文丘里管回收和生态碳纤维净化水循环系统探析

摘要：文章从提高家庭废水利用率的角度出发，提出了基于文丘里管回收和碳纤维净化原理的家庭用水循环系统，希望通过对家庭废水的采集净化循环再利用为节水做出贡献。整个循环系统分为两个大的组成部分，即净化部分和自吸部分，核心及创新点在于生态碳纤维污水处理方案和文丘里管提水方案的运用，系统几乎不耗能。

关键词：文丘里管原理；水循环利用；生态碳纤维；生物挂膜；废水利用率 文献标识码：A

中图分类号：TH232 文章编号：1009-2374（2015）15-0083-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.043

目前我国水资源短缺，供水形势严峻，因此提高水的利用效率，找出节水办法迫在眉睫。本文中整个循环系统通过碳纤维挂膜污水处理以及文丘里管自动提水方案的应用而使家庭用水得以循环使用，使污水转化为可以利用的二类水。基于此种设备可以节约一半以上的家庭用水，从而大大提高水的利用率，减少了家庭用水对水资源的消耗。由于设计符合现代节能减排的理念且装置成本较低、结构简单，因此可以大规模生产并在千家万户中推广使用，具有很高的应用价值。如果每家每户都采用此种生活用水循环利用装置，那么将节约大量水资源，创造巨大的环境经济价值。

1 国内外技术现状

现今我国在生活污水的处理上存在一定的技术问题，已有的设备、所采用的城市污水资源化利用技术难以满足实际需要。目前已报道的各种普通填料，均有各自难以克服的缺点：无机填料虽然大多比表面积大，但是水流阻力也相对大，容易产生堵塞现象；有机填料不容易堵塞，但是表面光滑且比表面积小，使微生物挂膜困难。

另外，家庭的污水一般很少存在一体化的净化回收系统。就目前来说，家庭污水主要处理途径是通过统一的排污管道排入江河之中。这样，对环境和生态产生的影响是巨大的。目前全国各地出现的水污染事件，与此不无联系。

2 总体设计

2.1 方案构想

家庭生活用水按使用范围不同主要可分为三部分：第一部分为饮食用水，用于淘米、洗菜、洗餐具、刷牙等对水质要求严格的水；第二部分为清洁用水，用于洗澡、洗衣服、清洁卫生等一类对水质要求较高的水；第三部分为冲厕用水，主要用于冲厕所，对水质要求很低，只要没有大的杂质且相对澄净即可。

考虑到饮食用水对水质的要求和严格，并且人们心理上难以接受将循环用水用于饮用，因此我们只将循环水用于第二部分水和第三部分水。由于第三部分水对水质要求不高，对用于冲厕的水质做简单的过滤和物质沉降处理。第二部分用水根据国家规定，需要达到二类水标准，因此需经过净化后才可循环使用。

又因为生活用水平台一般具有一定的高度，而且冲厕用水需要一定的水压，因此循环水需具有一定的位能才能提供良好的生活用水。为实现利益最大化，我们就要尽可能地减少外界能量的消耗，因此我们就想到利用自来水的速度能使文丘里管产生负压来提水。

基于上述分析，我们提出了一套“基于文丘里管回收和生态碳纤维净化原理的家庭用水循环系统”。

2.2 详细设计

系统按功能可划分为净化装置、循环装置和阀门、管道等附属部件三个部分。其中净化装置包括一个以生态碳纤维为净化主体的污水处理系统和多个带三通管的过滤网，用以净化污水；循环装置包括文丘里管、水压控制塔、真空箱、储水箱，主要用于储水、提水以实现用水循环；阀门、水管等附属设备则起连接和控制

作用。

各部分结构功能详细介绍如下。

2.2.1 净化装置。装置简介：装置整体构造为圆柱形，半径0.1m，总长1m。计划采用有机玻璃，包括五个池子：沉淀槽，厌氧滤床槽一室（放入悬浮球填料），厌氧滤床槽二室（放入立体弹性填料），接触氧化槽（放入生态碳纤维），消毒槽，每个槽半径0.1m，长度0.2m。该装置不仅解决了传统填料易堵塞，比表面积小，微生物挂膜困难以及类似活性炭陶粒易冲散的难题，而且巧妙利用了生态碳纤维比表面积大、稳定性好等优点加速生物膜对污染物的降解。处理效果好，BOD去除率达80%，能达到二类水（可用于洗衣服、淋浴等）标准。

2.2.2 循环装置。主体是基于文丘里原理的自吸水装置，由文丘里管、真空箱、控制阀等组成。利用自来水通过文丘里管时产生的负压，使与文丘里管相连的密闭真空箱产生负压，利用蓄水池与真空箱的压差将低位蓄水池中的水压入高位真空箱。

污水蓄水箱：污水蓄水箱主要用于收集、过滤、储存污水。为外围尺寸长*宽*高=80cm*40cm*100cm的长方体塑料箱体，在高30cm处设置过滤层、97cm处设置直径为2cm的溢流孔。

文丘里管：利用异型管使流经该管流体的速度发生变化从而产生压差的管件。主要由入口圆锥段、圆锥收缩段、圆筒形喉部和圆锥扩散段组成。

水压控制塔：水压控制塔主要起控制水压的作用，使水压保持特定的值。考虑到自来水水压、流量的不稳定性，本设计中水压控制塔主要起降压稳压的作用。

真空箱：真空箱是用于产生压差、吸水并储水的装置，左侧用于储存净水，右侧用于储存冲厕用水，在隔板处开有溢流孔，右侧箱壁装溢流阀，隔板处溢流孔位置高于右侧箱壁溢阀。

3 创新点及应用

本系统的核心创新点即在于碳纤维挂膜污水处理方案、文丘里管提水方案的运用以及系统的几乎不消耗

能量。

3.1 碳纤维挂膜污水处理方案

材料选取上的创新：目前被广泛应用的污水处理技术是生物膜法，生物填料是该技术的核心之一。而已投入使用的填料成分大多比较单一，而我们找到了一种新型填料——生态碳纤维可以有效改善上述缺陷。生态碳纤维是一种新型高效吸附材料，具有比表面积大、生物稳定性好等特点，且具有独特的表面化学性能，可作为新型载体填料用于微生物的附着生长。endprint

结构设计上的创新：填料本体呈“卍”字形，包括竖向支撑和横向支撑，竖向支撑与横向支撑之间形成内凹槽，通过内凹槽可使填料本体相互嵌套。这种结构上的创新设计使填料在生物启动阶段且无碰撞摩擦的状态下能快速挂膜，减少启动时间；同时提高了填料表面粗糙度，也有利填料的初期挂膜。

3.2 文丘里管提水方案

为了实现利益最大化，尽可能减少能耗，我们创新采用文丘里管提水法，利用自来水速度使文丘里管产生负压来提水，文丘里管的应用使得系统不需要耗能就可以达到预期效果，起到了节能的作用。

整个循环系统通过碳纤维污水处理以及文丘里管自动提水方案的应用使家庭用水得以循环使用，基于此设备可以节约一半以上的家庭用水，大大提高水的利用率，减少了家庭用水对水资源的消耗。设计符合现代节能减排的理念，且成本较低，可以大规模生产并在千家万户中推广使用，具有很高的应用价值。

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作者简介：范雄杰（1993-），男，湖北武汉人，武汉大学动力与机械学院本科在读学生，研究方向：能源动力。

（责任编辑：黄银芳）endprint