魏世超 杜鵑 劉明亞 李佳 張凱

核工業(yè)理化工程研究院，中國·天津 300180

1 選擇課題

中國是世界上遭受自然災(zāi)害最多的國家之一，災(zāi)害發(fā)生時，絕大多數(shù)情況下會造成飲用水供應(yīng)系統(tǒng)的破壞。此外，生活環(huán)境的惡化還會引起水質(zhì)的改變，包括水中的各種細(xì)菌、微生物、重金屬等，這些問題如果不能及時得到妥善處理會引起水源性疾病的發(fā)生，嚴(yán)重時甚至?xí){百姓的生命安全和社會穩(wěn)定。

目前，救災(zāi)時常用的供水手段有運水車，凈水設(shè)備，空投瓶裝水等，在電力中斷、道路破壞等情況下，上述手段缺乏有效保障。因此，一套除了能保障飲用水安全性以外，還具有快速反應(yīng)能力和較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時操作簡便可靠的應(yīng)急供水系統(tǒng)能夠有效地解決上述問題，為應(yīng)急搶險救援提供重要保障[1]。

2 設(shè)定目標(biāo)

設(shè)計一臺便攜式應(yīng)急手動供水機(jī)，能夠?qū)⑤p微污染的河水、湖水、地下水等處理成為生活飲用水，可以滿足搶險救災(zāi)中大量的安全飲用水需求，且滿足如下性能指標(biāo)：

（1）水源符合GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類以上的水源時產(chǎn)水達(dá)到GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中微生物指標(biāo)、毒理指標(biāo)和感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)要求[2]。

（2）供水機(jī)產(chǎn)水為手動操作，產(chǎn)水量：≥1t/h。

（3）便攜性，整機(jī)重量：≤80kg。

3 提出方案并確定最佳方案

3.1 方案設(shè)計要求

對供水機(jī)整體要求：產(chǎn)水水質(zhì)水量達(dá)標(biāo)，結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，手動便攜。

3.2 整體方案確定

針對便攜式應(yīng)急手動供水機(jī)的研制提出方案，并使用親和圖進(jìn)行了歸納和整理。便攜式應(yīng)急手動供水機(jī)的水處理工藝分為預(yù)處理、滅菌和攔截吸附三部分，結(jié)構(gòu)上主要包括進(jìn)水系統(tǒng)、儲水滅菌系統(tǒng)和凈化出水系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 便攜式應(yīng)急手動供水機(jī)水結(jié)構(gòu)組成

3.3 方案優(yōu)選

3.3.1 吸水泵

根據(jù)市場調(diào)研，對3款吸水泵進(jìn)行了方案分析和現(xiàn)場實驗對比，最終選擇的吸水泵具有重量輕，操作阻力小的特點。

3.3.2 預(yù)過濾器

預(yù)過濾器的作用主要為去除泥沙、雜質(zhì)等顆粒物質(zhì)。根據(jù)預(yù)過濾器的特點，選擇了小孔底閥、Y型過濾器和普通底閥+布袋三種預(yù)過濾方案，對這三種方案進(jìn)行了對比分析。優(yōu)選普通底閥＋布袋的方式，該方式重量輕，能滿足供水通量需求，拆裝方便，能夠過濾小顆粒泥沙，清洗更換方便。

3.3.3 水箱

水箱的作用是儲存原水，并對原水進(jìn)行消毒處理，根據(jù)市場調(diào)研，選取了三款水箱，通過對比實驗，優(yōu)選出一款具有雙層結(jié)構(gòu)，可折疊，內(nèi)膽更換方便，成本低的水箱。

3.3.4 滅菌方法

針對五類水源的除菌要求，選擇了漂白粉、分析純次氯酸鈣和陶瓷濾芯三種不同滅菌方法。為了驗證三種滅菌方法的滅菌效果，進(jìn)行了對比試驗。

得出結(jié)論：漂白粉處理后水中雜質(zhì)多；次氯酸鈣處理后的水清澈，幾乎無雜質(zhì)；陶瓷濾芯能夠?qū)崿F(xiàn)去除細(xì)菌功能，但是容易堵塞，無法繼續(xù)使用。因此，選擇次氯酸鈣滅菌方法。

3.3.5 陶瓷濾芯

為了滿足產(chǎn)水量和去除懸浮物的目標(biāo)要求，對市場上常見的三種過濾精度的陶瓷濾芯進(jìn)行了實驗分析。精度3μm的陶瓷濾芯產(chǎn)水量、懸浮物去除能力均能滿足目標(biāo)要求，且操作阻力小，因此選用該方案。

3.3.6 活性炭材質(zhì)

活性炭對水中重金屬的吸附能力取決于活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成，選擇了木質(zhì)炭、椰殼炭和煤質(zhì)炭三種材料進(jìn)行實驗分析。

木質(zhì)炭具有最大的比表面積，其次為椰殼炭和煤質(zhì)炭；椰殼炭具有最大的微孔體積，而木質(zhì)炭的總孔體積最大，且其中孔、大孔體積遠(yuǎn)高于椰殼炭和煤質(zhì)炭；三種活性炭的平均孔徑大小順序為：木質(zhì)炭＞煤質(zhì)炭＞椰殼炭，三種活性炭的平均孔徑均達(dá)到了中孔的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

通過對比，椰殼炭具有較大的比表面積、最大的微孔體積、最小的平均孔徑。因此，選取椰殼炭濾芯材料。

3.3.7 活性炭制備工藝

為了提高活性炭對重金屬離子的吸附能力，我們改進(jìn)了活性炭的制備工藝。根據(jù)文獻(xiàn)資料及初步實驗分析，確定4個制備工藝條件為主要影響因素，設(shè)計了正交實驗，通過正交實驗分析，小組成員確定了活性炭的最佳制備工藝。

3.3.8 陽樹脂

為了保證重金屬離子去除率達(dá)到目標(biāo)要求，對3種吸附樹脂進(jìn)行了實驗分析。經(jīng)過驗證，選擇了一種對重金屬離子吸附效率高，吸附量大的方案。

3.3.9 濾芯結(jié)構(gòu)

為滿足設(shè)備便攜性，提出了一體式濾芯結(jié)構(gòu)的方案，將多級過濾結(jié)構(gòu)融合于一支濾芯，結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。常用復(fù)合濾芯的材料與本課題所選材料物理性質(zhì)有一定區(qū)別，不具有直接借鑒性，一體式濾芯的制造成為本課題的創(chuàng)新點。

3.3.10 濾芯緊固方式

濾芯結(jié)構(gòu)確定后，為了保證濾芯安裝后密封性良好，對多種濾芯緊固方式進(jìn)行了方案對比。通過方案分析，選擇結(jié)構(gòu)簡單，緊固穩(wěn)定性好，拆裝方便的拉桿緊固方案。

3.3.11 支架

設(shè)計了鋁質(zhì)折疊式、碳鋼折疊式、碳鋼對插式3種放置濾芯殼體的支架，進(jìn)行了實驗對比。碳鋼對插式結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，拆裝方便，選擇該方案。

3.3.12 凈水泵

根據(jù)市場調(diào)研，選擇了3種符合使用要求的凈水泵，通過方案分析和現(xiàn)場實驗對比了3種泵的性能。優(yōu)選出操作阻力小、密封性好、重量輕的單隔膜手動泵。

根據(jù)市場調(diào)研，對3款凈水泵進(jìn)行了方案分析和現(xiàn)場實驗對比，最終選擇的凈水泵具有操作阻力小、密封性好、重量輕的特點。

4 制定對策表

根據(jù)確定的最佳方案，按照“5W1H”原則制定了如表1所示的對策表。

表1 方案實施對策表

5 對策實施

按照實施對策表，逐一實施對策，并給出了對策實施的評價。

5.1 對策1：預(yù)過濾器設(shè)計

5.1.1 實施過程

購買市面常用布袋，將布袋固定敞口的塑料套環(huán)取下，改裝為線繩收縮結(jié)構(gòu)；確定底閥尺寸，設(shè)計預(yù)過濾器結(jié)構(gòu)，加工制作底閥，與改進(jìn)布袋組合成為預(yù)過濾器，如圖2所示。

圖2 底閥結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

5.1.2 對策1實施效果

完成了預(yù)過濾器的設(shè)計、進(jìn)水系統(tǒng)的安裝及初步實驗。實驗效果能滿足供水通量需求，小顆粒泥沙過濾效果良好，拆裝方便，清淤更換方便，實現(xiàn)了方案設(shè)定目標(biāo)。

5.2 對策2：測定次氯酸鈣用量

5.2.1 實施過程

取中國天津牙河水200L，向月牙河水中加入過量的次氯酸鈣，靜置1h，每隔5min用余氯檢測試紙測試余氯含量，當(dāng)余氯含量穩(wěn)定后，確定最佳作用時間，取若干份水樣，加入不同量的次氯酸鈣，靜置到最佳作用時間，用試紙測量余氯含量，當(dāng)余氯含量約為5ppm時，確定最佳投入量。

5.2.2 對策2實施效果

余氯含量與次氯酸鈣投入時間和投入量的關(guān)系如圖3、4所示，通過實驗，得出了最佳滅菌時間為30min，次氯酸鈣最佳投入量為10mg/L。

圖3 余氯含量和時間的關(guān)系

圖4 余氯含量和次氯酸鈣投入量的關(guān)系

5.3 對策3：濾芯設(shè)計

5.3.1 實施過程

確定濾芯制備工藝（陶瓷制備工藝和活性炭制備工藝），外協(xié)加工制作，進(jìn)行過濾實驗。

5.3.2 對策3實施效果

一體式濾芯參數(shù)為：精度2μm，長度20寸，通量≥1t/h，重金屬離子去除率≥90%，能夠滿足過濾指標(biāo)要求。

5.4 對策4：過濾器外殼設(shè)計

5.4.1 實施過程

對袋式過濾器外殼原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，改為濾芯拉桿固定式，繪制改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖，加工制作。

5.4.2 對策4實施效果

改造后的過濾器外殼殼體重量輕，拆裝、搬運方便，并且密封性良好，濾芯緊固方式穩(wěn)定性高，滿足裝置設(shè)計要求。

5.5 對策5：支架設(shè)計

5.5.1 實施過程

根據(jù)過濾器外殼和凈水泵的結(jié)構(gòu)確定過濾器支架的結(jié)構(gòu)和尺寸，設(shè)計為對插式結(jié)構(gòu)，繪制支架結(jié)構(gòu)圖，加工制作。

5.5.2 對策5實施效果

確定過濾器支架的結(jié)構(gòu)和尺寸，加工制造了外殼實物。支架結(jié)構(gòu)簡單，拆裝、搬運方便，無需工具，穩(wěn)定性好，滿足裝置設(shè)計要求。

6 效果檢查

6.1 目標(biāo)值的效果檢查

6.1.1 水質(zhì)指標(biāo)檢測

將原水水樣和過濾后的式樣委托“國家無機(jī)鹽產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心”進(jìn)行檢測，測結(jié)果表明，經(jīng)過過濾處理，原水中的各種細(xì)菌和重金屬離子均被有效地攔截掉，色度、渾濁度、臭和味、肉眼可見物等各項指標(biāo)也達(dá)到了GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求，水質(zhì)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到本課題設(shè)定的目標(biāo)值。

6.1.2 整機(jī)性能檢測

對整機(jī)性能進(jìn)行了檢測，測試結(jié)果如下，便攜式應(yīng)急手動供水機(jī)的產(chǎn)水量和整機(jī)重量都達(dá)到課題設(shè)定的目標(biāo)值，如表2所示。

表2 整機(jī)性能檢測結(jié)果

6.2 鞏固期效果檢查

為了確認(rèn)過濾效果的穩(wěn)定性，從而達(dá)到對鞏固期內(nèi)效果的檢查，在2017年2月—4月，對水樣分別進(jìn)行12次測試，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 鞏固期水質(zhì)檢測結(jié)果

由上圖可知，經(jīng)過2個月的連續(xù)運行，便攜式應(yīng)急手動供水機(jī)的使用效果仍然滿足本課題所設(shè)定的目標(biāo)值，鞏固效果良好。

7 結(jié)語

本課題深入研究了應(yīng)急供水工藝，成功研制了一套無燃料、無電力需求的可循環(huán)水處理體系，凈化水質(zhì)符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，模塊化設(shè)計易于操作及運輸，具有可靠性強(qiáng)、凈化量大、體積小、重量輕、機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點，可適用于各類突發(fā)性自然災(zāi)害的應(yīng)急救援保障。便攜式應(yīng)急手動供水機(jī)可以應(yīng)對突發(fā)的自然災(zāi)害，保障災(zāi)區(qū)人員的生活飲用水安全。