1、科學論文個人項目課題名稱 高層建筑水箱用水凈化處理 年級段 高中 高層建筑水箱凈化裝置制作及其凈化效果探究摘要：高層住宅樓頂水箱提供居民日常用水，水箱中積累的污垢會影響水質，而物業又常常疏于清洗和管理，這使得出廠時達標的自來水水質變差；長期使用的水箱箱體還會釋放一定數量的重金屬離子，危害到人體健康。新聞熱線每年夏天接到水箱污染的相關報道百余起。由樓頂水箱引起的“二次水污染”問題成為市民關注的話題。本研究希望通過將裝有鵝卵石、活性炭、石英砂以及作為消毒物質的二氧化氯的過濾器裝置安裝在水箱出水口中，起到過濾雜質和污垢的作用，實現凈化處理。本課題完成了小規模濾器模型的制作，并按照飲用水國家檢測標準（

2、GB/T5750），在專業實驗室（上海天復檢測中心和上海某高校環境工程學院水樣分析實驗室）完成了對過濾前后等水樣的水質對比檢測和分析。結果表明：使用過濾裝置能夠有效降低水箱內部的重金屬離子污染情況。在本研究最后，設計并提出了實際水箱濾器模型結構圖，該濾器安裝方便，成本較低，具有較好的推廣前景。關鍵詞： 水箱凈化；濾器模型；水樣分析；重金屬污染。一、研究背景由于城市高層建筑發展迅速，市政府水管網壓力不足，輸水網絡太大，水廠沒有足夠的壓力和儲力將水輸送到每個地方，于是在位置較高的地方建立了蓄水池或儲水罐，水從自來水廠出來之后，先流到設置在樓頂端的蓄水池或儲水罐里，然后再通過自來水管流到用戶家中。中

3、國大部分城市供水系統不是一根管子直達居民家里，而是水進入小區后就到水箱，然后再加壓，從子管道分送給居民。如今，幾乎所有高層建筑均安裝了水箱儲水，以供居民日常用水之需。水箱的設計理念是為了便民利民，值得推崇。但隨著時間推移，水箱中長年累月積累的污垢使水質大幅度下降。即使物業安排了每半年左右一次水箱清洗，效果卻差強人意。很多居民都不飲用來自水箱的自來水，而是選擇每天花幾元錢購買桶裝水。統計數字顯示，全國由二次供水蓄水池污染引起的飲水污染危害健康事故屢有發生。北方某城市從1990年到1998年發生29次二次供水污染事件，另外，二次供水污染集中發生在79月，占總二次污染事故的1/2。2001年南方某城

4、市對500個水箱的抽查結果表明：居民投訴的水樣100 %水質檢測不合格。二次污染水質污染的直接結果是影響用戶感官，使飲用者感到惡心、嘔吐、腹脹、腹瀉，嚴重的甚至發病。或由于掉入二次供水設備的蟲子、老鼠等攜帶的病菌入侵，使二次供水水質污染，可導致二次供水系統用戶發生集體性腹瀉，嚴重危害人體健康和擾亂居民生活秩序。經水傳播的疾病主要有傷害、痢疾、霍亂以及馬鼻疽、鉤端螺旋體病、腸炎等。還有一些病毒引起的疾病，也可以通過水傳播。據報道，目前像北京上海等大城市的自來水水質在出廠時已經達到飲用水的標準，但由于老舊的水箱與水管，使得居民飲用水質狀況堪憂（如圖1）。目前，對于小區供水管網的更換與維護已被政府提

5、上日程，然而水箱卻成為城市供水網絡中被遺忘的角落。為了避免使原本是為提高居民生活質量的水箱成為污染源，我希望通過對其進行簡單的改造，即在水箱出水管口安裝簡易的濾器，實現凈化處理。圖1. 水箱內部進出水口(管)現狀 圖2. 水箱內部出水口(管)現狀 圖3. 傳統水箱清潔工具 通過調研表明：市場上以水管家為代表的凈水裝置的基本原理都是首先采用精密過濾作預處理，去除水中的膠體、鐵銹等影響感觀指標及后期處理能力的雜質。接著，去除危害人體健康的重金屬，如鉛、汞等。水管家所使用的kdf是一種銅鋅合金，在水中氯的作用下，可吸收重金屬，同時釋放出對人體有益的鋅離子。同時采用分子篩，加強對重金屬及有機物的去除。

6、然后，去除有機物、農藥等。另外，水管家內裝有高吸附值的活性炭，活性炭纖維效果良好。最后，去除大腸桿菌及致病菌。此外，在大自然中，有一套自凈系統，雨水在滲透進土壤中時雜質被吸收攔截，最終得到清潔的地下水資源。同樣，沙濾水正是利用這一原理來獲得清潔的水。受水管家和沙濾水的啟發，結合水管家的工作原理和安裝思路，同樣的理念可以運用在水箱中。因此，本課題計劃采用將裝有鵝卵石、石英砂、活性炭以及像二氧化氯之類的消毒物質的過濾器安裝在水箱出水管中（如圖4），起到過濾雜質和污垢的作用，從而達到消除供水管網中“最后10米”的污染源，這樣不僅可以提高水箱清潔度，還能降低清洗水箱的成本。圖4. 水箱出水口處（計劃過

7、濾器安裝位置）二、研究目的如前所述，在大自然中，雨水在滲透進土壤中時雜質被吸收攔截，最終得到清潔的地下水資源，沙濾水正是利用這一原理來獲得清潔的飲水。受此啟發，結合水管家集中過濾處理飲用水的工作原理，同樣的理念應該可以運用在水箱中。將裝有活性炭、石英砂等濾料的過濾器安裝在水箱出水管中，起到集中過濾雜質和污垢的作用，從而消除供水管網中“最后10米”的污染源。本課題主要圍繞自制濾器的制作并對過濾前后水樣對比分析來展開。由于課題采用的過濾器原料價格低廉，結構也較為簡單，若按比例放大后安裝于水箱出水管口中，濾器可以定期更換，因此具有推廣價值。三、研究材料和方法3.1 實驗材料實驗的材料：濾料專用石英砂

8、，鵝卵石，活性炭，食品級二氧化氯、飲用水塑料桶（4 L）、礦泉水瓶（0.5 L）、醫用點滴塑料管。3.2 實驗原理及步驟3. 2.1 實驗原理過濾是具有孔隙的物料層截留水中雜質從而使水得到澄清的工藝過程。常用的過濾方式有砂濾、硅藻土涂膜過濾，燒結管微孔過濾，金屬絲編織物過濾等。過濾不僅可以去除水中細小懸浮顆粒雜質、而且細菌病毒及有機物也會隨濁度降低而被去除。本課題按照實際水箱的構造情況，設想在其出水管中加裝以鵝卵石、石英砂、活性炭以及殺菌物質為主要凈化材料的濾器進行過濾凈化。實驗中將較大飲用水桶（4 L）模擬水箱，較小水瓶（0.5 L）模擬水箱出水口濾器，通過重力過濾原理得到水樣。采用了兩種方

9、案，第一種是直接將水進行過濾，第二種是在過濾之后再進行加熱。通過專業實驗室實驗儀器對自制濾器的水處理效果進行對比，在獲得實驗數據支持后，提出水箱實際濾器模型結構圖和濾器推廣前景。方案一：以4 L容量的大飲用水桶模擬水箱，其底部連接兩個串聯的0.5 L礦泉水瓶模擬水箱出水管及兩級過濾濾器。濾器中以鵝卵石、石英砂、活性炭和二氧化氯為主要凈化材料。方案二：結構與方案一的結構完全相同，但在過濾之后增加煮沸環節，以進一步降低菌落總數。3. 2.2 實驗步驟A： 將網購的石英砂、鵝卵石、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溫消毒120 min； B：將鵝卵石、石英砂、活性炭和二氧化氯依次

10、分別放入2只0.5 L礦泉水瓶中，并用消毒紗布一一分割開；形成一串聯的二級濾器模型，如圖5；每一種濾料的作用如下表：表1. 各種消毒原料作用及應用消毒材料作用及應用石英砂石英砂濾料是采用天然石英礦為原料，經破碎，水洗精篩等加工而成，目前是水處理行業中使用最廣泛、量最大的凈水材料鵝卵石俗稱承托層濾料或墊層濾料，分（天然）鵝卵石和（機械加工）石英礫石兩種，被廣泛用于水處理器中的初級過濾。活性炭活性炭又稱活性炭黑，是黑色粉末狀或顆粒狀的無定形碳。活性炭主要成分除了碳以外還有氧、氫等元素。活性炭上在元素組成方面，80%-90%以上由碳組成，這也是活性炭為疏水性吸附劑的原因。食品級二氧化氯二氧化氯消毒劑

11、是國際上公認的含氯消毒劑中唯一的高效消毒滅菌劑，它可以殺滅一切微生物，包括細菌繁殖體，細菌芽孢，真菌，分枝桿菌和病毒等，并且這些細菌不會產生抗藥性。二氧化氯對微生物細胞壁有較強的吸附穿透能力，可有效地氧化細胞內含巰基的酶，還可以快速地抑制微生物蛋白質的合成來破壞微生物。圖5. 消毒原料示意圖C： 將裝滿濾料的礦泉水瓶的瓶口插在模擬水箱的4 L飲用水水桶的側壁底部，如圖6；圖6. 模擬水箱過濾裝置圖D：將調節過濾速度用的醫用點滴針管插在礦泉水瓶底部；E：將醫用點滴針管的滴水口接在無菌瓶內，針管上的流速調節器調整水流速度；F: 在4 L飲用水水桶中注入水樣；過濾時間控制在2 h左右（如圖7、8）；

12、G：將過濾前后的水樣送往上海天復檢測公司和上海某高校環境學院水樣分析實驗室。其中一份過濾后水樣進行了2 min的煮沸加熱，以對比加熱前后水樣水質的變化情況。H：在以上實驗論證自制濾器的有效性之后，本課題最后提出水箱濾器結構模型示意圖。 圖7. 醫用滴管調節鈕控制過濾速度和時間 圖8. 過濾裝置整體示意圖四、研究結果按照課題的原設想，對水箱出水口提取了過濾前后各兩份水樣，分別是過濾前（樣品1），過濾后（樣品2），其中一份過濾后水樣還進行了12 min的煮沸操作（樣品3），對其菌落總數、硬度和鉛Pb、鋅Zn、銅Cu、鐵Fe、砷As、鎘Cd、鉻Cr等主要金屬毒理指標進行了測試，檢測依據見表2。測試在

13、專業級的上海天復檢測中心和某高校環境工程學院水樣分析實驗室分別完成。理化指標檢測結果見表3，重金屬離子檢測結果如圖911。表2. 理化指標檢測依據表檢測參數檢測方法名稱pH值玻璃電極法總硬度（以CaCO3計）乙二胺四乙酸二鈉滴定法氯化物硝酸銀容量法菌落總數平皿計數法總大腸桿菌群多管發酵法表3. 樣品理化指標檢測結果表檢測項目檢測結果樣品1樣品2樣品3pH值7.797.74未檢測總硬度（以CaCO3計）（mg/L)99.8120氯化物（mg/L）27.228.4菌落總數（CFU/mL）33960270總大腸桿菌數（MPN/100 mL）未檢出未檢出未檢出圖9. 樣品1重金屬離子檢測結果圖10.

14、樣品2重金屬離子檢測結果圖11. 樣品3重金屬離子檢測結果通過對測試結果分析對比得出結論如下：（1）水箱水質比預期的要好，否定了輿論普遍認為的老舊水箱水質惡劣、無法飲用的說法；本小區水箱使用年限已超15年，除鉛、鋅、銅等個別指標偏高外，其菌落總數、大腸桿菌數、砷、鎘、鉻等敏感重金屬指標均未見顯著超標；（2）自制的簡易過濾器對鉛、鋅、銅等金屬指標具有明顯的過濾和吸附效果，過濾前后數據對比表明，鉛、鋅、銅濃度明顯下降，根據對小區供水系統結構分析，鉛、鋅、銅等金屬成分主要來自老舊管網的內壁銹蝕，而這正是自來水供水系統的最薄弱環節，大部分的二次污染正是來自水箱及其進出管道的銹蝕。另根據對比分析，自制濾

15、器對砷、鎘、鉻等指標過濾效果不顯著，原因是原水中這些金屬成分本身很低，遠低于砷0.01（mg/L）、鎘0.005（mg/L）、鉻0.05（mg/L）的國標；（3）菌落總數的控制只能靠傳統的加熱方式來實現，專門對過濾后水樣加熱與否（前述方案一、方案二）進行了對比，表明加熱可以有效遏制菌落總數（見天復檢測中心報告，方案一中B瓶為不加熱，方案二中B瓶為經加熱）；這也是目前市場上很多飲用水處理裝置都設有加熱環節的原因；（4）傳統的加熱方式對降低水質硬度效果不明顯，這個結論與傳統教科書加熱水能有效降低水硬度的說法不一致，是否是由于濾器中石英砂、鵝卵石導致硬度提高有待實驗進一步考證；（5）由于實驗條件所限

16、，雖然取得了水箱清洗前后的水樣，但未能對其水樣進行實驗對比，原因是實驗要求水樣24 h內進行化驗分析，而實際從提取水樣到送達實驗室測試需要至少3天的等待時間；但從水箱清洗現場施工照片分析，簡單的物理清洗對改善水質效果有限；（6）鑒于使濾器結構簡便、成本低廉的考慮，本實驗裝置未采用目前水處理中最先進、效率最高的反滲透（膜）技術，若采用該技術，乃是降低水樣含鹽量和總硬度的最佳方法。今后如條件許可，將進一步實驗比較該技術降低總硬度的效果。五、展望 本實驗裝置最大的優點在于，可以按照水箱出水管徑的大小，按比例放大（1：31：5）后制成結構簡單并可定期更換的濾器，在老舊水箱中廣泛采用。根據本實驗裝置的成

17、本推算，即使按每月更換一次濾芯的頻率，年成本不會超過6000元/小區。該成本遠低于市面上動輒數千元/戶的水管家或5 L/元的凈水機，因此，本實驗裝置具有大范圍推廣的商業價值。在以上實驗論證自制濾器的有效性之后，本課題最后提出水箱濾器結構模型示意圖如下：圖12. 水箱及其濾器結構示意圖六、收獲和體會在本次研究和實驗活動中，收獲頗豐，體會到了何謂“Trial and Error”（中文稱“試錯”）。一開始做裝置的時候，裝置總是漏水，光是礦泉水桶就做壞了三個。后來裝置不漏水了，卻發現網購的活性炭居然會溶于水中，才知道這是被商家打著過濾專用活性炭旗號來賣的普通活性炭，只能重新再做裝置。為了確保過濾效果，指導教師