高层建筑水箱净化装置制作及其净化效果探究

1、科学论文个人项目课题名称 高层建筑水箱用水净化处理 年级段 高中 高层建筑水箱净化装置制作及其净化效果探究摘要：高层住宅楼顶水箱提供居民日常用水，水箱中积累的污垢会影响水质，而物业又常常疏于清洗和管理，这使得出厂时达标的自来水水质变差；长期使用的水箱箱体还会释放一定数量的重金属离子，危害到人体健康。新闻热线每年夏天接到水箱污染的相关报道百余起。由楼顶水箱引起的“二次水污染”问题成为市民关注的话题。本研究希望通过将装有鹅卵石、活性炭、石英砂以及作为消毒物质的二氧化氯的过滤器装置安装在水箱出水口中，起到过滤杂质和污垢的作用，实现净化处理。本课题完成了小规模滤器模型的制作，并按照饮用水国家检测标准（

2、GB/T5750），在专业实验室（上海天复检测中心和上海某高校环境工程学院水样分析实验室）完成了对过滤前后等水样的水质对比检测和分析。结果表明：使用过滤装置能够有效降低水箱内部的重金属离子污染情况。在本研究最后，设计并提出了实际水箱滤器模型结构图，该滤器安装方便，成本较低，具有较好的推广前景。关键词： 水箱净化；滤器模型；水样分析；重金属污染。一、研究背景由于城市高层建筑发展迅速，市政府水管网压力不足，输水网络太大，水厂没有足够的压力和储力将水输送到每个地方，于是在位置较高的地方建立了蓄水池或储水罐，水从自来水厂出来之后，先流到设置在楼顶端的蓄水池或储水罐里，然后再通过自来水管流到用户家中。中

3、国大部分城市供水系统不是一根管子直达居民家里，而是水进入小区后就到水箱，然后再加压，从子管道分送给居民。如今，几乎所有高层建筑均安装了水箱储水，以供居民日常用水之需。水箱的设计理念是为了便民利民，值得推崇。但随着时间推移，水箱中长年累月积累的污垢使水质大幅度下降。即使物业安排了每半年左右一次水箱清洗，效果却差强人意。很多居民都不饮用来自水箱的自来水，而是选择每天花几元钱购买桶装水。统计数字显示，全国由二次供水蓄水池污染引起的饮水污染危害健康事故屡有发生。北方某城市从1990年到1998年发生29次二次供水污染事件，另外，二次供水污染集中发生在79月，占总二次污染事故的1/2。2001年南方某城

4、市对500个水箱的抽查结果表明：居民投诉的水样100 %水质检测不合格。二次污染水质污染的直接结果是影响用户感官，使饮用者感到恶心、呕吐、腹胀、腹泻，严重的甚至发病。或由于掉入二次供水设备的虫子、老鼠等携带的病菌入侵，使二次供水水质污染，可导致二次供水系统用户发生集体性腹泻，严重危害人体健康和扰乱居民生活秩序。经水传播的疾病主要有伤害、痢疾、霍乱以及马鼻疽、钩端螺旋体病、肠炎等。还有一些病毒引起的疾病，也可以通过水传播。据报道，目前像北京上海等大城市的自来水水质在出厂时已经达到饮用水的标准，但由于老旧的水箱与水管，使得居民饮用水质状况堪忧（如图1）。目前，对于小区供水管网的更换与维护已被政府提

5、上日程，然而水箱却成为城市供水网络中被遗忘的角落。为了避免使原本是为提高居民生活质量的水箱成为污染源，我希望通过对其进行简单的改造，即在水箱出水管口安装简易的滤器，实现净化处理。图1. 水箱内部进出水口(管)现状 图2. 水箱内部出水口(管)现状 图3. 传统水箱清洁工具 通过调研表明：市场上以水管家为代表的净水装置的基本原理都是首先采用精密过滤作预处理，去除水中的胶体、铁锈等影响感观指标及后期处理能力的杂质。接着，去除危害人体健康的重金属，如铅、汞等。水管家所使用的kdf是一种铜锌合金，在水中氯的作用下，可吸收重金属，同时释放出对人体有益的锌离子。同时采用分子筛，加强对重金属及有机物的去除。

6、然后，去除有机物、农药等。另外，水管家内装有高吸附值的活性炭，活性炭纤维效果良好。最后，去除大肠杆菌及致病菌。此外，在大自然中，有一套自净系统，雨水在渗透进土壤中时杂质被吸收拦截，最终得到清洁的地下水资源。同样，沙滤水正是利用这一原理来获得清洁的水。受水管家和沙滤水的启发，结合水管家的工作原理和安装思路，同样的理念可以运用在水箱中。因此，本课题计划采用将装有鹅卵石、石英砂、活性炭以及像二氧化氯之类的消毒物质的过滤器安装在水箱出水管中（如图4），起到过滤杂质和污垢的作用，从而达到消除供水管网中“最后10米”的污染源，这样不仅可以提高水箱清洁度，还能降低清洗水箱的成本。图4. 水箱出水口处（计划过

7、滤器安装位置）二、研究目的如前所述，在大自然中，雨水在渗透进土壤中时杂质被吸收拦截，最终得到清洁的地下水资源，沙滤水正是利用这一原理来获得清洁的饮水。受此启发，结合水管家集中过滤处理饮用水的工作原理，同样的理念应该可以运用在水箱中。将装有活性炭、石英砂等滤料的过滤器安装在水箱出水管中，起到集中过滤杂质和污垢的作用，从而消除供水管网中“最后10米”的污染源。本课题主要围绕自制滤器的制作并对过滤前后水样对比分析来展开。由于课题采用的过滤器原料价格低廉，结构也较为简单，若按比例放大后安装于水箱出水管口中，滤器可以定期更换，因此具有推广价值。三、研究材料和方法3.1 实验材料实验的材料：滤料专用石英砂

8、，鹅卵石，活性炭，食品级二氧化氯、饮用水塑料桶（4 L）、矿泉水瓶（0.5 L）、医用点滴塑料管。3.2 实验原理及步骤3. 2.1 实验原理过滤是具有孔隙的物料层截留水中杂质从而使水得到澄清的工艺过程。常用的过滤方式有砂滤、硅藻土涂膜过滤，烧结管微孔过滤，金属丝编织物过滤等。过滤不仅可以去除水中细小悬浮颗粒杂质、而且细菌病毒及有机物也会随浊度降低而被去除。本课题按照实际水箱的构造情况，设想在其出水管中加装以鹅卵石、石英砂、活性炭以及杀菌物质为主要净化材料的滤器进行过滤净化。实验中将较大饮用水桶（4 L）模拟水箱，较小水瓶（0.5 L）模拟水箱出水口滤器，通过重力过滤原理得到水样。采用了两种方

9、案，第一种是直接将水进行过滤，第二种是在过滤之后再进行加热。通过专业实验室实验仪器对自制滤器的水处理效果进行对比，在获得实验数据支持后，提出水箱实际滤器模型结构图和滤器推广前景。方案一：以4 L容量的大饮用水桶模拟水箱，其底部连接两个串联的0.5 L矿泉水瓶模拟水箱出水管及两级过滤滤器。滤器中以鹅卵石、石英砂、活性炭和二氧化氯为主要净化材料。方案二：结构与方案一的结构完全相同，但在过滤之后增加煮沸环节，以进一步降低菌落总数。3. 2.2 实验步骤A： 将网购的石英砂、鹅卵石、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温消毒120 min； B：将鹅卵石、石英砂、活性炭和二氧化氯依次

10、分别放入2只0.5 L矿泉水瓶中，并用消毒纱布一一分割开；形成一串联的二级滤器模型，如图5；每一种滤料的作用如下表：表1. 各种消毒原料作用及应用消毒材料作用及应用石英砂石英砂滤料是采用天然石英矿为原料，经破碎，水洗精筛等加工而成，目前是水处理行业中使用最广泛、量最大的净水材料鹅卵石俗称承托层滤料或垫层滤料，分（天然）鹅卵石和（机械加工）石英砾石两种，被广泛用于水处理器中的初级过滤。活性炭活性炭又称活性炭黑，是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。活性炭主要成分除了碳以外还有氧、氢等元素。活性炭上在元素组成方面，80%-90%以上由碳组成，这也是活性炭为疏水性吸附剂的原因。食品级二氧化氯二氧化氯消毒剂

11、是国际上公认的含氯消毒剂中唯一的高效消毒灭菌剂，它可以杀灭一切微生物，包括细菌繁殖体，细菌芽孢，真菌，分枝杆菌和病毒等，并且这些细菌不会产生抗药性。二氧化氯对微生物细胞壁有较强的吸附穿透能力，可有效地氧化细胞内含巯基的酶，还可以快速地抑制微生物蛋白质的合成来破坏微生物。图5. 消毒原料示意图C： 将装满滤料的矿泉水瓶的瓶口插在模拟水箱的4 L饮用水水桶的侧壁底部，如图6；图6. 模拟水箱过滤装置图D：将调节过滤速度用的医用点滴针管插在矿泉水瓶底部；E：将医用点滴针管的滴水口接在无菌瓶内，针管上的流速调节器调整水流速度；F: 在4 L饮用水水桶中注入水样；过滤时间控制在2 h左右（如图7、8）；

12、G：将过滤前后的水样送往上海天复检测公司和上海某高校环境学院水样分析实验室。其中一份过滤后水样进行了2 min的煮沸加热，以对比加热前后水样水质的变化情况。H：在以上实验论证自制滤器的有效性之后，本课题最后提出水箱滤器结构模型示意图。 图7. 医用滴管调节钮控制过滤速度和时间 图8. 过滤装置整体示意图四、研究结果按照课题的原设想，对水箱出水口提取了过滤前后各两份水样，分别是过滤前（样品1），过滤后（样品2），其中一份过滤后水样还进行了12 min的煮沸操作（样品3），对其菌落总数、硬度和铅Pb、锌Zn、铜Cu、铁Fe、砷As、镉Cd、铬Cr等主要金属毒理指标进行了测试，检测依据见表2。测试在

13、专业级的上海天复检测中心和某高校环境工程学院水样分析实验室分别完成。理化指标检测结果见表3，重金属离子检测结果如图911。表2. 理化指标检测依据表检测参数检测方法名称pH值玻璃电极法总硬度（以CaCO3计）乙二胺四乙酸二钠滴定法氯化物硝酸银容量法菌落总数平皿计数法总大肠杆菌群多管发酵法表3. 样品理化指标检测结果表检测项目检测结果样品1样品2样品3pH值7.797.74未检测总硬度（以CaCO3计）（mg/L)99.8120氯化物（mg/L）27.228.4菌落总数（CFU/mL）33960270总大肠杆菌数（MPN/100 mL）未检出未检出未检出图9. 样品1重金属离子检测结果图10.

14、样品2重金属离子检测结果图11. 样品3重金属离子检测结果通过对测试结果分析对比得出结论如下：（1）水箱水质比预期的要好，否定了舆论普遍认为的老旧水箱水质恶劣、无法饮用的说法；本小区水箱使用年限已超15年，除铅、锌、铜等个别指标偏高外，其菌落总数、大肠杆菌数、砷、镉、铬等敏感重金属指标均未见显著超标；（2）自制的简易过滤器对铅、锌、铜等金属指标具有明显的过滤和吸附效果，过滤前后数据对比表明，铅、锌、铜浓度明显下降，根据对小区供水系统结构分析，铅、锌、铜等金属成分主要来自老旧管网的内壁锈蚀，而这正是自来水供水系统的最薄弱环节，大部分的二次污染正是来自水箱及其进出管道的锈蚀。另根据对比分析，自制滤

15、器对砷、镉、铬等指标过滤效果不显著，原因是原水中这些金属成分本身很低，远低于砷0.01（mg/L）、镉0.005（mg/L）、铬0.05（mg/L）的国标；（3）菌落总数的控制只能靠传统的加热方式来实现，专门对过滤后水样加热与否（前述方案一、方案二）进行了对比，表明加热可以有效遏制菌落总数（见天复检测中心报告，方案一中B瓶为不加热，方案二中B瓶为经加热）；这也是目前市场上很多饮用水处理装置都设有加热环节的原因；（4）传统的加热方式对降低水质硬度效果不明显，这个结论与传统教科书加热水能有效降低水硬度的说法不一致，是否是由于滤器中石英砂、鹅卵石导致硬度提高有待实验进一步考证；（5）由于实验条件所限

16、，虽然取得了水箱清洗前后的水样，但未能对其水样进行实验对比，原因是实验要求水样24 h内进行化验分析，而实际从提取水样到送达实验室测试需要至少3天的等待时间；但从水箱清洗现场施工照片分析，简单的物理清洗对改善水质效果有限；（6）鉴于使滤器结构简便、成本低廉的考虑，本实验装置未采用目前水处理中最先进、效率最高的反渗透（膜）技术，若采用该技术，乃是降低水样含盐量和总硬度的最佳方法。今后如条件许可，将进一步实验比较该技术降低总硬度的效果。五、展望 本实验装置最大的优点在于，可以按照水箱出水管径的大小，按比例放大（1：31：5）后制成结构简单并可定期更换的滤器，在老旧水箱中广泛采用。根据本实验装置的成

17、本推算，即使按每月更换一次滤芯的频率，年成本不会超过6000元/小区。该成本远低于市面上动辄数千元/户的水管家或5 L/元的净水机，因此，本实验装置具有大范围推广的商业价值。在以上实验论证自制滤器的有效性之后，本课题最后提出水箱滤器结构模型示意图如下：图12. 水箱及其滤器结构示意图六、收获和体会在本次研究和实验活动中，收获颇丰，体会到了何谓“Trial and Error”（中文称“试错”）。一开始做装置的时候，装置总是漏水，光是矿泉水桶就做坏了三个。后来装置不漏水了，却发现网购的活性炭居然会溶于水中，才知道这是被商家打着过滤专用活性炭旗号来卖的普通活性炭，只能重新再做装置。为了确保过滤效果，指导教师