文丘里管回收和生態碳纖維凈化水循環系統探析

摘要：文章從提高家庭廢水利用率的角度出發，提出了基于文丘里管回收和碳纖維凈化原理的家庭用水循環系統，希望通過對家庭廢水的采集凈化循環再利用為節水做出貢獻。整個循環系統分為兩個大的組成部分，即凈化部分和自吸部分，核心及創新點在于生態碳纖維污水處理方案和文丘里管提水方案的運用，系統幾乎不耗能。

關鍵詞：文丘里管原理；水循環利用；生態碳纖維；生物掛膜；廢水利用率 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH232 文章編號：1009-2374（2015）15-0083-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.043

目前我國水資源短缺，供水形勢嚴峻，因此提高水的利用效率，找出節水辦法迫在眉睫。本文中整個循環系統通過碳纖維掛膜污水處理以及文丘里管自動提水方案的應用而使家庭用水得以循環使用，使污水轉化為可以利用的二類水。基于此種設備可以節約一半以上的家庭用水，從而大大提高水的利用率，減少了家庭用水對水資源的消耗。由于設計符合現代節能減排的理念且裝置成本較低、結構簡單，因此可以大規模生產并在千家萬戶中推廣使用，具有很高的應用價值。如果每家每戶都采用此種生活用水循環利用裝置，那么將節約大量水資源，創造巨大的環境經濟價值。

1 國內外技術現狀

現今我國在生活污水的處理上存在一定的技術問題，已有的設備、所采用的城市污水資源化利用技術難以滿足實際需要。目前已報道的各種普通填料，均有各自難以克服的缺點：無機填料雖然大多比表面積大，但是水流阻力也相對大，容易產生堵塞現象；有機填料不容易堵塞，但是表面光滑且比表面積小，使微生物掛膜困難。

另外，家庭的污水一般很少存在一體化的凈化回收系統。就目前來說，家庭污水主要處理途徑是通過統一的排污管道排入江河之中。這樣，對環境和生態產生的影響是巨大的。目前全國各地出現的水污染事件，與此不無聯系。

2 總體設計

2.1 方案構想

家庭生活用水按使用范圍不同主要可分為三部分：第一部分為飲食用水，用于淘米、洗菜、洗餐具、刷牙等對水質要求嚴格的水；第二部分為清潔用水，用于洗澡、洗衣服、清潔衛生等一類對水質要求較高的水；第三部分為沖廁用水，主要用于沖廁所，對水質要求很低，只要沒有大的雜質且相對澄凈即可。

考慮到飲食用水對水質的要求和嚴格，并且人們心理上難以接受將循環用水用于飲用，因此我們只將循環水用于第二部分水和第三部分水。由于第三部分水對水質要求不高，對用于沖廁的水質做簡單的過濾和物質沉降處理。第二部分用水根據國家規定，需要達到二類水標準，因此需經過凈化后才可循環使用。

又因為生活用水平臺一般具有一定的高度，而且沖廁用水需要一定的水壓，因此循環水需具有一定的位能才能提供良好的生活用水。為實現利益最大化，我們就要盡可能地減少外界能量的消耗，因此我們就想到利用自來水的速度能使文丘里管產生負壓來提水。

基于上述分析，我們提出了一套“基于文丘里管回收和生態碳纖維凈化原理的家庭用水循環系統”。

2.2 詳細設計

系統按功能可劃分為凈化裝置、循環裝置和閥門、管道等附屬部件三個部分。其中凈化裝置包括一個以生態碳纖維為凈化主體的污水處理系統和多個帶三通管的過濾網，用以凈化污水；循環裝置包括文丘里管、水壓控制塔、真空箱、儲水箱，主要用于儲水、提水以實現用水循環；閥門、水管等附屬設備則起連接和控制

作用。

各部分結構功能詳細介紹如下。

2.2.1 凈化裝置。裝置簡介：裝置整體構造為圓柱形，半徑0.1m，總長1m。計劃采用有機玻璃，包括五個池子：沉淀槽，厭氧濾床槽一室（放入懸浮球填料），厭氧濾床槽二室（放入立體彈性填料），接觸氧化槽（放入生態碳纖維），消毒槽，每個槽半徑0.1m，長度0.2m。該裝置不僅解決了傳統填料易堵塞，比表面積小，微生物掛膜困難以及類似活性炭陶粒易沖散的難題，而且巧妙利用了生態碳纖維比表面積大、穩定性好等優點加速生物膜對污染物的降解。處理效果好，BOD去除率達80%，能達到二類水（可用于洗衣服、淋浴等）標準。

2.2.2 循環裝置。主體是基于文丘里原理的自吸水裝置，由文丘里管、真空箱、控制閥等組成。利用自來水通過文丘里管時產生的負壓，使與文丘里管相連的密閉真空箱產生負壓，利用蓄水池與真空箱的壓差將低位蓄水池中的水壓入高位真空箱。

污水蓄水箱：污水蓄水箱主要用于收集、過濾、儲存污水。為外圍尺寸長*寬*高=80cm*40cm*100cm的長方體塑料箱體，在高30cm處設置過濾層、97cm處設置直徑為2cm的溢流孔。

文丘里管：利用異型管使流經該管流體的速度發生變化從而產生壓差的管件。主要由入口圓錐段、圓錐收縮段、圓筒形喉部和圓錐擴散段組成。

水壓控制塔：水壓控制塔主要起控制水壓的作用，使水壓保持特定的值。考慮到自來水水壓、流量的不穩定性，本設計中水壓控制塔主要起降壓穩壓的作用。

真空箱：真空箱是用于產生壓差、吸水并儲水的裝置，左側用于儲存凈水，右側用于儲存沖廁用水，在隔板處開有溢流孔，右側箱壁裝溢流閥，隔板處溢流孔位置高于右側箱壁溢閥。

3 創新點及應用

本系統的核心創新點即在于碳纖維掛膜污水處理方案、文丘里管提水方案的運用以及系統的幾乎不消耗

能量。

3.1 碳纖維掛膜污水處理方案

材料選取上的創新：目前被廣泛應用的污水處理技術是生物膜法，生物填料是該技術的核心之一。而已投入使用的填料成分大多比較單一，而我們找到了一種新型填料——生態碳纖維可以有效改善上述缺陷。生態碳纖維是一種新型高效吸附材料，具有比表面積大、生物穩定性好等特點，且具有獨特的表面化學性能，可作為新型載體填料用于微生物的附著生長。endprint

結構設計上的創新：填料本體呈“卍”字形，包括豎向支撐和橫向支撐，豎向支撐與橫向支撐之間形成內凹槽，通過內凹槽可使填料本體相互嵌套。這種結構上的創新設計使填料在生物啟動階段且無碰撞摩擦的狀態下能快速掛膜，減少啟動時間；同時提高了填料表面粗糙度，也有利填料的初期掛膜。

3.2 文丘里管提水方案

為了實現利益最大化，盡可能減少能耗，我們創新采用文丘里管提水法，利用自來水速度使文丘里管產生負壓來提水，文丘里管的應用使得系統不需要耗能就可以達到預期效果，起到了節能的作用。

整個循環系統通過碳纖維污水處理以及文丘里管自動提水方案的應用使家庭用水得以循環使用，基于此設備可以節約一半以上的家庭用水，大大提高水的利用率，減少了家庭用水對水資源的消耗。設計符合現代節能減排的理念，且成本較低，可以大規模生產并在千家萬戶中推廣使用，具有很高的應用價值。

參考文獻

[1] 陳洪斌，李辰，劉富強，戴曉.膜生物反應器用于居民區生活污水處理與回用[J].同濟大學學報（自然科學版），2013，（2）.

[2] 郭軍，海熱提，鈕珊，范長健.生態碳纖維復合填料生物反應器處理印染廢水[J].化工進展，2012，31（10）.

[3] 張海林.城市污水處理現狀及發展趨勢[J].河南科技，2012，（4）.

[4] 王智成，王昶，酒井裕司，賈青竹.凈化槽中生物濾床種類對家庭生活污水處理效果的影響[J].水處理技術，2011，37（2）.

[5] 許春蓮，宋乾武，王文君，戴建坤，稻森悠平.日本凈化槽技術管理體系經驗及啟示[J].中國給水排水，2008，24（14）.

[6] 劉慶玉，王書文，焦銀珠.小型生活污水處理工藝和設計[J].水處理技術，2005，31（5）.

[7] 田娜，朱亮，張志毅，相文寧.高效生活污水處理裝置——高性能合并處理凈化槽[J].環境污染治理技術與設備，2004，5（5）.

[8] 王增長，高羽飛.建筑給排水工程[M].北京：高等教育出版社，2010.

作者簡介：范雄杰（1993-），男，湖北武漢人，武漢大學動力與機械學院本科在讀學生，研究方向：能源動力。

（責任編輯：黃銀芳）endprint