（农业机械化工程专业论文）生活废水分流再利用装置的研制.pdf

学位论文原创性和使用授权的声明 本人提交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行科 学研究取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做 出重要贡献的个人或者集体，均在文中明确说明。本人声明 的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的 规定，同意学习保留和按要求向国家有关部门或机构送交论 文纸质本和电子版，。允许论文被查阅和借阅。本人授权山东 农业大学可以将本学位论文的全部或者部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 圣臣夔 导师签名： 判堡 e t期：舻占、矽l 仫 山东农业大学硕士学位论文 摘要 水是基础性自然资源和战略性经济资源，是生态环境的控制性要素， 作为与粮食、能源同等重要的三大战略资源之一，在经济、社会发展和国 家安全中具有极其重要的地位。然而，我国是一个干旱缺水严重的国家， 淡水资源人均占有量仅为全球人均占有量的1 4 ，是全球1 3 个人均水资 源最贫乏的国家之一。因此节约用水、使废水回收利用具有极其重要的现 实意义。 在家庭日常的洗刷过程中，并非全过程所产生的废水都是污染严重的 废水，而是先浊后清。如果能对废水进行实时分流，让污染严重的部分直 接排放掉，而相对清洁的部分截流回收，就可以既实现家庭废水的再利用， 又不会造成二次污染。本文作者在泰安市科技局资助下( 项目名称：利用 污水冲厕装置的研制；编号：2 0 0 2 第8 9 号) ，研制了一种家用废水自动 分流回收装置。 本装置由机械分流和控制电路两大功能模块组成。机械分流模块主要 由球形阀芯式分流阀和两个电磁铁构成，工作时电磁铁带动阀芯动作，不 同电磁铁通电，可实现分流阀的换向，从而控制废水的流向，实现废水的 分流。 控制电路模块是本装置的核心，用于实现对两个电磁铁通断电的自动 控制。它主要由废水检测电路、控制逻辑电路、功率放大电路、定时电路 及直流电源电路等几部分组成。通过由发光二极管和光敏电阻组成的光电 传感器实现对废水的浑浊程度的检测，并将检测结果以不同电压的形式输 出。光电传感器输出的电压信号经功率放大后，控制两个电磁铁的通断电， 以实现废水分流。定时电路用于实现对两个电磁铁通电时延续时间的控 制，这样既节约了电耗，也可延长电磁铁的使用寿命。 经试验证明，本装置对废水的分流效果理想，工作安全可靠，且结构 简单，成本低廉，适用于城市居民家庭使用。 【关键词】：生活废水分流利用 a b s t r a c t w a t e ri st h eb a s i so fn a t u r a lr e s o u r c e sa n ds t r a t e g i ce c o n o m i cr e s o u r c e s ， t h ec r u c i a lf a c t o rw h i c hb ea b l et oc o n t r o lt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a s i m p o r t a n ta sf o o da n de n e r g y , i ti so n eo f t h e t h r e em a j o rs t r a t e g i cr e s o u r c e s i t t a k e sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ee c o n o m i c ，s o c i a ld e v e l o p m e n t a n dn a t i o n a ls e c u r i t y h o w e v e r ，c h i n ai sas e r i o u sd r o u g h ta n dw a t e rs h o r t a g e c o u n t r y , f r e s h w a t e rr e s o u r c e sb e i n go c c u p i e df o ro n ep e r s o ni nc h i n ai so n l y o n ef o u r t ht h a tb e i n go c c u p i e df o ro n ep e r s o ni nt h ew o r l d ，a n di so n eo ft h e 13c o u n t r i e sb e i n gp o o r e s to nw a t e rr e s o u r c e si nt h ew o r l dt h u sw a t e r c o n s e r v a t i o n ，r e c y c l i n go fw a s t ew a t e rh a se x t r e m e l yi m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e i nt h ef a m i l y sd a y t o d a ys c r u b b i n gp r o c e s s ，i ti sn o tt h ee n t i r ep r o c e s so f t h ew a s t e w a t e rb e i n gg e n e r a t e dt h a tw a s t e w a t e rs e r i o u s l yp o l l u t e dc o m ei n t o b e i n g b u ti sd e a na f t e rt h ef i r s tc l o u d i fw ec a nc o n d u c tr e a l - t i m es t r e a m i n g o ft h ew a s t e w a t e ra n dl e tt h es e r i o u sp o l l u t i o ne m i t t e dd i r e c t l ya n dt h eo t h e r p a r to f t h er e l a t i v ec l e a na r er e u s e d ，s ot h a tw ec a na c h i e v eo b j e c tn o tw i t h o u t w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dt h ed i r e c tu s eo ft h i sw a s t e w a t e r ad o m e s t i c w a s t e w a t e ra u t o m a t i c a l l yd i v e r t i n gu n i t w a sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , w h i c hi s f u n d e db yt a i a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o u n c i l t h i sd e v i c ei sc o m p o s e do ft w of u n c t i o n a lm o d u l e sw h i c ha r em e c h a n i c a l s t r e a m i n ge q u i p m e n ta n dc o n t r o lc i r c u i t m e c h a n i c a ld i v e r s i o nw a sc o m p i l e d 、析t 1 1t r i a g es w i n gs p o o lv a l v ea n dt w oe l e c t r o m a g n e t s ，t h ee l e c t r o m a g n e t s d r i v e ns p o o lm o v e sw h e nt h e ya r ee l e c t r i f i e d ，d i f f e r e n te l e c t r o m a g n e tb e i n g e l e c t r i f i e dd r i v e st h es h u n tv a l v et od i f f e r e n tp o s i t i o n ，s ot h a tt h ew a s t e w a t e r c a nf l o wi nd i f f e r e n td i r e c t i o i l s c o n t r o lc i r c u i tm o d u l ei sc o r eo ft h ed e v i c e ，w h o s em a i nf u n c t i o ni st o c o n t r o lt h et w oe l e c t r o m a g n e t i c sa u t o m a t i c a l l y i tm a i n l yi n c l u d e sw a s t e w a t e r d e t e c t i o nc i r c u i t ，c o n t r o ll o g i cc i r c u i t r y , p o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t ，t i m i n gc i r c u i t a n dd cp o w e rc i r c u i ta n ds oo n t h r o u g hp i e z o e l e c t r i cs e n s o r sw h i c hw e r e m a d eu po fl i g h t - e m i r i n gd i o d e sa n dp h o t o s e n s i t i v er e s i s t o r st od e t e c tt h e 2 山东农业大学硕士学位论文 t u r b i d i t yl e v e lo ft h ew a s t e w a t e ra n dt e s tr e s u l t sw a so u t p u r e di nt h ef o r mo f a d i f f e r e n tv o l t a g e t h ev o l t a g es i g n a lb e i n go u t p u t t e db yp i e z o e l e c t r i cs e n s o r e n t e rl o g i cc i r c u i ta n dp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t ，a n df u r t h e rc o n t r o lt h et w o e l e c t r o m a g n e tt ow o r k ，s ot h a tt om a k et h ew a s t e w a t e rf l o wi n d i f f e r e n t d i r e c t i o n t i m i n gc i r c u i ti su s e dt oc o n t r o lt h ep e r s i s t e n c et i m ew h e nt h et w o e l e c t r o m a g n e t se l e c t r i f i e d b y t h i s w a y , i tn o to n l y c a l ls a v ep o w e r c o n s u m p t i o n ，b u ta l s oe x t e n dt h el i f eo ft h ee l e c t r o m a g n e t b e i n gt e s t e db ye x p e r i m e n t a t i o n ，t h ed e v i c ew a sa b l et od i v e r tw a s t e w a t e r p e r f e c t l ya n di ti ss a f ea n dr e l i a b l ew h e n i tw o r k s ，f u r t h e r m o r e ，t h es t r u c t u r ei s s i m p l e ，a n dt h ec o s ti sl o w , s oi ta p p l i c a b l ef o ru r b a nd o m e s t i cu s e 【k e y w o r d s ：d o m e s t i cw a s t e w a t e r ；d i v e r t i n g ； r e u s e 3 山东农业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 水资源短缺的现状及发展趋势 水是地球上一切生命赖以生存、不可缺少的重要物质，又是不可替代 的重要自然资源( 罗红安，2 0 0 7 ) 。无论是发展中国家还是发达国家，都 面临水资源的短缺，使全世界陷入水的危机( 经世，2 0 0 4 ) 。水资源是经 济资源环境系统中核心的要素，每一个地区的经济资源 环境系统，水资源所起的作用都是基础性的。遵循可持续发展系统内在的 逻辑结构，基于水资源的可持续发展系统也可以由三大子系统组成，各子 系统之间存在着相互依赖的关系。在基于水资源的可持续发展系统中，经 济系统占据核心地位。经济系统从水资源系统中开发水资源，用于经济社 会发展，同时经济系统又向水环境系统排放污水。经济系统开发利用水资 源，人为地改变了水资源的数量、质量及其时空分布，必然会引起水资源 与其它自然要素之间原有的相对平衡状态发生变化。这种偏离原有平衡的 变化反过来又促进或限制人类生产，生活的各个方面。当水资源的开发利 用规模不大时，引起这种变化不显著。然而，随着人口的增加，工农业生 产的发展，特别是近代工业的兴起，以及城市建设的扩大，人类社会对水 资源的需求量越来越大。为了满足不断增长的用水需要，人们采取各种措 施扩大水资源的开发。伴随着水资源大规模的开发利用，人们在经济方面 虽取得了暂时效益，但对生态环境的影响却越来越大，结果引起了整个生 态环境系统的恶化。同时，生态环境系统的恶化反过来影响了经济的进一 步的发展。现在，世界范围内的水危机正是这一个恶性循环机制作用的结 果。 人类生产和生活用水，主要是陆地上的地表水和地下水，水资源属于 一种不断循环更新的自然资源，但在一定时间和范围内，还是相当有限的。 虽然地球上的水并不少，7 1 的地球表面被水覆盖着，但在地球上1 3 8 亿( k m 3 ) f 拘水资源中，9 7 5 是含有各种盐类的咸水，不能直接利用，陆地 上的淡水资源并不丰富，而且分布极不均衡。具体讲，地球上淡水资源总 量约有3 5 0 0 万- ( k m 3 ) ，而且8 7 以固态形式存在于冰川、冰帽和长年积雪 中，又主要分布在南北两极地区；其余的1 3 淡水，大多都是地下水。 4 生活废水分流再利用装置的研制 地表湿度、沼泽和永久冻土，又占去相当于0 9 的淡水( n a n d a l a l k d w e t e 2 0 0 3 ) 。人类比较容易利用的淡水资源，主要是江河流水、淡水湖泊水， 以及浅层地下水，其储量仅占地球淡水总储量的1 ，约3 5j y ( k m 3 ) 。还 有约1 3z f ( 1 3 ) 的水，以蒸汽的形式存在于大气中。淡水资源的相对稀 缺与分布不平衡限制了各地经济社会的发展，但是世界人口的迅猛增长加 剧了淡水资源与经济社会发展之间的矛盾。人体5 9 6 6 是由水组成的， 一个人在没有食物的情况下可以生存几周，但没有水最多只能活几天。城 市的情况也如此，一个城市断绝能源或运输工具还可以维持运转，但如果 断绝了水源将很快会变成一座死城。根据联合国资源统计：1 9 0 0 年全世界 人口为1 6 亿，至1 9 9 5 年已达到了5 8 亿，不到一百年人口增加了近3 倍， 本世纪以来世界淡水的消费量增加了约6 倍，其中农业用水增加5 倍，工 业用水增加2 6 倍，城乡家庭用水增加1 8 倍，从1 9 5 0 年至1 9 9 0 年的4 0 年间，世界人均淡水消费量增加了近4 0 。人口的膨胀、城镇的增多、 工农业的发展，使世界淡水的消耗急剧增加，使世界淡水资源稀缺问题更 加突出。 在我国尽管有许多河流、湖泊和水库，但淡水量仅占世界的8 ，居 世界第六位，人均淡水拥有量不超过2 5 4 5m 3 ，不到世界人均值的1 4 ， 居世界第1 1 0 位，已被列入全球1 3 个贫水国之一。中国一半的城市缺水， 其中1 0 8 个城市严重缺水。在中国目前1 3 3 亿h m 2 耕地中，尚有o 5 5 亿 姘是无灌溉条件的干旱地，有0 9 3 亿h m 2 草场缺水，农村8 0 0 0 万人和 6 0 0 0 万头家畜饮水困难。农业缺水量达3 0 0 0 亿m 3 。3 2 中国的水资源分 布也极不平衡，呈现出西北多旱、东南多涝的特点。也就是说，中国水资 源的分布是南方多、北方少，东部多，西部少。受季风气候影响，我国降 水量年内分配极不均匀，大部分地区年内连续4 个月的降水量占全年的 6 0 - 8 0 ，即我国水资源有2 3 左右是洪水径流量。此外，我国降水量 年际之间变化很大，南方地区最大年降水量一般是最小年降水量的2 4 倍，北方地区为3 - - 8 倍，并且出现过连续丰水年或连续枯水年的情况。 降水量和径流量的年际剧烈变化和年内高度集中，是造成水资源短缺的主 要原因之一。包括长江在内的南方水系的流域面积占全国国土面积的 3 6 5 ，人口约占全国的5 5 ，但其水资源量却占全国水资源的8 1 ；而 5 山东农业大学硕士学位论文 长江以北水系的流域面积占全国国土面积的6 3 5 ，人口约占全国的 4 4 ，其水资源却占全国的1 9 ，其中，西北内陆地区面积占全国国土面 积的3 5 3 ，其水资源量仅占全国的4 6 。我国北方地区人均水资源量 约为7 5 0 m 3 ，仅为南方地区的2 0 。水资源分布的严重失衡，不仅加剧 了我国水资源短缺的严重趋势，而且还导致我国北方地区容易沙漠化、干 旱，南方地区容易形成洪涝灾害。中国的水资源被污染的情况十分严重。 1 9 9 7 年中国环境状况公报称：我国3 2 的河段已成为超i i i 类水域，淮河 5 2 的河段已成为超v 类水域。据估计，1 9 9 9 年全国近8 0 的生活污水 未经处理直排江河湖海，年排污量达4 0 0 亿m 3 ，造成全国1 3 以上的水 域受到污染，一半以上的淡水水体已被严重污染而不能饮用，且污水中化 学需氧量、重金属、砷、氰化物、挥发性酚等污染物呈上升趋势。在全国 6 8 4 个城市中，仅有2 0 0 余座在建和建成的污水处理厂，且集中在七八十 个大中城市里，全国污水处理率仅为2 0 左右( 美国的污水治理率为7 1 ， 英国已达8 7 ) 。水的重复利用方面，中国城市工业用水的重复利用率平 均为4 0 - 5 0 ，现在欧美发达国家的工业用水重复利用率都已超过8 5 ( 王成芬，2 0 0 7 ) 。在日常生活中人们虽然有重复利用废水的意识，但方 法原始简陋，重复利用率很低。 1 2 我国的生活废水处理和中水回用 目前，生活废水是我国水环境污染的污染源之一，尤其是随着人民生 活水平的飞速发展，含有各种有机物的生活废水的污染源日益增多。对生 活废水进行净化处理、回收和综合利用的研究也越来越受到人们的重视。 目前生活废水的处理技术有物理处理技术、物理化学处理技术、化学处理 技术、生物处理技术、t i 0 ：光催化反应处理技术等( 杨建忠，2 0 0 5 ) 。经 处理后的废水被称之为中水，目前中水还主要用于城市环卫用水和绿化用 水等方面，这些用水对水质要求不高，使用中水，不仅在水质上完全符合 用水标准，而且将节约大量的新鲜水源，以污代清，节约优质水，使好水 得以养息。这种对中水的利用不仅使得城市污水成为城市第二水源，缓解 了水资源紧张的问题，又减少了排放至自然水体的污染物总量，减轻了对 水环境的污染，还可产生巨大的经济效益和环境效益，已成为世界各国解 决水问题的优选策略。世界各国对中水的回用十分重视。我国在中水回用 6 生活废水分流再利用装置的研制 方面起步较晚，但中水回用已受到广泛关注，尤其在大连、太原、天津、 北京、泰安等缺水城市，中水回用在解决水荒问题上已初见成效( 史乐君 等，2 0 0 7 ) 。但是，目前中水回用存在着不少的问题。首先，中水回用的 应用范围不够广泛，仅限于部分缺水严重的城市，且大多数中水工程是由 政府强制安装；其次，在一些已经开展中水回用的地区，中水回用工程运 营状况不佳。北京很多居民小区的中水回用工程闲置多年，造成严重的投 资浪费。造成这种状况的原因复杂，既有技术上的问题，也有经济、制度 上的问题。第一，认识问题。部分水价较高，并且缺水严重的地区，政府、 企业和居民已经有了中水回用的意识，并且展开了富有成效的实践。但是 在水资源相对丰富、水价相对较低的南方地区，中水回用的意识还十分淡 薄，公众对中水的认识也十分缺乏，习惯上难以接受。第二，工程建设问 题。( 1 ) 由于中水回用系统独立于自来水供应系统，因此开展中水回用必 然要求建设另一套给排水系统，使得中水回用系统只能在新建筑中使用； ( 2 ) 中水回用技术还在不断发展当中，早期一些中水回用系统由于技术 问题导致中水质量较差，成本过高，从而导致这些中水回用系统的闲置和 浪费，同时也降低了更新中水回用技术的激励；( 3 ) 目前中水回用的主要 模式是“自给自足”，即小区、酒店内部独立建设一座的中水回用工程，由 于水源的不稳定、回用规模较小，导致设施得不到充分利用，中水供给很 不稳定，成本偏高。部分地区已经成立了一定规模的中水公司，但是限于 管网问题、运输成本，也没有得到广泛应用。专业中水公司虽然降低了中 水的处理成本，但是如何将中水输送到用户手中又成了一个问题，目前的 解决方法是建设新的市政中水管线供水、送水车供水，显然这会大大提高 了中水的成本。第三，价格问题。价格直接影响到中水的需求。目前由于 技术和规模问题使得中水回用的成本偏高，一些规模偏小的中水回用工程 中水的成本甚至超过了自来水的价格。自来水是中水直接的替代品，因此 中水没有竞争优势。第四，制度问题。目前我国还没有一套适应中水回用 的制度体系，包括中水回用标准、中水监管、中水工程投入等。我国建筑 中水回用执行的水质标准是现行的生活杂用水水质标准，该标准部分 指标比发达国家的回用水水质标准还严格。这一方面使得许多现有中水工 程不达标；另一方面，也限制了建筑中水工程的推广和普及。此外，中水 7 山东农业大学硕士学位论文 回用的监管也存在缺位问题，在缺乏现场例行监测和管理部门监测的情况 下，大部分建筑中水设施的运行实际上处于失控状态，无法保证用户用水 要求( 张文斌，2 0 0 5 ) 。 1 3 小型生活废水再利用装置研究研制 随着人们节水意识的增强，社会对小型节水装置的需要逐步显现出 来，科研人员尝试设计制作了一些小型的生活废水再利用装置，用于家庭、 公寓、酒店等地方的废水再利用。 1 3 1 家庭生活废水再利用装置 生活废水来自多方面，但最主要还是来自家庭。家庭生活废水一般指 洗菜、洗碗、洗脸、洗澡、洗衣等用过的水，这些水占生活用水量的绝大 部分。家庭生活废水的主要用途是冲厕，家庭冲厕用水量每月一般需耗用 自来水4m 3 5m 3 ，而生活废水量却远超出此数。因此，利用生活废水冲 厕是完全能满足需要的。现在的居家设计都有厨厕间，而且不少厨厕间都 是相邻的，仅一墙之隔，这就为废水再利用创造了极为有利的条件。利用 生活废水冲厕，可在厨厕间隔墙上适当位置( 以水池下方2 0e m 处为宜) 钻 一孔洞，用一软塑管将厨间废水引至厕间便池即可。具体作法是：将水池 排水管道断开，封好排污管道口，软塑管一端与水池排水接口相连，另一 端穿墙后再与用硬塑管制作的弧型扁口短管连接，扁口搁置在便池( 蹲式) 后边缘上。这样，水池流出的废水都须经过便池后才能进入排污管道，起 到有水就冲厕的效果。这是小流量生活废水冲厕措施。对于水量较大的生 活废水，可将其倒入集水桶内，再用提升器具将水送入容量较大的高位水 箱储存备用。提升器具最方便实用的是家用微型水泵( 市面有售) ，高位水 箱的箱体可利用废弃的塑料包装桶自行改制。高位水箱可搁置在厕间的铁 支架上，并应尽量高置，使水箱内的水具有较大的势能。( 梁炳权，1 9 9 9 ) 。 1 3 2 建筑内生活废水的再利用装置 该装置节水原理是收集上层盥洗废水，二次利用，用来冲洗下层厕所 便池，结构如图1 1 所示。大家知道高校集体宿舍给排水的特点就是集中。 设置盥洗间和厕所，且盥洗间和厕所相邻，这就为废水再利用提供了便利， 因冲洗便池用水对水质要求不高，而盥洗废水主要来源于洗脸、洗头、洗 衣、涮牙等，这些废水中仅含有一些洗涤剂、洗涤液及少量的污渍、油渍、 8 生活废水分流再利用装置的研制 泥砂等杂物，所以只要能去除这些废水中的杂物，便可满足冲厕要求。节 水装置在盥洗槽下设置二至四个水箱，设置水箱具体数目根据用水量确 定，以满足最长时间间隔用水，保证无废水产生时间段冲厕的用水量，一 般情况下设置三个水箱，每个水箱大小规格为5 0 0m m x 7 0 0m m x 3 5 0 l l l i n ， 盥洗槽中的废水流入水箱，水箱上设一层过滤网，并设置溢流水管，过滤 网可采用不锈钢纱布，孔径为1 1 5m n l ，过滤大块杂物，透过过滤网的 泥沙等固体杂质沉入箱底，油渍、污渍及洗涤剂、洗涤液等比水轻，处于 水箱水体的上层，在第一水箱和第二水箱间设d e 3 2 连通管，连通管设在 水箱中部，且在第一水箱中连通管向下弯5 1 0c m ，距底部5c m ，这样， 处于水体上部的杂质、洗涤液、洗涤剂、油渍等污物及沉入箱底的沉淀杂 质就不能进入第二水箱，随着水满溢流上部杂质等排入下水管道，这样进 入第二水箱的水就基本可用来冲厕使用，为使水质更趋清洁及贮存调节水 量，可设第三水箱和第四水箱，第二水箱、第三水箱中的连通管设在距 底5c m 处，由于第二水箱中的水流受进水冲击的影响较小，基本处于静 止状态，有利于进一步沉淀，其上层清水进入水箱第三水箱，第三水箱 中的水质从观感上已接近自来水水质，用作便池冲洗，水质完全达到要求。 处理过的废水在第三水箱水箱或第四水箱底部侧面设出水管引至下层冲 洗水箱( 余海静，2 0 0 4 ) 。 图1 1建筑内生活废水的再利用装置结构示意图 f i g 1 - 1 c o n s t r u c t i o no f t h ew a s t e w a t e rr e u s ed e v i c e 9 山东农业大学硕士学位论文 1 4 课题的提出 中水回用可以充分利用废水资源，但如1 2 中所述，中水回用目前还 存在诸多困难，1 3 中所述生活废水再利用装置虽然成本低，从一次性投 资小的角度考虑能普遍推广使用，但存在废水处理效果差或不处理而直接 利用的情况，生活废水如不处理再利用，由于废水中含有大量的污物和皂 沫，会造成严重的二次污染。 但是，大家知道在家庭日常的洗刷过程中并非全过程所产生的废水都 是污染严重的废水，而是先浊后清，如果能对废水进行实时分流，让污染 严重的部分直接排放掉，把相对清洁的部分截流再利用，就可以实现废水 的不经处理直接利用，这样既可以简化废水利用装置的结构，又不会造成 二次污染。本课题所研制的生活废水分流再利用装置就是在洗刷过程中实 时分流废水，有选择的收集废水再利用。 1 5 课题研究的意义 城市居民随着生活水平的不断提高，城市居民的生活空间不断增大， 生活质量不断改善，居民的日常生活用水量日益增大，城镇每日生活废水 的排放量相应增多( 王巍，2 0 0 4 ) 。采取措施把这些废水利用起来可产生巨 大的经济效益和社会效益。本课题所研制的生活废水分流装置可以使城镇 居民在家庭中方便地实现生活废水的分流，分流出的废水不经处理直接利 用。由于不对废水进行复杂的物理或化学方法处理，所以其结构简单，不 产生废水处理后的污物，也就不需要经常对装置进行清理。所以该装置制 造成本低，使用方便，因此对装置的推广应用创造了很好的前提条件。 1 6 课题主要研究内容 分流装置由分流阀和控制机构两部分组成，为了便于推广应用，对整 个装置的要求是结构简单，成本低，在现在多数家庭所使用的卫生洁具上 安装要方便，充分发挥现有用水器具的作用。 本课题的主要研究的重点内容如下： ( 1 ) 分流阀的结构。分流阀安装在面盆的下方构，对分流阀的要求 是结构简单，体积小便于安装，切换阻力小便于操作。 1 0 生活废水分流再利用装置的研制 ( 2 ) 废水浑浊度检测传感器。传感器工作应可靠、灵敏。 ( 3 ) 检测信号放大电路和电磁铁驱动电路。 山东农业大学硕士学位论文 2 生活废水分流装置的构成及原理 2 1 装置组成 如图2 1 所示，整个装置分为分流阀4 、光电传感器3 和电路板安装 盒1 三部分。分流阀上装有电磁铁，分流阀的阀芯运动由电磁铁带动，分 流阀通过面盆的下水接头安装在面盆2 的下方；光电传感器主要由光敏电 阻和发光二极管组成；电路板安装盒中主要装有电源、信号处理和电磁铁 驱动电路板。 储水容器 图2 - 1 生活废水分流装置的构成不葸图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fw a s t e w a t e rd i v e r s i o nd e v i c e sp o s e 1 电路板安装盒2 面盆3 光电传感器4 分流阀 2 2 装置工作原理 洗刷时接通分流装置的电源，检测废水混浊度的光电传感器中的发光 二极管通电发光，光线透过废水照射到发光二极管对面的光敏电阻上，光 敏电阻的电阻值随废水的混浊度变化而变化，光敏电阻的电压降随之变 化，从而产生电信号。电信号经电路处理后驱动分流阀中的电磁铁，电磁 铁带动阀芯运动，使废水的流向根据其混浊度发生改变，废水中污染严重 1 2 生活废水分流再利用装置的研制 的混浊部分直接流入下水道，而相对清洁的部分流入准备好的储水箱备 用。图2 2 是生活废水分流装置工作原理示意图。 图2 2生活废水分流装置工作原理示意图 f i g 2 - 2 s k e t c hm a po fw a s t e w a t e rd i v e r s i o n 1 3 山东农业大学硕士学位论文 3 分流阀设计与选型 分流阀的结构包括分流阀和电磁铁。分流阀设计了三种结构，进行比 较后选择结构较合理的进行试制。 3 1 分流阀旋转阀芯式分流阀 3 1 1 旋转阀芯式分流阀结构 旋转阀芯式分流阀主要有轴4 、上壳体6 、下壳体5 、阀芯8 、齿条4 、 齿轮2 等构成，如图3 1 所示。 7 8 图3 1 旋转阀芯式分流阀 f i g 3 - 1r o t a t i n gs p o o lv a l v e s e g r e g a t i o n 1 分流阀出水口2 齿轮3 轴4 齿条5 下壳体6 上壳体7 进水接头8 阀芯 在分流阀上壳体上焊一用钢管制成的进水接头7 ，进水接头内做有内 螺纹，内螺纹与面盆下水的外螺纹连接将分流阀安装固定在面盆的下方， 分流阀的出水口有两个分别与下水道和储水箱相联接，分流阀阀芯在齿条 齿轮的带动下可以在一扇形范围内转动，当废水污染严重时阀芯和接下水 道出水口对齐，废水流入下水道，当废水相对清洁时阀芯和接储水箱出水 口对齐，废水流入储水箱，实现废水的分流。 3 1 2 摆动阀芯式分流阀 如图3 2 所示，在方形的下壳体里面装一可以摆动的阀芯2 ，阀芯的 1 4 生活废水分流再利用装置的研制 横断面形状为u 形，阀芯摆动角度2 0 度，下壳体3 的左下方和右方各开 一孔，分别是污水出口和清洁水出口，污水出口接下水道，清洁水出口接 储容器，在下壳体底部焊接一隔板以分开污水和清洁水，隔板高度2 0 毫 米。在上壳体5 上焊一用钢管制成的进水接头1 ，进水接头内做有内螺纹， 用来与面盆的下水接头连接，在进水接头下面的薄板上开一圆孔，圆孔直 径2 0 毫米，圆孔的下方焊接一漏斗，漏斗高5 m m 。下壳体和上壳体用四 组螺栓螺母联结成一体。洗刷后产生的废水经面盆下水进入分流阀，由进 水接头底部的圆孔和漏斗流到阀芯上，当废水污染严重时阀芯向左偏斜， 废水从污水出口流入下水道，当废水变得较清洁时阀芯向右偏斜，废水从 右面出水孔流入贮水容器，实现废水的分流。 储水容器 阀芯横断面 图3 2 摆动阀芯式分流阀 f i g 3 - 2s w i n g - s h u n tv a l v es p o o l 1 进水接头2 阀芯3 下壳体4 轴5 上壳体 3 2 球形阀芯式分流阀 如图3 3 所示，在方形的下壳体7 上开两个孔，中间向下的一个孔为 污水出水口，该孔与下水道相连接；第二个孔开在壳下壳体的右面为清洁 水出口，该出水口与贮水桶相联接。在污水出水口安装一个钢球，该钢球 即分流阀的阀芯4 。在钢球上系一在拉线5 ，拉线的另一端绕过导向轴2 1 5 山东农业大学硕士学位论文 后，固定在转轴6 上。为了提高密封性在污水出水口上安装一橡胶o 形 圈3 。与摆动阀芯式分流阀相同，上壳体上的进水接头1 内做有内螺纹， 其底部的薄板上开有一圆孔。下壳体和上壳体用四组螺栓螺母联结成一 体。分流阀安装在面盆的下面，通过螺纹与面盆的下水联结，洗刷后产生 的废水经面盆下水进入分流阀，由进水接头底部的圆孔进入分流阀下壳 体，当废水污染严重时转轴逆时针转动一角度，带动阀芯向上运动一距离， 废水从污水出口流入下水道，当废水变得较清洁时转轴复位，阀芯在自重 作用下向下运动坐在污水出水口上，使污水出水口关闭，废水从右面出水 孔流入贮水容器，实现废水的分流。 接储水容器 图3 3 球形阀芯式分流阀 f i g 3 - 3s p h e r i c a lv a l v es p o o l - s e g r e g a t i o n 1 进水接头2 导向轴3 o 形圈4 阀芯5 拉线6 转轴7 下壳体8 上壳体 3 3 分流阀结构性能比较与选型 旋转阀芯式分流阀的优点是阀芯转动灵活，并且从结构上分析不会造 成清洁水的流失；缺点是结构相对复杂，制造相对困难。摆动阀芯式分流 阀的优点是结构简单，容易制造；缺点是从结构上分析会造成污染严重的 废水和相对清洁水的混合，分离不清，使清洁水的混浊度加大。原因是当 阀芯尺寸不够大时，会造成废水向相反方向流动，或者废水从阀芯外溢。 1 6 生活废水分流再利用装置的研制 如果加大阀芯尺寸，又会使分流阀整体尺寸加大，不符合分流阀的设计要 求。球形阀芯式分流阀的结构复杂程度和工作性能介于旋转阀芯式分流阀 和摆动阀芯式分流阀之间，虽然从结构上分析，在工作中球形阀芯和污水 出水口处会有泄漏，但与旋转阀芯式分流阀相比较其结构简单，制造容易， 所以选择球形阀芯式为分流阀作为试制的型式。 3 4 电磁铁的选型与计算 3 4 1 电磁铁的选型 电磁铁是一种基于电磁系统产生的电磁吸力，使衔铁作机械运动，从 而对外做功的电机转换器按激励电源的性质，分为直流和交流两类。一 般小型为直流激励，大型为交流激励。直流的铁心用整块软铁磁材料制造， 省此消，其功率损耗只有铜损而无铁损，它的励磁电流值取决于加在线圈 上的直流电压和线圈电阻，所以磁动势恒定。随着衔铁的吸合，空气隙变 小，磁路的磁阻显著减小，磁通明显增大，吸力也增大( 林育兹2 0 0 6 ) 。 交流的工作原理和交流铁心线圈大致相同，它的励磁电流与空气隙的 宽度极大。在外加电压一定时，磁路中磁通的最大值基本不变。在通电瞬 间，空气隙磁阻最大，则磁路中的总磁阻最大。根据此路欧姆定律，此时 的磁动势也最大，励磁电流达到最大值。在吸合的过程中，随着气隙的减 小，由式可知，磁路的磁阻显著减小，而线圈的等效感抗却明显增大，使 励磁电流明显减小，由于吸合过程很短，电流值虽大胆发热量很小。但是， 如果吸合时衔铁受阻卡住，气隙不能减至最小，线圈将因长时间过流而烧 毁，因此，交流电磁铁不宜频繁操作( 林育兹， 2 0 0 6 ) 。 因为本设计需要电磁铁的吸力小，工作时可能需要电磁铁频繁动作， 所以选用小型直流电磁铁。 电磁铁由线圈铁心组成，铁心分为静铁心和动铁心两部分。本设计选 用结构形式如图3 4 所示的电磁铁。 3 4 2 电磁铁的计算 根据测试，使分流阀阀芯动作所需要拉力f 0 2 k g2 1 9 6 n ，市面 上所售小型电磁铁空气隙的横截面积s o 20 8c m ，铁心和衔铁由硅钢片 1 7 山东农业大学硕士学位论文 图3 4 电磁铁 f i g 3 - 4e l e c t r o m a g n e t 1 动铁心2 。静铁心3 圈铁 迭成，铁心与衔铁的横截面积等于空气隙的横截面积，最大行程即最大空 气隙艿= 1 0 i i l r n ，电磁铁磁路的平均长度如图3 4 所示，但线圈匝数与本 课题要求不符，需重新绕制。线圈匝数计算如下： 设电磁铁线圈通电电流为5 0 0 m a ( 通电电流可以由电路中的限流 电阻控制) 。 电磁铁吸力计算公式如下： f 一1 8 0 万7 b 。2 s 。 ( 3 1 ) 背审f 一电磁铁拉力，单位：n 、 岛一空气隙的磁感应强度，单位：t s o 一电磁铁空气隙横截面积单位：m 2 。 由式( 3 1 ) 得： 耻f ：、黔8 n x 1 9 6 1 8 = 等川。 ：瓜丽 ：托西x 1 0 句 = 0 2 5 ( t ) 已知磁感应强度，计算磁场强度公式如下： h ：b ( 3 。2 ) 式中：h 一磁场强度，单位：a m ； x 一物质的磁导率，空气中的磁导率率约等于真空中的磁导率鳓， 鳓= 4 n x 1 0 h m 。 将j - b o 、风代入公式( 3 2 ) ，则空气隙中的磁场强度： 耻等= 茄- 1 9 9 x1 0 5c 神 由于铁心和衔铁的横截面积等于空气隙的横截面积，在不考虑电磁铁 漏磁的情况下，静铁心中的磁感应强度巩= o 1 2 5 ( n ，动铁心中的磁感 应强度吃= 0 2 5 ( t ) ，由图3 - 5 的磁化特性曲线( 秦增煌2 0 0 2 ) 查出，与 族心中的磁感应强度b m = o 1 2 5 ( t ) 相对应的磁场强度为 日m = o 0 2 1 0 3 ( a m ) ，与铁心中的磁感应强度b m = 0 2 5 ( t ) 相对应的磁 场强度为日珊= 0 0 4 1 0 3 ( ，m ) 磁路的基本计算公式如下： 1 9 山东农业大学硕士学位论文 肼= ( 脚) ( 3 - 3 ) 式中：n 一电磁铁线圈匝数，单位：匝； ，一磁路中磁阻相同段的长度，单位：m ，一线圈中的电流强度，单位：a m 。 由公式( 3 3 ) 得： ：娶竺 i 本设计中的( 觑) 的计算如下： ( 脚) = 0 0 2 x 1 0 3 8 0 x 1 0 - 3 + o 0 4 x 1 0 3 4 0 x 1 0 - 3 + 1 9 9 x 1 0 5 1 0 x 1 0 _ 3 = 1 6 + 1 6 + 1 9 9 0 1 9 9 3 ：! 竺2 1 ：3 9 8 6 ( 匝) 肼1234567l9i ox1 0 j | _ ，二； 乡 ，一r c衫 ， 6 一一 p - 一一- 一 j， r 一 ，r 夕 f ，锚 v a - 铸铁b 铸钢3 硅钢片 图3 5 几种铁磁材料的磁化曲线( 林育兹2 0 0 6 ) f i g 3 - 5s e v e r a lo f t h em a g n e t i z a t i o n6 u l w eo ff e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l 2 图3 1 景蠹拦洳煳e o f t h e 们 融3 石菡；茄3 赫 2 l 山东农业大学硕士学位论文 4 废水混浊度检测系统的设计 4 1 传感器检测电路设计 4 1 1 传感器的选择 传感器是一种能按一定规律将各种被检测量或信息转换成便于处理 的物理量的装置或器件( 陈绍斌，2 0 0 7 ) 。根据检测对象是废水混浊度这一 特定情况，本设计采用由光电元件组成的光电传感器，传感器位于分流阀 废水的进口处，传感器的作用是将废水混浊度转换成电信号。光电传感器 还具有结构简单、价格低廉、抗电磁干扰性能好等特点( k o c h e rm fe r e 1 9 9 8 ) 。所用的发光器件有红外或可见光发光二极管，受光器件有光敏电 阻、光敏二极管、光敏三极管等。 4 1 2 发光二极管的选择 常用的发光器件有发光二极管( l e d ) 和激光二极管( ( l d ) ，它们都是固 体光电器件。l d 发出的是单色性很好的相干光辐射，而l e d 发出的单 色光则不纯，目前l e d 的发光光谱区为可见光及近红外区( 王爱莲， 2 0 0 3 ) 。其中可见光发光二极管和红外发光二极管的结构原理与制作工艺 基本相同，只是所用材料不同。它们都是自发辐射式发光器件，所发光线 是非相干光，光谱范围宽，光束发散角大，辐射波长在可见或红外光区域 ( 郑家祥，2 0 0 0 ) 。与普通发光二极管相比较，红外发光二极管的穿透能 力比可见光二极管强，而且受灰尘的影响程度比可见光二极管小。激光二 极管是受激辐射式发光器件，发光强度大，光线的单色性好，会聚性好， 是一种理想的光源( 陈绍斌，2 0 0 7 ) 。在本设计中，根据检测对象是废水混 浊度，选用普通发光二极管作为光电传感器光源，因为红外发光二极管较 强的穿透能力会减小