半导体厂水资源回收系统设计【开题报告+文献综述+毕业设计】

'毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化半导体厂水资源回收系统设计１　选题的背景与意义水是人类生存和发展不可替代的资源，随着社会经济的发展用水量的不断增加，水环境的不断恶化，水资源紧缺已成为世界各国共同关注的全球性问题。发展“污水处理回用”以实现“水资源的可持续利用”已被明确写入“国民经济和社会发展第十个五年计划纲要中”。中水回用、海水及雨水的利用使资源利用效率得到提高，生态环境得到改善，全民节约用水意识得到普及，推动整个社会生产发展。另一方面，随着国内半导体行业的迅猛发展，大量的能源，水资源成了该行业后续发展的必要保证，然而中国是个缺水的国家，而且对于水污染整治与回收利用的程度也远远落后于发达国家，因此，半导体厂的水资源的回收利用成了当前急需解决的问题。对于国内的半导体厂而言有如下几个特色:水资源用量大，使用率低，厂房较大等。针对这种情况，我们可以从半导体厂的厂房雨水回收，生活用水回收，废弃污水回收几个方面下手，制定一套适宜的回收系统，并计算其产生的效益。相信系统建成后每年能为半导体厂节约大量水资源，并希望能以半导体厂为切入口，将此系统推广到各个能运用到的工厂，学校，单位。最终实现整个社会的水资源节约。2　研究的基本内容与拟解决的主要问题2.1　研究的基本内容：1.了解半导体厂的可回收水源。2.半导体厂雨水，生活用水，工业废水的回收方案。3.整个水资源回收系统的设计与效益分析方法。2.2　拟解决的主要问题：1.污水处理的方法与回收到的水资源的分配2.效益分析的计算3　研究的方法与技术路线：3.1　研究的方法：27 查阅相关参考资料，学习给水排水的相关知识，借鉴各地成功的水资源回收项目，在根据半导体厂自身特色制定方案，有条件的话对一些水资源回收成功的工厂企业进行考察，学习经验，改进方法。另外就是实地考察废水回收工厂，学习有关废水净化回收的相关知识，针对半导体厂的废弃物制定相关方案。3.2主要技术方案：1.查阅半导体厂相关文献期刊和参考资料，了解半导体厂的工艺流程，弄清主要的工业废料，并研究相应的措施。2.收集相关的研究情况和成功案例制定一套雨水回收系统。3.实地考察半导体厂制定一套生活用水回收系统。4.制定一套方案将回收的水资源归类处理，最后计算效益。4研究的总体安排与进度：2010年11月：论文选题。2010年12月：指导教师下达毕业论文任务书、收集资料，完成文献综述、开题报告，提交论文研究框架等；2010年12月21日：开题论证会之后撰写论文、修改、定稿、填写论文手册27 2011年3月份之前：完成两篇外文文献翻译2011年3月：完成毕业设计初稿2011年5月：毕业设计定稿，完成、设计说明书等主要参考文献：［１］宋琪王彦.浅析水资源的合理回收与利用.房材与应用2006年第一期63-66［２］陈姣石开李应华.半导体厂含氟废水处理工程改造.中国给水排水第24卷第六期2008年3月28-30［３］许德洪.半导体行业超纯水制造技术.工业水处理第三十卷第五期2010年5月90-92［４］2010年水业中国聚焦.金属世界2010年第一期5［５］黄昌硕耿雷华王立群王淑云卞锦宇.中国水资源及水生态安全评价.人民黄河第32卷第三期2010年3月14-16［６］郑一.中国水资源报告.ShangHaiEconomy2010.0636-38［７］张革.辽宁省水资源管理网络系统建设效益分析.黑龙江水利科技2008年第二期第三十六卷121-122［８］朱玉仙王立杰.水资源利用效益的投入产出分析.气象水文海洋仪器2002.246-50［９］尉元明朱丽霞乔艳君张景平.城市污水回用对水资源的影响与经济效益分析.［１０］干旱区研究第二十卷第三期2003年9月197-201［１１］余刚罗玉.半导体制造业的环境污染与清洁生产.清洁生产2000.836-37［１２］半导体器件生产需要重视超纯水净化系统本身的污染.世界有色金属1996年第五期38-41［１３］林闵洋胡石政吴振旭.半导体厂节能专题［１４］黄其美程岩谭立洲.基于经济评价的高校水电节能效益分析.长沙铁道学院学报200年3月第十卷第一期276-277［１５］梁锟曹慧.太阳能集中热水系统节能效益分析研究.科技传播2010.921［１６］张丽娜张义智田瑞闫素英.太阳能热水系统的节能效益分析.大家谈太阳能2007/66827 毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化半导体厂水资源回收系统设计摘要：本文首先介绍了半导体厂水资源需求以及水资源污染，然后概述现有的国内水资源净化回收方法，在做出针对半导体厂的水资源净化回收以及效益估算。关键词：水资源；半导体厂；回收；效益估算；引言：从全世界各地水资源利用程度看，中国利用程度偏高，也就是说中国水资源相对稀缺，据统计中国水资源使用量从1949年的1000万立方米左右，增长到2007年近6000万立方米[1]。另一方面，在已经进入信息社会的今天,半导体制造业已经成为我国支柱性产业之一，由于半导体制造业涉及到300多种不同性质的原料和溶剂,其中绝大部分是毒性大和危险性高的物质。由于工艺和管理两方面的原因,这些物质在制造过程中会挥发、泄漏等形式造成水污染。据统计,美国半导体制造业每年排放的危险废物有7000多吨，其中绝大部分为废溶剂和酸碱,对人体健康和生态环境危害较大[2]。1　半导体厂对水的需求及污染半导体行业是一个高能耗的行业。在半导体产品制造过程中，由于生产设备的精密性和生产工艺的复杂性，对其配套设施提出了很高的要求，尤其对作为半导体行业血脉的超纯水系统更是高之又高。半导体厂对水的运用包括冰水、冷却水、超纯水等[3]。半导体制造业是一个耗水量很大的行业,一般加工一件200mm(8英寸)的晶片大约需要46t的去离子水。生产过程中用大量的高纯水和去离子水清洗晶片,产生大量的清洗废水。几乎所有半导体产业中，使用的都是纯水，也就是去离子水，为电子级标准。污水主要还是以酸性和碱性的为主，没有重金属污染。但是会有一些固体废弃物。下表为半导体生产过程中各个环节主要污染物[4]。27 2　半导体厂水资源回收现状与发展2.1　回收现状半导体厂水循环回用的研究开始于1980年,当时日本曾提出半导体工厂用水的“闭路循环”方案[5],但是这种集中式的收集处理方法有可能造成产品质量下降。研究表明，循环水的数量以30%～50%为宜,主要回用于那些对水质要求不是很高,特别是对水中溶解氧或溶解气体浓度没有苛刻要求的工艺中[6]。可以采用在线检测设备实时监测废水电导率、有机物含量、pH值和温度等参数的变化,只有符合一定水质要求的废水才能进入循环利用系统。而那些污染物浓度较高或污染物性质独特的废水(比如头两次的晶片清洗水)被引入单独的管线,不进入废水循环利用系统[7]。超纯水制造工艺从原水进水到产品水出水的回收率一般都<50%，极大地浪费了水资源，同时也增加了半导体制造单位的运行成本[8]。因而，优化超纯水处理工艺、节能减排非常重要。以天津半导体制造厂为例阐述一下超纯水系统的节能减排措施。该超纯水系统涉及到的排水主要有3个部分，分别为超滤反洗排水、一级RO浓水排水和CEDI浓水排水。笔者就不同类型的排水提出回收利用措施。超滤反洗排水考虑到该公司现有的风淋冷却系统的补水用量很大，为更好回收利用超滤反洗排水，该公司在室外建了一个废水收集池，在收集超滤反洗排水的同时还将系统内的零散流水（分析取样排水等）一同收集，经沉降处理后，该部分水可用作风淋冷却系统的补水或用来灌溉绿地等。一级RO浓水排水一级RO系统的水回收率一般不超过75%，因而其浓水排水量较大，回收利用的价值较高，该废水的离子含量和可溶性物质含量较高，约为自来水的4倍。为此该公司在系统内设计一个收集水箱，专门用来收集一级RO27 浓水，浓水一部分直接用于浇灌绿地、冲洗厕所和擦地，一部分则进入RO回用装置，对此废水进行再次浓缩，RO回用装置产水进入超纯水系统的超滤产水箱内，浓水排入污水处理系统[9]。CEDI浓水排水在该半导体制造厂的超纯水系统中，CEDI浓水直接回收至双级RO系统的中间水箱内（如图1）。而有些双级RO系统未设置中间水箱，但是考虑到系统的安全性和CEDI浓水回收利用，增加中间水箱还是必要的。该公司的超纯水系统以往在实际应用中，由于超纯水系统运行的负荷小，RO水箱长时间处于水满状态，二级RO因RO水箱水满二长时间处于停滞状态。然而CEDI系统却需要24h连续运行，也就是说CEDI浓水不停地向中间水箱补水，这就导致了中间水箱由于水满而溢流，严重浪费了自来水资源。笔者针对这一情况，对超纯水系统的运行模式进行了改进，打破以往RO水箱控制二级RO启停，中间水箱控制一级RO启停的模式，改为由中间水箱控制二级RO启停，RO水箱控制一级RO启停的模式，从而避免了中间水箱由于水满而溢流的情况发生，改进后的RO启停状态为：RO水箱在低液位时，一级RO系统开始产水；RO水箱在高液位时，一级RO系统停止产水；中间水箱在高液位时，二级RO系统开始产水；中间水箱在低液位时，二级RO系统停止产水。新的运行模式不仅简单易行，而且经济效益可观，相关数据表明，改造前自来水的日消耗量平均243m3，改造后自来水的日耗量降至113m3，改造前后日均节约自来水130m3[10]。除此以外，对于全厂的雨水也可采用回收再利用，以台北县平溪国小的设计为例。采用雨水收集系统以及生活用水收集系统将各种收集到的水资源分类进行过滤处理进行再利用[11]。27 对于工业废水，厂房雨水收集以及生活用水收集若能有效合理安排，妥善归类，予以合理过滤净化回收再利用最后运用到半导体生产以及生活之中，将是一笔十分可观的节约，长此以往并能在行业中起到推进作用。[12]2.2　系统效益展望在我国半导体市场日益发展以及国家节能减排政策大背景下，以及水资源日益珍贵的今天，建立相应水资源回收系统势在必行，就半导体厂来说，其本身兑水需求量巨大，且污水排放较多，若能针对相应的废弃物进行净化处理再将净化水循环利用，不但能减少对环境的污染也能减少水费支出。尤其是半导体生产过程中使用较多超纯水，制造困难，能耗消耗大，若能设计出一种针对超纯水再生产的净化系统将会极大的节约半导体制造成本。对于雨水收集以及生活用水再利用方面若能统筹规划设计出一套系统，也能极大程度节约用水。若能将这种回收系统运用到更大的范围更多的企业，长久发展对国家的环保事业以及持续发展起到巨大贡献[13]。27 最后我们可以以热水器供水管道改造为模板进行一效益的估算，[14]将半导体厂各种可获得的水资源分类，分别根据各自的投入产出进行计算，归类。例如，将雨水收集到水资源归为一类计算其产生的效益，诸如生活用水方面带来的各种效益，工业废水回收所带来的效益等。并对现有计算方法以及回收系统进行改进，继续开拓潜在的效益[15]。总体来说，就是设计出一套为半导体厂使用的一水资源为主的回收系统，实现节能减排，节约成本的目的，借鉴并完善现有回收系统实现最大成本节约。参考文献：[1]2010年水业中国聚焦.金属世界2010年第一期5[2]黄昌硕耿雷华王立群王淑云卞锦宇.中国水资源及水生态安全评价.人民黄河第32卷　　　　第三期2010年3月14-16[3]许德洪.半导体行业超纯水制造技术.工业水处理第三十卷第五期2010年5月90-92[4]余刚罗玉.半导体制造业的环境污染与清洁生产.清洁生产2000.836-37[5]尉元明朱丽霞乔艳君张景平.城市污水回用对水资源的影响与经济效益分析.干旱区研究第二十卷第三期2003年9月197-201[6]朱玉仙王立杰.水资源利用效益的投入产出分析.气象水文海洋仪器2002.246-50[7]宋琪王彦.浅析水资源的合理回收与利用.房材与应用2006年第一期63-66[8]黄其美程岩谭立洲.基于经济评价的高校水电节能效益分析.长沙铁道学院学报2009年3月第十卷第一期276-277[9]半导体器件生产需要重视超纯水净化系统本身的污染.世界有色金属1996年第五期38-41[10]陈姣石开李应华.半导体厂含氟废水处理工程改造.中国给水排水第24卷第六期2008年3月28-30[11]郑一.中国水资源报告.ShangHaiEconomy2010.0636-38[12]张革.辽宁省水资源管理网络系统建设效益分析.黑龙江水利科技2008年第二期第三十六卷121-122[13]林闵洋胡石政吴振旭.半导体厂节能专题[14]梁锟曹慧.太阳能集中热水系统节能效益分析研究.科技传播2010.92127 [1]张丽娜张义智田瑞闫素英.太阳能热水系统的节能效益分析.大家谈太阳能2007/66827 本科毕业论文（20届）半导体厂水资源回收系统设计摘　要【摘要27 】本设计结合国内外对于水回收系统的研究现状和发展方向，设计出一套针对于半导体厂雨水以及生活用水的一套回收处理系统。半导体厂水资源回收系统的主要作用是在如今国内水资源紧缺的大背景下，针对半导体厂这样用水较多的工厂企业设计出一套水资源回收系统，以适应资源越来越紧缺的当今社会。设计主要包括通过改造厂房实现雨水收集，以及改造管道将生活用水回收汇总，将这些水资源通过一定的过滤净化使其达到一定标准，在工厂日常生活中能够再次使用。其中废水过滤也是本次设计中非常重要的一个环节，其中涉及过滤所要用到的设备，工艺，材料等。设计的具体内容还包括管道的尺寸，分布，厂方的改造，总的规划图，以及整个设计中所用到的机械设备的选用，安装，图纸等。所设计的水资源回收系统主要应用于绿地灌溉，场地清洗，厕所用水等方面，实现水资源的节约。半导体厂水资源的回收系统设计旨在节约珍贵的水资源，另外也为工厂每年节约大量的水费。【关键词】水资源回收；改造；设备ABSTRACT：Theissueforwaterrecyclingsystembasedonthedomesticresearchstatusaswellastheconcretesituationofthedomesticsemiconductorfactory,deviseasetofwaterrecyclingsystemforrainanddailywastewater.27 ThefunctionofthisissueisdesigningawaterrecyclingsystemforthesemiconductorfactorywhousuallyhaveavastdemandforwaterunderthebackgroundoftheshortageforwaterinChina.Thedeviseincludestheroofoffactorytransformingandpipestransformingforwatercollecting.Decontaminatethewastewatertomeetthecertainstandard,afterthat,thewaterwillbereusedindailylife.Thedeviseofwastewaterfilterisacriticalpartwhichinvolvesthedevices,processesandmaterialsinthefilterprocess.Thespecificcontentincludespipesize,distribution,factorytransforming,totalplans,themechanicalequipmentandsetupdrawings.Thedeviseofwaterrecyclingsystemismainlyappliedingardenirrigation,factorycleaning,toiletwater.Itisbelievedthatalargeamountofwatercanbeconserved.Semiconductorfactorywaterrecyclingsystemisdevisedtoconservethepreciouswater,alsoforconservingalargeamountofmoneyforthefactory.KEYWORDS：waterrecycling；transforming；equipment.目录摘　要II27 目录IV1绪论11.1研究背景与意义11.2雨水管理的必要性和趋势11.3水资源回收系统发展现状21.3.1澳大利亚雨水罐21.3.2台湾地区学校雨水回收系统21.4本次关于半导体厂的雨水回收系统设计32方案分析52.1设计思路52.2面积计算52.2.1厂房计算52.2.2工厂面积与划分62.3可收集水量计算62.3.1自然降雨量62.3.2生活用水量62.4再生水标准72.4.1再生水源要求72.4.2再生水检测73雨水收集系统设计93.1厂房屋顶布置93.1.1厂房屋顶出水口布置93.1.2厂房屋顶改造103.2排水管道的计算113.2.1管道平面布置要求113.2.2管道走向113.2.3设计数据123.2.4计算133.3污水管道安装153.3.1污水管道的埋设深度153.3.2污水管道的衔接1627 4污水过滤系统174.1水净化流程174.2砂滤器184.2.1滤料的选择184.2.2砂滤器工作结构194.2.3砂滤器工作原理204.2.4砂滤器尺寸204.3水泵215总结24参考文献25致谢27附录2827 1绪论1.1　研究背景与意义我国水资源约28124亿立方米，按13亿人口计算，人均占有量约为世界平均的1/4[1]，美国国际环境与开发研究所1986年版的《世界资源》把我国列为世界13个贫水国之一[2]。为保证我国人口，经济，社会，环境协调发展，除必须的进行节水，污染控制，进行污水处理之外还必须研究各省市地区用水节结构现状，研究调整用水结构，优化用水结构的方法，寻求符合各地方实际情况的节水方针。另一方面[3]，半导体制造业已经成为了我国支柱产业之一，也是用水量非常大的一个制造业，其用水主要包括生产用水以及生活用水[4]，若能合理安排计划，可以使这个行业节约大量用水，如能成功运行，可以让各个行业都得益与其中[5]。对于水资源回收，相对缺水的澳洲地区在这方便发展较早，尤其是分布在澳洲村镇的大大小小雨水贮存罐使得澳洲这个缺水地区每年通过使用处理过的雨水得到大量收益。1.2　雨水管理的必要性和趋势城市化前，雨水落到天然的土地时，大多数的雨水直接渗入地面，然后慢慢地渗透到地下水或溪流及江河中，其中一部分渗入地面的雨水会通过植物蒸发掉，仅有大20%的雨水直接从地面流入河道中[6]。着城市住宅、商业及工业的发展，城市建设的增多，人工铺装地面增多，导致了大量的地面被不透水地面如屋面、停车场及公路等所覆盖。当雨水降落到这些下垫面时，大多数的雨水迅速流入排水沟，然后排入附近的溪流及江河中，下垫面径流量增加到80%[7]。可持续城市排水系统是西欧国家为可持续的城市发展探索出的一种方法，通过设计的手法，对城市排水系统统筹考虑，同时引入可持续发展的概念和措施。传统的地表水（雨水）处理和排放一般分别考虑水的流量、水的质量和环境的舒适（娱乐性）。将这三个因素综合考虑解决地表水（雨水）的排水问题就称之为可持续城市排水系统（SustainableUrbanDrainageSystem，简称SUDS）[8]27 。该系统比传统的排水处理系统更具有可持续性，因为该系统的目标以环境保护和可持续性为前提。采取这种方法能够适当扩展当前某些地区即将饱和的排水系统，使它们继续发挥作用，允许新的开发建设，特别是城市建成区；排水容量能够得以扩展，可以有新的开发和建设，同时减少雨水的流失[9]。1.1　水资源回收系统发展现状1.1.1　澳大利亚雨水罐雨水罐是澳大利亚这道独特风景线中的全部组成部分，然而向这个世界展示真正澳大利亚的是在悉尼运会的开幕式上，期间展示了数百个镀锌的铁水罐。这些水罐在澳大利亚乡村多年来起到了重要作用，澳洲处于缺水地区，暴雨较多，海水回收成本较高，自然而然的，雨水收集成了一种节约用水的有效方式，可用于农作物灌溉，花园灌溉，消防，道路清洗等方面。但是，也有一些关于储水罐容量的一些争论，很多人认为即使在酸雨区，水罐也可以成为饮用水的重要来源。2001年澳大利亚统计局调查发现，百分之八十三的家庭认为他们的水罐储存量足够他们的使用。大众认为雨水能够安全饮用。在大多数澳大利亚地区，较低的饮用雨水发病率非常清晰地证明了屋顶水罐和集水系统可以有效地获得几乎没有味道和气味的水资源[10]。1.1.2　台湾地区学校雨水回收系统另一方面较有代表性的是台湾地区的台北县平溪国小的水资源回收系统，它们通过在教室顶部安装集水装置，收集雨水，然后通过有效的分布使用雨水运用于学校的花园灌溉，道路清洗等方面，使得学校的水费大大减少[11]，并为整个社会节约用水起到了表率作用，这是一种非常有代表性的设计。这个雨水回收利用系统包括：集水区域、导管系统、初级雨水处理系统、储水设备四个部分。雨水自斜屋顶等集水区域流下由天沟截流，顺流而下的树叶及附着于上的虫卵等杂质尽量不要进入储水池中，第一道防线可于天沟上放置冲洞板或煤渣（质轻又有孔隙可透水）等拦截树叶垃圾，第二道防线可于排水管上加设处理水质的过滤器（目前市面上已有大小型的过滤器，若回收水只用于一般杂用水（冲厕、浇灌植栽等），建议只用物理性之过滤器，比较好维护也比较安全），经过这两道防线后大部分的杂质已被拦截，水体较清洁可有效延长整套雨水回收系统的寿命（延长设备的生命周期）及用水安全。27 为了这两道防线的长期效果，必须于入水口及过滤器设置清除拦截下来的杂质的维护工作点，或于天沟附近开设人孔，或于排水管开设清洁口，并定期清除杂质（为达教育效果，最好设计成可由学生进行清洁工作）。雨水进入储水池，水由高处落下，必会将水池中的水冲动翻搅，原沉在水底的杂质又被翻搅得整池的水都浑浊了，所以可加设减低位能的柔水设计，保持水体的清洁；而水中的杂质大部分沉于水底，少部分较轻的杂质则浮于水面，所以可以将第二次过滤器挂在浮球上，使之常保持在水面下十公分处，永远都抽到水体中最干净的水，延长抽水机的寿命。若要利用重力将储存的雨水送到各处去使用，可以将较小的储水池设立在各楼层，再平行分送出去使用；或者利用抽水机将设立在地下大型的储水池（可用筏基代替）的水，抽到屋顶的雨水储槽，再利用重力分送出去使用。通常，我们都会想到利用雨水来冲厕，此时，就必须考虑到雨水用完时的补充水源，免得因为久没下雨厕所无水可冲[12]。图1-1台北县平溪国小的水资源回收系统[12]1.1　本次关于半导体厂的雨水回收系统设计27 本次设计主要针对水资源的收集方式的设计，厂房的管道排布以及水资源过滤清洗装置的设计。首先，水资源的方式受到很多地区的厂房屋顶雨水收集装置启发，对厂房加以改造，利用厂房面积大的特点使得雨水得到有效回收而不是流入地里浪费，其中雨水的过滤处理最为重要，通过处理使其达到实用的要求[13]。其次，厂房的管道排布设计也很重要，是管道得到合理排布，达到用料省，布局合理的预期效果，使得水资源物尽其用，有效地分布至各个位置，设计方面主要根据水量预计大小设计出适意的管道长度，直径，压力。最后，过滤清洗装置的设计主要根据预期得道的用水质量包括水色，沉淀物比例等来确定设备的选用，以及过滤方式与滤料。为达到预期效果，本文参阅了大量给水排水书籍以及水净化的相关书籍，得出了初步方案，论文首先进行的是对一半导体厂厂房长宽高，占地面积等方面的计算，对于该厂所在地平均降水量的查询计算，以及对厂内生活用水等各方面可收集到的水资源的预期收集量计算，还有处理后的水资源使用方向，计算回收水需要达到的清洁程度等等[14]。总的来说，设计的目的是以较低的成本设计出有效稳定的系统，使得水资源得到有效的循环利用，获得一定的效益。27 1方案分析1.1　设计思路首先计算出半导体厂房尺寸，主要包括屋顶表面积，整体占地面积。画出工厂布局草图，进行前期规划。然后查询资料，测算出当地降雨量，根据厂房屋顶面积算出可收集到的雨水量，在根据工厂人数等因素估算出生活用水使用量。另一方面计算出回收水使用方面需要的清洁指数，综合以上因素以及成本要求选择管道材料，长度，排布方式。1.2　面积计算1.2.1厂房计算经过实地考察，以宁波一家半导体厂为研究对象，计算出厂房的基本尺寸，一直厂房最大高度h1=20m，侧面高度h2=16.5m,长l=105m，宽d=70m。经过计算，厂房屋顶的表面积为s=7392平方米。但是由于屋顶有倾斜角度，所以有效接受降雨的面积会稍小于实际面积，根据大概估算其中有效的可接受降雨面积为s2=7350平方米。此数据将在后面用于降雨的收集量计算，如果降雨流通顺畅，没有溢出或者渗漏，单位面积的降雨量和面积相乘可得到年降雨量的收集量[15]。图2-1厂房结构27 1.1.1工厂面积与划分由厂房介绍，工厂的总占地面积约为32亩，按一亩667平方米计算，总面积约为S=21344平方米。其中厂房占地面积S1=7350平方米，生活区占地面积S2=611平方米，绿地面积约为S3=1092平方米，除此以外还有办公室，仓库等地区不计入计算。1.2　可收集水量计算1.2.1自然降雨量宁波地处东南沿海，属国内降水将多地区，每年梅雨季节和夏季七月份为降雨将多的时段，近几年台风频繁，加大了当年降水量，根据宁波气象网资料可知，宁波市去年年降水量为1400mm，其中包括雨水，台风，降雪，霜冻等一系列自然降水，此类水资源特点在于污染程度地，含杂质较少，回收成本低。厂房降水收集量v1=7350*1.4=10290立方米=10290t1.2.2生活用水量表2-1部分生活用水定额[16]序数建筑物名称单位生活用水定额最高日/L1有洗漱室和浴室的宿舍每日每人100-2002宾馆客房每房每人400-5003门诊医院每病人每次15-254洗衣房每公斤干衣40-805餐饮部门每人每次15-256工业企业，机关每人每次10-157办公楼每人每班30-60工厂总共工人在200人左右，主要用水为淋浴用水，每人次100-200L，除此以外还有厂房用水，按工业企业标准，每人10-15L.主要包括地面冲洗用水，厂房清洗用水等，平均用水量按155L/日计算，每年工厂用水量为V2=155*200*365=11315000L27 其中可回收用水量按40/100计算，其中包括洗手池用水，洗浴用水等清洁程度较高的水资源。V3=11315000*0.4=4526000L=4526t则总可回收的水量为10290+4526=14816t1.1　再生水标准1.1.1再生水源要求再生水水源应取自建筑的生活排水和其他可以利用的水源，包括：1）生活污水或市政排水；2）城市污水处理厂出水；3）处理达标的工业排水。水质应符合《污水排入下水道水质标准》、《生物处理构筑物进水中有害物质允许浓度》和《污水综合排放标准》的要求。再生水源应以生活污水为主,尽量减少工业废水所占比重[17]。对于使用再生水的工业用户,其排水如对再生水源水质有较大影响时,不宜再作为再生水水源。放射性和医用污水不适合作为再生水。综上所述，自然降雨和生活用水适合再生回收。1.1.2再生水检测表2-2再生水水质标准[17]序号基本控制项目冲厕清扫道路和消防城市绿化车辆冲洗建筑施工1溶解氧>1.01.01.01.01.02悬浮物<10510553生化需氧量<10152010154溶解性总固体<150015001500100015005阴离子表面活性剂<1.01.01.00.51.06铁<0.30.30.30.30.37锰<0.10.10.10.10.127 如图，是再生水对于生活用水的一些标准，包括应用于不同方面的各种指标要求，单位为mg/L.本次设计再生水的主要用途为冲厕，道路清洗，绿地灌溉几方面，由图标可知，道路清洗，消防所需求的水质最高，以此为标准，是我们对回收到的水资源所需要达到的水质。对于再生水的检测地点包括用水地的进水口与出水口，水的色度、浊度、嗅、PH值、总硬度等参数都是用于衡量再生水质的重要标准。各个水质指标的监测方法是依照《生活杂用水标准检验法》（CJ/T3020-93）、《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T91—2002）、《水污染物排放总量监测技术规范》（HJ/T92—2002）确定[17]。27 1雨水收集系统设计1.1　厂房屋顶布置1.1.1厂房屋顶出水口布置图3-1厂房屋顶布局从该工厂所在地可知，该工厂地势平坦，无明显分水线，厂方左右前后均对称，屋顶有一定角度倾斜，根据该地形条件确定雨水走向，拟采用分散出水口的雨水管道布置形式，按照就近排入原则，雨水出水口分别排布在屋顶左右两侧，便于雨水能以最短的距离靠重力排出雨水。由于厂房较大，于雨水交叉口的汇水点，低洼地段设置出水口，以便及时排除雨水，避免造成排水不畅形成积水。所以拟计划设置8个出水口于两侧。从经济方面考虑，管段不宜过长，从养护方面考虑，设计管段划分不宜过短。出水管道的材料才用PVC管，这种材料的管道轻便，成本低廉，容易拆卸维护。以半开的形式安装于厂房屋顶，横向安装在屋顶边缘，使雨水从厂房屋顶落下后汇集于管道，再通过管道向下排放。27 图3-2排水管1.1.1厂房屋顶改造图3-3屋顶改造如图，为了防止屋顶降雨流速过快，直接从边缘快速落到地面，或者降雨过多，排水管难以排水等国方面困难，厂房屋顶需要进行一定改造。具体方法是在屋顶边缘开设方形小孔0.5*1m，数量尽量多，方向沿着屋顶走向，开设一排即可，排水槽置于开孔的下方。这样做的目的是造成降雨的流速减慢，因为雨水遇到开孔后，不会马上落下，而会言开口四周边缘流动，当积雨到达一定程度后，雨水才会沿开孔落下，这样使雨水能在开孔周围汇集，增大雨水下落的面积，让雨水能够更有效的收集。27 1.1　排水管道的计算雨水管道系统设计的基本要求是能通畅及时地排走厂区汇水面积内的暴雨径流量。为此在设计前,应深入现场进行调查研究,踏勘地形,了解排水走向,搜集当地的设计基础资料,作为选择设计方案及设计计算的依据。1.1.1管道平面布置要求(1)充分利用地形,就近排入水体。雨水管道应尽量利用自然地形坡度以最短的距离重力流排入附近的池塘、河流、湖泊等水体中。只有当水体位置较远且地形比较平坦或地形不利的情况下,才需要设置雨水泵站。这时,应可能使通过雨水泵站的流量最小,以节省泵站的工程造价和经常运转费用[18]。一般情况下,当地形坡度较大时,雨水干管宜布置在低处。当地形平坦时,雨水干管宜布置在排水流域中间,以便尽可能扩大重力流排除雨水的范围。当管道排入池溏或小河时,由于出水口的构造比较简单,造价不高,且就近排放,管线较短,管径也较小。雨水干管宜采用分散出水口式的管道布置形式,这在技术经济上都是合理的。(2)结合建筑物分布、道路雨水口分布、地形起伏、出水口位置以及地下构筑物分布等具体情况合理布置雨水干管。雨水管道应平行道路敷设,且宜布置在人行道或草坪地带下,而不宜布置在干道下,以免维修管道时,破坏路面。雨水管道的竖向布置应考虑与其它地下构筑物在相交处的相互协调。(3)雨水口的布置应使雨水不致漫过屋顶,因此一般在雨水交叉口的汇水点、低洼处应设置雨水口。其间距一般为20～30m左右。(4)管渠的确定,雨水管渠采用明渠或暗管应结合具体条件确定。在厂区,由于建筑密度较高,交通量较大,采用明渠虽可降低工程造价,也易清理疏通,但会给生产和生活带来许多不便,同时容易繁殖蚊蝇,可能污染环境,所以一般应采用暗管。但在厂内偏僻的区域,或傍丘陵山区,为防止山洪水的危害,可在这一区域设置明渠,以节省工程费用,降低造价。设置的明渠排水坡度和施工质量要满足不积水[18]。1.1.2管道走向27 管道走向如图所示，从厂房和生活区出来的管道一律沿墙边安置，污水管道以绿色标记，在厂区内埋入地下，直线走向，通入污水处理区。经过污水处理后，出水管以白线标记，从水池出来后经过分水管，一根通往绿地，一根通往生活区。如生活区绘图所示，每个房间设置一水箱，回收水与正常供水都进入水箱，通过水箱供水，运用于冲厕，清洗。另一方面，改造污水口，使洗手池，地面排水口汇集于一处，进入污水管流出。图3-4厕所管道走向1.1.1设计数据为使雨水管道正常工作,避免发生淤积、冲刷等现象,对雨水管道水力计算应考虑:(1)设计充满度,因雨水中仅含有泥砂等,不同于污水的性质,故管道设计充满度按满流考虑。明渠则应≥0.20m的超高。(2)设计流速,为避免雨水所挟带的泥砂在管道内沉淀下来而堵塞管道,《规范》规定:满流时管道内最小流速应≥0.75m/s;明渠内最小流速应≥0.40m/s。为防止管壁受到冲刷而损坏,影响排水,《规范》规定:金属管最大流速为10m/s;非金属管最大流速为5m/s;浆砌块石或浆砌砖明渠最大设计流速为3m/s。(3)设计管径,据《规范》规定:厂区雨水管最小管径为200mm;道路干线下最小管径为250mm;雨水口连接管最小管径为200mm。在这里为了避免降雨高峰造成的雨水溢出，我们采用200mm的管径，材料为PVC，这种材料安装简便，成本低廉，维护方便。(4)设计坡度,根据《规范》规定:厂区雨水管最小坡度为3‰;道路干线下最小坡度为34‰;雨水口连接管最小坡度为10‰(5)设计断面,雨水管道中常用的断面型式大多为圆形,但当断面尺寸较大时,27 宜采用矩形、马蹄形或其他型。雨水明渠常用梯形断面,底宽不小于0.3m,边坡因土壤与护面材料而异,用砖、石、混凝土铺砌的边坡为1∶1[19]。1.1.1计算污水管道系统的设计主要依赖其流量的计算，即污水管道及其附属建筑通过的最大流量，一般以最大日最大时流量作为设计流量，单位为L/s。在流量计算中，又分生活用水，工业用水以及农业用水几方面，本文所涉及的为工业生活用水计算[21]。其中Q为工业企业生活污水和淋浴污水设计流量L/sA1为一般车间最大班职工人数B1为一般车间职工生活污水定额，以25L/人计算K1为一般车间生活污水量时变化系数，以3.0计A2为热车间和污染严重车间最大值班人数B2为热车间和污染严重车间职工生活污水量定额，以35L/人计K2为热车间和污染严重车间生活污水量时变化系数以2.5计C1为一般车间最大班使用淋浴的职工人数D1为一般车间的淋浴污水量定额以40L/人计C2为热车间和污染严重车间最大班使用淋浴的职工人数。D2为热车间和污染严重车间的淋浴污水定额量，以60L/人计T为每天工作班工作时数以200人一般车间一天工作八小时算Q=2.95L/s流量计算完之后计算的是充满度计算，在设计流量之下，污水在管道中的水深h与管道直径D的比值h/D称为设计充满度，他表示污水在管中的充满程度。如图27 图3-5管道充满度当h/D=1时称为满流，h/D<1称为不满流。其最大设计充满度规定如下表3-1有关充满度的规定管径/mm最大设计充满度200-3000.60350-4500.70500-9000.75>10000.80因为才用200mm直径的污水管，所以最大充满度为0.60，这样算的设定在于，管道使用过程中，时刻流量难以控制，雨水以及外来水可能会渗入管道之中，另外也是防止管道内沉积的污泥会分解出有害气体，造成危险，如此设计也便于管道内养护管理。流速的设计也是一个重要因素，与设计流量，设计充满度的水流平均速度称为设计流速，设计流速过小，污水流动性缓慢，其中的悬浮物则易于沉淀于内；若流速过快，会造成沉淀物对管壁的冲刷，，降低其使用寿命，污水管道在设计充满度下最小设计流速为0.6m/s，含有大量沉淀物的最小流速为0.4m/s。在这里，根据实际使用情况，污水来源主要是清洁用水以及淋浴用水还有雨水，这种水源所含沉淀物较少，所以采用0.6m27 /s的最小设计流速。为了保证管道不被冲刷损坏，还应设置最大流速，因为采用的PVC管，这种非金属管的相对耐冲击性较差，所以设置最大流速为5m/s[20]。最小设计坡度的计算，在污水管道设计中，通常与地面坡度一样，但为了防止沉淀物堆积，需要一定的最小设计坡度，管道铺置时需大于这一角度，以保证水流的畅通。根据<<室外排水设计规范>>中规定，200mm的管径最小设计坡度为0.004。1.1　污水管道安装1.1.1污水管道的埋设深度管道的造价很大程度由管道埋设深度影响，这也是污水管道设计的重要因素。埋设深度的意义在于覆土厚度：是指管道外壁顶部到地面的距离；埋设深度：是指管道内壁底部到地面的距离。根据<<排水设计规范>>规定，无保温措施的生活污水管或水温与生活污水接近的工业废水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m。有保温措施情况下的管道在冰冻线上的距离可以加大。为防止管壁因地面负荷而破坏，除了提高管材强度外，重要的是保证管道有一定的覆土厚度。综合各种因素，所采用的埋设深度为0.5m[21]。图3-6管道埋设27 1.1.1污水管道的衔接在污水管道系统中，管道衔接非常重要，应遵循以下原则：尽可能提高下游管道的高程，以减小管道的深埋，降低造价；避免在上游管段中形成回水而造成淤积[22]。水面平接是最常见的衔接方式，使污水管上游管段终端和下游管道起端在设计充满度条件下的水面相平，即上有管段终端于下游管段起端的水面标高相同。一般用于上下游管径相同的污水管连接。由于上游管段终水面变化较大，水面平接时在上游管段内的实际水面标高可能低于下游管段的实际水平面标高，因此，在上游管段容易形成回水而造成沉淀淤积。27 1污水过滤系统1.1水净化流程根据工厂可收集到的水资源分析可知，主要水来源有屋顶降水收集，这类水经过屋顶包含一定的杂志沉淀物，清洁程度一般；另一类水来自工厂生活区的生活用水，这一类水包括洗浴用水，清洁用水，这一类用水包含较多的毛发，清洁程度较差，混浊[23]。根据以上状况，我们需要一套合理的水清洁流程让过滤后的水资源能够满足使用，主要用于厕所用水，消防用水，地面清洁以及花园灌溉。如图图4-1污水处理系统27 整个过滤系统由金属过滤网开始进行初次过滤，通过金属过滤网能把大颗粒沉淀物以及杂志过滤掉，可以有效的防止管道以及后续设备被堵塞，需要定期清洗更换。通过金属过滤网后污水进入污水池，污水在这里汇总，污水池设有溢流阀，防止污水过多溢出造成不必要的污染。污水池的容积油污水供应量而定。污水从污水池中出来后首先经过一道毛发过滤器，该装置主要用于过滤淋浴时所产生毛发，如果不经处理，管道容易被毛发所堵塞。毛发过滤器也需要定期清洗更换。污水通过毛发过滤器后需要通过水泵增加水压将污水送入砂滤器，再进入砂滤器之前还要加入明矾，以增强混凝作用和过滤效果。污水进如混合池后充分进行反应，过滤掉大量混浊物，水质得到很大改善，混浊程度降低。在进入砂滤器进行二次过滤，使水质得到进一步净化，如果考虑降低成本可省去这一步骤，污水出来以后最后再加入次氯酸钠进行最后的处理，当反应充分后，在生水基本能满足生活用水的使用要求。进入水箱后再通过水泵增压供给。1.1砂滤器1.1.1滤料的选择砂滤器采用石英砂为原料，石英砂是以天然石英矿床为原料，经开采，水洗，筛分等加工而成，外形呈多棱形球状的白色晶体，无杂质，抗压耐磨，机械强度高，化学性能稳定，截污能力大，使用周期长，经济效益极好[24]。名称规格耐火度大于均匀度%SiO2含量不小于%Fe2O3含量不大于%含粉量小于%精砂4-617509099.50.020.2精砂6-1017509099.50.020.2精砂10-2017509099.50.030.2精砂20-4017509098.90.030.2精砂40-7017509098.80.040.3精砂70-14017509098.90.040.3精砂100-20017509098.50.040.3精砂27017509098.90.040.3精砂32517509098.70.040.3图4-2石英砂参数[24]石英砂滤料起到过滤作用，就像水经过砂石渗透到地下一样，将水中的那些悬浮的物阻拦下来，主要针对那些细微的悬浮物。石英砂作为过滤料的应用：石英砂是与过滤容器结合，用于截留水中悬浮物胶体等颗粒杂质，从而起到过滤作用。如果是用在污水处理中的话，一般用普通石英砂,用三五年都没问题，只要防止石英砂流失就行，被污染了不要紧，因为污水处理中，污泥可以进行好氧或者厌氧呼吸，将污水中的污染物降解。27 1.1.1砂滤器工作结构图4-3砂滤器结构综合考虑了污水特点，流程特点，成本等因素，这里我采用自动旋流集污式砂滤器,这是由反冲洗进水阀，出水阀，进水阀，反冲洗出水阀，罐体，集污筒，集污管，排污阀，初滤出水阀等组成的砂滤器，砂滤料置于罐体内，罐体的中部焊接有切向进入的进水管，罐体的中心有集污管,集污管的外面有集污筒，罐体上部有反冲洗出水管，反冲洗出水管上装有反冲洗出水阀，罐体下部有三通管，三通管的两边装有反冲洗进水阀和初滤出水阀，罐体下部有出水管。27 自动旋流集污式砂滤器水处理系统为多种部件构成的组合装置。其由絮凝加药装置，过滤系统管路，自动旋流集污式砂滤器本体，风机反冲装置和电控系统等组成[24]。1.1.1砂滤器工作原理待过滤水(一般为经过混凝处理的水)由进水管进入，出水阀打开，过滤后的水由出水口排出，进水管是沿切向设置的，罐体内水流成旋转状态，固体悬浮颗粒汇集与中心由集污筒再汇集，经集污管由排污阀排出，所以大量的固体悬浮颗粒不经砂滤料过滤就得以去除，从而大大地延长了反冲洗的周期，随着过滤时间的延长，砂滤料逐步被堵塞，进出水口的压力差增大，至设定值时自动发出信号，砂滤料开始反冲洗，打开反冲洗进水阀，打开反冲洗出水阀，关闭排污阀，关闭进水阀，关闭初滤出水阀，反冲洗水由反冲洗出水阀排出，从而完成了滤料的反冲洗。由于旋流的作用有效的克服了筒体与砂滤料接触部位过滤精度差的问题，提高了过滤精度。砂滤器的主要特点：1、过滤周期长：旋流进水，大量的固体悬浮颗粒不经砂滤料过滤就得以去除，从而大大地延长了反冲洗的周期。2、过滤精度高：由于采用旋流进水，大量的小的固体悬浮颗粒聚集在过滤器中心，从集污管排出，有效的克服了筒体与砂滤料接触部位过滤精度差的问题，提高了过滤精度。3、初滤水量少：大量的小的固体悬浮颗粒从集污管排出，减小了过滤器的负荷，从而减少了初滤水量，同时提高了过滤器的产水量。1.1.2砂滤器尺寸由砂滤器公称直径决定其各个部分的具体尺寸，包括进水口，出水口，排气口等部分的尺寸。本次设计根据用水量较小的特点选用500mm公称直径的砂滤器。则有27 表4-1砂滤器尺寸名称尺寸名称尺寸进水口50H2000进气口32H11600反洗进水口50H2420出水口50H380滤水出口50H4800反洗出水口50H51200排污口20H614002727 1.1水泵水泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。衡量水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。本次设计主要针对常规污水压力提升，所以采用离心泵，就是根据离心力原理设计的，高速旋转的叶轮叶片带动水转动，将水甩出,从而达到输送的目的。其组成部分主要包括叶轮（核心部分，高速转动，输出能量），泵壳（主要起支撑作用），泵轴（借联轴器和电动机相连接，把电动机的转矩传输到叶轮处，使机械能传输过去），轴承，密封环，平衡装置等。图4-4水泵结构27 根据实际使用情况，本次设计采用卧式泵，即轴与水平面相平行的水泵。考虑到供水高度低于100米，所以采用低压泵即可满足需求。由于供水量相对较小，采用单侧进水，又称单吸离心泵，如图，叶轮上只有一个进水口。除此以外，还需要计算离心泵的安装高度Hg。根据20度的水温作为标准，参考安装高度为页面以上4.2米[25]。以下为离心泵使用要求：保持驱动机转向与泵的转向相同；各固定部位没有松动，润滑部位加入适当规格的适量润滑油；需要预润滑的部位应满足要求；各指示仪表工作正常，灵活准确；禁止无水运行，禁止过低流速运行；当工作需要预热时应先预热。选用离心泵前，需要对其工作功率进行估算：P=p*H*Q*g/K/3600其中p为传送液体的密度kg/m3H为液体扬程Q为液体流量m3/hK为水泵效率Q=2.95L/s=10.8m3/hH=30mP=1000*30*9.8*10.8/0.8/3600=1.102kw考虑到输水量较小，所以采用功率中等偏小的水泵，暂定为1.5kw的离心泵，以某公司生产的50-32-125型号的水泵为例，确定其尺寸。如表，单位mm表4-2水泵尺寸编号尺寸编号尺寸L1600h2237L2920h3190l180h4337l2385B1377l3335B2350h1112B339027 1总结就目前而言，当前雨水管理系统已被世界许多国家特别是发达国家所重视，雨水收集系统只是雨水管理体系中的一小部分，除此以外还有：雨水治理系统，雨水渗透系统，雨水滞留系统，雨水回用系统等。但目前国内对一方面的研究以及市场开拓程度还很低，归根结底在于整套系统前期投资较大，而且不适用于降雨稀缺的地区，而且维护成本也比较高。但可以肯定的是，当系统运行到一定年数后，所节约下来的水费将大于前期的成本投入，特别像是半导体厂这样的耗水较多的企业。之所以选用半导体作为研究对象，正是因为其工业以及生活用水都比较大，是一个较好提倡节约用水的地点。若实际运行能收到较好成效，在各个行业内也具有一定的推广作用[26]。27 本次设计有许多的不足之处，因为本课题设计了大量与建功土木相关的专业知识，虽然参阅了大量书籍，但由于能力有限，在绘图之处还存有许多不足，以及机械的选用，管道排布等方面缺少实践经验已经试验机会，以致多方面设计得不够详细。包括许多现有的现有成果都未能有效参阅借鉴。图5-1水回收系统概念图[8]参考文献[1]郑一.中国水资源报告[J].ShangHaiEconomy,2010.0636-38.[2]黄昌硕，耿雷华，王立群，王淑云，卞锦宇.中国水资源及水生态安全评价[J].人民黄河，第32卷第三期2010年3月14-16.[3]SameerSHADEED,JensLANGE.Rainwaterharvestingtoalleviatewaterscarcityindryconditions：AcasestudyinFariaCatchment，Palestine[J].WaterScienceandEngineering20103(2)：132—143.[4]许德洪.半导体行业超纯水制造技术[J].工业水处理,第三十卷第五期2010年5月90-92.[5]余刚,罗玉.半导体制造业的环境污染与清洁生产[J].清洁生产,2000.836-37.[6]2010年水业中国聚焦[J].金属世界,2010年第一期5.27 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