許雪梅 曹健國(guó) 孫彥招 王福林

摘?要：為滿足野外作業(yè)人員生活需要，本文設(shè)計(jì)了具有淋浴和洗衣污水循環(huán)處理再利用功能的野外淋浴專(zhuān)用車(chē)。采用模塊集成化的理念，將淋浴車(chē)按功能分為淋浴洗衣、污水處理、儀表控制、動(dòng)力和車(chē)體等區(qū)塊。設(shè)計(jì)了污水處理循環(huán)再利用工藝流程，相應(yīng)進(jìn)行了設(shè)備、儀控和動(dòng)力的集成布置。野外淋浴車(chē)的污水處理循環(huán)再利用裝置及其模塊化集成設(shè)計(jì)，使得車(chē)輛容易操作和維護(hù)，為野外作業(yè)人員的洗浴提供了更好保障。

關(guān)鍵詞：淋浴洗衣車(chē);污水處理;水循環(huán);集成設(shè)計(jì)

一直以來(lái)，很多進(jìn)行救災(zāi)、施工和執(zhí)勤等的野外作業(yè)人員，迫切需要及時(shí)洗到熱水澡，以恢復(fù)體力、提升精神狀態(tài)、更好地投入工作。雖然多年來(lái)淋浴車(chē)功能不斷完善，但是市場(chǎng)上的洗浴產(chǎn)品例如淋浴車(chē)、淋浴方艙和太陽(yáng)能熱水袋等，受天氣和地形環(huán)境影響，以及造價(jià)和供水能力等限制，特別是在缺水荒漠和無(wú)人區(qū)等特定環(huán)境下，多數(shù)淋浴汽車(chē)未充分考慮污水循環(huán)利用，個(gè)別產(chǎn)品即使考慮污水再利用，但處理方法、多來(lái)源水源以及模塊集成設(shè)計(jì)等方面較薄弱。這些問(wèn)題，在一定程度上制約著野外工作的后勤保障服務(wù)水平，影響工作人員的生活水平。

針對(duì)原有產(chǎn)品的不足，在淋浴洗衣污水處理工藝、水循環(huán)再利用、車(chē)體的耐用和易維護(hù)性等方面，進(jìn)行包含工藝和測(cè)控設(shè)計(jì)在內(nèi)的污水處理再循環(huán)利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。新增的污水處理再循環(huán)利用系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)布局、工藝和功能等與現(xiàn)有設(shè)備在整體上相銜接協(xié)調(diào)，使得設(shè)備的集成度和效率更高。

1?車(chē)體模塊化設(shè)計(jì)

將淋浴洗衣車(chē)進(jìn)行模塊化分解，模塊組成及關(guān)系見(jiàn)圖1。整車(chē)由淋浴洗衣、污水處理、儀表控制、動(dòng)力和車(chē)體五個(gè)模塊組成，各模塊功能如下。淋浴洗衣模塊具備淋浴和洗衣功能，涉及供排水、水循環(huán)和污水收集等方面。污水處理模塊包括對(duì)污水進(jìn)行收集處理、殺菌消毒、高溫加熱和循環(huán)處理等。儀表控制模塊主要實(shí)現(xiàn)污水處理的測(cè)控，包含傳感、顯示、控制、報(bào)警和通信等功能。動(dòng)力模塊包含發(fā)電和全車(chē)設(shè)備供電，車(chē)體由底盤(pán)、車(chē)廂和地板組成。在這五個(gè)模塊相互配合下，實(shí)現(xiàn)淋浴洗衣和污水處理再循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

車(chē)體及內(nèi)部艙區(qū)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。車(chē)體采用4驅(qū)動(dòng)越野底盤(pán)。方艙分為淋浴洗衣艙、污水處理艙、能源動(dòng)力艙和檢測(cè)控制艙。在較小空間內(nèi)將各艙合理緊湊布置，實(shí)現(xiàn)供水、用水、污水收集、污水處理和排水功能，以增大淋浴空間和污水處理能力。污水處理設(shè)備采用耐腐蝕塑料和不銹鋼結(jié)構(gòu)制造，確保經(jīng)久耐用不生銹。為有效利用空間和降低整車(chē)質(zhì)心，提高整車(chē)穩(wěn)定性和安全性，將水凈化裝置、儲(chǔ)水箱等較重設(shè)備布置在方艙底部。車(chē)廂用全塑全封閉聚酯板塊結(jié)構(gòu)，達(dá)到防凍和保溫目標(biāo)。

動(dòng)力模塊。采用多元化供電方式，在有市電輸入時(shí)，直接輸入市電，節(jié)省自備能源。除外接市電外，還可利用置于另外車(chē)輛的燃油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，以降低洗浴車(chē)整車(chē)質(zhì)量，做到專(zhuān)車(chē)專(zhuān)用。采用底盤(pán)動(dòng)力發(fā)電方式，結(jié)合底盤(pán)蓄電池向小功率設(shè)備供電。最后充分利用天氣條件，在車(chē)廂頂部設(shè)置太陽(yáng)能面板并配備蓄電池，進(jìn)行輔助發(fā)電、洗浴水加熱和燈光照明等。

①集雨水槽及流水孔?②通風(fēng)天窗?③管道和線纜?④散熱孔?⑤格柵濾網(wǎng)?⑥污泥排出孔?⑦排水孔

2?污水處理循環(huán)工藝流程

污水處理模塊見(jiàn)圖3。污水處理循環(huán)再利用流程包括污水收集、預(yù)處理、粗處理、殺菌消毒、精細(xì)處理、加熱處理和循環(huán)處理等7個(gè)環(huán)節(jié)，形成閉環(huán)（見(jiàn)實(shí)線箭頭），各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的污泥及廢液進(jìn)行統(tǒng)一收集（見(jiàn)虛線箭頭）。

2.1?污水收集

擴(kuò)大水源收集及處理范圍，將處理淋浴洗衣水、灌注自來(lái)水、抽取地表水等三者有機(jī)結(jié)合，使其能處理多種污水，供淋浴洗衣和應(yīng)急飲用。對(duì)于淋浴洗衣污水，設(shè)置洗手池、小便收集器、淋浴和洗衣污水收集箱，用低電壓隔膜自吸泵，通過(guò)輸水管和電磁閥，進(jìn)行盥洗和淋浴水收集。若有自來(lái)水，可通過(guò)隨車(chē)配備的消防水帶進(jìn)行灌水操作，直接進(jìn)入工藝流程的循環(huán)處理環(huán)節(jié)。若有地表水，則用潛水泵將河流、池塘或湖泊中的水，灌入貯水罐內(nèi)。房頂做成槽狀，以利于收集雨水。污水收集采用抽吸方式收集污水并且集中而非實(shí)時(shí)收集。收集的污水經(jīng)后續(xù)凈化處理，使水質(zhì)高于國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2?預(yù)處理

預(yù)處理包含格柵過(guò)濾、砂石層過(guò)濾和污泥處理。首先進(jìn)行格柵過(guò)濾，用真空壓力泵吸污水經(jīng)真空抽吸回路進(jìn)入污水罐，污水罐上部設(shè)置格柵區(qū)，格柵區(qū)含格柵板和鋼絲網(wǎng)以過(guò)濾大顆粒廢渣，攔截較大尺寸污染物。然后污水經(jīng)過(guò)污水罐中部的砂石層進(jìn)一步處理，砂石層由密度、粒徑和功能不同的硬石、石英砂和活性炭等復(fù)合濾料組成，置于多孔濾板上，過(guò)濾水中不溶物、固體顆粒、細(xì)菌和藻類(lèi)。最后進(jìn)行污泥處理，過(guò)濾后累積的生活垃圾和污泥，從格柵區(qū)和砂石層上部清除，排入污泥收集池，此過(guò)程需定期清理污水罐。

2.3?粗處理

粗處理包含絮凝、除磷、除泡沫、除氣體、沉淀和污泥處理等。洗浴用水含表面活性劑，污染環(huán)境，需進(jìn)行處理。預(yù)處理水經(jīng)管道進(jìn)入反應(yīng)器，加絮凝劑進(jìn)行反應(yīng)處理。絮凝劑用聚合硫酸鐵（SPFS），不含鋁和氯，無(wú)鐵離子水相轉(zhuǎn)移，無(wú)毒無(wú)害，同時(shí)有效除磷。在反應(yīng)器內(nèi)，高壓空氣通過(guò)反應(yīng)器上部微孔板均勻充入污水，氣壓使水產(chǎn)生渦流并沸騰，使污水與絮凝劑充分混合，使得表面活性物質(zhì)以氣泡形式浮出水面，聚集成泡沫群，然后被離心式抽氣設(shè)備抽出，泡沫上的懸浮物以及水中異味氣體被帶出。絮凝劑與污水中的膠體懸浮物充分混合可得到絮狀物，絮狀物被過(guò)濾器分離并沉淀后，被定期清掃。對(duì)洗滌液進(jìn)行過(guò)濾回收，上清液則經(jīng)過(guò)濾進(jìn)入后續(xù)污水處理流程。經(jīng)粗處理流程，充分去除預(yù)處理流程出水中含有的表面活性劑、膠體物質(zhì)和懸浮物，能顯著降低重鉻酸鉀法測(cè)定化學(xué)需氧量（CODCr）和五日生化需氧量（BOD5），并使總磷（TP）濃度降至0.5mg/L以下，水質(zhì)濁度（NTU）低于5mg/L。0DE07CB1-26EE-4D6C-9CB3-9DEA88C4ACEC

2.4?殺菌消毒

殺菌消毒過(guò)程中用到了紫外線、臭氧或氯離子消毒劑，主要目的是滅菌、滅藻、除臭和消毒。殺菌消毒方式充分考慮野外地理環(huán)境特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上引入冗余，提供多種方式供選擇。首先進(jìn)行紫外線消毒，設(shè)有紫外線消毒管，殺死廢水中的病原微生物。其次，用臭氧發(fā)生器對(duì)水體進(jìn)行二次殺菌，克服紫外線殺菌存在死角的缺點(diǎn)，對(duì)各種細(xì)菌、病毒、真菌和原蟲(chóng)胞體等均能有效殺滅，分解水體中的有機(jī)物（除色除味），對(duì)水消毒60min后（臭氧半衰期為17～23min），便不存在殘留物。最后，若必要時(shí)，可加余氯離子為0.3至1mg/L的消毒劑，消毒后排放。經(jīng)過(guò)該環(huán)節(jié)得到的深度凈化水，可用于洗浴。

2.5?精細(xì)處理

精細(xì)處理包含盒濾和膜濾，進(jìn)一步降低氮、磷、懸浮物（SS）、CODCr和BOD5。首先進(jìn)行過(guò)濾盒過(guò)濾，采用活性炭過(guò)濾器或聚丙烯纖維棉（PP）保安過(guò)濾器，過(guò)濾盒體由活性炭或纖維束組成，含滲水孔，過(guò)濾精度為10μm，去除細(xì)小泥沙、水中懸浮物并吸附表面活性劑有機(jī)物。然后進(jìn)行過(guò)濾膜過(guò)濾，采用超濾膜或納濾膜來(lái)深度凈化水，膜生物反應(yīng)器（MBR）處理區(qū)有真空纖維膜，用于過(guò)濾粒徑大于0.45μm的微小顆粒。經(jīng)過(guò)該環(huán)節(jié)得到的超深度凈化水，可用于應(yīng)急飲用。

2.6?加熱處理

加熱處理包含蒸汽殺菌和循環(huán)用水供應(yīng)。首先進(jìn)行蒸汽殺菌，使用蒸汽發(fā)生器進(jìn)行高溫蒸汽滅菌，該步驟可作為殺菌消毒環(huán)節(jié)的補(bǔ)充。然后凈化水經(jīng)水泵送至加熱設(shè)備。加熱器可選擇即熱型熱水器或燃油常壓熱水鍋爐。即熱型熱水器采用電力或太陽(yáng)能兩種動(dòng)力供應(yīng)方式，無(wú)預(yù)熱過(guò)程的熱量散失，達(dá)到省電省水的節(jié)能目標(biāo)。常壓燃油熱水鍋在常壓環(huán)境下運(yùn)行，燃燒效果好，有熄火保護(hù)裝置，性能安全穩(wěn)定。在熱水供給方面，選擇分流混合調(diào)溫的動(dòng)態(tài)加熱方法，邊燒邊洗，直接輸出45℃左右熱水，該溫度可大量減少水中結(jié)垢量，減少內(nèi)膽維護(hù)工作量，通過(guò)高敏感溫度傳感器和控溫元件將溫差控制在0.5℃范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒溫洗浴。

2.7?循環(huán)處理

循環(huán)處理包含凈水存儲(chǔ)和淋浴洗衣水循環(huán)供應(yīng)。在容器最后端設(shè)置儲(chǔ)水箱，用于存放處理后的水，凈化水經(jīng)過(guò)儲(chǔ)水箱的排放電磁閥分成兩路，一路進(jìn)混水閥冷水進(jìn)水端，另一路經(jīng)過(guò)上個(gè)環(huán)節(jié)的加熱進(jìn)入混水閥熱水端。污水處理再循環(huán)系統(tǒng)每天可處理10噸水，滿足5～10人在缺水地區(qū)30天的生活需求。

3?污水處理測(cè)控

污水處理測(cè)控系統(tǒng)包含傳感測(cè)量、轉(zhuǎn)換顯示、調(diào)節(jié)控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等4部分，見(jiàn)圖4。對(duì)于傳感測(cè)量部分，傳感器檢測(cè)的信息包含水和物料參數(shù)，包含在浴洗系統(tǒng)排水口、泵進(jìn)出水口、物料噴頭和污水除泡沫反應(yīng)器等位置處，測(cè)量水或其他物料的流量、壓力、溫度、液位、渾濁度等;使用的傳感器包含超聲波流量計(jì)、壓力變送器、熱敏電阻、水位接觸電極和光纖傳感器等;除傳感器外，在重要部位例如污水罐、反應(yīng)器和儲(chǔ)水箱等位置，設(shè)置有機(jī)玻璃觀察孔，便于人工檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。對(duì)于信號(hào)轉(zhuǎn)換及顯示部分，傳感器采集的模擬信號(hào)送至信號(hào)柜，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)并由通信模塊輸出，軟件接收信號(hào)并解碼分析，實(shí)時(shí)顯示于屏幕，以觀察污水處理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于控制調(diào)節(jié)部分，采用閉環(huán)控制，將實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，滿足預(yù)定條件后執(zhí)行控制指令;若控制存在故障，則終止后續(xù)步驟，并在電路節(jié)點(diǎn)圖顯示故障節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在故障數(shù)據(jù)庫(kù)檢索原因并顯示報(bào)警，便于人工干預(yù)。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分，用電控閥控制絮凝劑等物料添加過(guò)程和水泵進(jìn)出水;儲(chǔ)水箱上設(shè)置有控制補(bǔ)水的浮球閥，能夠保證達(dá)到水箱內(nèi)規(guī)定的水位后立即停止吸水;蒸汽發(fā)生器裝有安全閥和通氣閥，避免容器內(nèi)壓力過(guò)高導(dǎo)致安全事故;此外，車(chē)內(nèi)裝有語(yǔ)音提示報(bào)警系統(tǒng)，便于人工及時(shí)干預(yù)。自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)能夠保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升產(chǎn)水效率。

結(jié)語(yǔ)

為高效利用有限的水資源，供給野外作業(yè)人員洗浴，設(shè)計(jì)了模塊化和集成化的車(chē)載污水處理與循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)淋浴洗衣車(chē)，添加污水處理再循環(huán)功能，進(jìn)行污水處理工藝設(shè)計(jì)，并進(jìn)行配套設(shè)備和控制的有機(jī)集成。所設(shè)計(jì)的淋浴洗衣車(chē)具有獨(dú)立運(yùn)行、整體機(jī)動(dòng)度高、儲(chǔ)水量大、洗浴能力強(qiáng)等特點(diǎn)。這對(duì)于產(chǎn)品緊跟時(shí)代發(fā)展，提升淋浴汽車(chē)的供水能力、增加洗浴舒適度、降低燃料能源供應(yīng)，為野外工作人員提供更好的工作生活條件方面，具有重要意義。

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基金項(xiàng)目：湖北文理學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201910519050）;“機(jī)電汽車(chē)”湖北省優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科群（XKQ2019017）;湖北文理學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金（2059?055）

作者簡(jiǎn)介：許雪梅（1999—?），女，漢族，湖北荊州人，本科。

*通訊作者：孫彥招（1984—?），男，漢族，河南平頂山人，講師。0DE07CB1-26EE-4D6C-9CB3-9DEA88C4ACEC