学生宿舍生活污水二次利用系统设计

学生宿舍生活污水二次利用系统设计研究报告信息工程学院 徐增指导教师 张燕君2005年2月 课题组成员 课题负责人：徐增 指导教师：张燕君 参加人：刘彬 叶珊宇 周荣 目录前言 1一、 学生宿舍给排水系统现状及项目设计思路2二、项目设计内容说明21、系统的基本流程32、蓄水处理箱的工作原理5（1）预处理间7 （2）溢流管 8 （3）污泥与水位观测管8（4）滤料层及反冲系统8 （5）处理水贮水间9三、模拟实验研究 101、过滤实验 10（1） 实验目的10（2） 实验方法10（3） 数据处理10（4） 实验结论122、滤料反冲洗实验12（1） 实验目的12（2） 实验方法12（3） 数据处理13（4） 实验结论14结束语 15 参考文献16 附件前言 水是人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源。水在维持生命和环境中有着极为重要的作用。可以说，水是生命的摇篮，水是地球的血液。从全球来看，全球水储量共约13.86亿立方千米，其中包括海洋水在内的全部咸水储量占总储量的97.5%，约13.5亿立方千米，而淡水储量包括冰川与永久积雪，地下淡水，河流等水体，大气中的水分和生物体中的水分等在内，只占水总储量的2.5%，约0.35亿立方千米，其中人类难以利用的如冰川和永久积雪，永冻地层中的水就占淡水总储量的69.5%，地下淡水量占淡水总储量的30.1%，人类能够开发利用的地下水只占其极少的一部分。可见，全球水资源面临严重短缺，而可供人类利用的水资源，更是微乎其微。20世纪初以来，全球工业化不断发展，城市化速度加快，居民生活水平不断提高，使全球用水和取水的量不断增加，尤其是第二次世界大战以来，工农业发展的迅速加快，世界人口的迅猛增加，导致用水取水量的大幅度增加，水资源短缺日益加剧。20世纪世界人口增加了近3倍，淡水消耗量增加了约6倍，目前世界上的人口约有1/3还处于极度缺水状态，水资源问题将成为21世纪全球资源环境的首要问题，水危机正是全人类面临的重大环境问题，随着水资源危机的加剧和水环境质量的不断恶化，水资源短缺正演变成世界倍受关注的资源环境问题之一。现在可用六个字概括我国的水环境现状：“水多、水少、水脏”。“水多”是指滥伐森林，乱垦草原，生态环境破坏，水土流失严重，每年雨季有造成洪水泛滥。抗洪抢险，春夏之际让人时时刻刻不得轻松。“水少”是指我国属于世界缺水国家。我国虽然有每年水资源总量的2.8万亿立方米巨大数字，居世界第六位，但被巨大的分母一除，人均占有量仅为2400立方米，不到世界人均水平的1/4，位居世界第110位。再加上不合理的开发，利用，使一些源泉枯竭，河流干涸。 “水脏”是我国水环境水质不断恶化。全国每年污水排放量近40亿吨，80%以上未经处理直接排入江河湖泊，实际上城市生活污水净化处理的乃不足10%。全国有80%的河流水质不符和渔业标准。全国25%的主要湖泊水质副营养化污染，尤其以淮河、滇池等为代表。海域赤潮等每年发生，年均发生30多起，渤海污染严重。更为严重的是，一些地区居民因饮用被污染的水源水，患肠道传染病，病毒性肝炎，伤寒等，身体健康受到危害，甚至造成死亡。中国缺水，已非一日！水资源缺乏和水域污染已成为我国经济和社会发展的制约因素，我国也被联合国列为13个水资源贫乏的国家之一。目前，我国城市面临最大的水问题：一是城市污水排放量大，污水有效处理率低，城市水域普遍污染，供水水源遭受污染，供水质量难以保证，进而加剧供需矛盾；而是用水效率普遍较低，浪费现象十分严重；三是用水政策滞后，水资源的有效利用和科学化管理水平较低。在城市用水群体中，公共场所和集体宿舍等部门是最难以管理的，其用水量也是非常庞大的，这也是我国开展节水工程所要面对的主要群体之一。我国大中专院校近些年来在不断扩招，现在我国在校学生数量正逐年剧增，这一庞大群体的用水量也不是一个小数目。面对这一状况，我课题组研究并设计了这一套应用于学生宿舍楼中的节水系统，希望该系统能对我国的节水工程发挥一些积极的作用。二、 学生宿舍给排水系统现状及项目设计思路现今，大多数大中专院校学生宿舍楼中学生日常生活，诸如洗漱、清洁以及冲厕均直接来源于自来水，而后直接排入下水道，图1（见下页）为现今大多数学生宿舍采用的给排水系统的示意图，这其中冲厕用水便要占生活用水中不小的一部分，因此，考虑到提高用水效率，可将学生洗漱、清洁用水经过简单处理之后用作冲厕水的来源，进而可以从中节约很大一部分清洁的自来水。若该系统经过在学生宿舍中实际安装并使用后证明其可行性，再将其推广到其它学生宿舍以及某些类似于学生宿舍的公寓中，其产生的效益应该是相当可观的。二、项目设计内容说明该项目以节约用水、提高用水效率为主要目的，并本着简单实用的原则，设计了一套安装于学生宿舍楼中，将学生日常生活中产生的污水经过简单的流程处理后以供冲厕之用的系统。 1、 系统的基本流程如图2，该系统将原本从洗手池直接流入下水道的污水引入下层悬置于便池上方的一蓄水处理箱中，从而将其与冲厕之后的污水分离开来用作下层冲厕的水源。而经过蓄水处理箱处理后产生的沉淀以及其它污物将通过管道与冲厕之后的污水连接起来，一并排入下水道，通过蓄水处理箱简单处理后的污水将储存在蓄水箱中以便冲厕之用。 自来水 （反冲）（补给） 冲厕 （主要流向） 生活污水 毛发收集器 蓄水处理箱 下水道 （污物及多余水量流向） 图2 该系统设计的基本流程图 根据我校男生宿舍学一楼的实际情况，现将该系统设计的平面示意图绘制如图3所示。自来水经使用后便成为含有一定杂物的生活污水，其通过水池的下水管道流入下层蓄水箱，这个过程有三个地方需要注意。一是水池下水管道口需安装一个可以起初步过滤的过滤装置地漏，该地漏要求可以不很高，只要能过滤一些大的悬浮物，如塑料袋、大的食物颗粒、部分茶叶等，其孔径设计可以参照市场上销售的家庭用下水道地漏的标准。二是位于水池下方欲安装一个毛发收集器，对从水池中排下的污水中未被滤除的毛发进行收集处理，以防止其进入下面的流程中阻塞管道以及滤料装置，毛发收集器的设计参考图4。 因该项目组成员作图水平有限，现简述如下，毛发收集器的整体外观设计为一个圆柱状，上口直接安装地漏，下口为出水口。圆柱体内部即毛发收集器的主体，若干根毛刷均匀且较细密地垂直于地漏排列于该圆柱体内，将这些毛刷固定在一个整体框架上，使之在取掉地漏后能方便地与该框架一起从圆柱体内取出。该毛发收集器不仅能有效地阻拦污水中的毛发进入系统中下个环节，而且能够截住污水中会影响以后水处理过程中部分颗粒较大的污物，因此该毛发收集器可以有效地缓解下个环节中水处理的压力。并且它结构简单而显得装取时很简便。污水从水池进入下层蓄水箱还有一个地方需要注意，那便是这之间的管道，这段管道最好有两处弯折，这样可以减小污水进入蓄水箱对蓄水箱直接造成的冲力。2、 蓄水处理箱的工作原理图5所示即该系统的核心部位蓄水处理箱的平面设计图，之所以将其称之为蓄水处理箱，是因为它对由上层排入的水有简单处理以及贮存的双重作用。蓄水处理箱悬置于该楼层便池上方、上层排污管道下方，根据不同的宿舍卫生间的实际情况用铁三角架将其固定。蓄水箱的尺寸大小也要根据不同情况而定。根据卫生间的实际情况，可将该蓄水箱设计为一长方体状，置于距地面约2m处，运用陶瓷材料制成，这样成本会比较低，且外观比较美观，不会对现有管道造成太大影响，也不致影响到学生们方便。为了验证该系统的可行性，课题组利用假期购买了相关材料，在工人师傅的帮助下根据图5自制了一个蓄水处理箱模型，该模型的外观及内部结构见以下两张图片：在实验中，我课题组利用该模型观察水体在其间的流动状况，结果还是令人较为满意的，也验证了该系统的可行性。该蓄水处理箱主要分为以下几部分：预处理间、处理水贮水间、溢流管、污泥与水位观测管、滤料层、反冲喷头等。现分别对其结构及作用详述如下：（1）预处理间右端被隔板隔开的空间为预处理间，上方为进污管道，将其设计为伸入预处理间中部且出口弯向上，这样可以减小污水对水箱的直接冲力，也不致对预处理间上层的水搅动太大。下方为一直径约为10cm的漏斗状排污口，排污口上方15cm处设置一孔径较大且略向下呈漏斗状的滤网，以便沉淀物沉积于该滤网下，而不会因进污管道排入的污水使已沉淀物搅动太大而翻起。要使该滤网不易被堵，这就要求从进污管道排入的污水中杂质颗粒不能过大，这样也易使滤网上方的杂质通过滤网进入漏斗状排污口处。排污口处下方为一可以手工操作的出水阀门，大多数时间该阀门为封闭状态，当阀门开启时，沉积于漏斗状排污口的污物将同预处理间的水一并流入下水道。因为预处理间中除阀门开启时，其它时候均储有污水，这样可以保证预处理间中沉积物不致凝结，而能在阀门开启时顺利排入下水道中。（2）溢流管蓄水箱左侧壁上方距箱顶34cm处设有一个连接下水道的管道，我们将其称为溢流管。当蓄水箱中贮水量过多的时候，在其未达到箱顶时，多余的贮水便会顺着该溢流管流入下水道。这种情况在蓄水箱实际应用当中不会发生太多。当贮水量一定，冲厕水量大于处理水量时，这种情况便不会发生；当处理水量大于冲厕水量时，贮水箱将多余的水排入下水道。显然后一种情况在实际应用中会造成滤料层反冲洗周期缩短。（3）污泥与水位观测管在蓄水处理箱的右外侧，有一根透明观测管，其两端分别与预处理间右侧底部的污泥沉积区和蓄水处理箱外上部的进污管相连通，我们将其称为污泥与水位观测管，通过它，我们不仅能观测到预处理间底部污泥沉积的厚度情况，还能观测到预处理间污水的水位，进而可以判断滤料层的堵塞情况，进而采取排泥或对滤料层进行反冲洗的措施。 （4）滤料层及反冲系统预处理间与处理水贮水间之间是两块隔板，这两块隔板要求能承受一定的水压而不致破裂，滤料层便位于这两块隔板之间。右隔板与蓄水处理箱右壁相距约10厘米，即右隔板紧贴漏斗状排污口左端，其高度低于溢流管高度（其高度设计以及具体分析过程见后续实验）。左隔板与右隔板相距15厘米，它将蓄水箱分隔成两个空间，这两个空间由左隔板下方的漏洞相通。左隔板与右隔板之间设置滤料层，滤料层的下底面位于左隔板下方漏洞的上侧，该底面为坚固的承托层，承托层以上为粒径较小的滤料；滤料上表面与蓄水箱箱底的高度差小于右隔板的高度，以防止在反冲过程中滤料进入预处理间。当我们通过污泥与水位观测管观测到水位高于溢流管且持续时间较长时，我们可以断定此时滤料层已发生较严重的堵塞情况，这时开启预处理间底部的阀门进行排泥排污水，使预处理间的水位底于右隔板的高度，在将阀门关闭，一段时间后观察污泥与水位观测管中水位是否有所回升，若有所回升，我们可知原来处理水贮水间的水位高于右隔板高度，这两者之间存在着一个水位差。在开启并关闭排泥阀门后，由于水位差的存在，贮水间的水会自动对滤料层进行反冲洗，直到贮水间的水位回落到与右隔板相同的高度时停止反冲。以上情况均假设在排泥阀门开启、关闭前后进污管无污水流入、贮水间无处理水流出。若是污泥与水位观测管中水位没有回升，则说明贮水间的存水量还不足以对滤料层进行反冲。针对该情况，我们再增设一套滤料层的反冲洗系统。从自来水管引一条穿过蓄水箱底部抵达滤料层下部的水管，水管连接两排固定在滤料层下侧的喷头，这两排喷头分别位于滤料层的两侧，且喷头出水口略偏向滤料层中央，这样有利于提高反冲洗效率。当上述的后一种情况发生时，工作人员便可开启反冲洗管道的开关，对滤料层进行反冲洗。考虑到反冲洗过程中，滤料层会整体向上移动，我们可以在盛放滤料的装置中安装一些较疏松的隔栅，打乱反冲洗中水的流向，进而减少水对滤层的直接冲力。如果以上两种情况的前者在该系统的实际应用中较为常见，那应该是喜人的，因为这样无需人工操作对滤层进行反冲，其内部已可进行“自我修复”。如果不是这样，我们还有一套人工操作的反冲洗系统作为后盾，借此使整个系统处于一个高效率的工作状态。（5）处理水贮水间预处理间的污水进入贮水间后便是可供冲厕用的水源了。蓄水间的贮水与便池间有2米左右的重力势差，这种势差可提供贮水产生一定的冲厕冲力。设存在一个能够产生冲厕水压的最低水位线，该水位线的高度可用一次冲厕需水量的体积除以处理水贮水间的底面积得出，当贮水位于该水位线时，贮水正好可以用来提供一次冲厕所需的水量及冲力。位于蓄水箱左端与最低水位线同高度处安装一个与自来水连接的连通器，当贮水低于最低水位线时，连通器便开始工作，将自来水引入蓄水箱，当水位线重新达到最低水位线时，连通器停止工作。故连通器起到一个对贮水箱的贮水提供补给的功能。考虑到该系统中，尤其是蓄水处理箱中一些零件及滤料的使用寿命，该系统中的一些管道应根据实际情况多设置些接口以便系统检修以及零件和滤料的及时更换。三、模拟实验研究蓄水处理箱中起过滤作用的滤料层的相关实验，其细节内容描述如下：1、 过滤实验（1） 实验目的由于水箱当中要涉及到过滤，因此实验选择滤料，以及此滤料的过滤效果和过滤时间和速度变化的关系。（2）实验方法1、取一矿泉水瓶，把底部切掉，这样就以原先瓶口为底部，装上一层砾石作为承托层，上面放粒径为0.5mm的沙子作为滤料，顶部在放一层砾石用来分散水的冲力。 2、将滤料进行一次冲洗，冲洗强度逐渐加大，几分钟后，停止冲洗，以便除去滤层内的气泡。 3、取6只烧杯及污水，6只烧杯各放100ml污水，依次倒入装置这进行过滤，并记录下每杯水过滤的时间，然后用光电式浊度仪测出每次过滤后水的浊度以及原水的浊度。 4、重复步骤2、3两次，并记录下数据。 （3）数据处理表1过滤历时（s）出水浊度（透光率）过滤历时（s）出水浊度（透光率）过滤历时（s）出水浊度（透光率）22.3860.125.9489.824.6487.349.0544.958.2982.149.8577.873.4748135.1685.376.4678.197.3341.2254.8186.9105.4280124.8949.3459.0991.3140.4182.5155.1553.9783.8893.5186.9685.2 原水浊度为透光率7%曲线1 根据表1中数据，以时间为横坐标，出水浊度为纵坐标，绘制了出水浊度与时间的变化曲线。 由于每次都过滤100ml的污水，在除以时间就是出水量，由此绘制的过滤时间与出水量的关系曲线如下：曲线2 （4）实验结论 由数据可看出，第一组数据由于操作不当不符合一般规律，故分析时不作考虑。根据曲线1看出二、三组实验在过滤后的水一般都在80%以上，符合冲厕所的要求，说明滤料符合我们的预期要求；并且随着时间的增加透光率呈上升趋势，说明滤料的孔隙越来越小。 从曲线2可以看出过滤时间与出水量的变化趋势，随着时间的变化，出水量越来越小，说明滤料的堵塞情况越来越严重。在实际应用中，可以根据具体情况人为规定出水量是原来的多少时开始进行反冲洗。2、 滤料反冲洗实验（1）实验目的由于水箱中反冲洗会使滤料膨胀，并且要使滤料冲洗充分即保持一定的液面差，我们必须确定水箱高度、右隔板高度与滤层厚度、膨胀率以及滤料的关系，以便为设计提供参数，为此设计该实验。（2）实验方法1、 将以上装置这滤料上层的石子取出，以便进行反冲洗实验。2、 将自来水龙头旋至某一固定位置，待水量稳定后，用烧杯接取10秒钟的出水量，以便计算出水量。并保持自来水流量不变，即不再移动水龙头开关。3、 将装置的下端口通过瓶塞和皮管与自来水龙头相连接，对滤料进行反冲洗，并记下此时滤层膨胀的厚度。4、重复步骤2、3五次，改变每次自来水的流量。作完后测量滤层的厚度，以便计算膨胀率。5、标记滤层上下两点，然后将滤料等东西取出，装满水后记录下两点之间的液面差以及体积差，计算出滤层的截面面积，进而算出冲洗强度。 6、用托盘天平称出以上作为滤料的干燥的沙子20克，将其倒入量筒内，读出体积，并由此计算出沙子的密度。（3）数据处理表2反洗10s的水量(ml)滤层膨胀厚度(cm)反洗强度(cm/s)膨胀率h（cm）1054.50.319112.50%115.6122.54.60.372115%126.11404.80.476120%1471805.20.547130%189.12155.60.653140%231.12405.80.729145%239420g沙子的体积为13.5ml，即密度为=20g/13.5ml=1.48g/ml。装置的横截面积为s=250ml/7.6cm=32.9cm2。并由此得出了反洗强度v=Q/s（Q为水的流量）。根据表2中数据，以冲洗强度为横坐标，膨胀率为纵坐标，绘出冲洗强度与膨胀率变化曲线。曲线3 由曲线可以得出滤层膨胀率与冲洗强度的关系：e=0.8225v+0.85（e-滤层膨胀率，v-反洗强度）。 将v=kh/L（k为沙子的渗透系数，取10m/d，L为滤层厚度，h为水头损失）代入式得：e=0.8225kh/L+0.85. e与h成正比，又与滤料密度成反比。 由实验得出沙子的密度=1.48g/ml。 （4）实验结论 因此若要改变滤料，要知道滤料的密度（要大于水的密度）和滤料的最佳膨胀率。以沙子为例，密度=1.48g/ml，膨胀率为e=120%，则水头损失为h=147.0cm。所以在应用中确定了滤料之后，并确定膨胀率，由式可得同样膨胀率下的沙子的水头损失h。然后就是得到滤料的密度与沙子密度的比例k，则这种滤料的水头损失应为沙子的1/k倍。 所以确定了滤料之后，我们可以得到用此滤料需要在水箱中设置的溢流管与右隔板的高度差。另外隔板的高度应包括滤层的厚度、反冲洗时水向上走时滤层增加的厚度还要多出来以防止滤料被冲走以及过滤时水流入左边水箱的入口即滤层下面到水箱底部的距离。 因此，此项目可以根据滤料的不同而灵活掌握水箱的高度和右隔板的高度。考虑到有时候溢流管和右隔板的高度差太大而楼层有些低时，我们提供了两种方案：一是增加自来水反冲洗系统，以便水箱内部不能反冲洗时应用，其流量参照公式Q=vw（Q为水的流量，w为滤层的断面面积）确定自来水的流量。二是将水箱作成以下形状： 这样就可以保持溢流管与右隔板的高度差，从而保证了滤料的充分冲洗。另外，预处理间宽10cm，左右隔板相距15cm，在留5cm的宽度保证处理后的水能够进入贮水间，加起来一共30cm，不会影响下一层的人上厕所。至于要往下放多长，则要看保持多高的液面差。结束语该课题的研究工作于2005年2月底完成。对照图1、图3可以看出，该系统设计只需对现有学生宿舍楼上下水系统中增设一些管道以及蓄水处理箱等装置即可，可以说该项目设计的节水系统的改造工程在实施过程中不会存在太大困难。其中滤料来源丰富，毛发收集器制作也较简易且对其进行清理后可反复使用，蓄水处理箱若能批量生产，该节水系统会显得更加简易实用。该系统在实际应用中的检修工作可安排在学生放寒、暑假期间，若系统的某些局部出现问题，只需通过系统中管道的接口将该部分系统恢复为原始上下水系统的结构，再对其余部分进行检修工作。当然，由于时间与课题组成员水平有限，该系统设计也会存在不少容易被忽略的细节问题，这些问题还有待各位专家在审阅过程中发现并指出。正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，该系统若应用与实际生活中也许会发现更多问题，当然这些问题也是有待我们发现并着手去解决的。例如该系统设计中顶层冲厕只有靠自来水，而底层产生的生活污水只能全部排入下水道中，这个问题还有待我们去解决。该系统设计中还存在一个问题，那就是许多环节都是非自动化的，在应用中需要相应的工作人员去亲自动手操作，这个问题与我们掌握的专业知识不够有关，不过我们坚信该系统自动智能化的实现在不远的将来是完全可以解决的。考虑到个高校学生宿舍楼中用水系统的不同，该系统设计应根据实际情况作出相应修改，但其基本内容不会有太大改变。我们期望该系统设计能够在实际生活中运行，发现并解决实际应用中的问题后，推广到全国各高校，这样带来的节水效益将是有所期待的。我国节水工程要不断进行，不断发现新思路，另一方面提高全民节水素质也将在我国节水工程中发挥其巨大作用。我们大学生应起到带头作用，从日常生活中的一点一滴做起，做到节约每一滴水，并提起倡议，全国民众中兴起一股节水的浪潮，实现我过水资源的可持续发展。该项目在进行过程当中得到了学校各方面的大力支持。工程学院为我课题组提供了完备的实验室，张燕君老师给我们提出了许多宝贵的意见，翟会君同学运用CAD软件完成了该项目报告中的相关设计图的绘制工作，李翠玲同学协助完成实验，在此谨对以上单位及人员表示诚挚的谢意！参考文献：1 陈泽堂编著.水污染控制工程实验.北京: 化学工业出版社,2003.4 2 金兆丰，徐竟成主编.城市污水回用技术手册.北京:化学工业出版社，2004.13 李海盛主编.城市污水处理工程建设与运行.合肥:安徽科学技术出版社,2001.9