高層建筑水箱凈化裝置制作及其凈化效果探究

1、科學(xué)論文個(gè)人項(xiàng)目課題名稱(chēng) 高層建筑水箱用水凈化處理 年級(jí)段 高中 高層建筑水箱凈化裝置制作及其凈化效果探究摘要：高層住宅樓頂水箱提供居民日常用水，水箱中積累的污垢會(huì)影響水質(zhì)，而物業(yè)又常常疏于清洗和管理，這使得出廠時(shí)達(dá)標(biāo)的自來(lái)水水質(zhì)變差；長(zhǎng)期使用的水箱箱體還會(huì)釋放一定數(shù)量的重金屬離子，危害到人體健康。新聞熱線每年夏天接到水箱污染的相關(guān)報(bào)道百余起。由樓頂水箱引起的“二次水污染”問(wèn)題成為市民關(guān)注的話題。本研究希望通過(guò)將裝有鵝卵石、活性炭、石英砂以及作為消毒物質(zhì)的二氧化氯的過(guò)濾器裝置安裝在水箱出水口中，起到過(guò)濾雜質(zhì)和污垢的作用，實(shí)現(xiàn)凈化處理。本課題完成了小規(guī)模濾器模型的制作，并按照飲用水國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（

2、GB/T5750），在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室（上海天復(fù)檢測(cè)中心和上海某高校環(huán)境工程學(xué)院水樣分析實(shí)驗(yàn)室）完成了對(duì)過(guò)濾前后等水樣的水質(zhì)對(duì)比檢測(cè)和分析。結(jié)果表明：使用過(guò)濾裝置能夠有效降低水箱內(nèi)部的重金屬離子污染情況。在本研究最后，設(shè)計(jì)并提出了實(shí)際水箱濾器模型結(jié)構(gòu)圖，該濾器安裝方便，成本較低，具有較好的推廣前景。關(guān)鍵詞： 水箱凈化；濾器模型；水樣分析；重金屬污染。一、研究背景由于城市高層建筑發(fā)展迅速，市政府水管網(wǎng)壓力不足，輸水網(wǎng)絡(luò)太大，水廠沒(méi)有足夠的壓力和儲(chǔ)力將水輸送到每個(gè)地方，于是在位置較高的地方建立了蓄水池或儲(chǔ)水罐，水從自來(lái)水廠出來(lái)之后，先流到設(shè)置在樓頂端的蓄水池或儲(chǔ)水罐里，然后再通過(guò)自來(lái)水管流到用戶家中。中

3、國(guó)大部分城市供水系統(tǒng)不是一根管子直達(dá)居民家里，而是水進(jìn)入小區(qū)后就到水箱，然后再加壓，從子管道分送給居民。如今，幾乎所有高層建筑均安裝了水箱儲(chǔ)水，以供居民日常用水之需。水箱的設(shè)計(jì)理念是為了便民利民，值得推崇。但隨著時(shí)間推移，水箱中長(zhǎng)年累月積累的污垢使水質(zhì)大幅度下降。即使物業(yè)安排了每半年左右一次水箱清洗，效果卻差強(qiáng)人意。很多居民都不飲用來(lái)自水箱的自來(lái)水，而是選擇每天花幾元錢(qián)購(gòu)買(mǎi)桶裝水。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，全國(guó)由二次供水蓄水池污染引起的飲水污染危害健康事故屢有發(fā)生。北方某城市從1990年到1998年發(fā)生29次二次供水污染事件，另外，二次供水污染集中發(fā)生在79月，占總二次污染事故的1/2。2001年南方某城

4、市對(duì)500個(gè)水箱的抽查結(jié)果表明：居民投訴的水樣100 %水質(zhì)檢測(cè)不合格。二次污染水質(zhì)污染的直接結(jié)果是影響用戶感官，使飲用者感到惡心、嘔吐、腹脹、腹瀉，嚴(yán)重的甚至發(fā)病?；蛴捎诘羧攵喂┧O(shè)備的蟲(chóng)子、老鼠等攜帶的病菌入侵，使二次供水水質(zhì)污染，可導(dǎo)致二次供水系統(tǒng)用戶發(fā)生集體性腹瀉，嚴(yán)重危害人體健康和擾亂居民生活秩序。經(jīng)水傳播的疾病主要有傷害、痢疾、霍亂以及馬鼻疽、鉤端螺旋體病、腸炎等。還有一些病毒引起的疾病，也可以通過(guò)水傳播。據(jù)報(bào)道，目前像北京上海等大城市的自來(lái)水水質(zhì)在出廠時(shí)已經(jīng)達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，但由于老舊的水箱與水管，使得居民飲用水質(zhì)狀況堪憂（如圖1）。目前，對(duì)于小區(qū)供水管網(wǎng)的更換與維護(hù)已被政府提

5、上日程，然而水箱卻成為城市供水網(wǎng)絡(luò)中被遺忘的角落。為了避免使原本是為提高居民生活質(zhì)量的水箱成為污染源，我希望通過(guò)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造，即在水箱出水管口安裝簡(jiǎn)易的濾器，實(shí)現(xiàn)凈化處理。圖1. 水箱內(nèi)部進(jìn)出水口(管)現(xiàn)狀 圖2. 水箱內(nèi)部出水口(管)現(xiàn)狀 圖3. 傳統(tǒng)水箱清潔工具 通過(guò)調(diào)研表明：市場(chǎng)上以水管家為代表的凈水裝置的基本原理都是首先采用精密過(guò)濾作預(yù)處理，去除水中的膠體、鐵銹等影響感觀指標(biāo)及后期處理能力的雜質(zhì)。接著，去除危害人體健康的重金屬，如鉛、汞等。水管家所使用的kdf是一種銅鋅合金，在水中氯的作用下，可吸收重金屬，同時(shí)釋放出對(duì)人體有益的鋅離子。同時(shí)采用分子篩，加強(qiáng)對(duì)重金屬及有機(jī)物的去除。

6、然后，去除有機(jī)物、農(nóng)藥等。另外，水管家內(nèi)裝有高吸附值的活性炭，活性炭纖維效果良好。最后，去除大腸桿菌及致病菌。此外，在大自然中，有一套自凈系統(tǒng)，雨水在滲透進(jìn)土壤中時(shí)雜質(zhì)被吸收攔截，最終得到清潔的地下水資源。同樣，沙濾水正是利用這一原理來(lái)獲得清潔的水。受水管家和沙濾水的啟發(fā)，結(jié)合水管家的工作原理和安裝思路，同樣的理念可以運(yùn)用在水箱中。因此，本課題計(jì)劃采用將裝有鵝卵石、石英砂、活性炭以及像二氧化氯之類(lèi)的消毒物質(zhì)的過(guò)濾器安裝在水箱出水管中（如圖4），起到過(guò)濾雜質(zhì)和污垢的作用，從而達(dá)到消除供水管網(wǎng)中“最后10米”的污染源，這樣不僅可以提高水箱清潔度，還能降低清洗水箱的成本。圖4. 水箱出水口處（計(jì)劃過(guò)

7、濾器安裝位置）二、研究目的如前所述，在大自然中，雨水在滲透進(jìn)土壤中時(shí)雜質(zhì)被吸收攔截，最終得到清潔的地下水資源，沙濾水正是利用這一原理來(lái)獲得清潔的飲水。受此啟發(fā)，結(jié)合水管家集中過(guò)濾處理飲用水的工作原理，同樣的理念應(yīng)該可以運(yùn)用在水箱中。將裝有活性炭、石英砂等濾料的過(guò)濾器安裝在水箱出水管中，起到集中過(guò)濾雜質(zhì)和污垢的作用，從而消除供水管網(wǎng)中“最后10米”的污染源。本課題主要圍繞自制濾器的制作并對(duì)過(guò)濾前后水樣對(duì)比分析來(lái)展開(kāi)。由于課題采用的過(guò)濾器原料價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，若按比例放大后安裝于水箱出水管口中，濾器可以定期更換，因此具有推廣價(jià)值。三、研究材料和方法3.1 實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)的材料：濾料專(zhuān)用石英砂

8、，鵝卵石，活性炭，食品級(jí)二氧化氯、飲用水塑料桶（4 L）、礦泉水瓶（0.5 L）、醫(yī)用點(diǎn)滴塑料管。3.2 實(shí)驗(yàn)原理及步驟3. 2.1 實(shí)驗(yàn)原理過(guò)濾是具有孔隙的物料層截留水中雜質(zhì)從而使水得到澄清的工藝過(guò)程。常用的過(guò)濾方式有砂濾、硅藻土涂膜過(guò)濾，燒結(jié)管微孔過(guò)濾，金屬絲編織物過(guò)濾等。過(guò)濾不僅可以去除水中細(xì)小懸浮顆粒雜質(zhì)、而且細(xì)菌病毒及有機(jī)物也會(huì)隨濁度降低而被去除。本課題按照實(shí)際水箱的構(gòu)造情況，設(shè)想在其出水管中加裝以鵝卵石、石英砂、活性炭以及殺菌物質(zhì)為主要凈化材料的濾器進(jìn)行過(guò)濾凈化。實(shí)驗(yàn)中將較大飲用水桶（4 L）模擬水箱，較小水瓶（0.5 L）模擬水箱出水口濾器，通過(guò)重力過(guò)濾原理得到水樣。采用了兩種方

9、案，第一種是直接將水進(jìn)行過(guò)濾，第二種是在過(guò)濾之后再進(jìn)行加熱。通過(guò)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)自制濾器的水處理效果進(jìn)行對(duì)比，在獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持后，提出水箱實(shí)際濾器模型結(jié)構(gòu)圖和濾器推廣前景。方案一：以4 L容量的大飲用水桶模擬水箱，其底部連接兩個(gè)串聯(lián)的0.5 L礦泉水瓶模擬水箱出水管及兩級(jí)過(guò)濾濾器。濾器中以鵝卵石、石英砂、活性炭和二氧化氯為主要凈化材料。方案二：結(jié)構(gòu)與方案一的結(jié)構(gòu)完全相同，但在過(guò)濾之后增加煮沸環(huán)節(jié)，以進(jìn)一步降低菌落總數(shù)。3. 2.2 實(shí)驗(yàn)步驟A： 將網(wǎng)購(gòu)的石英砂、鵝卵石、活性炭等原料浸泡在消毒水中3 h，然后放入消毒碗柜中高溫消毒120 min； B：將鵝卵石、石英砂、活性炭和二氧化氯依次

10、分別放入2只0.5 L礦泉水瓶中，并用消毒紗布一一分割開(kāi)；形成一串聯(lián)的二級(jí)濾器模型，如圖5；每一種濾料的作用如下表：表1. 各種消毒原料作用及應(yīng)用消毒材料作用及應(yīng)用石英砂石英砂濾料是采用天然石英礦為原料，經(jīng)破碎，水洗精篩等加工而成，目前是水處理行業(yè)中使用最廣泛、量最大的凈水材料鵝卵石俗稱(chēng)承托層濾料或墊層濾料，分（天然）鵝卵石和（機(jī)械加工）石英礫石兩種，被廣泛用于水處理器中的初級(jí)過(guò)濾?；钚蕴炕钚蕴坑址Q(chēng)活性炭黑，是黑色粉末狀或顆粒狀的無(wú)定形碳?；钚蕴恐饕煞殖颂家酝膺€有氧、氫等元素?；钚蕴可显谠亟M成方面，80%-90%以上由碳組成，這也是活性炭為疏水性吸附劑的原因。食品級(jí)二氧化氯二氧化氯消毒劑

11、是國(guó)際上公認(rèn)的含氯消毒劑中唯一的高效消毒滅菌劑，它可以殺滅一切微生物，包括細(xì)菌繁殖體，細(xì)菌芽孢，真菌，分枝桿菌和病毒等，并且這些細(xì)菌不會(huì)產(chǎn)生抗藥性。二氧化氯對(duì)微生物細(xì)胞壁有較強(qiáng)的吸附穿透能力，可有效地氧化細(xì)胞內(nèi)含巰基的酶，還可以快速地抑制微生物蛋白質(zhì)的合成來(lái)破壞微生物。圖5. 消毒原料示意圖C： 將裝滿濾料的礦泉水瓶的瓶口插在模擬水箱的4 L飲用水水桶的側(cè)壁底部，如圖6；圖6. 模擬水箱過(guò)濾裝置圖D：將調(diào)節(jié)過(guò)濾速度用的醫(yī)用點(diǎn)滴針管插在礦泉水瓶底部；E：將醫(yī)用點(diǎn)滴針管的滴水口接在無(wú)菌瓶?jī)?nèi)，針管上的流速調(diào)節(jié)器調(diào)整水流速度；F: 在4 L飲用水水桶中注入水樣；過(guò)濾時(shí)間控制在2 h左右（如圖7、8）；

12、G：將過(guò)濾前后的水樣送往上海天復(fù)檢測(cè)公司和上海某高校環(huán)境學(xué)院水樣分析實(shí)驗(yàn)室。其中一份過(guò)濾后水樣進(jìn)行了2 min的煮沸加熱，以對(duì)比加熱前后水樣水質(zhì)的變化情況。H：在以上實(shí)驗(yàn)論證自制濾器的有效性之后，本課題最后提出水箱濾器結(jié)構(gòu)模型示意圖。 圖7. 醫(yī)用滴管調(diào)節(jié)鈕控制過(guò)濾速度和時(shí)間 圖8. 過(guò)濾裝置整體示意圖四、研究結(jié)果按照課題的原設(shè)想，對(duì)水箱出水口提取了過(guò)濾前后各兩份水樣，分別是過(guò)濾前（樣品1），過(guò)濾后（樣品2），其中一份過(guò)濾后水樣還進(jìn)行了12 min的煮沸操作（樣品3），對(duì)其菌落總數(shù)、硬度和鉛Pb、鋅Zn、銅Cu、鐵Fe、砷As、鎘Cd、鉻Cr等主要金屬毒理指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，檢測(cè)依據(jù)見(jiàn)表2。測(cè)試在

13、專(zhuān)業(yè)級(jí)的上海天復(fù)檢測(cè)中心和某高校環(huán)境工程學(xué)院水樣分析實(shí)驗(yàn)室分別完成。理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，重金屬離子檢測(cè)結(jié)果如圖911。表2. 理化指標(biāo)檢測(cè)依據(jù)表檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法名稱(chēng)pH值玻璃電極法總硬度（以CaCO3計(jì)）乙二胺四乙酸二鈉滴定法氯化物硝酸銀容量法菌落總數(shù)平皿計(jì)數(shù)法總大腸桿菌群多管發(fā)酵法表3. 樣品理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果表檢測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)結(jié)果樣品1樣品2樣品3pH值7.797.74未檢測(cè)總硬度（以CaCO3計(jì)）（mg/L)99.8120氯化物（mg/L）27.228.4菌落總數(shù)（CFU/mL）33960270總大腸桿菌數(shù)（MPN/100 mL）未檢出未檢出未檢出圖9. 樣品1重金屬離子檢測(cè)結(jié)果圖10.

14、樣品2重金屬離子檢測(cè)結(jié)果圖11. 樣品3重金屬離子檢測(cè)結(jié)果通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析對(duì)比得出結(jié)論如下：（1）水箱水質(zhì)比預(yù)期的要好，否定了輿論普遍認(rèn)為的老舊水箱水質(zhì)惡劣、無(wú)法飲用的說(shuō)法；本小區(qū)水箱使用年限已超15年，除鉛、鋅、銅等個(gè)別指標(biāo)偏高外，其菌落總數(shù)、大腸桿菌數(shù)、砷、鎘、鉻等敏感重金屬指標(biāo)均未見(jiàn)顯著超標(biāo)；（2）自制的簡(jiǎn)易過(guò)濾器對(duì)鉛、鋅、銅等金屬指標(biāo)具有明顯的過(guò)濾和吸附效果，過(guò)濾前后數(shù)據(jù)對(duì)比表明，鉛、鋅、銅濃度明顯下降，根據(jù)對(duì)小區(qū)供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，鉛、鋅、銅等金屬成分主要來(lái)自老舊管網(wǎng)的內(nèi)壁銹蝕，而這正是自來(lái)水供水系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，大部分的二次污染正是來(lái)自水箱及其進(jìn)出管道的銹蝕。另根據(jù)對(duì)比分析，自制濾

15、器對(duì)砷、鎘、鉻等指標(biāo)過(guò)濾效果不顯著，原因是原水中這些金屬成分本身很低，遠(yuǎn)低于砷0.01（mg/L）、鎘0.005（mg/L）、鉻0.05（mg/L）的國(guó)標(biāo)；（3）菌落總數(shù)的控制只能靠傳統(tǒng)的加熱方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，專(zhuān)門(mén)對(duì)過(guò)濾后水樣加熱與否（前述方案一、方案二）進(jìn)行了對(duì)比，表明加熱可以有效遏制菌落總數(shù)（見(jiàn)天復(fù)檢測(cè)中心報(bào)告，方案一中B瓶為不加熱，方案二中B瓶為經(jīng)加熱）；這也是目前市場(chǎng)上很多飲用水處理裝置都設(shè)有加熱環(huán)節(jié)的原因；（4）傳統(tǒng)的加熱方式對(duì)降低水質(zhì)硬度效果不明顯，這個(gè)結(jié)論與傳統(tǒng)教科書(shū)加熱水能有效降低水硬度的說(shuō)法不一致，是否是由于濾器中石英砂、鵝卵石導(dǎo)致硬度提高有待實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步考證；（5）由于實(shí)驗(yàn)條件所限

16、，雖然取得了水箱清洗前后的水樣，但未能對(duì)其水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，原因是實(shí)驗(yàn)要求水樣24 h內(nèi)進(jìn)行化驗(yàn)分析，而實(shí)際從提取水樣到送達(dá)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試需要至少3天的等待時(shí)間；但從水箱清洗現(xiàn)場(chǎng)施工照片分析，簡(jiǎn)單的物理清洗對(duì)改善水質(zhì)效果有限；（6）鑒于使濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、成本低廉的考慮，本實(shí)驗(yàn)裝置未采用目前水處理中最先進(jìn)、效率最高的反滲透（膜）技術(shù)，若采用該技術(shù)，乃是降低水樣含鹽量和總硬度的最佳方法。今后如條件許可，將進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)比較該技術(shù)降低總硬度的效果。五、展望 本實(shí)驗(yàn)裝置最大的優(yōu)點(diǎn)在于，可以按照水箱出水管徑的大小，按比例放大（1：31：5）后制成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可定期更換的濾器，在老舊水箱中廣泛采用。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)裝置的成

17、本推算，即使按每月更換一次濾芯的頻率，年成本不會(huì)超過(guò)6000元/小區(qū)。該成本遠(yuǎn)低于市面上動(dòng)輒數(shù)千元/戶的水管家或5 L/元的凈水機(jī)，因此，本實(shí)驗(yàn)裝置具有大范圍推廣的商業(yè)價(jià)值。在以上實(shí)驗(yàn)論證自制濾器的有效性之后，本課題最后提出水箱濾器結(jié)構(gòu)模型示意圖如下：圖12. 水箱及其濾器結(jié)構(gòu)示意圖六、收獲和體會(huì)在本次研究和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，收獲頗豐，體會(huì)到了何謂“Trial and Error”（中文稱(chēng)“試錯(cuò)”）。一開(kāi)始做裝置的時(shí)候，裝置總是漏水，光是礦泉水桶就做壞了三個(gè)。后來(lái)裝置不漏水了，卻發(fā)現(xiàn)網(wǎng)購(gòu)的活性炭居然會(huì)溶于水中，才知道這是被商家打著過(guò)濾專(zhuān)用活性炭旗號(hào)來(lái)賣(mài)的普通活性炭，只能重新再做裝置。為了確保過(guò)濾效果，指導(dǎo)教師