碎片堵塞管道或設(shè)備。黃長山等[11]研究表明控制初始電導(dǎo)率在500 μs/cm～700 μs/cm，基本能保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)處于不結(jié)垢的穩(wěn)定狀態(tài)。

3 水處理工藝

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

中水回用于建筑循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的深度水處理工藝主要包括三種[13]：

1)物理化學(xué)處理法。

混凝澄清法即通過混凝劑將水中細(xì)小懸浮物和膠體凝聚成絮凝體，然后進(jìn)行分離除去的水處理工藝，主要可以降低水質(zhì)中濁度、硬度等。由于占地面積小、控制管理簡單等特點(diǎn)，石灰混凝法是目前中水回用于建筑循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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(zhì)中的濁度、總硬度、氨氮和COD。同時(shí)石灰混凝處理需與混凝劑、助凝劑同時(shí)使用，這樣達(dá)到的效果最佳，處理后的水質(zhì)達(dá)到了建筑循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，具體流程如圖2所示。

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

2)膜分離技術(shù)。

膜分離技術(shù)即利用水溶液中的水分子通過半透膜時(shí)被分離的水處理技術(shù)。膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用可以細(xì)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(zhì)中的濁度、硬度、電導(dǎo)率等。目前膜技術(shù)已經(jīng)成功用于純水、海水淡化等水處理過程。與傳統(tǒng)分離法相比較，膜分離技術(shù)具有可常溫進(jìn)行操作、工藝流程簡單等特點(diǎn)，但是半透膜造價(jià)較高。

張秀麗等[17]研究表明采用市政中水作為循環(huán)冷卻水補(bǔ)水的水源，結(jié)果表明，超濾—反滲透組合工藝(如圖4所示)對(duì)污水廠二級(jí)出水的處理效果良好，已達(dá)到再生水用于循環(huán)冷卻水的標(biāo)準(zhǔn)。劉政修等[18]研究表明采用超濾—反滲透組合工藝時(shí)，建議采用連續(xù)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(duì)反滲透膜進(jìn)行化學(xué)清洗。

3)生物和膜分離技術(shù)結(jié)合。

生物處理法與膜分離技術(shù)即由膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)的活性污泥法組合的一種新型水處理技術(shù)(見圖5)，此法利用活性污泥進(jìn)行固液分離，同時(shí)利用膜分離技術(shù)高效截留硝化細(xì)菌和活性污泥，同時(shí)去除水中難降解的大分子?？扇コ|(zhì)中的懸浮物、濁度、COD、氨氮等。在全世界范圍內(nèi)，膜生物反應(yīng)器已廣泛使用[15]。生物和膜分離技術(shù)結(jié)合技術(shù)具有自動(dòng)化控制、操作管理方便、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

建筑空調(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水水源為市政自來水時(shí)，需要投加藥劑以緩蝕阻垢、殺菌滅藻等、設(shè)置水處理儀去除硬度，以穩(wěn)定系統(tǒng)中水質(zhì)。而采用作為建筑空調(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水時(shí)，通過上一節(jié)分析可知，經(jīng)過中水經(jīng)深度水處理后，可去除水中的細(xì)菌含量、COD、濁度，防止結(jié)垢腐蝕，不需要額外添加阻垢緩蝕劑。這樣既能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，也可以使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)較高，最終使得循環(huán)冷卻水系統(tǒng)達(dá)到污水零排放。

4 經(jīng)濟(jì)分析

以設(shè)計(jì)實(shí)例日補(bǔ)水600 m2的大型商業(yè)建筑空調(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為例，利用自來水補(bǔ)水，水費(fèi)按照北京非居民自來水價(jià)格為9元/m3，中水價(jià)格最高為3.5元/m3。與自來水相比，利用中水在水費(fèi)方面每年可節(jié)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(tǒng)投資主要包括水泵、膜組件、一體化裝置、超濾、反滲透等設(shè)備。土建費(fèi)用主要包括調(diào)節(jié)池、清水池等構(gòu)筑物。化學(xué)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(shù)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(duì)于業(yè)主，中水回用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，雖然設(shè)備投資比較高，但是對(duì)于長期運(yùn)行來說，中水回用更經(jīng)濟(jì)。

表2 深度水處理工藝成本分析[20]

5 結(jié)論

通過分析建筑循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)要求及國內(nèi)中水回用水質(zhì)指標(biāo)，羅列出了可行的中水回用于建筑循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水處理工藝，并對(duì)中水和自來水作為建筑循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。結(jié)果表明：

1)從傳統(tǒng)的生化處理法發(fā)展到了最新的膜生物反應(yīng)法、AOP技術(shù)，經(jīng)處理后的水質(zhì)均能滿足建筑循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水水質(zhì)要求；

2)在經(jīng)濟(jì)方面，中水回用于建筑循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，設(shè)備投資比較高，但是對(duì)于長期運(yùn)行來說，中水回用更經(jīng)濟(jì)。