雨水回用体系设计思路与方法

1工程概况

某著名外企在武汉设置了一工业园,该工业园由厂房、危险品仓库、变电站、污水处理站、油罐区以及一些辅助用房组成。工业园基地面积9.5万m2,主厂房占地面积约4万m2。主厂房单层彩钢板斜屋面面积37588m2,其余屋面为混凝土平屋面。彩钢板屋面面积大,有坡度,雨水集流快,雨水排放速度要求快,因此该部分屋面雨水排放采用压力流(虹吸式)雨水排放系统。主厂房屋面雨水经屋面雨水排放系统收集,经初期弃流后进入雨水回用系统原水池,然后经物化处理后回用于厂区绿化、空调冷却水补水、建筑内冲厕使用、消防补水。该项目为饮料灌装厂,项目用水量极大且用水种类多,近期2条生产线最高日用水量3300m3,工艺用水占2200m3,锅炉补水180m3,空调补水763m3。远期4条生产线各种用水量可按翻倍计算。工艺用水按水质区分为反渗透(RO)水和软化(Soft)水,由市政自来水经厂内的RO/Soft水处理站处理提供。锅炉补水由Soft水,空调补水由中水提供,其余卫生器具冲洗用水、绿化浇灌、室外场地冲洗、消防补水也均由中水提供,不过水量远小于空调补水量。该项目因排水需达到二级排放标准方许可外排入市政管网,因此项目内需设置供项目自用的污水处理站,全部生活污废水和生产工艺废水均需处理达标后方可排入市政管网。因LEED评奖的要求,本项目需要采用中水回用。因此污水处理站除按市政排放许可标准配置处理设备外,并配置了进一步的污水深度处理设备以满足中水回用水质要求。

2雨水回用系统工艺流程及水量平衡计算

对于本项目而言,中水的来源较多,中水原水水量也较大,近期2条生产线仅工艺生产废水原水量就达1500m3/d,远大于948.5m3/d的中水用水量,其中约200m3/d的工艺废水为优质中水水源,基本无需处理即可作为中水回用。另外的约1300m3/d的工艺废水需经深度处理后方可作为中水回用,其处理费用高于雨水(经初期弃流后)处理回用的费用。因此,经水量平衡计算,并应业主要求,将主厂房建筑屋面雨水(经过初期弃流)和工艺生产废水均作为中水水源,按处理工艺的难易程度确定不同中水水源的使用优先顺序。优质基本无需处理的工艺废水优先使用;雨水(经初期弃流后)回用次之;需深度处理的工艺废水处理后作为雨水回用系统在非降雨期或雨量不足期的补水,最末顺序使用。雨水收集池考虑按武汉地区1年一遇日降雨量为60mm,拟设容积为2000m3的雨水收集池1座。考虑厂区内雨水清水池与消防水池合用,雨水清水储存容积为远期4条生产线时雨水回用最高日用水量的20%,为1793×20%=360(m3)。近、远期雨水回用量计算结果见表1。从水量平衡表可知,平均日与最高日雨水回用量基本相同,雨水回用的核心用水量为空调补水。该空调补水与一般建筑物空调补水的概念不同,指的是工艺冷却塔和冷冻机组为生产线上的各种设备提供的冷冻水和冷却水的补水,其补水量和每天生产产品的数量成正比,该厂生产线运行机制为一日3班,24h不停机,全年开机运行。生产线一旦确定,则空调补水量也随之确定,每天都为一个比较恒定的需水量。因目前仅开通2条生产线,而远期还将投产2条同样生产线,故远期空调补水量为近期空调补水量的2倍。近期空调补水量为工艺冷却塔和冷冻机组设备商根据生产线配置情况提供的确切数量。关于雨水收集池容积大小的确定,规范要求:不小于集水面重现期1~2年的日雨水设计径流总量扣除设计初期径流量。关于雨水回用最高日设计用水量,规范要求:不小于集水面日雨水设计径流总量的40%。以上两条,本项目设计均满足。意即,本项目设计收集的雨水近期可保证在3天内即时用完,远期仅需1天多一点的时间,即可使用完毕。因本项目主要将雨水用于空调补水,该空调主要用于生产工艺使用,全年四季均需使用,用水量恒定,因此可保证本项目的雨水回用效率很高。

3雨水回用系统设计

本项目主厂房屋面为彩钢板斜屋面,且单块屋面面积较大,有条件也比较适合采用压力流(虹吸式)雨水排水系统,相对于普通87斗雨水系统,雨水立管数量大为减少,因此有条件针对每条雨水立管设置合适的初期雨水弃流装置。本项目设计之始,我们即试图寻找一种简便、可靠、造价低,而且能配合建筑美观要求的初期雨水弃流装置。因当时雨水回用系统尚不普及,市面上成套产品不多,而且多数并未经受长期工程实践运行的考验,产品并不成熟。经调查考研,我们归纳出设计初期雨水弃流装置的4个要求:①初期雨水弃流管路简单,和收集雨水管路的转换迅速;②初期雨水弃流量精确度需达到工程使用级别,最重要是初期弃流量应可以粗略调整;③初期雨水弃流装置应是自动控制,并能控制避免间歇时间短暂的连续降雨间不必要的弃流动作;④初期雨水弃流装置应适合雨水水质比较恶劣的工况,尽量避免堵塞,有一定的自清能力,存在少量堵塞物的情况下,初期雨水弃流装置仍能有效运行(这一点主要针对当时一些雨水设备厂家的弃流阀多采用电动给水阀或电磁阀,经一段时间使用后,发现弃流阀大多被雨水中杂物堵塞,使整个弃流装置失去效果的情况)。

3.1初期雨水弃流管路系统设计通过水位高差和水重力自流的原理,实现了弃流管路和收集管路的简单转换,并且转换阀门设置于室外阀门井内,建筑立面除雨水立管外,无突出的任何多余装置,保证了建筑立面美观要求。由图2可见,弃流阀采用了刀型电动污水闸阀,相对于电动给水闸阀、电磁阀,该种阀门没有阀腔,仅由一片升降式的刀型闸板上下滑动来切断水流,闸门过水时即使有杂质卡住闸板使之不能关闭到底,仍能实现截断管段中的大部分流量,同时由于闸板处水流流速加大,对杂质的冲刷力度加大,从而实现阀门自清。弃流管路低于收集管路,初期弃流时,弃流阀为打开状态,雨水从下部弃流管路进入室外雨水排放管路。弃流完成后,弃流阀关闭,雨水继续流入管路,水位上涨,达到收集管路水位后,进入收集管路。一次降雨收集过程完成后,弃流阀恢复常开状态,将上次降雨时管道中余水排入室外雨水排放管路,进入等待下一次降雨弃流、收集的状态。这一系统满足了前述①、②点的要求。

3.2自动喷灌系统的雨量监测器在初期雨水弃流系统上的运用关于初期雨水弃流装置的原理多种多样,按照工程实际需要安装于单一立管上的多为流量型或雨量型初期雨水弃流装置。厂家出于技术保护的目的,往往对其产品技术上如何实现初期弃流的关键部件或控制原理语焉不详。而且通过我们对其产品的了解,控制避免间歇时间短暂的连续降雨间不必要的弃流动作的设备均不够成熟。也即是说,其产品要么缺乏雨停监测设备,导致不管连续降雨的间隔时间多么短暂,每场降雨都会进行初期弃流;要么需要单独设置雨停监测设备,导致初期雨水弃流装置的控制电路极其复杂,故障率上升。并且各家产品有不同做法,导致产品差价很大,性能相差也很大,产品型号、规格、名称均无标准。经过寻找,我们发现普遍使用于自动喷灌系统的雨量监测器可以很好地满足前述设计初期雨水弃流装置的4个要求中的第②、③点要求,而且产品成熟,控制线路简单,价格便宜,同类产品至少有3家以上品牌可供业主选择。如:TORO(美国托罗)的雨量监测探头;美国KRAIN的R200雨量监测探头;美国HUNT-ER的MiniCLIK和RAINCLIK雨量监测探头。自动喷灌系统的雨量监测器需要控制:当降雨超过设定启动雨量时(3~25mm可调,所谓启动雨量指的是喷灌系统在微雨时,也即降雨初期,因降雨量尚不足满足灌溉要求,此时喷灌系统仍保持工作,直到降雨量达到一定强度,才会停止自动喷灌系统的工作,这个启动雨量在时间以及数值上均和初期弃流的3mm理论相吻合),自动喷灌系统停止工作,间隔时间短的连续降雨之间,保持自动喷灌系统停止工作的状态。比较自动弃流装置的控制要求:当降雨超过设定弃流雨量(3~25mm可调)大小时,弃流阀关闭,间隔时间短的连续降雨之间,保持弃流阀关闭(避免不必要的多次弃流)。可知,两者要求完全一致。因此完全可以将自动喷灌系统的雨量监测器应用于自动弃流装置的控制上。关于雨量监测探头如何实现以上②、③点的控制要求,本文仅以美国HUNTER的MiniCLIK(见图3、图4)为例进行说明。由图4可知,该探头由多片合成木纤维质圆环片套在中心杆,底部有两片金属接触片以及连接电线,外部由带顶部镂空进水圆环的塑料外壳以及可调节吸水膨胀片间隙大小的三档调节按钮组成。该探头所有吸水膨胀片均为特殊工艺制作,膨胀率(收缩率)为固定值。平时干燥状态时,上下金属接触片自然分开,电路处于断路关闭状态;降雨时雨水进入探头,膨胀片吸水膨胀,将上下金属接触片压紧,电路处于联通开启状态。膨胀片吸满水后,在雨停的状态下,需要经过大约24h(具体时间长短需视环境温湿度而定,一般不超过2d)方可将水分挥发干净,膨胀片收缩至原有体积,上下金属接触片依靠自身弹性分开,电路恢复断路关闭状态。依靠膨胀片吸收的水分挥发其所需的时间滞后(因连续降雨时间间隔短,膨胀片吸水水分尚未挥发完就又有雨水进入探头,使探头复位时间拖后),从而避免了间歇时间短暂的连续降雨间不必要的弃流动作。该探头的电路断开/导通两种状态,对应于弃流阀的开/关两种状态,在电气控制线路上很容易就能实现弃流装置的自动控制。对于一般工程而言,雨水回用系统解决雨水收集的问题后,因雨水处理工艺比较简单,其后续设计过程均比较简单,不再赘述。

4不同再生水的优质优用对本项目而言,因雨水、中水系统合而为一,并有优先使用的要求,因此中水、雨水系统运行控制原理是本设计需要解决的一个重要任务。本项目主厂房屋面雨水经初期弃流后,由室外雨水收集管路收集进入室外地下雨水收集池,室外地下雨水收集池和室外中水消防水池、中水消防回用泵房为一体结构。地下1层为2000m3有效容积的雨水收集池,地面1层为1000m3有效容积的消防中水水池及泵房,泵房内有消防水泵、中水回用水泵、雨水处理设备等。中水设备运行控制原理(主要水位标高参见图5):中水设备的开机/关机由中水消防合用水池以及雨水收集池的液位仪电信号控制。污水处理站的稀PAA处理水(即前述优质工艺废水)直接泵送进中水消防合用水池,浓PAA、CIP废水(即前述需深度处理的工艺废水)经深度处理后由水泵送入雨水收集池,水泵位于污水处理站内。Soft反冲洗废水由Soft水处理站重力流入雨水收集池(Soft反冲洗废水水质略优于雨水水质,经过雨水处理设备处理后也可作为中水回用)。中水使用原则:稀PAA处理水优先使用,雨水/Soft反冲洗废水次之,深度处理废水再次之使用,市政自来水作为紧急情况的备用。

当合用水池水位到达稀PAA处理设备开机水位时,稀PAA进水阀打开,稀PAA处理设备同时开机,当合用水池水位到达所有中水设备关机水位时,稀PAA处理设备关机。当合用水池水位低至雨水设备开机水位时,雨水处理设备和雨水提升泵开机,当水位到达所有中水设备关机水位时,雨水处理设备和雨水提升泵停机。当合用水池水位再低至市政补水开始水位时,市政自来水开始补水,当水池水位达到市政补水停止水位时,市政自来水停止补水。当埋地雨水收集池水位降至废水深度处理设备开机水位时,CIP和浓PAA废水深度处理设备开机并向雨水收集池补水;当埋地雨水收集池水位升至废水深度处理设备关机水位时,废水深度处理设备关机并停止向雨水收集池补水。雨水收集池水位低至雨水处理设备保护性强制停机水位时,雨水提升泵和雨水处理设备电源被强制关闭。液位仪并提供报警信号至值班室,由值班人员人工检查废水深度处理设备运行情况,当确认废水深度处理设备运行正常,雨水收集池水位上升回复至废水深度处理设备开机水位后,人工复位雨水提升泵和雨水处理设备至自动控制运行状态。Soft反冲洗废水排入雨水收集池,不受限制,多余水溢流至市政雨水管道。Soft反冲洗废水水质好于雨水水质,因此可直排入市政雨水管道。钢屋面回收的雨水直接排入埋地雨水收集池,超过雨水收集池储存能力的多余雨水通过溢流管排入市政雨水管道。通过以上水位控制原理,实现了系统的自动运行,并满足了不同水质水源优先使用顺序的排列。需要指出的是,所有不同设备的运行均由液位仪自动控制运行,污水处理系统/雨水处理系统/Soft水处理系统/中水回用系统之间没有相互的联动关系,这样避免了复杂的联动控制和由于某一系统故障导致整个体系出现故障的隐患。该工程已于2008年竣工投入使用,并获得美国LEED认证银奖。