李长星 于林平 张 辉 苗世玉 董俊伯 邓文浩

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)



·绿色环保·建筑节能·

以家庭清洁为目标的废水智能化利用系统研究★

李长星 于林平*张 辉 苗世玉 董俊伯 邓文浩

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

通过调研家庭废水回收利用的现状，对家庭中废水回用的可行性进行了分析，并通过模型试验，设计了一套家庭废水收集及智能化利用系统，简述了该系统的模块设计与工作流程，指出家庭废水回收与智能化利用系统是以实用性及简易性为研究前提进行的设计，实现了水资源的高效循环利用，体现了节能减排的设计理念。

家庭废水，回收利用，集水处理，机械装置，智能控制

1 研究背景

全球现有12亿人面临中度到高度缺水的压力，80个国家水源不足，20亿人的饮水得不到保证。预计到2025年，形势将会进一步恶化，缺水人口将达到28亿～33亿。世界银行的官员预测，在未来的5年内“水将像石油一样在全世界运转”。

我国已被列入全世界人均水资源13个贫水国家之一,人均淡水资源仅为世界人均量的1/4，居世界第109位。目前，我国600多个城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市更为严重。

统计资料表明，我国家庭用水中如卫生间、厨房用水等，有相当部分的废水资源可以回收、处理，用于家庭清洁和绿化等方面。因此，以家庭为单元充分利用可回收废水不仅有利于减少家庭生活成本，而且有利于整个社会有效节约水资源，真正实现高效节水，环保节能的可持续发展的目标，所以家庭废水的有效利用不可忽视。

2 家庭废水回收与智能化利用系统的研究

基于高效节水、环保节能的可持续发展理念，以家庭清洁为目的，通过实验分析家庭废水的主要成分并加以分类，对其中可再回收利用的废水资源进行回收、处理以及智能化利用。

2.1 智能化利用系统研究内容

研究内容以设计家庭可利用水资源的回收利用系统为支撑，以智能化家居的理念实现家庭废水再利用，保障以家庭为单元的水资源的高效使用，使基于实用性、可操作性为目标研制的家庭废水回收再利用系统真正的走进家庭。

1)家庭废水的主要成分分析与分类；2)可再利用废水的回收与处理系统的研究；3)基于智能化家居理念，将可再回收利用的废水用于家庭清洁的研究。

2.2 智能化利用系统的模块设计

2.2.1 集水及水处理模块

集水及水处理模块分为三部分：即集水区，净水处理及贮水区，配水区(见图1)。

1)集水区：可利用污水通过水管进水口1进入集水区，集水区下部设置一定坡度，并设置排污管，中下部设置细网罩，沉淀过滤排除进水杂质。集水区上部设置溢水口连接排水立管，和净水处理及贮水区的进水口2。要求进水口2高度低于溢水口并且进水口2设置浮球阀，当净水区满载后，进水口2关闭，使多余的水通过溢水口排出。

2)净水处理及贮水区：整个区域分为三部分，上部有浮球设施，控制水位。中块添加盛有净化材料的承托容器，容器下端开圆孔经行水流动，中部设有多层滤纸防止净化材料的渗漏。主要净化材料为滤料和活性炭，滤料布置按直径由大到小进行布置吸附杂质，活性炭进行深度吸附。下部在两侧设置两排紫外消毒灯和出水口(紫外消毒灯的布置避免由于长时间的贮水导致细菌滋生)。

3)配水区：净水区出水口连接到该区，经水泵装置配水到家庭各个循环利用点。

2.2.2 机械装置模块

在节约、高效利用水资源的前提下，进行利用机械设备和智能设备相结合擦拭家庭室外玻璃窗特别是高层建筑家庭室外玻璃窗的研究与探索(见图2)。

1)装置的组成。

主体装置由上下两部分组成，上部是接受电动机提供动力的齿轮组合，带动整个装置的运行。齿轮规格为直径20 cm，将两个齿轮放在与玻璃同一竖直面内的正上方进行水平相互咬合，每个齿轮通过传动装置分别控制清洁玻璃的范围为玻璃的1/2，两个齿轮结合完成了整个玻璃的清洁工作。下部为清洁玻璃部分，两个清洁玻璃的刷子，分别置于玻璃的上边缘和下边缘，通过杆件与两个齿轮相连接，利用电动机的动力带动齿轮转动，再通过齿轮、连接杆件等进行力的传导，使得整个装置运动起来，达到清洁目的。

2)驱动部分。

整个装置驱动部分由三部分组成：动力产生部分，动力传导部分和工作部分。 电动机产生动力，利用杆件带动齿轮进行圆周运动。固定在玻璃上边缘的刷子，在一个齿轮的最高点设置一个连接点，利用杆件与刷子相连接，当连接点随着齿轮运动到最低点时，刷子在杆件的作用下运动到玻璃的中间部分。固定于玻璃下边缘的刷子，在另一个齿轮的最低点设置一个连接点，利用杆件与刷子相连接，当连接点随着齿轮运动到最高点时，刷子在杆件的作用下运动到玻璃的中间部分。考虑到杆件与齿轮的连接点要随着齿轮做圆周运动，过程中会有一个大的角度变化，在杆件的中点设置一个轴点，并且在玻璃上边缘接触地方设置一个固定点，以削弱杆件过大的角度变化。

3)工作部分。

两把刷子分别固定于玻璃的上边缘和下边缘。每把刷子由一个齿轮控制，在提供动力的情况下，两把刷子同时向中间运动。由于齿轮的圆周运动，刷子也会随之上下往复运动，实现玻璃清洁。刷子是由空心管咬合海绵或棉布等材料组成(材料要求：具有一定的摩擦性和一定的渗水性)，一方面增加与玻璃之间的摩擦力，另一方面有利于水的传送(水从管内向外渗出)。刷子固定在玻璃竖直边缘的铝合金凹槽内，使其与玻璃紧密接触。更好的达到清洁玻璃的目的。

4)水的传送。

运用直径较小，且柔软度相对较高的水管。初始端与水泵连接，经过玻璃的两侧空心边框，终端与刷子的空心管相连接，经水泵运水将海绵或棉布润湿，同时刷子随着驱动部分的运动，使其与玻璃之间发生摩擦，达到清洁玻璃的目的。

2.2.3 智能控制模块

在清洁窗户的机械装置与电源之间安装一个智能开关装置，通过智能手机远距离遥控开关实现家庭室外玻璃的自动化清洁。

1)智能开关的设计。

内部的电路主要是无线模块和开关电源，通过继电器控制智能开关的导通和关闭。使用了220 V交流转5 V直流的开关电源模块，最大电流10 A，而且使用AMS1117产生3.3 V的无线模块工作电压。智能开关最核心的无线连接方案采用了TI的SimpleLink Wi-Fi处理方案，通过TI的CC3000MOD和MCUMSP430F5309构成了一个非常精简的无线网络连接。CC3000MOD支持IEEE 802.11 b/g 协议同时内置了IPv4 TCP/IP协议栈，能够与低速、低成本和低功耗的MCU(比如MSP430系列)组成非常理想的无线网络处理。

2)智能开关工作原理及流程(见图3)。

手机打开开关按钮，模块收到合上指令，PC8端口输出高电平，Q1导通，继电器的线圈有电流流过，继电器的触点L-IN和触点L-OUT吸合，开关闭合;手机关闭开关按钮，模块收到断开指令，PC8端口输出低电平，Q1截止，继电器的线圈没有电流，继电器的触点L-IN和触点L-OUT断开，开关断开。

3)APP方面。

利用APP实现云服务器通过网络给家里的设备发送数据。这个过程是APP→网络→云服务器→网络→智能开关。

利用智能提醒APP的按时提醒报警功能帮助人们有规律的周期化清洁家庭室外玻璃，并通过APP计算接水量，更进一步精准的实现节约用水。

3 废水智能化利用系统的特色

本系统功能合理、设计巧妙，为家庭废水的回收再利用提出了新的思路。

具有以下特点：

1)以家庭为单位，实现废水资源的回收再利用，实现了节水理念的创新。

2)可再利用废水的回收与处理系统的研究，实现了家庭废水收集，处理与储存方式的创新。

3)可利用废水用于家庭清洁数字智能化利用系统的研究，实现了家居生活方式的创新。

[1] 王晓昌.中国水资源现状评价和供需发展趋势分析[M].北京：中国水利水电出版社,2001.

[2] 卢亚雄.利用同层排水卫生间地面下结构储水系统的研究[J].山西建筑,2014，40(23)：164-165.

[3] 余海静.建筑内生活废水的再利用[J].建筑技术开发,2004(11):97.

Research on wastewater intelligent utilization system taking household cleaning as the goal★

Li Changxing Yu Linping*Zhang Hui Miao Shiyu Dong Junbo Deng Wenhao

(Ocean and Civil Engineering School, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China)

Through the research on the status of household wastewater recycling utilization, this paper analyzed the feasibility of household wastewater recycling utilization, and through the model test, designed a set of household wastewater collection and intelligent utilization system, elaborated the module design and work flow of the system, pointed out that the household wastewater recycling and intelligent utilization system was designed to research the premise on the practicality and simplicity, realized the efficient circulation utilization of water resource, embodied the design concept of energy saving and emission reduction.

household wastewater, recycling utilization, set water treatment, mechanical device, intelligent control

1009-6825(2016)34-0188-02

2016-09-26★：辽宁省大学生创新创业训练计划项目(项目编号：201610158000017)

李长星(1994- )，男，在读本科生

于林平(1964- )，女，硕士，硕士生导师，副教授

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