農村家用壓力水塔自潔裝置

◆湖南省寧鄉市第一高級中學 鄭翰軒

假期,我在鄉下走親戚時發現，大部分青壯年外出發展，一部分家庭僅有老人和孩子留守，為了用水方便，大多數人家中都打有水井，使用壓力水塔。

我進一步了解到，現在農村普遍使用的水塔有兩種，一種放在樓頂，利用高度差產生的壓強來保障供水壓力；第二種是利用塔內的氣壓，通過壓力傳感器來保障用水所需要的壓力。然而，在向居民們了解飲水安全時，他們表示從未清洗過水塔。村民都知道水塔長年累月不清洗一定很臟，但由于水塔都是密封的，他們不知道如何清洗。

我上網搜索有關農村飲水安全的關鍵詞，發現政府的飲水安全工程目前還只覆蓋到城鎮集中供應自來水的區域，未惠及偏遠的農村。資料顯示，全國發生過多起因水塔污染導致群體性疾病的事例。

查閱這些資料后，我有一個強烈愿望：發明一個裝置，讓農村居民使用水塔的水污染問題得到解決。

一、 設計定位

農村家用壓力水塔自潔裝置是為了農村居民飲水安全而設計的，它是水塔結構中的一個功能性部件，只能對水進行粗加工，是對農村居民水安全的一種補充，不能代替市面上普遍使用的凈水器。

農村家用壓力水塔自潔裝置主要由抽水機、水塔、自潔裝置、壓力表、水管、水龍頭以及其他輔助設備組成，其中自潔裝置是核心技術部件。

本項目設計的主要技術難點是如何確保生活用水中無泥沙、鐵銹等雜質。其中涉及過濾、沖洗問題，為此項目研究必須通過相應的實驗來獲得解決問題的技術支持。

所設計的裝置應滿足農村居民用水需求，符合他們的使用習慣，力求結構簡單、成本較低。

二、功能設計

設計此裝置的技術難點在于，怎樣在不影響日常用水習慣，不另花時間和精力清洗水塔的條件下讓水塔自潔。

求解“水塔自潔”的問題，可采用“發散-收斂”的思維路徑。按照創造工程學的功能設計法，可從“水塔自潔”這一總功能出發分解功能，提出若干分功能。為了實現分功能，可以采用分功能用水、反沖式排水和進水以及過濾技術等。

三、理論依據

1.分功能用水的依據

走訪寧鄉市回龍鋪鎮10個自然村得知，農村散居人口一般以戶為單位自建住宅，每戶自建一個壓力水塔，水源為自家井水。用水主要分為兩種，一是生活用水，主要用于做飯、洗衣等日常生活，要求水質潔凈。另一種是生產用水，主要用于種菜、洗地等，對水質的潔凈度要求低，使用頻次約為每周2次，用水量較大。水塔中的沉積物可通過生產用水一同排出，不會污染水塔。

因此，本裝置設計采用分功能排水的方式，另加一個生產用水龍頭，與水塔底部相連，水塔中的污染物通過日常生產用水排出水塔，不會沉積于水塔中，從而保證生活用水的潔凈。

2.反沖排污原理

反沖是一個物理學名詞，是指靜止或運動的物體通過分離排除部分物質，使自身在反方向獲得加速的現象。

本裝置在兩處設計上利用該現象，一是排水閥上安裝旋轉龍頭。使用生產用水時，反沖作用讓旋轉龍頭旋轉，排水和攪拌同時進行，方便沉積在水塔底部的污染物隨生產用水排出。二是進水時也安裝旋轉龍頭，在進水的同時沖洗了附著在內壁上的污染物。因為水塔的進水和排水每天都在進行，日常生活就能達到讓水塔自潔的目的。

四、方案設計與制作

1.方案一

本方案設計的裝置由水塔、轉反沖式排水龍頭、轉反沖式進水龍頭及輔助設備組成。

轉反沖式排水龍頭由園林噴水龍頭改裝而來，去掉底座其他部分，只留出水管道和接口螺紋，在保護螺紋的情況下，在燃氣灶上適當加熱，向下彎曲到可安裝在水塔底部為止。將出水方向調整為斜向下，直到出水管能在反沖力作用下旋轉為止。

2.方案二

本方案模型中采用一個較大的濾芯，將生活用水和生產用水隔開。生活用水經過濾芯后水質得到了凈化，將雜質、微生物等都集中在中心區域，排水時能將污水排出。調查結果顯示，長期使用的盛水容器器壁上有一層污垢，可以在從進水口流入的旋轉水流不斷沖刷下，實現自潔。

1.進水水槽 2.旋轉進水口 3.水塔 4.生活用水出口5.旋轉排水口 6.生產用水排水管 7.支架

圖4 方案二原理圖

圖5 方案二模型

3.方案三

本方案設計的模型中加裝了一個活性炭濾芯，整體結構與方案二相同。濾芯的內外兩層用圓孔板承力，內外均加500目過濾網，中間用活性炭壓實，底部為圓板，頂部用不銹鋼封口。其余結構與方案二一致。

圖6 方案三濾芯設計圖

圖7 方案三模型

圖8 方案三模型內部結構圖

圖9 方案三模型進水口結構圖

五、測試

1.目的

檢驗農村家用壓力水塔自潔裝置的使用效果，判斷其能否達到設計要求，并對比三種裝置的自潔效果。

2.器材

根據三個方案設計制作的裝置、增壓泵、濾紙、漏斗、電子天平。

3.方法

（1）取混濁的池塘水進行自潔實驗。采用目測法和稱重測量法檢驗自潔效果。目測池塘水的清潔度后，將水注入制作的裝置進行自潔。然后取生產用水和生活用水各500 mL，再次目測，接著用濾紙過濾，用電子天平測量帶污染物的濾紙質量，比較自潔效果，記錄測量結果。

（2）取方案三裝置自潔后的水質樣本到寧鄉銀龍水質檢測有限公司進行檢測。

4.結論

三種方案設計的裝置都提高了水塔的自潔度，裝置三的效果更優，水塔的自潔度更高，能將生產用水和生活用水隔離，使用生產用水時能更好地排出水塔中的污染物，不受生產用水使用頻率的影響。生活用水經濾芯過濾，潔凈度更高。所以，最終我們決定采用方案三設計的裝置。

六、創新點

1.在充分開展調查的基礎上，根據農村散居人口的用水需求，將水塔的水按功能劃分，即一種是作為飲用、洗衣等生活用水，另一種是作為洗地、澆花等生產用水，在不定期的洗地、澆花過程中完成水塔的自潔。

2.用濾芯將生活用水和生產用水隔離，保證生活用水的潔凈，水塔中的泥沙、鐵銹等沉積物都積累在生產用水中，當需要洗地、澆花的時候，將水塔中不潔凈的水排出水塔。

3.使用反沖旋轉龍頭，進水時旋轉龍頭沖水，將濾芯內壁沖洗干凈。排水時旋轉龍頭排水，一邊排水一邊攪拌，能較完整地將沉積在水塔底部的雜質排出。

該裝置不僅能應用于農村家用壓力水塔，對其他水塔（如小區二次供水塔、樓頂水塔等）的自潔方法的研究與設計也有一定的借鑒價值。

專家點評

鄭翰軒同學的農村家用壓力水塔自潔裝置是一件富有愛心與責任心的發明作品。

作為一名生活在城市的中學生，強烈的關愛他人之心促使鄭翰軒在農村走親戚時還不忘了解村民的用水情況及用水安全問題；當發現村民自建水塔都是密封的、不知道怎樣清洗且不清洗，可能引起水塔污染導致群體性疾病發生之時，其強烈的責任心迫使他想到了這項發明課題，并設計完成了這個裝置，讓村民使用水塔的水污染問題得到了解決。

新時代的中學生應牢固樹立社會主義核心價值觀，像鄭翰軒同學這樣關心農業，走向農村，關愛農民，為國家實施鄉村振興戰略助力，為農業農村現代化——“產業興旺、生態宜居、鄉風文明、治理有效、生活富裕”等，貢獻自己的創新智慧，學以致用，創新成長。