野外淋浴洗衣車的污水處理循環集成設計

許雪梅 曹健國 孫彥招 王福林

摘?要：為滿足野外作業人員生活需要，本文設計了具有淋浴和洗衣污水循環處理再利用功能的野外淋浴專用車。采用模塊集成化的理念，將淋浴車按功能分為淋浴洗衣、污水處理、儀表控制、動力和車體等區塊。設計了污水處理循環再利用工藝流程，相應進行了設備、儀控和動力的集成布置。野外淋浴車的污水處理循環再利用裝置及其模塊化集成設計，使得車輛容易操作和維護，為野外作業人員的洗浴提供了更好保障。

關鍵詞：淋浴洗衣車;污水處理;水循環;集成設計

一直以來，很多進行救災、施工和執勤等的野外作業人員，迫切需要及時洗到熱水澡，以恢復體力、提升精神狀態、更好地投入工作。雖然多年來淋浴車功能不斷完善，但是市場上的洗浴產品例如淋浴車、淋浴方艙和太陽能熱水袋等，受天氣和地形環境影響，以及造價和供水能力等限制，特別是在缺水荒漠和無人區等特定環境下，多數淋浴汽車未充分考慮污水循環利用，個別產品即使考慮污水再利用，但處理方法、多來源水源以及模塊集成設計等方面較薄弱。這些問題，在一定程度上制約著野外工作的后勤保障服務水平，影響工作人員的生活水平。

針對原有產品的不足，在淋浴洗衣污水處理工藝、水循環再利用、車體的耐用和易維護性等方面，進行包含工藝和測控設計在內的污水處理再循環利用系統設計。新增的污水處理再循環利用系統與現有系統有機集成，實現布局、工藝和功能等與現有設備在整體上相銜接協調，使得設備的集成度和效率更高。

1?車體模塊化設計

將淋浴洗衣車進行模塊化分解，模塊組成及關系見圖1。整車由淋浴洗衣、污水處理、儀表控制、動力和車體五個模塊組成，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、水循環和污水收集等方面。污水處理模塊包括對污水進行收集處理、殺菌消毒、高溫加熱和循環處理等。儀表控制模塊主要實現污水處理的測控，包含傳感、顯示、控制、報警和通信等功能。動力模塊包含發電和全車設備供電，車體由底盤、車廂和地板組成。在這五個模塊相互配合下，實現淋浴洗衣和污水處理再循環系統的運轉。

車體及內部艙區設計見圖2。車體采用4驅動越野底盤。方艙分為淋浴洗衣艙、污水處理艙、能源動力艙和檢測控制艙。在較小空間內將各艙合理緊湊布置，實現供水、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。污水處理設備采用耐腐蝕塑料和不銹鋼結構制造，確保經久耐用不生銹。為有效利用空間和降低整車質心，提高整車穩定性和安全性，將水凈化裝置、儲水箱等較重設備布置在方艙底部。車廂用全塑全封閉聚酯板塊結構，達到防凍和保溫目標。

動力模塊。采用多元化供電方式，在有市電輸入時，直接輸入市電，節省自備能源。除外接市電外，還可利用置于另外車輛的燃油發電機組進行供電，以降低洗浴車整車質量，做到專車專用。采用底盤動力發電方式，結合底盤蓄電池向小功率設備供電。最后充分利用天氣條件，在車廂頂部設置太陽能面板并配備蓄電池，進行輔助發電、洗浴水加熱和燈光照明等。

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

2?污水處理循環工藝流程

污水處理模塊見圖3。污水處理循環再利用流程包括污水收集、預處理、粗處理、殺菌消毒、精細處理、加熱處理和循環處理等7個環節，形成閉環（見實線箭頭），各環節產生的污泥及廢液進行統一收集（見虛線箭頭）。

2.1?污水收集

擴大水源收集及處理范圍，將處理淋浴洗衣水、灌注自來水、抽取地表水等三者有機結合，使其能處理多種污水，供淋浴洗衣和應急飲用。對于淋浴洗衣污水，設置洗手池、小便收集器、淋浴和洗衣污水收集箱，用低電壓隔膜自吸泵，通過輸水管和電磁閥，進行盥洗和淋浴水收集。若有自來水，可通過隨車配備的消防水帶進行灌水操作，直接進入工藝流程的循環處理環節。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。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時收集。收集的污水經后續凈化處理，使水質高于國家2級標準。

2.2?預處理

預處理包含格柵過濾、砂石層過濾和污泥處理。首先進行格柵過濾，用真空壓力泵吸污水經真空抽吸回路進入污水罐，污水罐上部設置格柵區，格柵區含格柵板和鋼絲網以過濾大顆粒廢渣，攔截較大尺寸污染物。然后污水經過污水罐中部的砂石層進一步處理，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合濾料組成，置于多孔濾板上，過濾水中不溶物、固體顆粒、細菌和藻類。最后進行污泥處理，過濾后累積的生活垃圾和污泥，從格柵區和砂石層上部清除，排入污泥收集池，此過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，污染環境，需進行處理。預處理水經管道進入反應器，加絮凝劑進行反應處理。絮凝劑用聚合硫酸鐵（SPFS），不含鋁和氯，無鐵離子水相轉移，無毒無害，同時有效除磷。在反應器內，高壓空氣通過反應器上部微孔板均勻充入污水，氣壓使水產生渦流并沸騰，使污水與絮凝劑充分混合，使得表面活性物質以氣泡形式浮出水面，聚集成泡沫群，然后被離心式抽氣設備抽出，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，絮狀物被過濾器分離并沉淀后，被定期清掃。對洗滌液進行過濾回收，上清液則經過濾進入后續污水處理流程。經粗處理流程，充分去除預處理流程出水中含有的表面活性劑、膠體物質和懸浮物，能顯著降低重鉻酸鉀法測定化學需氧量（CODCr）和五日生化需氧量（BOD5），并使總磷（TP）濃度降至0.5mg/L以下，水質濁度（NTU）低于5mg/L。0DE07CB1-26EE-4D6C-9CB3-9DEA88C4ACEC

2.4?殺菌消毒

殺菌消毒過程中用到了紫外線、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境特點，在設計上引入冗余，提供多種方式供選擇。首先進行紫外線消毒，設有紫外線消毒管，殺死廢水中的病原微生物。其次，用臭氧發生器對水體進行二次殺菌，克服紫外線殺菌存在死角的缺點，對各種細菌、病毒、真菌和原蟲胞體等均能有效殺滅，分解水體中的有機物（除色除味），對水消毒60min后（臭氧半衰期為17～23min），便不存在殘留物。最后，若必要時，可加余氯離子為0.3至1mg/L的消毒劑，消毒后排放。經過該環節得到的深度凈化水，可用于洗浴。

2.5?精細處理

精細處理包含盒濾和膜濾，進一步降低氮、磷、懸浮物（SS）、CODCr和BOD5。首先進行過濾盒過濾，采用活性炭過濾器或聚丙烯纖維棉（PP）保安過濾器，過濾盒體由活性炭或纖維束組成，含滲水孔，過濾精度為10μm，去除細小泥沙、水中懸浮物并吸附表面活性劑有機物。然后進行過濾膜過濾，采用超濾膜或納濾膜來深度凈化水，膜生物反應器（MBR）處理區有真空纖維膜，用于過濾粒徑大于0.45μm的微小顆粒。經過該環節得到的超深度凈化水，可用于應急飲用。

2.6?加熱處理

加熱處理包含蒸汽殺菌和循環用水供應。首先進行蒸汽殺菌，使用蒸汽發生器進行高溫蒸汽滅菌，該步驟可作為殺菌消毒環節的補充。然后凈化水經水泵送至加熱設備。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能兩種動力供應方式，無預熱過程的熱量散失，達到省電省水的節能目標。常壓燃油熱水鍋在常壓環境下運行，燃燒效果好，有熄火保護裝置，性能安全穩定。在熱水供給方面，選擇分流混合調溫的動態加熱方法，邊燒邊洗，直接輸出45℃左右熱水，該溫度可大量減少水中結垢量，減少內膽維護工作量，通過高敏感溫度傳感器和控溫元件將溫差控制在0.5℃范圍內，實現恒溫洗浴。

2.7?循環處理

循環處理包含凈水存儲和淋浴洗衣水循環供應。在容器最后端設置儲水箱，用于存放處理后的水，凈化水經過儲水箱的排放電磁閥分成兩路，一路進混水閥冷水進水端，另一路經過上個環節的加熱進入混水閥熱水端。污水處理再循環系統每天可處理10噸水，滿足5～10人在缺水地區30天的生活需求。

3?污水處理測控

污水處理測控系統包含傳感測量、轉換顯示、調節控制和執行機構等4部分，見圖4。對于傳感測量部分，傳感器檢測的信息包含水和物料參數，包含在浴洗系統排水口、泵進出水口、物料噴頭和污水除泡沫反應器等位置處，測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、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、反應器和儲水箱等位置，設置有機玻璃觀察孔，便于人工檢測系統運行狀況。對于信號轉換及顯示部分，傳感器采集的模擬信號送至信號柜，轉為數字信號并由通信模塊輸出，軟件接收信號并解碼分析，實時顯示于屏幕，以觀察污水處理系統運行狀態。對于控制調節部分，采用閉環控制，將實測值與標準值比較，滿足預定條件后執行控制指令;若控制存在故障，則終止后續步驟，并在電路節點圖顯示故障節點，同時在故障數據庫檢索原因并顯示報警，便于人工干預。對于執行機構部分，用電控閥控制絮凝劑等物料添加過程和水泵進出水;儲水箱上設置有控制補水的浮球閥，能夠保證達到水箱內規定的水位后立即停止吸水;蒸汽發生器裝有安全閥和通氣閥，避免容器內壓力過高導致安全事故;此外，車內裝有語音提示報警系統，便于人工及時干預。自動測控系統能夠保證水質達標和提升產水效率。

結語

為高效利用有限的水資源，供給野外作業人員洗浴，設計了模塊化和集成化的車載污水處理與循環系統。對淋浴洗衣車，添加污水處理再循環功能，進行污水處理工藝設計，并進行配套設備和控制的有機集成。所設計的淋浴洗衣車具有獨立運行、整體機動度高、儲水量大、洗浴能力強等特點。這對于產品緊跟時代發展，提升淋浴汽車的供水能力、增加洗浴舒適度、降低燃料能源供應，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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基金項目：湖北文理學院大學生創新創業訓練計劃項目（S201910519050）;“機電汽車”湖北省優勢特色學科群（XKQ2019017）;湖北文理學院博士科研啟動基金（2059?055）

作者簡介：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