野外淋浴洗衣车的污水处理循环集成设计

许雪梅 曹健国 孙彦招 王福林

摘 要：为满足野外作业人员生活需要，本文设计了具有淋浴和洗衣污水循环处理再利用功能的野外淋浴专用车。采用模块集成化的理念，将淋浴车按功能分为淋浴洗衣、污水处理、仪表控制、动力和车体等区块。设计了污水处理循环再利用工艺流程，相应进行了设备、仪控和动力的集成布置。野外淋浴车的污水处理循环再利用装置及其模块化集成设计，使得车辆容易操作和维护，为野外作业人员的洗浴提供了更好保障。

关键词：淋浴洗衣车;污水处理;水循环;集成设计

一直以来，很多进行救灾、施工和执勤等的野外作业人员，迫切需要及时洗到热水澡，以恢复体力、提升精神状态、更好地投入工作。虽然多年来淋浴车功能不断完善，但是市场上的洗浴产品例如淋浴车、淋浴方舱和太阳能热水袋等，受天气和地形环境影响，以及造价和供水能力等限制，特别是在缺水荒漠和无人区等特定环境下，多数淋浴汽车未充分考虑污水循环利用，个别产品即使考虑污水再利用，但处理方法、多来源水源以及模块集成设计等方面较薄弱。这些问题，在一定程度上制约着野外工作的后勤保障服务水平，影响工作人员的生活水平。

针对原有产品的不足，在淋浴洗衣污水处理工艺、水循环再利用、车体的耐用和易维护性等方面，进行包含工艺和测控设计在内的污水处理再循环利用系统设计。新增的污水处理再循环利用系统与现有系统有机集成，实现布局、工艺和功能等与现有设备在整体上相衔接协调，使得设备的集成度和效率更高。

1 车体模块化设计

将淋浴洗衣车进行模块化分解，模块组成及关系见图1。整车由淋浴洗衣、污水处理、仪表控制、动力和车体五个模块组成，各模块功能如下。淋浴洗衣模块具备淋浴和洗衣功能，涉及供排水、水循环和污水收集等方面。污水处理模块包括对污水进行收集处理、杀菌消毒、高温加热和循环处理等。仪表控制模块主要实现污水处理的测控，包含传感、显示、控制、报警和通信等功能。动力模块包含发电和全车设备供电，车体由底盘、车厢和地板组成。在这五个模块相互配合下，实现淋浴洗衣和污水处理再循环系统的运转。

车体及内部舱区设计见图2。车体采用4驱动越野底盘。方舱分为淋浴洗衣舱、污水处理舱、能源动力舱和检测控制舱。在较小空间内将各舱合理紧凑布置，实现供水、用水、污水收集、污水处理和排水功能，以增大淋浴空间和污水处理能力。污水处理设备采用耐腐蚀塑料和不锈钢结构制造，确保经久耐用不生锈。为有效利用空间和降低整车质心，提高整车稳定性和安全性，将水净化装置、储水箱等较重设备布置在方舱底部。车厢用全塑全封闭聚酯板块结构，达到防冻和保温目标。

动力模块。采用多元化供电方式，在有市电输入时，直接输入市电，节省自备能源。除外接市电外，还可利用置于另外车辆的燃油发电机组进行供电，以降低洗浴车整车质量，做到专车专用。采用底盘动力发电方式，结合底盘蓄电池向小功率设备供电。最后充分利用天气条件，在车厢顶部设置太阳能面板并配备蓄电池，进行辅助发电、洗浴水加热和灯光照明等。

①集雨水槽及流水孔 ②通風天窗 ③管道和线缆 ④散热孔 ⑤格栅滤网 ⑥污泥排出孔 ⑦排水孔

2 污水处理循环工艺流程

污水处理模块见图3。污水处理循环再利用流程包括污水收集、预处理、粗处理、杀菌消毒、精细处理、加热处理和循环处理等7个环节，形成闭环（见实线箭头），各环节产生的污泥及废液进行统一收集（见虚线箭头）。

2.1 污水收集

扩大水源收集及处理范围，将处理淋浴洗衣水、灌注自来水、抽取地表水等三者有机结合，使其能处理多种污水，供淋浴洗衣和应急饮用。对于淋浴洗衣污水，设置洗手池、小便收集器、淋浴和洗衣污水收集箱，用低电压隔膜自吸泵，通过输水管和电磁阀，进行盥洗和淋浴水收集。若有自来水，可通过随车配备的消防水带进行灌水操作，直接进入工艺流程的循环处理环节。若有地表水，则用潜水泵将河流、池塘或湖泊中的水，灌入贮水罐内。房顶做成槽状，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实时收集。收集的污水经后续净化处理，使水质高于国家2级标准。

2.2 预处理

预处理包含格栅过滤、砂石层过滤和污泥处理。首先进行格栅过滤，用真空压力泵吸污水经真空抽吸回路进入污水罐，污水罐上部设置格栅区，格栅区含格栅板和钢丝网以过滤大颗粒废渣，拦截较大尺寸污染物。然后污水经过污水罐中部的砂石层进一步处理，砂石层由密度、粒径和功能不同的硬石、石英砂和活性炭等复合滤料组成，置于多孔滤板上，过滤水中不溶物、固体颗粒、细菌和藻类。最后进行污泥处理，过滤后累积的生活垃圾和污泥，从格栅区和砂石层上部清除，排入污泥收集池，此过程需定期清理污水罐。

2.3 粗处理

粗处理包含絮凝、除磷、除泡沫、除气体、沉淀和污泥处理等。洗浴用水含表面活性剂，污染环境，需进行处理。预处理水经管道进入反应器，加絮凝剂进行反应处理。絮凝剂用聚合硫酸铁（SPFS），不含铝和氯，无铁离子水相转移，无毒无害，同时有效除磷。在反应器内，高压空气通过反应器上部微孔板均匀充入污水，气压使水产生涡流并沸腾，使污水与絮凝剂充分混合，使得表面活性物质以气泡形式浮出水面，聚集成泡沫群，然后被离心式抽气设备抽出，泡沫上的悬浮物以及水中异味气体被带出。絮凝剂与污水中的胶体悬浮物充分混合可得到絮状物，絮状物被过滤器分离并沉淀后，被定期清扫。对洗涤液进行过滤回收，上清液则经过滤进入后续污水处理流程。经粗处理流程，充分去除预处理流程出水中含有的表面活性剂、胶体物质和悬浮物，能显著降低重铬酸钾法测定化学需氧量（CODCr）和五日生化需氧量（BOD5），并使总磷（TP）浓度降至0.5mg/L以下，水质浊度（NTU）低于5mg/L。0DE07CB1-26EE-4D6C-9CB3-9DEA88C4ACEC

2.4 杀菌消毒

杀菌消毒过程中用到了紫外线、臭氧或氯离子消毒剂，主要目的是灭菌、灭藻、除臭和消毒。杀菌消毒方式充分考虑野外地理环境特点，在设计上引入冗余，提供多种方式供选择。首先进行紫外线消毒，设有紫外线消毒管，杀死废水中的病原微生物。其次，用臭氧发生器对水体进行二次杀菌，克服紫外线杀菌存在死角的缺点，对各种细菌、病毒、真菌和原虫胞体等均能有效杀灭，分解水体中的有机物（除色除味），对水消毒60min后（臭氧半衰期为17～23min），便不存在残留物。最后，若必要时，可加余氯离子为0.3至1mg/L的消毒剂，消毒后排放。经过该环节得到的深度净化水，可用于洗浴。

2.5 精细处理

精细处理包含盒滤和膜滤，进一步降低氮、磷、悬浮物（SS）、CODCr和BOD5。首先进行过滤盒过滤，采用活性炭过滤器或聚丙烯纤维棉（PP）保安过滤器，过滤盒体由活性炭或纤维束组成，含渗水孔，过滤精度为10μm，去除细小泥沙、水中悬浮物并吸附表面活性剂有机物。然后进行过滤膜过滤，采用超滤膜或纳滤膜来深度净化水，膜生物反应器（MBR）处理区有真空纤维膜，用于过滤粒径大于0.45μm的微小颗粒。经过该环节得到的超深度净化水，可用于应急饮用。

2.6 加热处理

加热处理包含蒸汽杀菌和循环用水供应。首先进行蒸汽杀菌，使用蒸汽发生器进行高温蒸汽灭菌，该步骤可作为杀菌消毒环节的补充。然后净化水经水泵送至加热设备。加热器可选择即热型热水器或燃油常压热水锅炉。即热型热水器采用电力或太阳能两种动力供应方式，无预热过程的热量散失，达到省电省水的节能目标。常压燃油热水锅在常压环境下运行，燃烧效果好，有熄火保护装置，性能安全稳定。在热水供给方面，选择分流混合调温的动态加热方法，边烧边洗，直接输出45℃左右热水，该温度可大量减少水中结垢量，减少内胆维护工作量，通过高敏感温度传感器和控温元件将温差控制在0.5℃范围内，实现恒温洗浴。

2.7 循环处理

循环处理包含净水存储和淋浴洗衣水循环供应。在容器最后端设置储水箱，用于存放处理后的水，净化水经过储水箱的排放电磁阀分成两路，一路进混水阀冷水进水端，另一路经过上个环节的加热进入混水阀热水端。污水处理再循环系统每天可处理10吨水，满足5～10人在缺水地区30天的生活需求。

3 污水处理测控

污水处理测控系统包含传感测量、转换显示、调节控制和执行机构等4部分，见图4。对于传感测量部分，传感器检测的信息包含水和物料参数，包含在浴洗系统排水口、泵进出水口、物料喷头和污水除泡沫反应器等位置处，测量水或其他物料的流量、压力、温度、液位、浑浊度等;使用的传感器包含超声波流量计、压力变送器、热敏电阻、水位接触电极和光纤传感器等;除传感器外，在重要部位例如污水罐、反应器和储水箱等位置，设置有机玻璃观察孔，便于人工检测系统运行状况。对于信号转换及显示部分，传感器采集的模拟信号送至信号柜，转为数字信号并由通信模块输出，软件接收信号并解码分析，实时显示于屏幕，以观察污水处理系统运行状态。对于控制调节部分，采用闭环控制，将实测值与标准值比较，满足预定条件后执行控制指令;若控制存在故障，则终止后续步骤，并在电路节点图显示故障节点，同时在故障数据库检索原因并显示报警，便于人工干预。对于执行机构部分，用电控阀控制絮凝剂等物料添加过程和水泵进出水;储水箱上设置有控制补水的浮球阀，能够保证达到水箱内规定的水位后立即停止吸水;蒸汽发生器装有安全阀和通气阀，避免容器内压力过高导致安全事故;此外，车内装有语音提示报警系统，便于人工及时干预。自动测控系统能够保证水质达标和提升产水效率。

结语

为高效利用有限的水资源，供给野外作业人员洗浴，设计了模块化和集成化的车载污水处理与循环系统。对淋浴洗衣车，添加污水处理再循环功能，进行污水处理工艺设计，并进行配套设备和控制的有机集成。所设计的淋浴洗衣车具有独立运行、整体机动度高、储水量大、洗浴能力强等特点。这对于产品紧跟时代发展，提升淋浴汽车的供水能力、增加洗浴舒适度、降低燃料能源供应，为野外工作人员提供更好的工作生活条件方面，具有重要意义。

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基金项目：湖北文理学院大学生创新创业训练计划项目（S201910519050）;“机电汽车”湖北省优势特色学科群（XKQ2019017）;湖北文理学院博士科研启动基金（2059 055）

作者简介：许雪梅（1999— ），女，漢族，湖北荆州人，本科。

*通讯作者：孙彦招（1984— ），男，汉族，河南平顶山人，讲师。0DE07CB1-26EE-4D6C-9CB3-9DEA88C4ACEC