公共场所盥洗室水循环系统设计

刘江海尚茁文汪洋李玉元

摘要：城市公共场所是城市经济的重要载体，传统公共场所卫生间和盥洗室采用单向水代谢模式，即“供水-用水-排放”的模式。此模式存在水资源重复利用量较少和利用效率较低等问题。本文结合生活用水GB5749-2006国家标准，设计适合公共场所的水资源循环代谢系统。该系统采用最佳清洁剂用量的方法，并通过控制电磁阀出水量，实现最佳清洁溶液配制。通过实验和理论计算，节水效果极为显著。

关键词：循环水收集；水质分级；最佳清洁溶液配制

1、前言

近年来，随着我国水资源的利用量已经基本逼近水资源的可供给量，“水危机”现象日益显现。在《中国城市可持续发展研究》[1]中显示，全国622个城市中，400个城市常年供水不足，其中有110个城市严重缺水，日缺水量达1600万立方米，年缺水量60亿立方米。同时大部分城市水资源的重复利用率仅有30%-50%。提高城市水资源重复利用量和利用效率刻不容缓。

2017年1月，发改委发布了《关于开展第三批国家低碳城市试点工作的通知》（发改气候〔2017〕66号）。为此，以北京为代表的众多城市开始大力发展城市“水循环经济”。其核心在于革新传统的水资源管理模式“供水-用水-排放”的单向水资源代谢系统，采用“供水-用水-排水-污水回用”的闭环式水资源循环系统，实现水资源、经济、社会的和谐与可持续发展。

为此，我们对武汉东湖学院用水情况进行调研，教学楼、图书馆、科技楼和实验楼等公共场所平均日均用水量约在570吨，而水资源循环利用量和利用率仅为2%，故而蕴藏着巨大的节水潜力。

2、设计方案

本设计是对公共场所用水进行收集、分类、储存和循环利用与半自动清洁剂配制系统。如2-1系统框图所示。

首先，放置在盥洗室面盆上的雨滴传感器检测是否有水，当有水下时，打开下端电磁阀进行收集。

接着，水质传感器组实时监测水质，将一级利用后的水按照生活用水标准（GB5749-2006）中的部分重要参数进行清浊分流，并通过排水管储存在特定水箱。清水可利用于日常清洁和绿植浇水等；浊水可用于便池冲洗。实现公共场所用水循环。

然后，考虑自然环境下，存储在特定容器的循环水，由于溶氧量增加和细菌分解有机物，导致水质恶化。因此，设置水质降级功能，当清水箱水质恶化，自动开启电磁阀送入浊水箱。并根据特定场所的清洁习惯设置预约功能，即在预约时间前系统将准备好清洁剂和清洁用水，以方便用户使用。

最后，通过MCU控制清洁溶液配制需水量，手动通过简易量进行具进行添加，实现半自动清洁剂配制的功能。

图2-1系统框图

2.1水质分级部分

此部分由水质监测单元和分级倒流单元组成。

如图2-2所示，水质检测单元由球形外壳包裹PH值传感器和浊度传感器与检测控制电磁阀构成。整个结构采用球形，以方便水流下时不会在底部产生积水，从而产生污染。当循环水进入传感器单元，STM32可以读取PH值和浊度值。当PH和浊度值发生突变时，关闭检测控制电磁阀，减少循环水混合污染。

分级导流单元由两个清、浊倒流电磁阀构成。整个结构为T形，可平行导水，将水交叉污染降到最低。当循环水从水质检测单元流下，MCU分析读取的PH值和浊度值是否位于国标区间。在此范围时，清水阀门打开；不在此范围时，浊水阀门打开。从而实现水质清浊分流。

2.2半自动清洁溶液配制系统

以武汉东湖学院教学楼中清洁使用的洗衣粉为例。

探究不同清洁浓度条件下的去污结果：由相关文献中实验结果，其中，JB-1是碳黑污面，JB-2是蛋白污面，JB-3是油脂污面。图2-2是三种标准污染面在不同清洁溶液浓度下的去污力（P）曲线。从图中可知：在清洁质量浓度较小时，增加洗衣粉的用量，去污比值明显增大，去污效果显著提高；当清洁质量浓度增加到5g/L时，增加洗衣粉的用量，污面的去污比值变化平缓。当清洁质量浓度达到一定值（JB-01污染面为5g/L、JB-02污染面为10g/L、JB-03污染面为8g/L）时，去污比值达到最大值；继续增加洗衣粉用量，去污比值反而有所下降。由此可知，清洁最佳质量浓度约为5g/L。

图2-2三种标准污染面在不同清洁溶液浓度下的去污力（P）曲线

图3-1武汉东湖学院教三示意图

STM32控制添加水量函数：

Y-加水量（L）X-加洗衣粉质量（g）

3理论设计计算

以武汉东湖学院教三为例，教三一共五层，合计10070个座位，每天提供6000人同时上课。

3.1需水量统计

对如图3-1所示武汉东湖学院教三楼用水量分四类进行统计：

①室内卫生用水，其中教三需要清洁地方有部分教室，厕所和走廊等。总清洁面积约在5000m2。清洁每天三次，在6：00-8：00、12：00-13：30和15：30-18：00三个时间段。清洁流程为“清扫-洗衣粉拖地-清水拖地”每天用水约为10吨；

②个人清洁用水，教三一共有20个厕所。按照教三实际人流量计算，对其中进行如洗手、洗脸等个人清洁行为用水，每天用水约为20吨；

③其他用水，如绿植浇水、教学目的取水和清洗器皿等，约在10吨。

④厕所浇水，教三为普通蹲便式冲水，每

次出水8L。按照平均人流量不完全统计和计算，每天厕所冲水量约在20吨。

4.总结

相比于如今在公共场所普遍使用的单向水代谢系统消耗大量水资源，本系统可实现公共场所盥洗室水循环和最佳清洁用水配制，提高了水资源重复利用量和利用效率。相比于类似理念的作品[3]，引入分级利用等。将水的循环利用细化，极大限度提高水利用率。本系统具有很好的发展前景，可对接目前AI和大数据应用。引入AI可以给使用者更好的用户体验。例如水的分级更科学、循环利用更方便。引入“大数据云”对水量、水质、循环利用量等相应数据进行收集，提供给政府和企业做相应的大数据分析，制定更好的节能政策和企业管理制度。

参考文献：

[1]郭培章，等.中国城市可持续发展研究[M].北京：经济科学出版社，2003

[2]田岳林，李汝琪，李建娜，安鸣，刘旭.城市水循环经济发展思路及体系构建[J].环境科学与管理，2010，35（06）：157-162+181.

[3]祁萌，魏延.家用卫生间节水装置设计的再研究[J].知识经济，2013（01）：84.