米春鵬 朱永英 賀雨暉 喬星華 安德明

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116023)

我國是一個人均水資源匱乏、用水效率不高的國家，水資源短缺和供需矛盾已經(jīng)成為我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善的主要制約因素之一。隨著城市化進程的加快，城市人口不斷增長，城鎮(zhèn)居民生活水平不斷提高，居民生活需水量也隨之增加。雖然近幾年來我國對污水處理力度逐步加大，污水處理率有了明顯的提升，但是還有一些相對清潔的污水沒有及時地循環(huán)利用而直接排放，水資源浪費嚴重。因此，大力推行節(jié)約用水和水資源的循環(huán)利用勢在必行。目前，我國城市建筑多為高層建筑。高層建筑物本身豐富的管網(wǎng)系統(tǒng)可以作為雜排水和天然降水的載體，同時其高層的水力優(yōu)勢又為水資源提供大量的重力勢能。若將降落到高層屋面的雨水直接排放的劣勢轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)處理利用的水源優(yōu)勢，合理利用城市高樓的水力優(yōu)勢，將優(yōu)質(zhì)雜排水進行水力發(fā)電和綜合利用，提高生活用水的利用率，實現(xiàn)一水多用、污水的再利用，既能高效地節(jié)約利用水資源，緩解水資源緊張，同時又能降低對環(huán)境的污染影響。這對于水資源、水環(huán)境日益緊張的當下，具有非常重要的戰(zhàn)略意義和較好的應(yīng)用推廣價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路及結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

充分利用高層建筑物的高度優(yōu)勢，利用其巨大的水力勢能，采用分級發(fā)電的方法，在原有排水立管中選取適合發(fā)電裝置的水頭距離進行分級發(fā)電，發(fā)電之后的排水進行處理再利用。

對原有排水立管進行分段分級，在每分級下部安置一個發(fā)電裝置，在發(fā)電裝置上方安置簡單的過濾網(wǎng)，避免雜質(zhì)與發(fā)電裝置直接接觸造成損耗[1]，雜質(zhì)經(jīng)自身重力作用和上方來水的水流沖擊從旁邊應(yīng)急管排出。過濾后的排水經(jīng)過多級發(fā)電裝置進行發(fā)電，然后流入地下水處理裝置進行處理，確保水質(zhì)達到符合利用的標準要求[2]。處理后的水進入地下水箱，為小區(qū)提供綠化用水和消防用水等。建筑雨水的利用與雜排水基本相同。降雨時期雨水降落到高層建筑屋面，在進入雨水立管之前先經(jīng)過一個簡易的過濾網(wǎng)過濾，并設(shè)有人工清理口對雨水管進行定期清理和緊急維護，以保證雨水順利排放，待去除雜質(zhì)后進入雨水排水立管，通過分級發(fā)電，進入地下處理裝置，經(jīng)處理后加以綜合利用。

在分級發(fā)電環(huán)節(jié)，由于雜排水和雨水排放水量的不確定性和不穩(wěn)定性，發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能是不連續(xù)的，若不能及時加以應(yīng)用會造成能源的二次浪費。因此，在發(fā)電裝置上增加一個蓄電系統(tǒng)，以達到電能蓄存的目的[3]，產(chǎn)生的電能用于居民區(qū)路燈的供電以及樓道應(yīng)急供電等。若原有主排水立管中的發(fā)電裝置出現(xiàn)故障時，位于發(fā)電裝置上方、過濾網(wǎng)下方的擋板降落轉(zhuǎn)為應(yīng)急狀態(tài)，發(fā)電裝置不再接受來水，水體自動由應(yīng)急管排出，待發(fā)電裝置正常后，擋板升起轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)，發(fā)電裝置接收來水，繼續(xù)發(fā)電作業(yè)。

整個系統(tǒng)可將居民區(qū)所排放的優(yōu)質(zhì)雜排水和不定期降水進行高效回收利用，將水流勢能轉(zhuǎn)化成電能為居民區(qū)提供儲備電力，且發(fā)電后將水體進行二次集中處理，為居民區(qū)提供道路綠化水源和消防應(yīng)急供水，以達到綜合高效循環(huán)利用水資源的目的。

1.2 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理圖見圖1。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)分為管道功能部分、發(fā)電蓄電部分、水體處理部分及水電利用部分。

1)管道功能部分。排水管是實現(xiàn)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的核心部分，包括雜排水排水管和雨水排水管。每套排水管又分為主排水立管和應(yīng)急排水管。主排水立管為建筑物原有排水管，應(yīng)急排水管為增加的支管。排水立管中過濾網(wǎng)可濾除水體中含有的雜質(zhì)，雜質(zhì)從應(yīng)急管道排除；擋板能夠保證發(fā)電裝置故障時，水體順利從應(yīng)急管排出。

2)發(fā)電蓄電裝置部分。該部分由水輪機、發(fā)電機、蓄電池等部件組成，排放的水流帶動水輪機旋槳，使發(fā)電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能，將水體的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)整流濾波后，電能儲蓄到蓄電池里，備后期利用。

3)水體處理部分。雜排水處理[4]：由于雜排水水體中含氨氮，LAS，SS等物質(zhì)，為去除水體中的污染物，更好地進行二次應(yīng)用，采用預(yù)處理和膜分離處理工藝。水體進入地下處理室后經(jīng)過格柵、調(diào)節(jié)池、預(yù)處理環(huán)節(jié)后，再經(jīng)過膜分離，完成水質(zhì)處理環(huán)節(jié)。

雨水處理：由于雨水相對比較清潔，其中的污染物質(zhì)的含量可以忽略不計，處理工序也簡單許多，除了在發(fā)電之前過濾之外，還有在發(fā)電之后進行過濾將粒徑小固體懸浮物等顆粒物質(zhì)濾除，完成雨水處理環(huán)節(jié)。

4)水電利用部分。在滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》標準的前提下，將處理后的水體用于小區(qū)綠化及消防用水；蓄電池的電能用于居民區(qū)道路照明、樓道應(yīng)急照明等，實現(xiàn)水資源、電能資源的高效利用。

2 創(chuàng)新特色

1)充分利用原有建筑管道，優(yōu)化資源利用，便于設(shè)備安裝和系統(tǒng)運行。整套系統(tǒng)與高層建筑有機結(jié)合，發(fā)揮高度優(yōu)勢，充分利用水能資源。

2)與生活實際密切聯(lián)系，取之于用戶用之于用戶，減少了水資源的排放，改善了排放口水體環(huán)境，增加了電能資源，惠民便利，節(jié)能減排，具有廣闊的推廣實施前景。

3)本系統(tǒng)一次建設(shè)，長期使用，具有穩(wěn)定可觀的收益，且符合綠色建筑的發(fā)展趨勢，具有較好地應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

本文研究的居民區(qū)節(jié)水綜合利用系統(tǒng)充分利用高層建筑雨水和優(yōu)質(zhì)雜排水巨大的重力勢能進行發(fā)電，并對發(fā)電后的排水進行有效處理并綜合利用，改變了水資源的單一用途，促進了能源多方轉(zhuǎn)化應(yīng)用，增加了水資源利用效率。對于節(jié)能、減排，節(jié)約利用水資源具有非常重要的意義，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

[1] 黃 睿,顧家銘,王 偉.基于建筑排水管道的發(fā)電裝置設(shè)計[J].機電信息,2016(6):73,75.

[2] GB/T 18920—2002,城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)[S].

[3] 徐東偉,寧厚飛,張永斌,等.基于貫流式發(fā)電理念的高樓雨水發(fā)電新工藝[J].山西建筑,2014,40(31):216-217,237.

[4] 王玉成.小區(qū)生活廢水及雨水利用的技術(shù)措施[J].山西建筑,2016,42(28):117-118.