Tái chế nước

Việc xử lí và tái sử dụng nước mưa và nước xám, tức là nước thải từ các tòa nhà không bao gồm thành phần restroom, đã có lịch sử lâu đời ở một số nơi trên thế giới. Trong những thập kỷ gần đây, lĩnh vực này đã có nhiều sự tiến bộ, và nhiều cuộc đánh giá và nghiên cứu thực địa đã được báo cáo.

Ví dụ về các kế hoạch tái sử dụng khác nhau có thể được đề cập sau đây. Từ Namibia, việc tái sử dụng trực tiếp nước thải để cung cấp nước uống đã được báo cáo (Haarhoff 1996); trong khi chi phí xử lý lớn hơn so với nước thô thông thường, thì chúng lại ít hơn so với chi phí vận chuyển đường dài. Tái sử dụng trực tiếp cho nguồn cung cấp không uống được phổ biến ở vùng khí hậu khô cằn; Mills và Assano (1996) đã phân tích kết quả từ nhiều chương trình ở California.

Từ Úc, Law (1996) đã mô tả một nhóm các tòa nhà trong nước có quy mô đầy đủ đầu tiên; và nghiên cứu khả năng bảo tồn thông qua thiết kế lại các thiết bị và lắp đặt restroom. Các cuộc điều tra trong lĩnh vực này đã được theo đuổi ở Vương quốc Anh và nước ngoài trong ba lĩnh vực chính: các mối quan tâm về sức khỏe và sự cảm quan; mô hình hóa hệ thống thu gom và tái sử dụng nước mưa, nước thải; và các nghiên cứu tại chỗ về sử dụng và tái sử dụng nước.

Hướng dẫn định hướng về mặt sức khỏe cho các hệ thống tái sử dụng tập trung vào coliform trong phân như sinh vật dùng làm chỉ báo được đưa ra trong một báo cáo của Hiệp hội Thông tin và Nghiên cứu Dịch vụ

Tòa nhà (Mustow et al. 1997). Chúng được hình thành từ việc xem xét thực tiễn trên toàn thế giới về tái sử dụng nước mưa và nước xám. Dixon et al.

(1999a) hỗ trợ và mở rộng chúng, dựa trên phân tích rủi ro phân biệt giữa tái sử dụng nước cho nhiều người dùng và một gia đình. ‘Rủi ro cao hơn’ được liên kết với nhiều người dùng, ‘rủi ro thấp hơn’ liên quan đến áp dụng cho gia đình. Họ thảo luận về việc áp dụng một hệ thống để chỉ định điểm số đối với nguy cơ và việc tiếp xúc với nước xám, cho thấy mức độ rủi ro thay đổi như thế nào từ nguồn, qua quá trình vận chuyển, lưu trữ và sử dụng, lấy nước tắm làm ví dụ. Khung đề xuất của họ dựa trên phân tích rủi ro này và dựa trên các hướng dẫn do BSRIA và WHO đưa ra để tái sử dụng nước thải sinh hoạt hoặc nước được xử lí một phần. Họ thấy hướng dẫn sau là phù hợp để thiết kế tái sử dụng nước xám trong khu vực công nghiệp/thương mại/đô thị và trong khu vực sinh hoạt với nhiều người ở. Những phương pháp này cũng được coi là phù hợp để tái sử dụng ngoài trời (sử dụng trong vườn hoặc rửa bên ngoài) công suất sử dụng cho một gia đình cư dân.

Mặt khác, đối với một gia đình sử dụng nước xám để xả restroom, họ đề xuất rằng thay vì giới hạn số lượng coliform trong phân xuất hiện, nên có các tiêu chí kiểm soát thiết kế hệ thống với mục đích đảm bảo rằng những điều sau đây được giữ ở mức tối thiểu:

1. Thời gian lưu trú của nước xám trong hệ thống, để giảm thiểu sự phát triển của vi khuẩn;

2. Con người tiếp xúc với nước xám

3. Mùi.

Ngoài ra, màng sinh học nên được ngăn chặn, các thành phần phải được dán nhãn rõ ràng và việc có một bản hợp đồng bảo trì hệ thống nước xám sau khi mua sẽ là một lợi thế. Mô hình được hỗ trợ bởi phòng thí nghiệm và/hoặc thử nghiệm hiện trường đã được sử dụng trong việc điều tra những thay đổi về chất lượng trong nước xám được lưu trữ mà chưa được xử lý (Dixon et al. 1999b). Họ xác định bốn quá trình chính trong quá trình vận hành: giải quyết chất rắn lơ lửng, phát triển vi sinh vật hiếu khí, giải phóng COD kỵ khí hòa tan và sục khí lại khí quyển.

Tất nhiên, bể chứa là điều cần thiết trong hệ thống tái chế và các yếu tố trên phải được tính đến khi xác định kích thước bể chứa như vậy trong các tòa nhà. Công trình nghiên cứu của họ xác nhận những quan sát thực tế rằng nước xám không nên được lưu trữ quá 48 giờ, nhưng việc lưu trữ khoảng 24 giờ có thể chấp nhận được.

Tái sử dụng nước xám trong vòng một ngày để xả restroom trong một gia đình là một ứng dụng đơn giản, có thể không cần xử lý ngoài việc lọc để đảm bảo rằng van phao không bị tắc và có thể khử trùng để giảm mùi. Hodges (1998) chỉ ra rằng việc đầu tư vào một hệ thống xử lý được thiết kế để lọc, lưu trữ và khử trùng nước xám có thể giúp việc tái sử dụng trở nên khả thi hơn. Ông liệt kê các yếu tố cần xem xét bao gồm:

• Lượng nước có sẵn từ các thiết bị khác nhau trong một tòa nhà;

• Các chất gây ô nhiễm có mặt, thay đổi theo thiết bị;

• Việc sử dụng nước xám sau khi xử lý, cho dù là sử dụng trong vườn với nhu cầu riêng biệt, xả restroom hay ứng dụng khác.

Báo cáo mô tả các phương pháp lưu trữ, khử trùng và lọc phù hợp

Mô hình hóa cũng đã được sử dụng trong nghiên cứu thiết kế hệ thống tái sử dụng nước và hiệu suất của chúng. Ưu điểm của riêng nước mưa, tức là không có nước thải, là nó phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng mà không cần xử lý quá kỹ càng. Dựa trên dữ liệu có sẵn về lượng mưa và mô hình nhu cầu nước trong các tòa nhà, mô hình có thể dự đoán hiệu suất về diện tích mái, nhu cầu, lượng mưa và khối lượng được lưu trữ. Hiệu suất được đưa ra dưới dạng hiệu quả tiết kiệm nước, thước đo lượng nước uống được tiết kiệm được so với nhu cầu chung. Tất nhiên, cách tiếp cận này có thể được mở rộng để xử lý việc tái sử dụng nước xám và cả việc tái sử dụng kết hợp nước mưa và nước xám, một lĩnh vực chưa được nghiên cứu rộng rãi.

Bộ tích điện

Không khí

Nước

Điều chỉnh áp suât

Van từ

Khe hở không khí theo luật nước

Nước mưa chảy vào Chảy vào cống hộ gia đình

Nước mưa thoát ra đén restroom

Cấp độ cần thiết

Phao nổi cho phần nước chính

Nguồn: Wilo-Rain Water Collector, Wilo Salmson Pumps Ltd, Đường Ashlyn, Derby, Vương quốc Anh

Hình 1. Ví dụ về hệ thống thu gom nước mưa (xem thêm Honig 2001)

Khả năng sử dụng nước mưa để dội restroom đã được nghiên cứu ở Anh bởi Fewkes và Frampton (1993). Họ đã sử dụng một máy tính để mô phỏng hoạt động của một hệ thống bao gồm một bể chứa duy nhất nằm ở trên hoặc tốt nhất là dưới mặt đất để thu nước mưa từ mái nhà, trên đường dây của một hệ thống thương mại sẵn có như trong hình 1. Nước xả được cung cấp dưới áp suất từ bình tích áp lên đến 4 bar. Khi không có đủ nước mưa, nước bổ sung từ đường ống được đưa vào thông qua một van từ tính, van này được kích hoạt bằng một công tắc phao gần đáy bể chứa.

Để hỗ trợ thiết kế, họ đã tìm cách đánh giá kích thước tối ưu của bình chứa để đáp ứng nhu cầu xả trong một loạt các điều kiện và nhằm hạn chế lượng nước bổ sung.

Dựa trên kỹ thuật Monte Carlo, họ đã tạo ra các tập hợp đường cong hiệu suất, liên quan đến kích thước bể chứa nước với diện tích mái nhà với hiệu quả, tức là tỷ lệ nhu cầu xả nước được đáp ứng bởi nước mưa, thay đổi từ 50 đến 99 phần trăm. Ví dụ, người ta đã kết luận rằng với một ngôi nhà liền kề điển hình ở Nottingham có mái che với diện tích lưu vực 40 m2, 70% nước dội restroom có thể được cung cấp bằng bể chứa có dung tích khoảng 600 lít. Hiệu suất của hệ thống tái sử dụng này sau đó đã được theo dõi trong các thử nghiệm thực địa trong hơn 12 tháng. Dữ liệu thu thập được sử dụng để tinh chỉnh mô hình, đặc biệt là cho phép làm thất thoát một lượng nước mưa trong quá trình thu gom. Với việc xây dựng lên một mô hình có thể chấp nhận được, các đường cong thiết kế không thứ nguyên đã được tạo ra cho khu vực Nottingham, cho phép xác định dung lượng lưu trữ theo diện tích mái nhà trong nước và các kiểu nhu cầu.

Dixon et al. (1999c) đã sử dụng một mô hình tương tự như mô hình trên áp dụng cho việc tái sử dụng nước mưa và nước xám đơn lẻ hoặc kết hợp, dựa trên dữ liệu từ nghiên cứu về việc sử dụng thiết bị do Butler (1993) báo cáo. Nước xám từ bồn tắm, vòi hoa sen, chậu rửa mặt và máy giặt; mục đích là cung cấp nước để xả restroom. Để làm cơ sở cho việc xem xét mô hình này, các bảng ở phần trước chỉ ra phạm vi về lượng nước được sử dụng để tiết kiệm nước xả trong restroom bằng cách sử dụng nước từ quá trình giặt giũ. Hình trong phần trước cũng rất đáng quan tâm khi thể hiện các mô hình sử dụng restroom và các thiết bị khác. Đối với tái sử dụng kết hợp, kết quả mô hình của họ cho thấy rằng, trong khi sức chứa của một ngôi nhà ảnh hưởng đến thể tích lưu trữ cần thiết để đạt được hiệu quả tiết kiệm nước nhất định, thì ít nhất 90% hiệu quả đạt được cho tất cả các công suất được nghiên cứu (1−5) khi lưu trữ từ 100−200 lít. Mức hiệu quả này cũng đạt được khi chỉ sử dụng nước xám, việc bổ sung nước mưa do đó mang lại rất ít lợi ích cho những điều kiện này. Với thể tích lưu trữ nhỏ hơn, chẳng hạn như 10−20 lít, lượng nước xả của chậu rửa được bổ sung bằng nước mưa mang đến cơ hội tiết kiệm được lượng nước xả trong restroom, hiệu quả khoảng 30−40 phần trăm với thể tích xả là 9 lít và 6 lít.

Tuy nhiên, có thể đạt được hiệu quả 20−30 phần trăm chỉ với nguồn cung cấp cho chậu rửa và do đó, chi phí bổ sung cho việc kết hợp nước mưa vào hệ thống tái sử dụng đơn giản bằng cách sử dụng nước xả từ chậu rửa có thể không hợp lý. Ngoài ra, thể tích lưu trữ nhỏ có nghĩa là thời gian lưu trữ nước trong hệ thống sẽ giảm xuống, điều quan trọng như đã lưu ý trước đó trong việc giúp duy trì chất lượng nước.

Các kế hoạch đơn giản, chẳng hạn như restroom có bồn rửa tay được sử dụng ở Nhật Bản, do đó có sức hấp dẫn đặc biệt đối với các tình huống như vậy xảy ra ở bối cảnh trong nước.

Các hệ thống cá nhân thú vị khác cũng có sẵn, cả ở Vương quốc Anh và nước ngoài, và có thể phù hợp với các tình huống trong nhà hoặc dùng cho nhà có nhiều người ở. Các nghiên cứu như những nghiên cứu được mô tả ở trên sẽ giúp đánh giá hiệu suất, đặc điểm kỹ thuật và thiết kế của chúng.

Dữ liệu cho những nghiên cứu như vậy cũng được cung cấp từ các nghiên cứu quy mô đầy đủ do Cơ sở nghiên cứu tòa nhà ở Vương quốc Anh thực hiện. Việc sử dụng nước được theo dõi rộng rãi trong một khu phát triển mới gồm 37 ngôi nhà ở Essex, trong đó có 22 ngôi nhà được kiểm soát, 12 ngôi nhà có restroom và vòi hoa sen sử dụng ít nước, và ba ngôi nhà sử dụng nước xám tái sử dụng để xả restroom. Mức độ tiết kiệm nước cho mỗi người là 10% đối với nhà có restroom, bồn tắm và vòi hoa sen và

31% đối với nhà có bồn rửa đã được báo cáo trong một phác thảo ngắn gọn (Cơ sở nghiên cứu tòa nhà 2001). Các nghiên cứu do Surendran và Wheatley (1998) báo cáo cung cấp dữ liệu từ việc giám sát nguồn nước được thực hiện trong các tòa nhà và ký túc xá của trường đại học. Thông tin về hiệu suất của một nhà máy thí điểm xử lý tạo ra chất lượng nước gần như có thể uống được từ nước xám cũng được đưa ra. Một nhà máy quy mô đầy đủ đã được lắp đặt trong kí túc xá cho mục đích nghiên cứu và thuyết trình.

Một đánh giá về các chương trình tái sử dụng hiện có ở Vương quốc Anh (Diaper et al. 2001) mô tả kinh nghiệm thu được từ khoảng 150 ví dụ, chủ yếu liên quan đến việc tái sử dụng nước mưa ở 75 ngôi nhà đơn lẻ, 8 nhóm nhà và 32 ngôi nhà nhiều người ở. Mười hai ví dụ về tái sử dụng kết hợp nước xám và nước mưa được đề cập, mười trong số đó liên quan đến việc sử dụng cho nhiều người.

Họ kết luận rằng cần có các hướng dẫn về thiết kế và lắp đặt, để phổ biến rộng rãi; và rằng cả độ tin cậy của các hệ thống quy mô nhỏ và thiết kế của các hệ thống quy mô trung bình đều cần được cải thiện. Điều này sẽ làm giảm đáng kể thời gian hoàn vốn, mang đến lợi ích kinh tế của nhiều chương trình đang yếu kém. Giáo dục để hiểu các phương pháp tiếp cận mới và các vấn đề liên quan để người dùng chấp nhận chúng là rất quan trọng.

Tái sử dụng nước có thể đi kèm với thu hồi nhiệt. Là một dấu hiệu cho thấy khả năng thu hồi nhiệt, có thể lưu ý rằng mức tiêu thụ nước nóng gia dụng trung bình ở mức 120 lít mỗi hộ gia đình mỗi ngày ở Vương quốc Anh, nước được cung cấp ở nhiệt độ khoảng 55 độ C. Mức này sử dụng khoảng 9 GJ (gigajoules) mỗi năm tại vòi. So với mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp trung bình hàng năm nằm trong khoảng từ 20 đến 45 GJ mỗi hộ gia đình đối với hệ thống đun nước nóng được cách nhiệt hợp lý; con số này chỉ bằng khoảng 1/5 so với trường hợp toàn bộ ngôi nhà được cách nhiệt hợp lý bao gồm hệ thống sưởi không gian và các yêu cầu khác. Có thể giả định rằng có lẽ một nửa lượng nhiệt sinh ra ở vòi (9 GJ) sẽ tìm đường đến cống thoát nước và chính phần này có thể được thu hồi trong một hệ thống kết hợp tiết kiệm nước và năng lượng.

Xi lanh có bộ gia nhiệt ngâm hoặc nguồn nhiệt khác

Dòng môi chất lạnh

Thoát nước hoặc tái sử dụng để xả restroom

Máy nén Đầu vào nước thải

Thiết bị bay hơi thu gom

Thu hồi nhiệt từ nước thải được lưu trữ có thể được xử lý bằng thiết bị trao đổi nhiệt thông thường hoặc bằng máy bơm nhiệt* và có nhiều lựa chọn khác nhau với cả hai thiết bị này. Một số trong số này đã được thử nghiệm, không chỉ cho nhà ở mà còn cho các loại công trình công cộng. Hình 2 minh họa nguyên tắc bố trí có thể áp dụng khi sử dụng bơm nhiệt. Các thành phần chính của máy bơm nhiệt — cuộn dây bay hơi, máy nén và cuộn dây ngưng tụ — được tách biệt thuận tiện như hình minh họa. Hệ thống được điều khiển bởi hai bộ điều nhiệt, một trong xi lanh và một trong bể. Bộ điều khiển trong bể được thiết lập để ngăn nước đóng băng. Một nguồn nhiệt thông thường cung cấp một nguồn dự phòng.

* Máy bơm nhiệt là thiết bị có thể trích nhiệt từ môi trường xung quanh ở một nhiệt độ (ví dụ: nước thải ở 25 độ C) và bơm nhiệt này đến nhiệt độ cao hơn (ví dụ: để tạo ra nguồn cung cấp nước ở 55 độ C). Máy bơm nhiệt hoạt động theo nguyên tắc vật lý của sự bay hơi và ngưng tụ như với hầu hết các tủ lạnh gia dụng. Tham khảo hình 2, nước thải ấm lưu thông quanh thiết bị bay hơi chứa chất làm lạnh, một chất lỏng có điểm sôi thấp. Loại thứ hai hấp thụ nhiệt từ nước thải và bay hơi. Hơi chảy đến máy nén, áp suất của nó tăng lên rõ rệt và ở trạng thái này, nó truyền nhiệt cho nước trong xi lanh thông qua bình ngưng. Hơi bây giờ đã trở thành chất lỏng và quay trở lại thiết bị bay hơi thông qua một van giãn nở làm giảm áp suất của nó. Lượng nhiệt cung cấp theo cách này có thể gấp hai hoặc ba lần lượng nhiệt cần thiết để chạy máy nén.