生活廢水循環利用節水器的設計研究

黃帥，滿意，張吉祥，張西數，柳婷

(1.山東建筑大學熱能工程學院， 山東濟南250101；2.山東建筑大學機電工程學院， 山東濟南250101；3.山東建筑大學材料科學與工程學院， 山東濟南250101；4.山東建筑大學交通工程學院， 山東濟南250101)

為了滿足不斷增長的用水需求，人們采取了很多方法來擴大對水資源的開發利用，但由此對生態環境造成的破壞也日益加重，導致了全球生態系統的惡化和水資源的緊張[1]。據有關部門的統計，目前中國近700個城市中，有超過400個城市經常出現供水緊張的情況，其中有超過100所城市處在水資源嚴重匱乏的狀況。在中國30多個一、二線城市中，大都常年處在缺水狀態，高達4 000萬城市人口受到影響[2]。

1 生活廢水處理裝置的研究現狀

近些年來，人們的節水和環保意識越來越強，城市生活用水量的激增激發了社會對于生活廢水處理裝置的需求。很多小型生活廢水回收再利用裝置應運而生，并應用于家庭、學校、酒店等場合。生活廢水包括很多方面，如洗衣、廚房洗滌、盥洗用水等，以上這些用水的用水量占用了生活廢水的絕大部分[3]。針對現狀，王斌修和李淑玉等人提出采用過濾凈化和臭氧氧化兩級凈化處理方案，在臭氧輸送過程中，實現其進入水射器之前的壓力和水射器節流孔前水的壓力自適應，從而保證了輸送臭氧所耗功率。臭氧作為一種強氧化劑能夠氧化分解水中的有機物，制取臭氧的方法一般有化學法、紫外法、電解法等，但在制取過程中，往往存在效率低的問題[4]。隨著時代的進步，智能化的節水器也得到進一步發展。郭世旭、劉健等人設計了一款家庭智能節水器，通過流量開關傳感器檢測水流信號，然后將信號傳遞給控制模塊進行分析后控制電磁閥的通斷。通過設置水流傳感器、控制模塊和電磁閥，從而實現節水目的[5]。

目前國內很多節水器雖然在技術方面已經達到較高水準，基本可以實現對生活廢水的凈化和循環利用。但技術的更新與變革必定會帶來產品成本的提高，這就給消費者帶來了經濟上的負擔以及給研發單位帶來了銷售推廣上的壓力。也有部分節水器雖然價格惠民，且能基本實現廢水的循環凈化處理，但其設計結構較為復雜。對使用空間有極大的限制和要求，這就帶來了消費者使用不便及生產原料資源浪費的問題。其他一些價格低廉的節水器在使用時不僅會出現廢水循環利用率過低，使用壽命過短等問題，對廢水的凈化完全度與正規標準節水器相差甚遠。基于上述現狀，本文對生活廢水循環利用節水器做了進一步設計研究。

2 生活廢水循環利用節水器設計思路

針對現有技術的不足，本文提供了一種家庭生活廢水循環利用節水器，解決了傳統的節水器難以對廢水進行再利用，廢水凈化不完全的問題。處理思路如下：①通過水泵將洗浴盆內的廢水抽進混合箱；②打開電磁閥使得消毒液瓶內的消毒液流入混合箱內；③控制攪拌電機運轉,攪拌電機帶動攪拌器對廢水和消毒液進行混合；④使得消毒液能完全融入廢水內對其進行完全消毒；⑤攪拌好后，打開電磁閥，使廢水通過第一濾網過濾；⑥使處理后的廢水通過第二濾網過濾；⑦使經過消毒和2次過濾后的水在活性炭管再進行吸附凈化；⑧凈化好后的水體進入儲水箱備用。

3 生活廢水循環利用節水器的設計

3.1 技術方案

為實現廢水回收利用，提供如下技術方案：節水器的外部管道與洗浴盆的排水口相連接，排水口附近位置的管道上設置有水泵。水泵通過管道與其他用水容器分別連接，在使用過程中分別抽取使用完畢的廢水。外殼上部固定設置有消毒液瓶和攪拌電機。其中，消毒液瓶受其下部的電磁閥A控制，實現消毒液的自動排放。節水器下端固定設置三通閥門和水龍頭與節水器內部的儲水箱連接。節水器內部由外殼包裹，也通過管道與外部組成良好的循環連接。外殼內部上測固定設置有混合箱，混合箱體內部設有攪拌器，攪拌器的攪拌軸通過聯軸器與攪拌電機的輸出軸固定連接，由外部的攪拌電機控制。混合箱底部固定設置有電磁閥B，電磁閥B的底端與其下方的過濾管一端固定連接。在過濾管內部分別設置第一過濾網和第二過濾網。過濾管外部的另一端與活性炭管固定連接。活性炭管的另一端與第一儲水箱連通。在第一儲水箱的正面位置設置觀察窗，觀察窗上部設置指示燈，左側內壁分別有低液位傳感器和高液位傳感器固定設置。以上所述攪拌電機、電磁閥A、電磁閥B、水泵、指示燈、低液位傳感器和高液位傳感器均與處理器電性連接(圖1)。

節水器分為第一儲水箱(圖2)和第二儲水箱，第二儲水箱與自來水相連，并通過節水閥控制其液面的高低，當初次使用或第二儲水箱的液面過低時，節水閥自動接通自來水管路，使用自來水向第二儲水箱內補水。節水器正常使用時，符合洗滌用水標準的水會由開啟的水龍頭處流出，使用后產生的廢水通過水泵抽進混合箱體進行接下來的凈化處理流程。當第一儲水箱的水位低于啟動水位時，低液位傳感器開始工作，通過電感性作用使消毒液進入混合箱，攪拌器開始攪拌廢水，使廢水和消毒液充分混合。攪拌完畢混合液經過過濾以及雜質吸附過程后，所得符合洗滌用水標準的水進入第一儲水箱，當儲水箱即將達到飽和狀態時，高液位傳感器隨即通過中央處理器的控制作用使節水器停止工作。為了增大廢水的處理和存儲量，增設第二儲水箱儲存符合洗滌用水標準的水。為了防止水箱內的水誤入自來水管道，第二儲水箱設計成豎高狀，以保持儲水箱內可能出現的最高液面與自來水出水口具有足夠的高差。綜上所述，當洗浴盆內產生廢水時，通過節水器的水泵和管道抽入混合箱，隨即消毒液瓶中的消毒液進入節水器與廢水混合，進而控制攪拌電機進行消毒液與廢水的混合攪拌。經過進一步過濾吸附,達到洗滌用水標準的水儲存于儲水箱中備用，經過處理的廢水可用于平時的日常生活盥洗及洗滌。

1.外殼 2.混合箱 3.攪拌器 4.攪拌電機 5.消毒液瓶6.電磁閥A 7.電磁閥B 8.過濾管 9.第一濾網10.第二濾網 11.活性炭管 12.第一儲水箱 13.第二儲水箱14.三通閥門 15.水龍頭 16.洗浴盆 17.廢水管道18.水泵 23.中央處理器圖1 節水器全剖

12.第一儲水箱 19.觀察窗 20.指示燈21.低液位傳感器 22.高液位傳感器圖2 節水器第一儲水箱結構示意

3.2 結構設計

3.2.1箱體的設計

由于設計的生活廢水回收處理裝置主要對洗浴盆的水進行過濾回用，且處理的對象是日常生活中的廢水，故箱體的整體尺寸不易過大，結合實際情情況尺寸設計為：第一儲水箱尺寸為400 mm×400 mm×600 mm；第二儲水箱尺寸為600 mm×600 mm×1 200 mm(圖3、4)。

本文所設計的節水器的外形尺寸是800 mm×600 mm×1 200 mm，整套裝置占地面積不足0.5 m2，使用時可將其放置于衛生間角落，可滿足普通家庭的生活廢水回用處理，同時不會影響衛生間的正常使用功能。

a) 角度1

b) 角度2圖3 節水器第一儲水箱結構示尺寸(mm)

a) 角度1

b) 角度2圖4 節水器第二儲水箱結構示尺寸(mm)

3.2.2過濾元件的設計

在考慮過濾元件時，要詳細分析過濾元件的重要技術指標，它們包括：對雜質的截留能力、過濾元件的滲透性和過濾元件抗堵塞能力等。其中最為重要的為對雜質的節流能力和滲透性2個特性。當然過濾元件的選擇屬于一個綜合性的問題，當其組裝固定和制作等因素也考慮在內時，則還需要考慮過濾元件的穩定性、密封性、強度、經濟性等因素[6-7]。常用過濾元件包括以下2類[8-9]：濾網和濾布。其中金屬式過濾網表面光滑、耐腐蝕性和耐高溫的性能較好；而且由于金屬制成，有很高的硬度，所以使用壽命很長，不易被顆粒堵住，方便清洗。基于生活廢水的顆粒較小因此第一濾網選取50目數的不銹鋼濾網，第二濾網選取100目數的不銹鋼濾網。過濾網管上接混合箱下接活性碳管，待使用一段時間后可將其拆卸下進行清洗。

3.2.3水泵的選擇

目前各種塑料管道沿程水頭損失hf應按下式計算[10]：

(1)

式中λ——水力摩阻系數；L——管段長度，m；di——管道內徑，m；v——斷面的平均流速，m/s；g——重力加速度，9.81 m/s2。

通常情況下塑料管道內水流處于水力光滑區，因此水力摩阻系數λ可以按照下式計算：

(2)

式中Re——雷諾數，可按下式計算：

(3)

式中γ——水的運動黏滯系數，在不同溫度時的數值見表1。

表1 水在不同溫度下的運動黏滯系數 10-6m2/s

由于局部水頭損失受多種因素影響，根據實際情況選擇局部水頭損失系數，結合速度水頭可計算出局部水頭損失。

(4)

式中ζ——局部水頭損失系數，可按照表2取值。

表2 局部水頭損失系數在不同R/d條件下的取值

在已知管長、安裝高度以及彎頭個數的情況可以計算出所需水頭，可以根據所得結果選取相應的水泵。廢水管道采用直徑為DN20的PVC塑料管，根據洗浴盆排水口尺寸，設計流量取1.1～1.2 m3/h 。根據公式Q=v·A，計算得管內流速v=1.07 m/s, 在常溫下根據式(3)，可得出Re為2 121.8。將其代入式(2)，得出λ值為0.024 9。節水器廢水管長L為2 m，將L、Re和v代入式(1)，算出沿程阻力水頭hf=0.31 m。根據(4)式，代入相關數據算出局部阻力水頭hj=0.094 m。節水器廢水管豎直高差hs=1.5 m。總水頭H=hf+hj+hs=1.904 m。預留10%的富裕水頭，即所需水頭H1=2.1 m，即所需水頭。根據節水器廢水管道中的流量和所需揚程，結合節水器對水泵安裝尺寸和頻繁啟停的要求,選取MP型磁力驅動管道循環泵MP-20R，其額定流量Qmax=1.98 m3/h，額定揚程hmax=3.8 m，軸功率為25 W，安裝尺寸長、寬、高分別為250、120、130 mm，符合相關節水器中的尺寸設計。

3.2.4活性炭的選取

在廢水深度處理中主要利用活性炭，其具有處理程度高、可重復利用等優點。往往根據處理的水質選取不同類型的活性炭，由于生活廢水成分含有大量磷酸鹽，基于改性活性炭對廢水中的硝酸鹽和磷酸鹽具有較好的吸附性，故在節水器的活性炭管中選取改性活性炭。改性活性炭投加量過多會造成一定的資源浪費，投加量不足則對鹽類去除效果不佳，因此應用改性活性炭的關鍵在于確定其投放量。在常溫常壓下，活性炭的使用壽命可根據T=70m/(a·L)簡單計算，其中m為初始活性炭的質量，a為所處理廢水中有機物的含量，L為水的流量。在廢水有機物濃度不同的條件下，假定廢水pH值在7～8范圍內，活性炭的使用壽命見表3。

表3 活性炭使用壽命

生活廢水有機物濃度一般較大，在所用活性炭管中容量為500 g的前提下，建議10 d更換1次，活性炭年消耗量約為20 kg。

3.2.5其他構件的設計

中央處理器的型號設置為AT32UC3A單片機，攪拌電機、電磁閥、水泵、指示燈、低液位傳感器和高液位傳感器均與中央處理器電性連接，攪拌電機的型號為M315-402的電機，電磁閥的型號為DMF-Z-25脈沖電磁閥，水泵的型號設置為MP-20R，低液位傳感器和高液位傳感器的型號均設置為ZJ-118。

4 生活廢水循環利用節水器優勢

本文所設計的生活廢水循環利用節水器，解決了傳統節水器難以對廢水進行再利用，廢水凈化不完全的問題，其主要創新點如下。

a) 通過水泵將洗浴盆內的廢水抽進混合箱，打開電磁閥A使得消毒液瓶內的消毒液流入混合箱內，再控制攪拌電機運轉，攪拌電機帶動攪拌器對廢水和消毒液進行混合，使得消毒液能完全融入廢水內對其進行完全消毒，攪拌好后，打開電磁閥B，廢水依次通過第一濾網、第二濾網和活性炭管進行吸附凈化，凈化好后的水體進入第一儲水箱備用。

b) 通過設置攪拌器、雙層濾網和彎折的活性炭管，使得該節水器的廢水凈化能更加完全，凈化效率、質量更高。

c) 通過設置指示燈、低液位傳感器和高液位傳感器，當低液位傳感器和高液位傳感器探測到第一儲水箱內的液位過低或過高時，將信號傳給中央處理器，中央處理器控制指示燈發光，從而可隨時觀察儲水箱內部狀況。

通過較為充分的消毒，過濾和改性活性炭的吸附等步驟，廢水得到進一步的凈化，處理后的廢水進入第一儲水箱備用。通過與中央處理器相連的低位和高位傳感器來控制第一儲水箱的液面，當第一儲水箱的頁面過低或者過高時，指示燈就會發光，提示進行下一步操作。被處理后的廢水可用于日常生活中的澆花、洗車等，實現了廢水的再利用，節約了水資源。

5 社會經濟效益

目前市場上正在銷售的普通節水器，大多結構設計較為復雜，從而導致體型較為龐大，不僅浪費了原料，也給消費者的日常使用帶來了諸多不便。本文所設計的節水器相對于市場上的普通節水器具有明顯的優勢，該節水器在機構設計上本著消費者使用方便和節約原料成本的原則，設計了較為簡單的結構。并且在簡單結構的基礎上使功能效果得到提升，廢水經過消毒、過濾、吸附等過程得以凈化，表現出其實用性。由于該節水器結構設計合理，對生產原料的使用量減少，使得生產成本也隨之降低。該節水器主要零件價格見表4。

表4 節水器主要零件價格 元

由上表可知節水器初投資成本大約1 016元。每年運行費用見表5。

表5 節水器年運行費用 元

綜合考慮水泵、攪拌器消耗的電費及活性炭等主要費用，節水器初投資成本大約在1 016 元左右，每年的運行保養費用約200元左右。考慮到節水器主要構件的使用壽命，該節水器使用年限約8 a。以山東省濟南市為例，根據2016年政府有關部門統計數據，濟南市常住人口共730萬，全市居民平均日用水量為70萬～80萬m3，折算每位居民的平均日用水量為0.11 m3。若每戶家庭按3口人計算，濟南市普通家庭平均日用水量為0.33 m3左右。生活廢水占日常用水量的85%～90%，日產廢水量約為0.3 m3。濟南市已實行階梯水價，按照第一階梯自來水價格4.2元/m3計算，使用節水器的家庭每年可節約459.9元。

節水器的靜態投資回收期使用下式計算[11]：

靜態投資回收期=累計凈現金流量開始為正值的年份數-1+上年累計凈現金流量的絕對值/當年的現金流量

(5)

每年累計現金流量見表6。

表6 每年累計現金流量 元

根據式(5)計算，本研究所設計節水器的靜態投資回收期為4-1+236.3/259.9 = 3.9 a。該節水器的設備價格在普通家庭的承受范圍之內，具有較好的實用性和經濟性。該節水器得到推廣使用后，能在保障家庭生活品質的同時降低生活費用。更重要的是，通過生活廢水的循環再利用，可以有效減小城市污水處理量，緩解中國的水資源匱乏問題，帶來可觀的社會效益和經濟效益。

6 結論

針對中國水資源短缺的現狀以及目前節水器發展過程中存在的一些問題，本文針對家用生活廢水循環利用節水器的設計做了深入研究。對節水器內部裝置和外部裝置做了相關設計，通過消毒、過濾、吸附等步驟將生活廢水處理達到洗滌用水標準后就地儲存并循環利用，從而達到節約水資源的目的。本研究所設計節水器的初投資成本大約在1 016 元左右，年運行保養費用約200元左右，主要包括耗電量、活性炭及濾網更換、消毒液補充等費用。考慮到節水器主要構件的使用壽命，該節水器使用年限約8 a。按照山東省濟南市普通3口家庭的用水量及當地水價標準計算，使用該節水器每年可節約459.9元，節水器的靜態投資回收期為3.9 a。節水器的外形尺寸是800 mm×600 mm×1 200 mm，整套裝置占地面積不足0.5 m2，使用時可將其安裝于衛生間角落，不影響衛生間的正常使用功能。本研究所設計的節水器具有較好的經濟性和實用性，得到推廣使用后，能在保障家庭生活品質的同時降低生活費用，有效減小城市自來水消耗量和污水處理量，緩解水資源匱乏及廢水排放等環境問題。