中水回用于建筑循环冷却水可行性研究

夏树威 杨巧云 孙丽华

(1.中国建筑设计研究院有限公司,北京 100044； 2.北京建筑大学，北京 100044)

“十三五”计划中，国家要求缺水城市中水回用利用率达到20%以上。在建筑给水排水设计中，中水系统分为市政中水提供用水和自建中水处理站提供用水。以建筑内自建中水处理站为例，中水系统设计是将建筑内空调冷却水、洗衣、淋浴、盥洗、厨房等排水收集经处理后回用于卫生间大小便器冲洗、车库地面冲洗、道路清扫、绿地浇洒等(见图1)。根据案例分析可知[1]，大型公共建筑(除办公楼和教学楼)的中水回用率均难以达到20%以上。随着人们对中央空调的需求日益加大，大型医院、商场、酒店、写字楼、车站、飞机场等人员密集场所均有中央空调冷却水系统。而循环冷却水系统作为空调系统的重要组成部分其补充水量占建筑总供水量的30%[2]。在大型建筑群中用中水替代自来水作为建筑循环冷却水系统补充水水源，可将中水回用率提高到30%以上。中水水质比自来水水质差，需进行深度处理达到循环冷却水补充水水质标准后进行回用。

1 国内外现状

早在1926年，美国亚利桑那州以公园废水为中水水源，经处理后回用于冲厕、绿化和冷却水等。1977年日本已开始实行建筑中水回用于空调冷却水系统补充水的措施，如千叶县四道街商场，以厨房和厕所排水作为中水原水，处理后用于冲厕和空调冷却水系统补充水，中水生产规模为160 m3/d。印度孟买已建成7座处理能力为150 m3/d～250 m3/d的供水工程用于空调循环冷却水系统补充水；发达国家都相继走上了污水回用的道路，以弥补日益缺乏的水资源[3]。

1990年，北京某假日酒店中水设施已投入运行，生产规模为160 m3/d。原水为洗浴、洗衣废水，经处理后用于冲厕和冷却塔补充水[4]。杨伟帅等[5]研究表明中水作为地铁空调循环冷却水补充水在技术上是可行的，补充水量越大越有利于节约成本。因此，未来国内中水回用在建筑循环冷却水补充水方面能够大力推广，会带来很大的经济和社会利益。

2 水质分析

2.1 水质标准

表1 国内外集中空调冷却水系统补充水水质要求

2.2 原水水质

《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》中洗车用水的水质标准最高。建筑循环冷却水的水质标准与中水回用于生活杂用水水质标准比较，其中洗车用水除了硬度外，均能满足建筑循环冷却水系统的水质要求。赵嘉俊等[8]指出市政中水水质与自来水水质相比水质较差，市政中水比自来水中含有更多的有机物、氮、磷，钙、镁、悬浮物等，市政中水的电导率也比自来水的较高(一般在600 μs/cm～1 000 μs/cm)，而且市政中水中存在着微生物污染[8]。

2.3 水质影响因素

1)Cl-浓度值。水中的Cl-是对碳钢材质腐蚀影响最大的阴离子，Cl-会减弱碳钢表面氧化膜与碳钢表面间的作用力，使氧化膜脱落，加速碳钢的腐蚀速度。李旻等[10]研究表明循环冷却水系统中Cl-浓度必须控制在1 000 mg/L以下，否则会产生应力腐蚀。建筑内循环冷却水浓缩倍数一般控制在3倍～4倍，因此原水中的Cl-浓度必须控制在250 mg/L～300 mg/L。

2)电导率。电导率即水的含盐量(也称矿化度)表示水含盐类的数量的重要指标。水中的盐分含量超标时，会造成整个循环冷却水系统的结垢、腐蚀、微生物、藻类的繁殖，最终产生菌藻黏泥和腐蚀碎片堵塞管道或设备。黄长山等[11]研究表明控制初始电导率在500 μs/cm～700 μs/cm，基本能保证循环冷却水系统处于不结垢的稳定状态。

3 水处理工艺

根据中水水质分析可知，在水质要求方面，中水回用于建筑循环冷却水系统是可行的，但是针对需要必须进行深度处理。深度处理的对象主要包括水中的浊度(依附于悬浮物的细菌及藻类)、COD、总硬度、氨氮等。

中水回用于建筑循环冷却水系统的深度水处理工艺主要包括三种[13]：

1)物理化学处理法。

混凝澄清法即通过混凝剂将水中细小悬浮物和胶体凝聚成絮凝体，然后进行分离除去的水处理工艺，主要可以降低水质中浊度、硬度等。由于占地面积小、控制管理简单等特点，石灰混凝法是目前中水回用于建筑循环冷却水系统的主要方法。温丙奎等[14]研究表明石灰混凝法能够有效降低中水水质中的浊度、总硬度、氨氮和COD。同时石灰混凝处理需与混凝剂、助凝剂同时使用，这样达到的效果最佳，处理后的水质达到了建筑循环冷却水水质标准，具体流程如图2所示。

高级氧化法(AOP)即以强击自由基为主要氧化剂氧化水中有机物的水处理技术。此方法主要可以降低水质中病菌，同时具有防垢除垢、缓蚀除锈的能力。以臭氧高级氧化法为例，如图3所示。臭氧发生器将臭氧射流入水中，迅速破坏细菌的DNA，RNA酶和蛋白质，从而去除水中军团菌、生物黏泥、藻类等[15]。由于无害环保、不受温度影响、自动化管理的特点，高级氧化法成为了目前比较有发展前景的中水回用于建筑循环冷却水系统的深度水处理的工艺。

2)膜分离技术。

膜分离技术即利用水溶液中的水分子通过半透膜时被分离的水处理技术。膜分离技术在水处理中的应用可以细分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、渗析、电渗析等[16]。此方法主要可降低水质中的浊度、硬度、电导率等。目前膜技术已经成功用于纯水、海水淡化等水处理过程。与传统分离法相比较，膜分离技术具有可常温进行操作、工艺流程简单等特点，但是半透膜造价较高。

张秀丽等[17]研究表明采用市政中水作为循环冷却水补水的水源，结果表明，超滤—反渗透组合工艺(如图4所示)对污水厂二级出水的处理效果良好，已达到再生水用于循环冷却水的标准。刘政修等[18]研究表明采用超滤—反渗透组合工艺时，建议采用连续添加非氧化性杀菌灭藻剂或定期采用非氧化性杀菌灭藻剂对反渗透膜进行化学清洗。

3)生物和膜分离技术结合。

生物处理法与膜分离技术即由膜分离技术和传统的活性污泥法组合的一种新型水处理技术(见图5)，此法利用活性污泥进行固液分离，同时利用膜分离技术高效截留硝化细菌和活性污泥，同时去除水中难降解的大分子。可去除水质中的悬浮物、浊度、COD、氨氮等。在全世界范围内，膜生物反应器已广泛使用[15]。生物和膜分离技术结合技术具有自动化控制、操作管理方便、环境友好等优点。

建筑空调循环冷却水系统补充水水源为市政自来水时，需要投加药剂以缓蚀阻垢、杀菌灭藻等、设置水处理仪去除硬度，以稳定系统中水质。而采用作为建筑空调循环冷却水系统的补充水时，通过上一节分析可知，经过中水经深度水处理后，可去除水中的细菌含量、COD、浊度，防止结垢腐蚀，不需要额外添加阻垢缓蚀剂。这样既能满足系统运行要求，也可以使循环冷却水系统水质较高，最终使得循环冷却水系统达到污水零排放。

4 经济分析

以设计实例日补水600 m2的大型商业建筑空调循环冷却水系统为例，利用自来水补水，水费按照北京非居民自来水价格为9元/m3，中水价格最高为3.5元/m3。与自来水相比，利用中水在水费方面每年可节省120.45万元。不同深度水处理工艺成本不同，成本分析如表2所示。水处理系统投资主要包括水泵、膜组件、一体化装置、超滤、反渗透等设备。土建费用主要包括调节池、清水池等构筑物。化学药剂主要是自来水作为水源的阻垢缓蚀剂，石灰法中的消毒剂、混凝剂、硫酸，AOP技术中的次氯酸钠。和UF-RO组合工艺和MBR-RO组合工艺中的消毒剂。通过分析可知，对于业主，中水回用于循环冷却水系统，虽然设备投资比较高，但是对于长期运行来说，中水回用更经济。

表2 深度水处理工艺成本分析[20]

5 结论

通过分析建筑循环冷却水系统的水质要求及国内中水回用水质指标，罗列出了可行的中水回用于建筑循环冷却水系统的水处理工艺，并对中水和自来水作为建筑循环冷却水补充水进行技术经济比较。结果表明：

1)从传统的生化处理法发展到了最新的膜生物反应法、AOP技术，经处理后的水质均能满足建筑循环冷却水补充水水质要求；

2)在经济方面，中水回用于建筑循环冷却水系统，设备投资比较高，但是对于长期运行来说，中水回用更经济。