给水排水　Vol.36　No.12　2010125　·科技信息综述·美军净水装备及技术发展综述杨　敏(总后建筑工程研究所,西安　710032) 摘要　供水保障是军队野战后勤保障的重要组成部分。主要介绍了美军现有的以反渗透技术为主的野战净水装备,以及离子浓缩极化、电容电去离子和电化学消毒等技术及装备的研究进展,并且对利用空气、尾气和中水等新水源或太阳能等新能源的装备进行了简述,以期对我军的净水装备研究有所启示。关键词　供水保障　净水装备　反渗透技术　空气制水　尾气制水　中水回用　美军 供水保障直接关系到部队官兵的生理和心理健康状况,也影响着整个部队的作战能力的发挥。在第一次世界大战中,美军由于饮用水不达标而造成了很多官兵的身体不适,极大地影响了战斗力的发挥,因此一战后,美军开始研究野战供水保障问题。当时研发出的移动净水装备(Mobilewaterpurificationunit,MWPU)主要工艺是砂土过滤和氯化消毒。在随后的二战中,MWPU移动净水装备得以实战检验,结果并不理想,它生产的水还不能完全达到饮用、洗漱及厨房用水等的要求。因此在二战之后,美军开始研制适用于各种不同水源的序列净水装备。在20世纪60年代,美军认识到尽管这些系列装备能够满足提供洁净饮用水的要求,但是为了减轻勤务保障和操作维修的负担,认为有必要研制一种能够适应淡水、海水和苦咸水等各种不同水源的通用净水装备,另外还要能够处理被核生化NBC污染的原水。最终美军选定了反渗透技术,包括600型和3000型反渗透净水装备(Reverseosmosiswaterpurification,ROWPU)等,它们分别于1981年和1989年装备部队,至今仍被陆军、海军陆战队和空军使用。1　美军现有净水装备美军最初使用的标准反渗透净水装备有3种,分别为额定产水量为600gal/h(1gal≈3.785L,下同)的600型ROWPU、3000gal/h的3000型ROWPU及150000gal/d的150000型ROWPU[1]。600型和3000型ROWPU分别于1981年和1989年装备部队。150000型ROWPU是为营区等固定设施设计的,也被安装在标准的军用舰船上,1981年投入使用。除此之外,美军后来还研发了同样基于反渗透技术的战术净水系统(Tacticalwaterpurificationsystem,TWPS)和轻型净水装备(Lightweightwaterpurifier,LWP),分别于2004年和2005年装备部队。2004年还研制了远征分队净水系统(Expeditionaryunitofwaterpurification,EUWP)。它们的主要处理工艺及处理能力如表1所示。表1　美军主要净水装备综合比较项目600ROWPU3000ROWPULWPA-TWPSEUWP主要技术工艺反渗透反渗透超滤+反渗透微滤+反渗透超滤+反渗透配发部队年份1981198920052004产水率/gal/h60020187512004170　相对质量(产水量/质量)/gal/(d·lb)31.328.812.922.538.9　相对体积(产水量/体积)/gal/(d·ft3)432004850028800100000 注:净水装备为海水型。1lb=0.453kg,1ft=0.3048m,下同。DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2010.12.031126　给水排水　Vol.36　No.12　20101.1　ROWPU反渗透系列净水装备该型号的装备机动性和适应性强,在任何地方都能够快速设置和使用。其处理工艺采用物理和化学方法相结合,能够将不同类型的原水净化成洁净的饮用水。其净水装置主要由进水系统、沉淀系统、过滤系统、配水系统和NBC核生化消毒系统五部分组成,其过滤系统包括8个直径为6in(1in=2.54cm,下同)的反渗透单元,核生化消毒系统则采用活性炭吸附和离子交换床过滤技术。600型ROWPU反渗透净水装置的净水能力为12000gal/d(含盐量35000mg/L),当原水的盐度较低时,其产水能力更大,其每天可连续运行20h,余下4h则主要用于常规清洗和维护。600型ROWPU有三种不同型号,分别用于装备陆军、海军和海军陆战队、空军。它由30kW拖车电站供电,整套设备可由5t载重卡车、铁路、海、空运输,空投及直升机悬投。3000型ROWPU处理工艺与600型ROWPU基本相同,也包括进水、沉淀、过滤、配水、消毒五个部分。最大的不同是在其进水系统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。其次它的过滤系统由12个直径为8in的反渗透单元组成,每组各6个并联运行。整个装备可置于8ft×8ft×12ft的ISO标准集装箱内,由40ft的半挂车进行运输,同时配备有60kW发电机和高压泵,适应于汽车、铁路、海、空运输。150000型ROWPU比其他ROWPU系统机动性差,需要诸如铲车等装卸设备,适宜在某个位置长期运行。该系统水处理过程与其他的ROWPU相类似,其工艺流程为:原水泵—增压泵—加絮凝剂(泵)—多介质过滤器—加阻垢剂(泵)—筒式过滤器—高压泵—反渗透装置。增压泵除了用于多介质过滤器和筒式过滤器的过滤外,也用于多介质过滤器的反冲洗和反渗透组件的化学清洗。与其他ROWPU不同的是它没有加氯设备,因为该系统的产水最终要进入有加氯设备的标准贮槽和分配系统。1.2　MMFFS多功能模块化流体过滤系统多功能模块化流体过滤系统(Multi-functionalmodularfluidfiltrationsystem,MMFFS)共分三级,Ⅰ级为微孔过滤器,能够过滤去除5μm以上的颗粒物等;Ⅱ级由获得专利的AdAb吸附剂模块组成,能够去除大部分BOD、COD、TSS、TOC、苯类等有机物和金属等杂质;Ⅲ级为2.5μm级过滤,去除残存的杂质等。其有2000型和3000型两种不同的型号,其最大流量分别为35gal/min和120gal/min,工作压力40～60lb/in2,能够在2～52℃的环境下工作。MMFFS主要用于ROWPU的预处理或后处理进行反渗透膜清洗液、核生化沾染液及野战洗浴水的处理等。特别是用作ROPWU的预处理单元,取得了很好的效果,大大提高了反渗透膜的产水效率和使用寿命。1.3　TWPS战术净水系统战术净水系统是一种完全自容式的可移动净水装备,它主要由7个单元组成:进水、微滤(MF)、反渗透、空气、化学试剂加注、配水、核生化净化。微滤预处理可以去除水中的固体悬浮物、微生物等,并且可以消除影响反渗透膜工作的水体漩涡,使TWPS能够更好地适应各种原水,包括淡水、苦咸水以及高溶解固体浓度(TDS≥60000mg/L)的海水。TWPS处理淡水时产水率为1500gal/h,处理苦咸水、海水或被核生化污染的原水则能达到1200gal/h。TWPS有两种不同型号分别装备于陆军和海军陆战队。TWPS已在陆军和海军陆战队中逐步取代600ROWPU执行任务。与600ROWPU相比,在体积、质量等相似的前提下,其制水能力大大增强,特别是处理高盐度的水方面独具优势,效率和产量都很高。1.4　LWP轻型净水装备轻型净水装备模块化装置主要由以下模块组成:进水、超滤(UF)、高压泵、反渗透、化学试剂加注/清洗、核生化后处理、配水和供电。其主要是为满足小分队、特种任务部队(Specialoperationsforces,SOF)以及临时医疗分队的供水需求而研制的,它能够适应包括核生化沾染原水在内的各种原水。其处理淡水和海水的能力分别为125gal/h和75gal/h。它可以装在HMMWV高机动性多功能轮式车辆M1097上运输,也可以由C130运输机或UN60直升机运送。1.5　EUWP远征分队净水系统远征分队净水系统(见图1)是2004年由美海给水排水　Vol.36　No.12　2010127　军研究局研发的一种先进的军民两用净水系统,由VillageMarineTec公司生产,其产水量大,能耗低,目前其Ⅰ代产品处理海水和淡水能力分别可达10万gal/d和20万gal/d,是目前处理能力最大的移动式净水系统。2005年在美国卡特里娜飓风救灾行动中,其为向当地一家医院提供10万gal/d的洁净饮用水发挥了重要作用。

图1　远征分队净水系统EUWP由超滤和反渗透两个单元组成,该系统中Koch超滤系统处理能力为270gal/min,DowFILMTEC反渗透系统处理能力为80gal/min。两个单元各由1台60kW发电机驱动,超滤单元每处理1000gal水耗电2kW·h,反渗透单元每处理1000gal则耗电7.5kW·h。EUWP采用增强型玻璃纤维塑胶(Fiberglass-reinforcedplastic,FRP)材质的水泵,相比较于传统的碳钢水泵,质量大约减轻了25%,每套系统仅重1500lb,可安装在20ft×8ft×8ft的ISO标准集装箱内,采用C130运输机或卡车运输。EUWP净水系统的使用范围很广,能够在0～50℃的温度条件下运行,原水的温度可为0～41℃。目前正在研发的Ⅱ代装备,其净水能力将达到30万gal/d,并且质量更轻,体积更小。2　下一步研究重点及发展趋势美陆军坦克车辆研发工程中心TARDEC和国防高级研究计划局正在研究可以不受水源地的束缚,在战场的任何地方都可以制水的新型净水装备,以减轻运配水保障压力。实现这一目标主要通过以下两种途径:一是研发更高效、质轻、紧凑的净水装备;二是从非传统水源,比如空气或汽车尾气等中制水[2]。2.1　新技术目前美军供水装备存在的主要问题包括:能耗偏高;体积和质量偏大;容易结垢,膜寿命短;低温运行时稳定性差;化学试剂、过滤器材等消耗大;当原水中的水质污染物发生改变时,操作也需作相应调整。针对以上这些问题,美军正在积极研究新技术,具体包括抗氯型反渗透膜、正渗透、离子浓缩极化、电容电去离子和电化学消毒技术等。2.1.1　新型反渗透膜技术美军一直在寻找一种能够减少浓缩极化和生物污垢的新型膜技术。分离系统公司(Separationsystemtechnology)已经研发出了一种能够降低生物污垢的抗氯型的新型反渗透膜。由于现有的膜材料大都不具抗氯性,因而很容易被氯降解,而这种新型的抗氯膜则能够利用氯来减少微生物在膜上结垢从而延长其使用寿命。MIXO公司正在研制一种采用先进网孔结构膜和脉冲水流技术的手持式反渗透系统。脉冲式水流将能够减少膜表面污染物的形成,从而减少浓缩极化现象和生物污垢。现有的反渗透膜系统,其膜与膜之间是由一些菱形网孔结构联接而成的,这些孔隙影响了水流通过,并且为细菌滋生提供了场所。而这种新型膜的网孔是直接制在膜上的,并且其形状、大小或厚度可根据实际需要调节,从而提高过水性能,减少极化和结垢现象。所以说,脉冲式水流和新型网孔结构设计,大大降低了系统的操作水压,减少了清洁频次,进而节约了成本。这些新技术将逐步应用推广到包括小型模块化净水装置和单兵净水器等在内的陆军所有的净水装备中。2.1.2　正渗透技术美军也在研究将正渗透(Forwardosmosis)技术运用到单兵净水器中。相比反渗透而言,正渗透是利用膜两侧的渗透压差进行渗滤,因而几乎不需要外力,这样其能耗也大大降低。美国水合技术公司(HTI)开发出世界上第一种可商业应用的正向渗透膜,并生产出使用该技术的乙烯基XPack便携式水合水袋Hydrationbag,其在产水侧加入饮料粉和带电离子类食物(如盐、糖、氨基酸等),这样就能利用膜两侧的渗透压差,将原水侧的水分子吸收过来。此方法几乎可以从任何水源甚至是人体的尿液取水,并将其转化成安全的可饮用水。美国的分离系统公司也正在研制一种新型有孔纤维正渗透膜,它通过增加过水面积,从而提高产水率。2.1.3　离子浓缩极化技术离子浓缩极化(Ionconcentrationpolarization)