农村家用压力水塔自洁装置

假期，我在乡下走亲戚时发现，大部分青壮年外出发展，一部分家庭仅有老人和孩子留守，为了用水方便，大多数人家中都打有水井，使用压力水塔。

我进一步了解到，现在农村普遍使用的水塔有两种，一種放在楼顶，利用高度差产生的压强来保障供水压力;第二种是利用塔内的气压，通过压力传感器来保障用水所需要的压力。然而，在向居民们了解饮水安全时，他们表示从未清洗过水塔。村民都知道水塔长年累月不清洗一定很脏，但由于水塔都是密封的，他们不知道如何清洗。

我上网搜索有关农村饮水安全的关键词，发现政府的饮水安全工程目前还只覆盖到城镇集中供应自来水的区域，未惠及偏远的农村。资料显示，全国发生过多起因水塔污染导致群体性疾病的事例。

查阅这些资料后，我有一个强烈愿望：发明一个装置，让农村居民使用水塔的水污染问题得到解决。

一、 设计定位

农村家用压力水塔自洁装置是为了农村居民饮水安全而设计的，它是水塔结构中的一个功能性部件，只能对水进行粗加工，是对农村居民水安全的一种补充，不能代替市面上普遍使用的净水器。

农村家用压力水塔自洁装置主要由抽水机、水塔、自洁装置、压力表、水管、水龙头以及其他辅助设备组成，其中自洁装置是核心技术部件。

本项目设计的主要技术难点是如何确保生活用水中无泥沙、铁锈等杂质。其中涉及过滤、冲洗问题，为此项目研究必须通过相应的实验来获得解决问题的技术支持。

所设计的装置应满足农村居民用水需求，符合他们的使用习惯，力求结构简单、成本较低。

二、功能设计

设计此装置的技术难点在于，怎样在不影响日常用水习惯，不另花时间和精力清洗水塔的条件下让水塔自洁。

求解“水塔自洁”的问题，可采用“发散-收敛”的思维路径。按照创造工程学的功能设计法，可从“水塔自洁”这一总功能出发分解功能，提出若干分功能。为了实现分功能，可以采用分功能用水、反冲式排水和进水以及过滤技术等。

三、理论依据

1.分功能用水的依据

走访宁乡市回龙铺镇10个自然村得知，农村散居人口一般以户为单位自建住宅，每户自建一个压力水塔，水源为自家井水。用水主要分为两种，一是生活用水，主要用于做饭、洗衣等日常生活，要求水质洁净。另一种是生产用水，主要用于种菜、洗地等，对水质的洁净度要求低，使用频次约为每周2次，用水量较大。水塔中的沉积物可通过生产用水一同排出，不会污染水塔。

因此，本装置设计采用分功能排水的方式，另加一个生产用水龙头，与水塔底部相连，水塔中的污染物通过日常生产用水排出水塔，不会沉积于水塔中，从而保证生活用水的洁净。

2.反冲排污原理

反冲是一个物理学名词，是指静止或运动的物体通过分离排除部分物质，使自身在反方向获得加速的现象。

本装置在两处设计上利用该现象，一是排水阀上安装旋转龙头。使用生产用水时，反冲作用让旋转龙头旋转，排水和搅拌同时进行，方便沉积在水塔底部的污染物随生产用水排出。二是进水时也安装旋转龙头，在进水的同时冲洗了附着在内壁上的污染物。因为水塔的进水和排水每天都在进行，日常生活就能达到让水塔自洁的目的。

四、方案设计与制作

1.方案一

本方案设计的装置由水塔、转反冲式排水龙头、转反冲式进水龙头及辅助设备组成。

转反冲式排水龙头由园林喷水龙头改装而来，去掉底座其他部分，只留出水管道和接口螺纹，在保护螺纹的情况下，在燃气灶上适当加热，向下弯曲到可安装在水塔底部为止。将出水方向调整为斜向下，直到出水管能在反冲力作用下旋转为止。

2.方案二

本方案模型中采用一个较大的滤芯，将生活用水和生产用水隔开。生活用水经过滤芯后水质得到了净化，将杂质、微生物等都集中在中心区域，排水时能将污水排出。调查结果显示，长期使用的盛水容器器壁上有一层污垢，可以在从进水口流入的旋转水流不断冲刷下，实现自洁。

3.方案三

本方案设计的模型中加装了一个活性炭滤芯，整体结构与方案二相同。滤芯的内外两层用圆孔板承力，内外均加500目过滤网，中间用活性炭压实，底部为圆板，顶部用不锈钢封口。其余结构与方案二一致。

五、测试

1.目的

检验农村家用压力水塔自洁装置的使用效果，判断其能否达到设计要求，并对比三种装置的自洁效果。

2.器材

根据三个方案设计制作的装置、增压泵、滤纸、漏斗、电子天平。

3.方法

（1）取混浊的池塘水进行自洁实验。采用目测法和称重测量法检验自洁效果。目测池塘水的清洁度后，将水注入制作的装置进行自洁。然后取生产用水和生活用水各500mL，再次目测，接着用滤纸过滤，用电子天平测量带污染物的滤纸质量，比较自洁效果，记录测量结果。

（2）取方案三装置自洁后的水质样本到宁乡银龙水质检测有限公司进行检测。

4.结论

三种方案设计的装置都提高了水塔的自洁度，装置三的效果更优，水塔的自洁度更高，能将生产用水和生活用水隔离，使用生产用水时能更好地排出水塔中的污染物，不受生产用水使用频率的影响。生活用水经滤芯过滤，洁净度更高。所以，最终我们决定采用方案三设计的装置。

六、创新点

1.在充分开展调查的基础上，根据农村散居人口的用水需求，将水塔的水按功能划分，即一种是作为饮用、洗衣等生活用水，另一种是作为洗地、浇花等生产用水，在不定期的洗地、浇花过程中完成水塔的自洁。

2.用滤芯将生活用水和生产用水隔离，保证生活用水的洁净，水塔中的泥沙、铁锈等沉积物都积累在生产用水中，当需要洗地、浇花的时候，将水塔中不洁净的水排出水塔。

3.使用反冲旋转龙头，进水时旋转龙头冲水，将滤芯内壁冲洗干净。排水时旋转龙头排水，一边排水一边搅拌，能较完整地将沉积在水塔底部的杂质排出。

该装置不仅能应用于农村家用压力水塔，对其他水塔（如小区二次供水塔、楼顶水塔等）的自洁方法的研究与设计也有一定的借鉴价值。 （指导老师：谭 聪 朱灿辉 罗定庚）

郑翰轩同学的农村家用压力水塔自洁装置是一件富有爱心与责任心的发明作品。

作为一名生活在城市的中学生，强烈的关爱他人之心促使郑翰轩在农村走亲戚时还不忘了解村民的用水情况及用水安全问题;当发现村民自建水塔都是密封的、不知道怎样清洗且不清洗，可能引起水塔污染导致群体性疾病发生之时，其强烈的责任心迫使他想到了这项发明课题，并设计完成了这个装置，让村民使用水塔的水污染问题得到了解决。

新时代的中学生应牢固树立社会主义核心价值观，像郑翰轩同学这样关心农业，走向农村，关爱农民，为国家实施乡村振兴战略助力，为农业农村现代化——“产业兴旺、生态宜居、乡风文明、治理有效、生活富裕”等，贡献自己的创新智慧，学以致用，创新成长。