生活杂排水智能选择收集回用系统研究报告.docx
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生活杂排水智能选择收集回用系统研究报告
生活杂排水智能选择收集回用系统的研究报告
一、导言
水资源是人类生存和经济发展的生命线。
水资源与水环境问题已成为我国及世界各国今后发展战略的关键制约因素之一。
一方面生活用水日益紧X，另一方面生活污水排放对水资源和环境污染日益严重。
因此节水减排刻不容缓。
生活污水治理因其杂、散、乱的特点决定其处理必须采取有效的点面结合、综合治理的思路和方法。
事实证明，生活污水综合治理已不是单纯的技术问题，单纯依赖技术手段靠集中污水处理的方法不仅工程浩大，运行费用高，直接经济环境社会效益低，也导致了污水处理靠政府，全民排污理所当然的社会现实。
目前生活节水减排的基本途径主要为[1]：
（1）运用经济杠杆促进节约用水；
（2）通过宣传教育强化节水减排观念；
（3）推广应用节水器具及鼓励中水回用。
生活节水减排措施主要包括以提高单一节水器具效能为目标的新技术新产品、以解决“自家水自家用”问题为目的的新型实用技术和以集中收集处理回用小区域生活污水为目标的技术措施三类。
第一类技术措施主要局限于节约用水，其自身并没有考虑充分利用生活杂排水；第二类技术在解决节水减排的同时，弱化了节能降耗或维护成本；第三类技术综合效能虽然很高，但是其投资、运行成本高昂，工程浩大。
提高生活污水综合治理效益必须依赖全民参与。
世界多个国家均已颁布相关政策与法规，大力鼓励和倡导全民参与节水减排，但由于多方原因，民众主动参与意识和行动仍不尽理想。
因此，综合社会、经济、环保、人文和工程技术等措施和手段，开发一种既能切实实现节水减排，又能激励和倡导全民节水减排且经济实用的节水减排系统及推广应用模式势在必行。
二、作品研发过程
1、设计缘由
我国是一个严重缺水的国家，全国淡水资源总量为2.8万亿立方米，占全球水资源的6%，人均占有量只有2300立方米，仅为世界水平的1/4，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。
全国600多座城市中，有400多座城市供水不足，110多座城市严重缺水。
[2]
面对频频告急的全国用水形势，每个家庭的节水行动对建设节约型社会来说，都是不可或缺的。
资料显示，洗衣用水占到全部家庭用水的1/3。
一般普通洗衣机洗一次衣服用水多在150—180升之间。
目前我国城市洗衣机社会保有量约1.2亿台，以每周3次使用频率粗略估算，全部洗衣机每年耗水量至少30亿立方米。
[3]如下表所示，日常生活中每人每天沐浴用水量平均40-60L，占总用水量的31%-32%；盥洗用水量为20-30L，占总用水量的15%。
通常，这些水资源都通过下水管道直接排放掉了。
事实上，收集这些优质杂排水完全可以直接用来二次冲厕。
（见参考资料4.）
另外，自然雨水也是一个缓解生活用水紧X的重要水源。
然而，自然雨水的利用率也不高。
研发一款简单、方便且经济实用的中水回用系统，让人人参与节水减排，参与环保，共建节约型社会，为“全民参与”创造一个简单、而又切实可行的平台具有十分重大的现实意义。
２、设计理念与目的
本作品的设计理念与目的是：
在不牺牲人们生活品质或增加其他类型的资源消耗和环境负荷的条件下，采用雨水收集和生活杂排水选择性收集的方法，实现生活节水、节能，达到减少污水排放的目的，进而促进全民节水减排的主动参与意识提升，推进当前综合节水减排技术的发展。
3、设计思路
（1）选择性收集生活优质杂排水冲厕。
（2）上层生活杂排水下层回收利用。
（3）有效节水减排量化激励（计量上层被回用优质杂排水量，并根据计量结果给与上层用户适当激励），调动民众节水积极性。
（4）智能控制与二次冲厕（即中水冲厕，自来水清厕）。
（5）充分收集并利用雨水，提高系统节水效益。
图1系统原理框图
4、系统工作原理
本系统主要收集上层洗衣洗浴优质杂排水及雨水。
顶楼用户收集雨水，雨水经屋面积水沟进入水箱。
当水箱水量不足时只能靠自来水冲厕。
当雨量过大，水箱积满时，多余水量则经过水管逐层下泄。
直到各楼层的水箱都积满时，多余水则再经溢流管流入下水管。
下一层用户水箱收集上层用户杂排水。
首先，上层中水经地漏口处滤网的粗滤，再经智能选择集水阀选择（水质要求由用户自己设定）。
若符合用户要求，中水经流量计计量再到过滤降噪筒中进行细滤，最后才流入集水箱；若不满足用户设定要求，中水则直接流入下水管。
本系统还具备防冻防臭自动排空、滤网堵塞报警、红外感应冲厕、二次清厕、停电手动冲厕等辅助功能。
5、关键技术及其突破
5.1生活杂排水智能选择集水阀的研制
智能选择性集水阀目前已提出专利申请。
主要功能：
智能选择性收集生活优质杂排水。
中水感观自行设定，若中水浊度满足设定要求，则中水进入水箱，否则直接排入下水管。
为了保证传感器对浊度检测的稳定性，与两出口相连的水管经反复实验测得需采取凹形弯管设计。
根据连通器原理，在理想条件下，当出水管水位的高度与传感器高度相同则可以保证传感器稳定工作。
5.2生活优质杂排水直用卫生安全工艺设计
首先对上层中水经地漏处滤网粗滤，再经智能选择集水阀选择，最后经中水流量计计量、降噪筒滤网的细滤进入水箱。
冲厕时先使用中水，然后用自来水进行二次清厕，避免便器中水残留。
5.3智能集中控制系统的研发
主要功能有：
控制电磁阀、温度显示、液位显示、水质识别判断、防冻防堵报警提示、水箱排空及用户自定义设置按钮，还设有多种扩展模块和通用接口，供功能扩展使用，可方便实现与现有水电收费管理平台、室内空气质量监测和水电煤气火灾报警系统等无缝对接。
本控制系统采用单片机控制技术，通过编写特定的程序实现上述控制功能。
设计合理、功能齐全、使用方便，是人性化设计的具体体现。
5.4、数字流量计的研制
针对目前市场上数字流量计成本高，不适合中水计量的特点，我们自主研发了低成本、低功耗中水数字流量计。
其工作示意图２。
6、本作品适用X围及推广前景：
本作品可广泛应用于多层新旧城镇住宅集体安装使用，尤其适合宾馆、饭店、学校、机关、商场、会馆等公共场合，不受地域条件限制。
用户可根据需要选配各种规格和种类的部件，主要可选部件包括水箱、控制器、冲水电磁阀、智能选择集水阀。
若全国按城镇住宅2.3亿户（不计宾馆、饭店、学校、机关、商场、会馆等单位和部门）的30%为本品潜在用户，年均需求率按1%计算，即69万套，可持续推广100年（不计零配件及产品轮换需求）
（参考资料35）。
三、主要零部件设计
3.1智能选择集水阀的结构设计
3.1.1集水阀设计的条件分析
该阀用于生活杂排水选择性收集，要求耐酸碱、密封性好、防堵防结垢、节能。
因此,该阀必须具有完善的结构设计,以确保其安全、快速、寿命长、工作可靠、能耗低等。
3.1.2集水阀结构设计
（1）为满足与现有地漏相匹配，阀的外腔设计取决于所采用地漏的尺寸。
（2）阀片设计确保阀片只承受阀片转动扭矩,介质的推力由支承座和下腔腔体承担,确保阀杆能够长期可靠地工作。
采用刮刀式结构设计，使阀片在摆动过程中，具有自清洁功能，有效地解决了阀的堵塞和结垢问题。
（3）内腔采用圆弧形设计,确保了阀的防堵功能。
同时阀片为瞬时工作，产生较大的冲击载荷，以压出微粒杂质，保证阀片工作顺畅,不卡阻。
（4）既要保证中水顺畅流通不滞留室内，又要保证传感器的工作精度，将阀下腔进出口直径设为25mm-32mm。
（5）电磁铁为瞬间工作状态，要求齿轮齿条具有较高的耐磨性和抗疲劳性。
3.1.3电磁铁选型
本设计选用MFJ1—4.5交流阀用电磁铁。
该电磁铁的工作行程及吸力能满足设计要求，而且能耗低。
工作原理：
上层用户生活杂排水经地漏流入集水阀，若水质满足用户设定要求，电磁铁a工作，驱动齿轮齿条机构，带动阀片转动，中水则排入集水箱；反之，电磁铁b工作，使阀片复位，中水则直接排往下水管。
从而实现集水阀智能选择收集生活杂排水功能。
图４为智能选择集水阀外观图。
3.2智能控制系统研究
3.2.1控制系统硬件设计
智能控制系统主要对集水阀检测的浊度值信号进行实时监测控制。
并显示集水箱液位、温度、节水量。
智能控制系统组成：
ATmega16单片机、液晶显示屏、电源、相关外电路等。
图５硬件电路原理框图
3.2.1.1单片机选择
单片机是系统的核心，完成控制、数据采集、处理、输出等功能。
本系统采用ATMEGA16单片机。
采用ATmega16单片机的优点有：
（1）集成了A/D转换功能。
传感器除了频率信号输出形式之外，还有电压和电流输出形式的传感器，当使用后两种输出形式的传感器，采集器必须有对信号进行A/D转换的功能。
ATmega16单片机有8通道A/D转换，8路10位A/D。
使用单片机本身集成的A/D转换功能，可以简化电路设计，降低功耗。
（2）可任意定义I/O的输入/输出方向。
输出时为推挽输出，驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载；输入口可定义为三态输入，可以设定带内部上拉电阻，省去外接上拉电阻。
（3）带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器。
使用单片机内部集成的看门狗功能，不需外加具有看门狗功能的芯片就能提高采集器抗干扰的能力。
（4）低功耗ATmega16单片机可以在三种模式下工作，他们在4MHZ、3V和25℃条件下的功耗分别是：
正常模式：
3.6mA；空闲模式：
1.0mA；掉电模式：
0.5μA。
[5]
综上所述，本系统采用这种单片机，不仅外围电路简单，布线容易，提高了系统抗干扰能力，降低了一定的成本，而且符合本安仪表使用技术的规X。
3.2.1.2传感器选择
（1）浊度传感器选择
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。
[6]选择光电传感器，检测生活杂排水的浊度值，从而满足实时监控集水阀的选择功能。
（2）感应冲厕传感器选择
红外热释传感器主要由高热电系数的锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘钛等配合滤光镜片窗口组成的热型红外线感测器，又称热电堆感测器。
它能以非接触形式检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。
[7]选择红外热释传感器，检测冲厕信号，实现冲厕功能。
红外热释传感器的优点：
本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。
抗干扰性能：
1防小动物干扰
探测器安装在推荐地使用高度，对探测X围内地面上地小动物，一般不产生报警。
②抗电磁干扰
探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。
③抗灯光干扰
探测器在正常灵敏度的X围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。
热释电红外控制电路由集成电路lC（SS0001）和电阻器RZ-R9、电容器Cl-C8组成。
SS0001是热释电红外控制专用集成电路，其内部由输入放大器、双向限幅器、状态控制器、延时定时器、锁存定时器和基准电源等电路组成，如图６所示。
图６热释电红外控制电路图
（3）液位传感器选择
液位传感器是检测水箱液位，以控制水箱温度在接近零摄氏度时排空水箱中的水。
选择干簧管式液位传感器，结构简单、检测方便，控制电路容易实现。
其液位控制原理图如图7.
3.2.2控制系统软件设计
存储器中存储了与传感器有关的特征数据，这些特征数据用于实现物理信号的转换、数据处理等。
根据传感器的功能要求和硬件电路的要求，软件设计流程图如图8所示。
控制系统程序见附1。
图8软件设计流程图
3.4数字流量计的设计
本流量计的最大流量Q需满足在中水水量大、满管径流动时，能及时排出中水，以防过流速度慢，中水上溢（即进口水量大于出口水量，排水不畅）。
结构设计：
（1）工作腔采用球形设计，分上腔和下腔。
在水平中心线上安放轴，两端装有轴承和轴套。
叶片安装在轴上能自由旋转，既能实现排水功能，又能防堵。
（2）上工作腔顶部安装线圈，每块叶片装有铁片。
叶片经过上腔顶部时线圈会产生感应信号。
（3）下腔底部有凹形弧槽，在水中有微小杂质颗粒时会沉积在弧槽里，并随着叶片的转动带出工作腔，有效的解决了流量计的堵塞问题。
工作原理：
水流进流量计的工作腔，使叶片旋转，以两叶片之间的体积为单位容积，每个叶片在经过上工作腔顶部时，线圈中都会产生脉冲信号，控制器通过计量出脉冲信号的数目，根据实验标定的流量系数，相应的就可以计算出集水量。
该流量计特点：
低成本、低功耗、防堵、自动计量。
3.5集水箱
水箱箱体设计是根据中国文明网上的调查，（一个人每天至少要上5次厕所，假设他用的水箱为6升的节水马桶，每人每天冲马桶的用水量至少要用30升每天（L/d））。
按每次每人冲厕用水量（q）6升、根据每个家庭平均3人（n）（水箱储水可供一个家庭1~2天（t）用水计算（以保证水箱能提供足够的水）。
（见参考资料39）
水箱的有效容积（v）:
V1=q×5×m×t=6（L）×5×3×1（天）=90（L）
V2=q×5×m×t=6（L）×5×3×2（天）=180（L）
所以我们设计容积为90升和180升的水箱
水箱的高度设计是根据国家标准：
马桶下水管的弯管底部离天花板高度小于等于470mm。
留出20mm安装尺寸，水箱离天花板高度约为50mm，水箱的高度定为400mm，而长和宽之比一般为3：
2。
综合以上条件：
90L的水箱：
宽可取400mm长可取600mm。
180L的水箱：
宽可取550mm长可取820mm。
考虑到中水成份复杂及成本问题，箱体材料采用耐腐蚀的不锈钢，并在其表面喷涂防腐剂。
箱体的侧面和底面设计5度的斜度。
另外，集水箱与过滤降噪筒一次冲压成型。
过滤降噪筒具体结构如下：
图11过滤降噪筒结构图
过滤降噪筒的有关参数
中水入水口口径：
50mm。
水管伸入筒壁为150mm。
集水箱底板离降噪筒的顶部为240mm。
筒壁厚为8mm。
过滤降噪筒的直径为：
150mm。
过滤降噪筒的作用
过滤降噪筒是进行第二次过滤的装置，同时它还能起到消除噪音的功能。
用户只需要定期（一般为一年）将过滤降噪筒中的滤网从水箱底部取出清洗或更换即可。
3.6电磁阀选用
本设计选用2W-15常闭型电磁阀。
该阀适用于以液体为工作介质，可自动化控制或远程控制水、油、液体等工作介质管路的通断。
本阀采用橡胶密封，故对工作介质的清洁度大大减低，具有启闭讯速，可靠性、高体积小，密封性能好，维修方便等特点。
实现的功能：
1、完成二次冲水。
2、当集水箱没水时自动切换至补水冲水电磁阀。
3、当温度低于零摄氏度时自动排空集水箱。
四、安全措施
根据相关水质实验——在20摄氏度静态环境下对微生物监测结果说明：
中水在36-40小时后微生物会大量繁殖。
本系统采用上层中水下层回用方法冲厕，水箱中的水都处于流动状态，破坏了微生物大量繁殖所需的条件。
因此，本系统设置在中水冲水阀48小时内不使用时会自动清空水箱。
（参考资料17）
五、系统实验分析
根据某用户试点，得出如下数据：
2007.10-
2008.3（月）
使用本系统前相关数据
2008.10-
2009.3
（月）
使用本系统后相关数据
自来水总用量（T）
冲厕用自来水量（T）
生活废水总排量（T）
自来水总用量（T）
冲厕用自来水量（T）
生活废水总排量（T）
10
11.0
3.85
11.0
10
7.5
0.65
7.5
11
9.5
3.04
9.5
11
6.4
0.43
6.4
12
8.0
2.40
8.0
12
5.5
0.29
5.5
1
9.2
2.85
9.2
1
6.6
0.37
6.6
2
9.1
2.82
9.1
2
6.5
0.34
6.5
3
12.0
4.20
12.0
3
8.4
0.75
8.4
总计
58.8
19.16
58.8
40.9
2.83
40.9
数据处理：
月份
使用前用水量（T）
使用后用水量（T）
节水减排率（%）
10
11
7.5
31.82
11
9.5
6.4
32.63
12
8
5.5
31.25
1
9.2
6.6
28.26
2
9.1
6.5
28.57
3
12
8.4
30.00
平均
9.8
6.8
31.00
实验结论：
本系统节水减排率可达31.00%，节水减排效果明显。
根
图14生活用水总排量对比直方图
六、浊度值检测精准度研究
七、与典型自家水自家用系统对比
图15中水选择自家水自家用系统模式结构示意图
自家水自家用系统的工作原理：
将自家生活中水选择性收集，通过泵输送到集水箱过滤和消毒后再经泵输送到马桶水箱供冲厕用。
自家水自家用系统的缺点：
通过泵对中水二级输送，用电功耗大，增加了用户的额外经济负担。
生产成本和使用成本都相对较高。
集水小车放在室内，占用人们部分生活空间。
本系统打破“自家水自家用”的传统观念，提出“上水下用”的新理念。
系统采用人性化设计，设备装置简单，安装成本低，不增加用户额外负担，节水减排效益明显。
再加上减排量化激励政策的实施，用户还可以获得持续可喜的收益，能有效促进全民参与节水减排。
八、结论
本系统节水效果明显，同时还会带来良好的经济社会环境效益。
突破了“自家水自家用”的传统思维定势，向共享公用的和谐思想转变。
不仅能节水减排，还能有效增进民众互动，营造良好的文明社会风尚。
目前我们对本系统进行了相关测试，得出如下结论：
1.节水效率好：
可节约85%以上冲厕用自来水；
2.减排效益好：
可减少当前技术条件下用户25～30%一次水和生活污水排放量；
3.成本低：
≤600～800元/套（维护使用成本≤5元/套/年）；
4.安装对生活空间容积影响小：
≤0.1%；
本作品采用模块化设计，自动化程度高，工作可靠性强，结构简单，成本低廉，实用方便，普适性强，节水减排效益显著。
本作品优势比较明显。
本作品户均初装成本为600～800元，仅为中水回用管网初装费和自水自用系统成本的三分之一；使用时不仅不需支出中水水费，还可完全免除自水自用系统带来的电费支出和经常清理维护的烦恼，而且还能持续获得可喜的收益（减排奖励）。
九．主要问题说明
用户最关心的问题就是系统使用卫生安全问题即中水直用是否会影响用户的身心健康。
为消除用户疑虑，我们采取了如下解决措施：
1.本系统目前仅对洗淋杂排水进行收集。
通过“两滤一选”的方式优化中水。
2.细菌的大量繁殖需要稳定的条件，如温度、溶氧量、ph、有机物含量等。
而本系统水箱的水基本上都处于流动状态，当用户几天不在家时控制系统会自动排空水箱，更换中水，从而破坏了细菌大量繁殖的条件。
3.自动感应中水冲厕，自来水二次清厕，保证中水使用安全。
另外，我们将做出如下改善，以满足用户的更高要求：
1.在大便器上安装自来水喷管，在中水冲厕的同时自来水喷管形成水幕进行水封，能有效防止异味的扩散。
2.添加生物膜的方法进一步对中水优化，以满足高端用户的需求。
其次，通过系统原理分析，我们可得知底层用户水箱中的水质相对较差。
由于各楼层用户设置的水质要求不同，各水箱的水质也不同。
当某个楼层的水箱积满时会通过过水管自动逐层下泄，导致底层水源最多，而底层用户的选择集水阀是无法控制的。
若用户有这个要求，可以在各楼层的过水管上增加一个选择集水阀。
但这会提高系统的生产成本和用户的使用成本。
建议：
中水直用系统目前国家没有专门的法律法规，我们都是参照国家其他节水系统的相关标准来设计的。
希望国家能及时出台中水直用系统的相关法律法规，并明确规定中水回用的相关激励政策，以便本系统的设计和推广更加完善，彻底实现全民参与节水减排的愿望。
节水减排不是一个人的事，而是全社会人人参与的大事。
生命需要绿色，绿色需要水源，节水减排从我做起，从每一个用水人做起。
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