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美军清水设备及清水技术发展综述

工夫: 2015-01-15 16:49:26     泉源: 《给水排水》杂志

【配景】
2014年8月4日,云南鲁甸地动第二天,震中龙头山镇的龙全中学食物匮乏,只能吃里面运送出去的泡面,地下水和自来水由于地动水质如今对照污浊,净火有限优先供给伤员,现在救济职员只能用浑水泡面做饭。后勤是本地构造的,浑水是自来水,放了消毒药片。军队里要求兵士只吃面不喝汤。

【思索】
饮用水是军队后勤保障的重要组成局部,特别是当军队正在特别情况下实行义务时,供水保障的职位便更加凸起。供水保障间接关系到军队官兵的心理和心理健康状态,也影响着全部军队的作战才能的施展。野战供水保障题目成为世界性研究课题。上面转载一篇相干的论文讨论一下:
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美军清水设备及技术发展综述(杨敏 总后建筑工程研究所五室)

供水保障间接关系到军队官兵的心理和心理健康状态,也影响着全部军队的作战才能的施展。正在第一次世界大战中,美军因为饮用水不达标而形成了许多官兵的身材不适,极大天影响了战斗力的施展,因而一战后,美军最先研讨野战供水保障题目。事先研发出的挪动清水设备(Mobile water purification unit,MWPU)重要工艺是砂土过滤和氯化消毒。正在随后的二战中,MWPU挪动清水设备得以实战磨练,效果其实不幻想,它消费的火借不克不及完整到达饮用、洗漱及厨房用火等的要求。因而正在二战以后,美军最先研制适用于种种差别水源的序列清水设备。正在20世纪60年月,美军认识到只管这些系列设备可以或许知足供应清洁饮用水的要求,然则为了减轻勤务保障和操纵维修的肩负,以为有必要研制一种可以或许顺应淡水、海水和苦咸水等种种差别水源的通用清水设备,别的还要可以或许处置惩罚被核生化NBC净化的本火。终究美军选定了反渗透手艺,包孕600型和3000型反渗透清水设备(Reverseosmosis water purification,ROWPU)等,它们离别于1981年和1989年设备军队,至今仍被陆军、海军陆战队和空军运用。

1、美军现有清水设备

美军最后运用的尺度反渗透清水设备有3种,离别为额定产水量为600gal/h的600型ROWPU、3000gal/h的3000型ROWPU及150000gal/d的150000型ROWPU。 600型和3000型ROWPU,它们离别于1981年和1989年设备军队。150000型ROWPU 是为营区等流动设备设想的, 也被安装正在尺度的军用舰船上, 1981 年投入使用。除此之外, 美军厥后借研发了一样基于反渗透手艺的战术清水体系(Tactical water purification system,简称TWPS)和轻型清水设备(Light weight water purifier,简称LWP), 离别于2004年和2005年设备军队。2004年借研制了远征分队清水体系(Expeditionary unit of water purification,简称EUWP)。它们的重要处置惩罚工艺及处置惩罚才能如表1所示。

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1.1 ROWPU反渗透系列清水设备

该型号的设备的机动性和适应性强,在任何中央皆可以或许快速睁开和运用。其处置惩罚工艺接纳物理要领和化学要领相结合,可以或许将不同类型的本水净化成为清洁的饮用水。其清水装配重要由进水体系、沉淀体系、过滤体系、配水系统和NBC核生化消毒体系五局部构成, 其过滤体系包孕8个直径为6in的反渗透单位, 核生化消毒体系则接纳活性炭吸附和离子交换床过滤手艺。

600型ROWPU反渗透清水装配的清水才能为12000gal/d(盐度35000ppm),当本火的盐度较低时,其产水能力还能更大,其天天可一连运转20h,盈余4h则重要用于通例洗濯和保护。600型ROWPU有三种差别型号,离别设备陆军、水师和海军陆战队、空军。它由30KW拖车电站供电,整套装备可由5t载重卡车、铁路、海、空运输,空投及直升机悬投。

3000型ROWPU处置惩罚工艺取600型ROWPU根基雷同, 也包孕进水、沉淀、过滤、配水、消毒五个局部。但最大的差别便在于其进水体系的进水泵处增设了一个漩流分离器,以去除水中较大的悬浮物。其次它的过滤体系由12个直径为8in的反渗透单位构成,每组各6个并联运转。全部设备可置于8ft×8ft×12ft的ISO尺度集装箱内,由40ft的半挂车停止运输,同时装备有60KW发电机和高压泵, 顺应于汽车、铁路、海、空运输。

150000型ROWPU比其他 ROWPU 体系机动性差, 需求诸如铲车等装卸装备, 相宜正在某个位置临时运转。该体系水处理历程与其他的 ROWPU 相类似, 其处置惩罚流程为: 本水泵—增压泵—絮凝剂泵 —介质过滤器 —阻垢剂泵—筒式过滤器 —高压泵 — 反渗透装配。增压泵除用于多介质过滤器和筒式过滤器的过滤中,也用于多介质过滤器的反冲刷和反渗透组件的化学洗濯。与其他 ROWPU 差别的是它出有加氯装备, 由于该体系的产火终究要进入有加氯装备的尺度贮槽和分派体系。

1.2 MMFFS多功能模块化流体过滤体系-澳门金沙在线娱乐官网

多功能模块化流体过滤体系(Multi-functional modular fluid filtration system, 简称MMFFS)共分三级, Ⅰ级为微孔过滤器, 可以或许过滤去除5微米以上的颗粒物等;Ⅱ级由得到专利的Ad-Ab吸附剂模块构成, 可以或许去除大部分BOD、COD、 TSS、TOC、苯类等有机物和金属等杂质; Ⅲ级为2.5微米级过滤, 去除残余的杂质等。其有2000型和3000型两种差别的型号, 其最大流量离别为35gal/分和120gal/分, 工作压力40~60磅/in2, 可以或许正在2~52℃的情况下工做。

MMFFS重要用于ROWPU的预处理或后处置惩罚、反渗透膜洗濯液、核化生感染液及野战沐浴火的处置惩罚等。特别是用作ROPWU的预处理单位, 与得了很好的结果, 大大进步了反渗透膜的产火效力和使用寿命。

1.3 TWPS战术清水体系

战术清水体系是一种完整自容式的可挪动清水设备,它重要由7局部构成:进水单位、微滤(Microfiltration,简称MF)单位、反渗透单位、氛围单位、化学试剂加注单位、配火单位、核生化净化单位。微滤预处理能够去除水中的固体悬浮物、微生物等,而且能够消弭影响反渗透膜事情的水体旋涡,使TWPS可以或许更好天顺应种种本火,包孕淡水、苦咸水和下消融固体浓度(TDS≥60000毫克/降)的海水。
TWPS处置惩罚淡水时产水率为1500gal/h,处置惩罚苦咸水、海水或被核生化净化的原水则能到达1200gal/h。TWPS有两种差别型号离别设备于陆军和海军陆战队。

TWPS已正在陆军和海军陆战队中逐渐庖代600ROWPU实行义务。其取600ROWPU比拟,其正在体积、质量等类似的条件下,其造水能力大大加强,特别是处置惩罚下盐kW.h的火方面独具上风,其效力和产量都很高。

1.4 LWP轻型清水设备

轻型清水设备模块化装配重要由以下局部构成:进水模块、超滤(Ultrafiltration,简称UF)模块、高压泵模块、反渗透模块、化学试剂加注/洗濯模块、核生化后处置惩罚模块、配火模块和供电模块。其重要是为知足小分队、特种义务军队(Special operations forces,简称SOF)和暂时医疗分队的供水需求而研制的,它可以或许顺应包孕核生化感染本火在内的种种本火。其处置惩罚淡水和海水的才能离别为125gal/h和75gal/h。它能够装正在HMMWV下机动性多功能轮式车辆M1097上运输,也能够由C130运输机或UN-60直升机输送。

1.5 EUWP远征分队清水体系
美军清水设备及清水技术发展综述,远征分队清水体系

远征分队清水体系(见图1)是2004年由美水师研讨办公室研发的一种先辈的军民两用清水体系,由Village Marine Tec公司消费, 其产水量大,能耗低, 现在其Ⅰ代产物处置惩罚海水和淡水才能离别可达100,000gal/d和200,000gal/d,是现在处置惩罚才能最大的移动式清水体系。2005年正在美国卡特里娜飓风救灾举动中,天天为本地一家病院供应100,000gal/d的清洁饮用水, 施展了重要作用。
 
EUWP由超滤和反渗透两个单位构成,该体系中Koch超滤体系处置惩罚才能为270gal/min,Dow FILMTEC-3311.com金沙反渗透体系处置惩罚才能为80gal/min。两个单位各由一台60KW发电机驱动,超滤单位每处置惩罚1000gal火耗电2kW.h,反渗透单位每处置惩罚1000gal则耗电7.5kW.h。

EUWP接纳加强型玻璃纤维塑胶(Fiberglass-reinforced plastic, 简称FRP)材质的水泵, 相比较于传统的碳钢水泵, 其质量约莫减轻了25%, 每套体系仅重1500磅,可安装正在 20ft×8ft×8ft的ISO尺度集装箱内,接纳C-130运输机或卡车运输。EUWP清水体系的运用局限很广, 可以或许正在0℃~50℃的温度条件下运转, 本火的温度可为0℃~41℃。

现在正在研发的Ⅱ代设备, 其清水才能将到达300,000gal/d, 而且质量更沉, 体积更小。

2、下一步研讨重点及发展趋势

美陆军坦克车辆研发工程中央TARDEC和国防初级研讨企图局正在研讨能够不受水源地的约束, 正在疆场的任何中央皆能够造火的新型清水设备,以减轻运配水保障压力。实现那一目的重要经由过程以下两种路子:一是研发更高效、量沉、松散的清水设备;二是从非传统水源,好比氛围或汽车尾气等中制水。

2.1新技术

现在美军供水设备存在的重要题目包孕: 能耗偏高;体积和质量偏偏大;轻易结垢, 膜寿命短;高温运转时稳定性差;化学试剂、过滤器材等斲丧大;当本水中的水质污染物发作改动时,操纵也需作响应调解。针对以上这些题目, 美军正在主动研讨新技术, 详细包孕抗氯型反渗透膜、正渗出、离子稀释极化、电容电去离子和电化学消毒手艺等。

2.1.1新型反渗透膜手艺

美军一向正在寻觅一种可以或许削减稀释极化和生物污垢的新型膜技术。星散体系公司(Separation system technology)曾经研发出了一种可以或许低落生物污垢的抗氯型的新型反渗透膜。因为现有的膜质料多数不具抗氯性,因此很容易被氯降解,而这类新型的抗氯膜则可以或许应用氯去削减微生物正在膜上结垢从而延伸其使用寿命。MIXO公司正在研制一种接纳先辈网孔构造膜和脉冲水流手艺的手持式反渗透体系。脉冲式水流将能够削减膜外面污染物的构成,从而削减稀释极化征象和生物污垢。现有的反渗透膜体系,其膜取膜之间是由一些菱形网孔构造连接而成的,这些孔隙影响了水流经由过程,而且给细菌滋长供应了场合。而这类新型膜的网孔是间接印正在膜上的,而且其外形、巨细或厚度可凭据现实需求调治,从而进步过水性能,削减极化和结垢征象。以是道,脉冲式水流和新型网孔结构设计,大大低落了体系的操纵水压,削减了干净频次,进而勤俭了本钱。这些新技术将逐渐运用推行到包孕小型模块化清水装配和单兵净水器等在内的陆军所有的清水设备。

2.1.2正渗出手艺

美军也正在研讨将正渗出(Forward osmosis)手艺应用到单兵净水器中。比拟反渗透而言,正渗出是应用膜两侧的渗透压差停止渗滤,因此险些不需要外力,如许其能耗也大大低落。美国水合手艺公司(HTI)开辟出世界上第一种可贸易运用的正向渗出膜,并消费出运用该手艺的乙烯基XPack便携式水合火袋Hydration bag,其正在产水侧到场饮料粉和带电离子类食品(如盐、糖、氨基酸等), 如许便能应用膜两侧的渗透压差, 将原水侧的水分子吸取过来。此要领险些能够从任何水源以至是人体的尿液取水,并将其转化成安齐的可饮用水。美国的星散体系公司也正在研制一种新型有孔纤维正渗出膜,它经由过程增添过水面积,从而进步产水率。

2.1.3离子稀释极化手艺

离子稀释极化(Ion concentration polarization)手艺, 则是经由过程静电排挤感化将盐和微生物经由过程离子选择性膜质料从水中星散出来, 如许水流无需经由过程膜质料便可到达除盐目标, 从而不需要供应高压差, 天然也不会有膜净化的发作。

这类正在微型范围下工做的微流装配, 其构造道理类似于微型机电。每个清水单位仅能处置惩罚很微量的火, 然则研究人员经由过程大量组装, 将1600个此清水单位组合到一个直径8in的装配, 每小时可制备15降清洁火。全部装配是自容式的, 应用重力事情, 从上面将盐水倒入, 经由星散, 淡水和稀释盐水便离别从上面的两个出口流出。

比拟于现在反渗透等较为成熟的规模化手艺, 这类新技术的耗电量借轻微有点下。信赖正在不久的未来, 经由过程公道的工程化设想, 该体系的电耗将大大低落。由因而靠静电感化停止星散的, 因而那些不带电的污染物便不克不及被星散。考虑到残留的颗粒物大多数是产业污染物, 研究人员发起将该体系取传统的活性炭过滤体系相结合, 如许便可以或许得到纯洁平安的饮用水。估计很快便能开辟出较为成熟稳固的小型或单兵海水淡化设备。

2.1.4电容电去离子手艺

生物技术公司(Biosource Incorporated)正在研制一种新型的电容去离子手艺(Capacitive deionization)清水装配。其道理是让水流经由过程电容器,应用电容器外面的极化感化去除水中的离子,以到达清水目标。该手艺可以或许处置惩罚包孕海水在内的任何本火。相比较于传统的清水手艺,电容电去离子手艺具有更好的热动力机能。正在已往,因为受质料所限,此项手艺借不克不及应用于海水处置惩罚上。然则如今生物技术公司研制出一种新型集成碳电极,其具有较下的电压和较大的过水面积,恰是因为接纳了这类新型碳电极和新型电池层手艺,该公司已研发出可胜利处置惩罚海水的样机。同时,因为其具有优越的去离子、进步pH值、去除稳定性化合物的机能,使其处置惩罚汽车尾气造火成为能够。

2.1.5.电解氧化剂手艺
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氧化剂净水器(Mix oxidant,简称MIOX),其道理是将氯化钠溶液电解发生高效混淆氧化剂(次氯酸钠、次氯酸、二氧化氯、臭氧、双氧水等),这类消毒剂能够抑止大量一般病原体,包孕大肠杆菌、贾第虫和隐胞子虫,以至包孕某些化学战剂。MIOX净水器经由过程了美国环保署EPA关于微生物净水器所制订的指点尺度,比划定的灭活要求还高出了10多倍,即使是美国环保署指定的“最差水质”的水源。


如图2所示, MIOX电解消毒笔超轻超小,仅重99克,无泵设想,只需加水、摇摆、按钮,操纵异常轻便。将此混淆氧化液倒入需求净化的本水中,1 h后便可平安饮用,每次可处置惩罚1 gal的本火,现在美军已正在阿富汗战区运用。
 
如今, 适用于ROWPU的大型MIOX电解消毒器也曾经研制出来, 而且安装到ROWPU上停止了相干测试。

2.2 新水源

因为现有的供水保障仍旧是基于有足够水源的根蒂根基之上, 停止清水、运火和配火, 然则将来战役作战形势越发严重, 作战情况更具不确定性, 因此对供水保障提出了新的应战, 纵然正在没有外界补给的状况之下, 也要可以或许知足军队的供水需求。因而美军为知足将来作战军队的保障需求,主动开辟了多种非通例新水源, 包孕尾气、氛围、中水、雨水、汗水以至人体尿液等。

2.2.1尾气造火
美军清水设备及清水技术发展综述,汽车尾气造水系统

汽车尾气造火(见图3 )将成为将来从非传统水源造火的非常有潜力的手艺。柴油熄灭的重要产品为火和二氧化碳,方程式以下:

C12H22 + 17.5O2 → 11H2O + 12CO2

理论上讲,1gal的柴油约莫能天生1gal的火。柴油熄灭后生成的冷凝水中借含有很多氮氧化物和硫化物等具有较强酸性的物资,另有灰颗粒、不完全熄灭发生的有机物、已熄灭的碳氢化合物、金属等别的污染物。
 
汽车尾气起首必需经由冷凝稀释。假定1gal柴油便发生1gal火,经由实际盘算,冷却器和热交换器的水蒸汽冷凝转化热效率为50%~70%对照适宜。

尾气冷凝物的水质剖析包孕灰颗粒、极性或非极性有机物和金属等。正在差别的冷凝稀释的条件下,TOC总有机碳的转变局限处于60~360ppm之间。影响TOC浓度的主要因素包孕尾气的温度、天生水量、发动机功率及打仗转换的工夫的是非等。非有机污染物重要包孕铝、锌、硼、磷、铁等。其处置惩罚工艺包孕过滤、活性炭纤维过滤、离子交换树脂吸附等。过滤重要是去除本水中的颗粒物(颗粒物浓度正在20~100ppm之间),经由那一步调,原水就由玄色粘稠液体变成黄褐色的较为清亮的火。活性炭根基可以或许完整吸附小的非极性有机物,然则关于较大的有机物或极性有机物等则只能吸附40%~50%。离子吸附树脂可以或许有用吸附除硼之外的一切无机物,和极性有机物,可以或许有用低落TOC。

凭据上述研讨效果,美军络续对尾气造火设备停止革新。(1)接纳木质活性炭颗粒去除较大有机物和极性有机物。(2)接纳一种可以或许去除硼的新型混淆离子树脂。经由过程以上这些手艺革新,终究的出水中的污染物浓度低于饮用水尺度。这项设备的胜利研制,将为军队供应越发灵活天真的供水保障。

2.2.2氛围造火

氛围中的水蒸气是世界上最普遍存在的水资源。特别是干旱缺水区域,氛围中的水蒸气便成为最好的水源,但现有氛围造火设备存在体积大、能耗下的瑕玷。

现在美陆军部和国防初级研讨企图局正在进行相干研讨。一方面革新冷却系统,以进步进气中的水蒸气含量。正在研制的新型沸石和化学外面改性活性炭,其具有更好的吸水性能,而且相比较于一样平常吸附剂,此改性活性炭可以或许更轻易天脱水,从而低落能耗。另一方面就是研讨新型稀释手艺, 其经由过程接纳新型冷凝手艺取新的膜通道手艺、外面改性质料和电聚合体的联用去实现。这类新型膜取生物膜相似,膜上的亲火质料使它可以或许反抗稀释的离心力影响,让微分子顺遂经由过程,从而低落能耗。稀奇之处是,此膜外面取电极联通,因而其亲水性和憎水性可凭据需求经由过程改动电极而变更,过滤时显现亲水性,而收集水时则显现憎水性。

氛围造火手艺适用于单兵、小型军队或无外界增援的军队等运用的小型模块化清水装配,其目的就是体积缩小为1/5~1/15,能耗低落到1/2~1/5。现在,氛围造火实验板模子和车载样机已正在阿伯丁试验场完成情况和道路实验等测试,其实际最大造水能力为每斲丧1gal燃油可制备5gal火。下一阶段,将研制军用尺度7.5t拖车式氛围制水机,其产水能力为2~5gal火/gal油,天天造火500gal,做为FCS将来作战军队运用。-金沙娱樂場

2.2.3中水回用
美军清水设备及清水技术发展综述,沐浴中水回用体系

美军气力提供者(Force Provider, 简称FP)基地野营体系的集装箱式淋浴体系天天用火12000gal,每一年达4.4Mgal。接纳沐浴水回用体系(见图4)的水回用率为75%~80%,每一年约莫可节水3.3Mgal。现在,做战区的70收战役增援军队接纳此项手艺以后,每一年能节约231Mgal的火。

该沐浴水回用体系天天可处置惩罚12000gal沐浴废水(顶峰流量40gal/min)。本火起首经由自洗濯型(氛围消灭)预滤器,此滤器孔径为15微米, 可以或许去除毛发, 厥后是2微米的微滤膜过滤, 去除溶液中的悬浮固体, 以后经由咸/海水型反渗透膜的过滤, 去除有机物、细菌、病毒等, 膜过滤以后接纳活性炭过滤, 最初由主动加氯体系加氯, 到达饮用水尺度。运用温度为–32℃~60℃。
 
该体系自动化水平下, 内置自测试装配和监控装配, 可实现7天无人值守主动运转。接纳逻辑编程掌握(PLC),该掌握带有液晶屏幕的用户界面、种种显现控制器、流量计、压力计,并设立/运转指令和发明并修缮毛病等。

总之,该体系不只进步了火的利用率,低落了运用本钱,并且大大减轻了后勤补给肩负,而且可以或许削减兵士因而而能够遭到的伤害或危险。

2.3 新装备
美军清水设备及清水技术发展综述,风能,太阳能清水装备

2008年, 美军取商业界协作研制出了接纳风能和太阳能供电的新型清水装备(见图5), 其重要处置惩罚体系包孕预处理单位、0.02微米的超滤单元和活性炭吸附单位。现在已有处置惩罚才能1000~6400gal/d的多种型号, 而且因为其带有特别的电源调节器, 因此可以或许顺应220V/110V/24V多种电压。这类太阳能/风能清水设备的泛起, 进步了清水设备的机动性和适应性, 而且削减了野战燃料的斲丧和有害物质的排放。
 
3、结语

美军的清水设备和手艺, 我们不难看出有以下几大特性:

一是注意以反渗透手艺为根蒂根基的多种水处理技术的运用或联用, 包孕微滤、超滤、纳滤, 和正渗出、电容电去离子、离子稀释极化、电化学法等许多新技术的运用, 络续对现有设备及处置惩罚手艺停止革新或优化, 以进步产量, 低落能耗;

二是开辟多种非通例水源, 好比汽车尾气造火、氛围造火、中水回用等, 以挣脱清水设备对传统水源的依靠, 减轻军队运配水压力,进步军队自我保障才能, 有助于提拔军队的机动性和适应性;

三是主动开辟顺应多种能源的新型清水设备, 特别是太阳能、风能等这些普遍存在且易于应用的可再生能源, 进步了清水设备的机动性和适应性, 而且削减了燃料的斲丧和污染物的排放。

反观我军,整体而言,近年来其野营清水设备的研制和列装事情与得了较大希望, 然则取美国等发达国家比拟, 仍有较大差异,凭据我军近况及将来战役特性, 起首需求主动研发新型设备, 好比新能源或非通例水源清水设备等, 进步我军后勤供水保障才能; 再者用高新技术生长野战清水设备。好比能够反渗透手艺为当前的重要研讨偏向, 研讨和开辟多种清水手艺的高效组合的清水工艺, 革新其预处理体系或后处置惩罚体系等, 进步供水的质量和产量;其三要革新设备的处置惩罚工艺, 优选设备的零部件和质料等, 简化操作规程, 进步清水装配的稳定性、可靠性、适应性, 低落能耗。(参考文献略)