便攜式應急手動供水機的研制

魏世超 杜鵑 劉明亞 李佳 張凱

核工業理化工程研究院，中國·天津 300180

1 選擇課題

中國是世界上遭受自然災害最多的國家之一，災害發生時，絕大多數情況下會造成飲用水供應系統的破壞。此外，生活環境的惡化還會引起水質的改變，包括水中的各種細菌、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生，嚴重時甚至會威脅百姓的生命安全和社會穩定。

目前，救災時常用的供水手段有運水車，凈水設備，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，還具有快速反應能力和較強的適應性，同時操作簡便可靠的應急供水系統能夠有效地解決上述問題，為應急搶險救援提供重要保障[1]。

2 設定目標

設計一臺便攜式應急手動供水機，能夠將輕微污染的河水、湖水、地下水等處理成為生活飲用水，可以滿足搶險救災中大量的安全飲用水需求，且滿足如下性能指標：

（1）水源符合GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類以上的水源時產水達到GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》中微生物指標、毒理指標和感官性狀和一般化學指標要求[2]。

（2）供水機產水為手動操作，產水量：≥1t/h。

（3）便攜性，整機重量：≤80kg。

3 提出方案并確定最佳方案

3.1 方案設計要求

對供水機整體要求：產水水質水量達標，結構簡單，拆裝方便，手動便攜。

3.2 整體方案確定

針對便攜式應急手動供水機的研制提出方案，并使用親和圖進行了歸納和整理。便攜式應急手動供水機的水處理工藝分為預處理、滅菌和攔截吸附三部分，結構上主要包括進水系統、儲水滅菌系統和凈化出水系統，如圖1所示。

圖1 便攜式應急手動供水機水結構組成

3.3 方案優選

3.3.1 吸水泵

根據市場調研，對3款吸水泵進行了方案分析和現場實驗對比，最終選擇的吸水泵具有重量輕，操作阻力小的特點。

3.3.2 預過濾器

預過濾器的作用主要為去除泥沙、雜質等顆粒物質。根據預過濾器的特點，選擇了小孔底閥、Y型過濾器和普通底閥+布袋三種預過濾方案，對這三種方案進行了對比分析。優選普通底閥＋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，并對原水進行消毒處理，根據市場調研，選取了三款水箱，通過對比實驗，優選出一款具有雙層結構，可折疊，內膽更換方便，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，進行了對比試驗。

得出結論：漂白粉處理后水中雜質多；次氯酸鈣處理后的水清澈，幾乎無雜質；陶瓷濾芯能夠實現去除細菌功能，但是容易堵塞，無法繼續使用。因此，選擇次氯酸鈣滅菌方法。

3.3.5 陶瓷濾芯

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

3.3.6 活性炭材質

活性炭對水中重金屬的吸附能力取決于活性炭的孔隙結構和表面化學組成，選擇了木質炭、椰殼炭和煤質炭三種材料進行實驗分析。

木質炭具有最大的比表面積，其次為椰殼炭和煤質炭；椰殼炭具有最大的微孔體積，而木質炭的總孔體積最大，且其中孔、大孔體積遠高于椰殼炭和煤質炭；三種活性炭的平均孔徑大小順序為：木質炭＞煤質炭＞椰殼炭，三種活性炭的平均孔徑均達到了中孔的標準[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，我們改進了活性炭的制備工藝。根據文獻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到目標要求，對3種吸附樹脂進行了實驗分析。經過驗證，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 濾芯結構

為滿足設備便攜性，提出了一體式濾芯結構的方案，將多級過濾結構融合于一支濾芯，結構簡單，拆裝方便。常用復合濾芯的材料與本課題所選材料物理性質有一定區別，不具有直接借鑒性，一體式濾芯的制造成為本課題的創新點。

3.3.10 濾芯緊固方式

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

3.3.11 支架

設計了鋁質折疊式、碳鋼折疊式、碳鋼對插式3種放置濾芯殼體的支架，進行了實驗對比。碳鋼對插式結構簡單，穩定性好，拆裝方便，選擇該方案。

3.3.12 凈水泵

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

根據市場調研，對3款凈水泵進行了方案分析和現場實驗對比，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：預過濾器設計

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取下，改裝為線繩收縮結構；確定底閥尺寸，設計預過濾器結構，加工制作底閥，與改進布袋組合成為預過濾器，如圖2所示。

圖2 底閥結構設計圖

5.1.2 對策1實施效果

完成了預過濾器的設計、進水系統的安裝及初步實驗。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，實現了方案設定目標。

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，當余氯含量穩定后，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系

圖4 余氯含量和次氯酸鈣投入量的關系

5.3 對策3：濾芯設計

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），外協加工制作，進行過濾實驗。

5.3.2 對策3實施效果

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

5.4 對策4：過濾器外殼設計

5.4.1 實施過程

對袋式過濾器外殼原有結構進行改造，改為濾芯拉桿固定式，繪制改進結構圖，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，濾芯緊固方式穩定性高，滿足裝置設計要求。

5.5 對策5：支架設計

5.5.1 實施過程

根據過濾器外殼和凈水泵的結構確定過濾器支架的結構和尺寸，設計為對插式結構，繪制支架結構圖，加工制作。

5.5.2 對策5實施效果

確定過濾器支架的結構和尺寸，加工制造了外殼實物。支架結構簡單，拆裝、搬運方便，無需工具，穩定性好，滿足裝置設計要求。

6 效果檢查

6.1 目標值的效果檢查

6.1.1 水質指標檢測

將原水水樣和過濾后的式樣委托“國家無機鹽產品質量監督檢驗中心”進行檢測，測結果表明，經過過濾處理，原水中的各種細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也達到了GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》的要求，水質指標已經達到本課題設定的目標值。

6.1.2 整機性能檢測

對整機性能進行了檢測，測試結果如下，便攜式應急手動供水機的產水量和整機重量都達到課題設定的目標值，如表2所示。

表2 整機性能檢測結果

6.2 鞏固期效果檢查

為了確認過濾效果的穩定性，從而達到對鞏固期內效果的檢查，在2017年2月—4月，對水樣分別進行12次測試，測試結果如圖5所示。

圖5 鞏固期水質檢測結果

由上圖可知，經過2個月的連續運行，便攜式應急手動供水機的使用效果仍然滿足本課題所設定的目標值，鞏固效果良好。

7 結語

本課題深入研究了應急供水工藝，成功研制了一套無燃料、無電力需求的可循環水處理體系，凈化水質符合飲用水標準，模塊化設計易于操作及運輸，具有可靠性強、凈化量大、體積小、重量輕、機動性強等優點，可適用于各類突發性自然災害的應急救援保障。便攜式應急手動供水機可以應對突發的自然災害，保障災區人員的生活飲用水安全。