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雨水及灰水再利用—非传统水资源在居民区应用可行性研究

作　者: 张燕
导　师: 陈东辉；Andrew Grant；Ashok Sharma
学　校: 东华大学
专　业: 环境工程
关键词: 城镇水资源综合管理 雨水利用 灰水回用 水量平衡 水质平衡 生命周期评价 净现值法 多因素决策系统
分类号: TV213.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


由于气候变化、人均用水量增加、以及过度开采及严重污染水资源等原因,目前很多国家面临着水资源危机。因此,雨水及灰水等非传统水资源的应用研究日益得到各国学者的重视;对水资源进行合理开发、高效利用、全面节约、有效保护和综合治理已成为研究热点。城市化进程的不断加快导致城镇人口剧增,这对城市供水系统的承受能力是严峻的考验。居民区内雨水的合理利用可缓解城市供水管网的压力,灰水回用则可起到节水减污的双重作用。非传统水资源的利用是解决水资源危机的重要手段之一,同时,水资源的综合治理是保证非传统水资源合理应用的重要措施。针对城市水资源短缺现状,本文探讨了利用非传统水资源(雨水和轻度污染的灰水)提供居民区中绿化景观用水及冲厕用水的可行性研究。文章基于城镇水资源综合管理(Integrated Urban Water Management,IUWM)这一理念,运用水量及水质平衡模型UVQ(Urban Volumes and Quality),对研究区域Burwood site居民区进行水量及水质平衡模拟和分析;利用生命周期法(Life Cycle Costing,LCC)对文中阐述的各种方案进行经济分析;全面考虑水量、水质、经济和社会因素,运用多因素决策法(Multi-Criteria Assessment,MCA)得出研究区域内最优方案。同时,本文对在研究区域内采用不同耗水量设备所得出的不同结果进行了研究。Burwood site位于澳大利亚墨尔本市中心东南部,城镇水资源综合管理(IUWM)理念在非传统水资源利用过程中的作用在本研究区域得到充分验证。其旨在将城市供水、雨水排放及污水排放作为有机的整体进行分析。研究区域包括2栋居民楼,其中第一栋高3层(24户),共有居民42人,第二栋为5层(50户),共有居民80人。本文主要得出以下结论:1.分质供水系统(雨水/灰水系统和城镇供水管网)安装在研究区域居民楼内,其中非传统水资源供给绿地灌溉和/或冲厕用水,城镇供水管网提供其他用水。水量平衡模拟探讨了雨水/灰水利用量、用水量年平均体积百分比、雨水排放量及排污减少量/率等。蓄水池体积由用水量年平均百分比这一因素决定,其数值为非传统水资源利用量与终端设备需水量的比值。2.研究结果表明:雨水作为绿化灌溉用水的各个方案所需蓄水池体积较冲厕用水方案大;雨水作为绿化灌溉用水,比较第一栋居民楼和第二栋居民楼储水池的大小,前者明显大于后者,其原因为前者所需灌溉面积(1409m~2)远大于后者(783m~2),即前者需水量比较大导致蓄水设备体积较大。但雨水作为冲厕用水的结果反之于雨水用于绿地浇灌用水,主要原因是雨水利用量与居民人数成正比;如果雨水同时用于浇灌绿地和冲厕,所需储水设备体积明显大于其中任何一种终端应用的储水设备体积。在灰水利用系统中,蓄水池体积的最大差异产生在处理后的灰水用于绿地浇灌和冲厕之间,其原因为绿地浇灌需水不连续而冲厕用水比较稳定。3.节水量由终端使用设备的类型/绿地面积大小决定,即:普通型设备、节约型设备,居民楼周围绿地面积大小。显然,无论雨水利用系统还是灰水利用系统,非传统水资源同时供给绿地浇灌和冲厕用水均可获得最大节水量。节约型设备可大大减少城镇供水管网的供水量及污水排放量。4.污染物的去除量取决于其去除率及雨水/灰水用水量。所研究污染物中,TSS去除量最大,主要原因为TSS去除率最高。节水型设备需水量较普通型设备小,因此其雨水/灰水利用量较小,导致其污染物去除量比较小。显然,非传统水资源同时供给绿地浇灌和冲厕可最大量去除污染物。5.采用生命周期法(LCC)中的常用方法净现值(Net Present Value,NPV)法对雨水及灰水应用系统中各方案进行经济分析。分析年限为50年。文中分别分析了水的输送系统、蓄水池及其安装、维修系统、灰水处理以及节约(雨水及灰水的应用)费用。研究结果表明,非传统水资源同时供给绿地浇灌和冲厕位为最小经济收益方案。雨水用于绿地灌溉可收到最大经济效益。6.文中运用‘DecisionLab 2000’,结合水量、水质、年平均用水百分比、供水减少量,经济及社会影响等因子,对雨水系统和灰水回用系统进行了综合评价。研究结果表明:经济因素对各方案产生最大影响;水量与水质、年平均用水量百分比与供水减少量的影响表现出相容性;第一栋楼、第二栋楼及研究区域Δ值(可靠性)均超过90%;终端使用为绿地冲厕用水且采用节水型设备表现为最佳方案;就整个研究区域而言,灰水供给绿地浇灌表现出最大φ值,即为最优方案。

全文目录


ABSTRACT  6-10
摘要  10-16
LIST OF TABLES  16-18
LIST OF FIGURES  18-20
GLOSSARY  20-22
CHAPTER 1 INTRODUCTION  22-30
  1.1 BACKGROUND TO ALTERNATIVE WATER RESOURCES USE  22-24
  1.2 RESEARCH OBJECTIVE  24
  1.3 SIGNICICANCE OF THIS RESEARCH  24-25
  1.4 NEW IDEAS AND APPROACHES  25-26
  1.5 THESIS LAYOUT  26-28
  REFERRENCES  28-30
CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW  30-66
  2.1 INTRODUCTION  30-32
    2.1.1 ALTERNATIVE WATER RESOURCES  30
    2.1.2 URBAN WATER CYCLE  30-32
  2.2 URBAN WATER MANAGEMENT  32-34
    2.2.1 TRADITIONAL URBAN WATER MANAGEMENT  32-33
    2.2.2 INTEGRATED URBAN WATER MANAGEMENT  33-34
  2.3 RAINWATER USE SCHEMES  34-41
    2.3.1 RAINWATER QUALITY  34-35
    2.3.2 RAINWATER USE SCHEMES IN AUSTRALIA  35-37
    2.3.3 RAINWATER USE SCHEMES IN CHINA  37-38
    2.3.4 RAINWATER USE SCHEMES IN OTHER COUNTRIES  38-41
  2.4 GREYWATER RECYCLING SCHEMES  41-48
    2.4.1 GREYWATER CHARACTERISTICS  41-42
    2.4.2 GREYWATER RECYCLING SCHEMES  42-48
  2.5 LEGISLATION FOR ALTERNATIVE WATER RESOURCE USE  48-52
    2.5.1 LEGISLATION FOR RAINWATER HARVESTING SYSTEM  48
    2.5.2 LEGISLATION FOR GREYWATER RECYCLING SYSTEM  48-52
  2.6 PUBLIC ACCEPTANCE  52-55
    2.6.1 PUBLIC ACCEPTANCE OF RAINWATER USE SCHEMES  52-53
    2.6.2 PUBLIC ACCEPTANCE OF GREYWATER USE SCHEMES  53-55
  2.7 BENEFITS  55-56
  2.8 SUMMARY  56-58
  REFERENCES  58-66
CHAPTER 3 DESCRIPTION OF STUDY SITE  66-72
  3.1 CASE STUDY SITE  66-69
    3.1.1 LOCATION OF BURWOOD SITE  66-67
    3.1.2 DESCRIPTION OF RESIDENTIAL BUILDINGS IN BURWOOD SITE  67-68
    3.1.3 LAND USE AND POPULATION ESTIMATES OF SUBJECT SITE  68-69
  3.2 CLIMATE ANALYSIS  69-71
    3.2.1 CLIMATE DATA COLLECTION  69-70
    3.2.2 ANNUAL AVERAGE RAINFALL AND EVAPORATION  70
    3.2.3 MONTHLY AVERAGE RAINFALL,EVAPORATION AND TEMPERATURE  70-71
  REFERENCES  71-72
CHAPTER 4 WATER BALANCE  72-111
  4.1 INTRODUCTION  72-74
  4.2 DESIGN OF DUAL PIPE SYSTEMS  74-77
    4.2.1 RAINWATER SYSTEM  74-76
    4.2.2 GREYWATER SYSTEM  76-77
  4.3 METHODS  77-87
    4.3.1 WATER DEMAND  77-82
    4.3.1 MODELING APPROACH  82-85
    4.3.3 SIMULATIONS  85-86
    4.3.4 INTEGRATED WATER SYSTEM ANALYSIS  86-87
  4.4 RESULTS AND DISCUSSION  87-106
    4.4.1 WATER CONSUMPTION  87-88
    4.4.2 BASE CASE WATER BALANCE  88
    4.4.3 RAINWATER USE SYSTEM  88-97
    4.4.4 GREYWATER RECYC LING SYSTEM  97-106
  4.5 CONCLUSIONS  106-109
    4.5.1 OPTIMAL TANK SIZES  106-107
    4.5.2 WATER BALANCE ANALYSIS  107-109
  REFERENCES  109-111
CHAPTER 5 CONTAMINANTS BALANCE  111-136
  5.1 INTRODUCTION  111-112
  5.2 CHARACTERISTICS OF URBAN CONTAMINANTS  112-114
    5.2.1 NUTRIENTS  112-113
    5.2.2 TOTAL SUSPENDED SOLIDS(TSS)  113
    5.2.3 ORGANIC POLLUTANTS(BOD,COD OR TOC)  113-114
    5.2.4 HEAVY METALS  114
    5.2.5 CONTAMINANTS CONTROL  114
  5.3 CONTAMINANTS CONCENTRATION  114-118
    5.3.1 RAINWATER USE SYSTEM  114-116
    5.3.2 GREYWATER RECYCLING SYSTEM  116-117
    5.3.3 TREATMENT AND REMOVAL  117
    5.3.4 END USE REQUIRED QUALITY  117-118
  5.4 RESULTS AND DISCUSSION  118-131
    5.4.1 RAINWATER SYSTEM  118-122
    5.4.2 GREYWATER SYSTEM  122-127
    5.4.3 REDUCTION  127-131
  5.5 CONCLUSIONS  131-133
    5.5.1 RAINWATER USE SYSTEM  131
    5.5.2 GREYWATER REUSE SYSTEM  131-133
  REFERENCES  133-136
CHAPTER 6 ECONOMIC ANALYSIS  136-167
  6.1 INTRODUCTION  136-138
  6.2 METHODS  138-143
    6.2.1 LIFETIME OF FACILITIES  138
    6.2.2 ECONOMIC ANALYSIS TECHNIQUES  138-140
    6.2.3 CONVEYANCE SYSTEM  140-141
    6.2.4 COST OF ENERGY  141-142
    6.2.5 TANK COST AND INSTALLATION COST  142
    6.2.6 MAINTAINING FACILITIES  142
    6.2.7 COST OF GREYWATER TREATMENT UNITS  142-143
    6.2.8 SAVINGS  143
  6.3 RESULTS AND DISCUSSION  143-163
    6.3.1 ECONOMIC ANALYSIS PERIOD AND USEFUL LIFE OF INFRASTRUCTURE  144
    6.3.2 INFRASTRUCTURE COST  144-150
    6.3.3 PUMP COST  150
    6.3.4 ELECTRICITY COST  150-153
    6.3.5 TANK COST  153-155
    6.3.6 INSTALLATION COST  155
    6.3.7 MAINTENANCE COST  155-157
    6.3.8 GREYWATER TREATMENT PLANT COST  157-158
    6.3.9 SAVINGS  158-161
    6.3.10 TOTAL COST  161-163
  6.4 CONCLUSIONS  163-165
  REFERENCES  165-167
CHAPTER 7 MULTI-CRITERIA DECISION MAKING ANALYSIS  167-189
  7.1 INTRODUCTION  167-169
  7.2 METHODOLOGY  169-174
    7.2.1 MULTI-CRITERIA ANALYSIS METHOD  170-171
    7.2.2 SELECTION OF CRITERIA  171
    7.2.3 CRITERION SCALES  171-172
    7.2.4 WEIGHT  172
    7.2.5 GAIA ANALYSIS  172-173
    7.2.6 RANKING  173-174
  7.3 RESULTS AND DISCUSSION  174-184
    7.3.1 PERFORMANCE OF SCENARIOS WITH REGARD TO SELECTED CRITERIA  174-179
    7.3.2 GAIA ANALYSIS  179-182
    7.3.3 RANKING OF SCENARIOS  182-184
  7.4 CONCLUSIONS  184-187
    7.4.1 PERFORMANCE OF SCENARIOS WITH REGARD TO SELECTED CRITERIA  185
    7.4.2 GAIA ANALYSIS  185-186
    7.4.3 PROMETHEE RANKING  186-187
  REFERENCES  187-189
CHAPTER 8 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS FOR FURTHER RESEARCH  189-194
  8.1 CONCLUSIONS  189-193
    8.1.1 INTEGRATED URBAN WATER MANAGEMENT(IUWM)  189-190
    8.1.2 WATER BALANCE  190-191
    8.1.3 CONTAMINANT BALANCE  191
    8.1.4 ECONOMIC ANALYSIS  191-192
    8.1.5 MULTI-CRITERIA ASSESSMENT  192-193
  8.2 RECOMMENDATIONS  193-194
PUBLICATIONS  194-195
ACKNOWLEDGEMENTS  195

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水资源调2查与水利规划 > 水资源开发 > 水利资源的管理、保护与改造
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