以家庭清潔為目標的廢水智能化利用系統研究★

李長星 于林平 張 輝 苗世玉 董俊伯 鄧文浩

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

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·綠色環保·建筑節能·

以家庭清潔為目標的廢水智能化利用系統研究★

李長星 于林平*張 輝 苗世玉 董俊伯 鄧文浩

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

通過調研家庭廢水回收利用的現狀，對家庭中廢水回用的可行性進行了分析，并通過模型試驗，設計了一套家庭廢水收集及智能化利用系統，簡述了該系統的模塊設計與工作流程，指出家庭廢水回收與智能化利用系統是以實用性及簡易性為研究前提進行的設計，實現了水資源的高效循環利用，體現了節能減排的設計理念。

家庭廢水，回收利用，集水處理，機械裝置，智能控制

1 研究背景

全球現有12億人面臨中度到高度缺水的壓力，80個國家水源不足，20億人的飲水得不到保證。預計到2025年，形勢將會進一步惡化，缺水人口將達到28億～33億。世界銀行的官員預測，在未來的5年內“水將像石油一樣在全世界運轉”。

我國已被列入全世界人均水資源13個貧水國家之一,人均淡水資源僅為世界人均量的1/4，居世界第109位。目前，我國600多個城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市更為嚴重。

統計資料表明，我國家庭用水中如衛生間、廚房用水等，有相當部分的廢水資源可以回收、處理，用于家庭清潔和綠化等方面。因此，以家庭為單元充分利用可回收廢水不僅有利于減少家庭生活成本，而且有利于整個社會有效節約水資源，真正實現高效節水，環保節能的可持續發展的目標，所以家庭廢水的有效利用不可忽視。

2 家庭廢水回收與智能化利用系統的研究

基于高效節水、環保節能的可持續發展理念，以家庭清潔為目的，通過實驗分析家庭廢水的主要成分并加以分類，對其中可再回收利用的廢水資源進行回收、處理以及智能化利用。

2.1 智能化利用系統研究內容

研究內容以設計家庭可利用水資源的回收利用系統為支撐，以智能化家居的理念實現家庭廢水再利用，保障以家庭為單元的水資源的高效使用，使基于實用性、可操作性為目標研制的家庭廢水回收再利用系統真正的走進家庭。

1)家庭廢水的主要成分分析與分類；2)可再利用廢水的回收與處理系統的研究；3)基于智能化家居理念，將可再回收利用的廢水用于家庭清潔的研究。

2.2 智能化利用系統的模塊設計

2.2.1 集水及水處理模塊

集水及水處理模塊分為三部分：即集水區，凈水處理及貯水區，配水區(見圖1)。

1)集水區：可利用污水通過水管進水口1進入集水區，集水區下部設置一定坡度，并設置排污管，中下部設置細網罩，沉淀過濾排除進水雜質。集水區上部設置溢水口連接排水立管，和凈水處理及貯水區的進水口2。要求進水口2高度低于溢水口并且進水口2設置浮球閥，當凈水區滿載后，進水口2關閉，使多余的水通過溢水口排出。

2)凈水處理及貯水區：整個區域分為三部分，上部有浮球設施，控制水位。中塊添加盛有凈化材料的承托容器，容器下端開圓孔經行水流動，中部設有多層濾紙防止凈化材料的滲漏。主要凈化材料為濾料和活性炭，濾料布置按直徑由大到小進行布置吸附雜質，活性炭進行深度吸附。下部在兩側設置兩排紫外消毒燈和出水口(紫外消毒燈的布置避免由于長時間的貯水導致細菌滋生)。

3)配水區：凈水區出水口連接到該區，經水泵裝置配水到家庭各個循環利用點。

2.2.2 機械裝置模塊

在節約、高效利用水資源的前提下，進行利用機械設備和智能設備相結合擦拭家庭室外玻璃窗特別是高層建筑家庭室外玻璃窗的研究與探索(見圖2)。

1)裝置的組成。

主體裝置由上下兩部分組成，上部是接受電動機提供動力的齒輪組合，帶動整個裝置的運行。齒輪規格為直徑20 cm，將兩個齒輪放在與玻璃同一豎直面內的正上方進行水平相互咬合，每個齒輪通過傳動裝置分別控制清潔玻璃的范圍為玻璃的1/2，兩個齒輪結合完成了整個玻璃的清潔工作。下部為清潔玻璃部分，兩個清潔玻璃的刷子，分別置于玻璃的上邊緣和下邊緣，通過桿件與兩個齒輪相連接，利用電動機的動力帶動齒輪轉動，再通過齒輪、連接桿件等進行力的傳導，使得整個裝置運動起來，達到清潔目的。

2)驅動部分。

整個裝置驅動部分由三部分組成：動力產生部分，動力傳導部分和工作部分。 電動機產生動力，利用桿件帶動齒輪進行圓周運動。固定在玻璃上邊緣的刷子，在一個齒輪的最高點設置一個連接點，利用桿件與刷子相連接，當連接點隨著齒輪運動到最低點時，刷子在桿件的作用下運動到玻璃的中間部分。固定于玻璃下邊緣的刷子，在另一個齒輪的最低點設置一個連接點，利用桿件與刷子相連接，當連接點隨著齒輪運動到最高點時，刷子在桿件的作用下運動到玻璃的中間部分。考慮到桿件與齒輪的連接點要隨著齒輪做圓周運動，過程中會有一個大的角度變化，在桿件的中點設置一個軸點，并且在玻璃上邊緣接觸地方設置一個固定點，以削弱桿件過大的角度變化。

3)工作部分。

兩把刷子分別固定于玻璃的上邊緣和下邊緣。每把刷子由一個齒輪控制，在提供動力的情況下，兩把刷子同時向中間運動。由于齒輪的圓周運動，刷子也會隨之上下往復運動，實現玻璃清潔。刷子是由空心管咬合海綿或棉布等材料組成(材料要求：具有一定的摩擦性和一定的滲水性)，一方面增加與玻璃之間的摩擦力，另一方面有利于水的傳送(水從管內向外滲出)。刷子固定在玻璃豎直邊緣的鋁合金凹槽內，使其與玻璃緊密接觸。更好的達到清潔玻璃的目的。

4)水的傳送。

運用直徑較小，且柔軟度相對較高的水管。初始端與水泵連接，經過玻璃的兩側空心邊框，終端與刷子的空心管相連接，經水泵運水將海綿或棉布潤濕，同時刷子隨著驅動部分的運動，使其與玻璃之間發生摩擦，達到清潔玻璃的目的。

2.2.3 智能控制模塊

在清潔窗戶的機械裝置與電源之間安裝一個智能開關裝置，通過智能手機遠距離遙控開關實現家庭室外玻璃的自動化清潔。

1)智能開關的設計。

內部的電路主要是無線模塊和開關電源，通過繼電器控制智能開關的導通和關閉。使用了220 V交流轉5 V直流的開關電源模塊，最大電流10 A，而且使用AMS1117產生3.3 V的無線模塊工作電壓。智能開關最核心的無線連接方案采用了TI的SimpleLink Wi-Fi處理方案，通過TI的CC3000MOD和MCUMSP430F5309構成了一個非常精簡的無線網絡連接。CC3000MOD支持IEEE 802.11 b/g 協議同時內置了IPv4 TCP/IP協議棧，能夠與低速、低成本和低功耗的MCU(比如MSP430系列)組成非常理想的無線網絡處理。

2)智能開關工作原理及流程(見圖3)。

手機打開開關按鈕，模塊收到合上指令，PC8端口輸出高電平，Q1導通，繼電器的線圈有電流流過，繼電器的觸點L-IN和觸點L-OUT吸合，開關閉合;手機關閉開關按鈕，模塊收到斷開指令，PC8端口輸出低電平，Q1截止，繼電器的線圈沒有電流，繼電器的觸點L-IN和觸點L-OUT斷開，開關斷開。

3)APP方面。

利用APP實現云服務器通過網絡給家里的設備發送數據。這個過程是APP→網絡→云服務器→網絡→智能開關。

利用智能提醒APP的按時提醒報警功能幫助人們有規律的周期化清潔家庭室外玻璃，并通過APP計算接水量，更進一步精準的實現節約用水。

3 廢水智能化利用系統的特色

本系統功能合理、設計巧妙，為家庭廢水的回收再利用提出了新的思路。

具有以下特點：

1)以家庭為單位，實現廢水資源的回收再利用，實現了節水理念的創新。

2)可再利用廢水的回收與處理系統的研究，實現了家庭廢水收集，處理與儲存方式的創新。

3)可利用廢水用于家庭清潔數字智能化利用系統的研究，實現了家居生活方式的創新。

[1] 王曉昌.中國水資源現狀評價和供需發展趨勢分析[M].北京：中國水利水電出版社,2001.

[2] 盧亞雄.利用同層排水衛生間地面下結構儲水系統的研究[J].山西建筑,2014，40(23)：164-165.

[3] 余海靜.建筑內生活廢水的再利用[J].建筑技術開發,2004(11):97.

Research on wastewater intelligent utilization system taking household cleaning as the goal★

Li Changxing Yu Linping*Zhang Hui Miao Shiyu Dong Junbo Deng Wenhao

(Ocean and Civil Engineering School, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China)

Through the research on the status of household wastewater recycling utilization, this paper analyzed the feasibility of household wastewater recycling utilization, and through the model test, designed a set of household wastewater collection and intelligent utilization system, elaborated the module design and work flow of the system, pointed out that the household wastewater recycling and intelligent utilization system was designed to research the premise on the practicality and simplicity, realized the efficient circulation utilization of water resource, embodied the design concept of energy saving and emission reduction.

household wastewater, recycling utilization, set water treatment, mechanical device, intelligent control

1009-6825(2016)34-0188-02

2016-09-26★：遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目(項目編號：201610158000017)

李長星(1994- )，男，在讀本科生

于林平(1964- )，女，碩士，碩士生導師，副教授

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