在南中国海岛礁上开展雨水深度净化研究

在南中国海岛礁上开展雨水深度净化研究

解强强

广东省航运规划设计院有限公司 广东省广州市 510000

摘要：为解决南海岛礁渔民定居后淡水资源问题，本文根据工程实例

介绍了一种雨水深度净化处理系统，并取得了专利证书ZL 2016 2 1474208.8，该系统通过一系列创新技术和设计理念，有效解决了岛礁居民的水资源短缺问题。系统包括格栅、初期雨水抛弃装置、蓄水池、压力滤池、水净化处理设备、超滤膜处理设备、水箱和给水泵等组成部分，能够实现对雨水的有效收集、预处理和深度净化。通过水质监测与保障措施，系统出水水质稳定达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。该系统的设计遵循环境适应性、经济实用性、操作简便性和安全可靠性等原则，满足了技术指标要求，为岛礁居民提供了安全、可靠、经济的饮用水解决方案。未来，随着技术的不断优化和创新，雨水深度净化处理技术将在南海岛礁得到更广泛的应用，为岛礁居民提供稳定、安全的饮用水源。。

关键词：雨水、深度净化、岛礁、研究

1引言

在西沙群岛工程设计中，由于淡水资源匮乏，故设计了一种适用于南海岛礁的雨水深度净化处理装置。岛礁地理位置特殊，通常位于热带或亚热带地区，降水量相对较多，但由于其地理环境的特殊性，如面积狭小、地形复杂，使得岛礁上的淡水资源十分有限。此外，岛礁上的水资源往往受限于自然条件，如季节性降水、地下水资源匮乏等，导致岛礁居民面临着严峻的用水问题[1]。

雨水作为一种可再生资源，对其进行深度净化处理，不仅可以解决岛礁居民的用水问题，还可以减轻对传统水资源供应的依赖，降低用水成本[2]。此外，雨水深度净化处理还可以减少污水排放，保护岛礁生态环境，实现可持续发展。

随着科技的发展，雨水深度净化处理技术取得了显著的进步，如超滤膜技术、紫外线灭菌技术等，为岛礁雨水资源的利用提供了可能。未来，随着技术的不断优化和创新，雨水深度净化处理技术将在南海岛礁得到更广泛的应用，为岛礁居民提供稳定、安全的饮用水源。

2南海岛礁雨水深度净化处理装置的组成与工作原理

本雨水深度净化处理装置旨在为南海岛礁提供一种高效的水资源净化解决方案。装置主要由格栅1、初期雨水抛弃装置2、蓄水池3、压力滤池4、水净化处理设备5、超滤膜处理设备6、水箱7以及给水泵8组成。见图1。

图1 南海岛礁雨水深度净化处理装置组成

2.1格栅

格栅的基本功能在于截留和去除雨水径流中体积较大的悬浮物和杂质，如树叶、塑料袋等。这一步骤旨在显著减少后续处理单元的负荷，从而提高整体处理效率。格栅装置通常采用精细的网格结构，以确保有效拦截较大尺寸的杂物。此外，为了便于维护和清理，格栅装置配备有手动格网，以便于人工清除截留的杂物。此过程不仅有助于提升水质，而且对于保护水处理设备免受损害具有重要意义。通过对格栅装置的有效利用，可以显著降低雨水径流中的悬浮物含量，为后续的深度净化处理创造有利条件。

2.2初期雨水抛弃装置

初期雨水抛弃装置的工作原理是基于屋面初期雨水含有较高浓度的悬浮物和污染物，这些污染物主要来源于空气中的灰尘和其他悬浮颗粒[3]。为了提高雨水收集的水质，并降低后续处理成本，初期雨水抛弃装置被设计用于自动弃流一定量的初期雨水。

具体而言，屋面的初雨抛弃量通常设定为1~2毫米的降雨量。当达到这个降雨量时，初期雨水抛弃装置内的浮球阀会逐渐关闭，从而停止弃流雨水。此时，弃流后的雨水将被汇入蓄水池中，而弃流的雨水则进入污水管道进行排放。

2.3蓄水池

在南海岛礁雨水深度净化处理装置中，蓄水池是一个关键组成部分，具有存储、调节和沉淀功能。该蓄水池的设计目的是用于收集和储存经过格栅截留和初雨抛弃后的雨水。其主要功能包括：（1）存储：蓄水池提供了足够的空间来存储收集的雨水，为后续的净化处理提供稳定的水源。（2）调节：蓄水池可以根据降雨量和用水需求的变化，调节和分配雨水资源，确保装置的稳定运行。（3）沉淀：蓄水池具有一定的沉淀作用，有助于降低雨水的浊度和悬浮物含量，减轻后续处理单元的负荷。

为了确保蓄水池的有效运行，该装置设有溢流管。当收集的雨水量超过蓄水池的有效容积时，多余的雨水将通过溢流管排出，避免蓄水池溢满。此外，蓄水池内还设有压力提升泵，该泵的作用是为整个雨水深度净化处理装置提供必要的水压，以保证后续处理单元的正常运行。

2.4压力滤池

在南海岛礁雨水深度净化处理装置中，压力滤池作为过滤设备，有效去除弃流后雨水中的固体悬浮物，同时解决过滤过程中的水头损失问题。该滤池采用0.6～1.0毫米粒径、1.1～1.2米厚度的粗滤料，有助于提高过滤效率和减少水头损失。滤速范围广，可达8～10米/小时，满足大规模雨水处理需求。在必要时，采用压缩空气辅助冲洗以节省冲洗水量并提升冲洗效果。滤池配备压力表监测水头损失，通常为5～6米，有时可达10米。配水装置多采用缝隙式滤头，确保均匀过滤效果。占地面积小，有多款定型产品可选，便于缩短建设周期和简化运行管理，因此在小型工程中得到广泛应用。

2.5水净化处理设备

在南海岛礁雨水深度净化处理装置中，水净化处理设备集成了混凝、沉淀和过滤工艺，实现了一体化处理，占地面积小，便于安装维护，提升了处理效率。设备利用电絮凝技术通过电化学反应使污染物聚集成絮状物进行混凝沉淀，石英砂过滤则去除水中杂质和悬浮物，确保水质清洁。此外，设备配备了自动反冲洗装置，以维持过滤效果的持续性。

2.6超滤膜处理设备

在南海岛礁雨水深度净化处理装置中，超滤膜处理设备被采用以保证饮用水质量并控制水中有毒有害物质。超滤技术利用压差作为驱动力，通过高精度的膜分离性能实现固液分离，从而对不同相对分子质量的物质进行分级。

超滤膜能够同时进行浓缩和分离大分子或胶体物质，其设备在处理过程中无相变，能耗低，且膜的选择性高。这一技术特点使得超滤膜处理设备在去除水中的微生物、胶体和颗粒物方面具有显著优势，进一步提升水质。

2.7水箱

在南海岛礁雨水深度净化处理装置中，处理达标的生活用水被储存在不锈钢水箱中。为了确保水质的持续安全，水箱内部配备了紫外线灭菌装置。该装置利用254纳米波长的紫外线光，这一特定波长的紫外线能够破坏细菌和病毒的生命核心——DNA，从而阻止细胞的再生，使细菌失去活性并变得无害。

即使是在微量的紫外线投射剂量下，该技术也能有效地实现灭菌，确保生活用水的质量。这种紫外线灭菌方法不仅高效，而且不改变水质的物理和化学性质，是一种安全、环保的消毒方式。通过这种方式，不锈钢水箱储存的生活用水在供应给用户之前得到了额外的安全保障，为南海岛礁居民提供了稳定、安全的饮用水源。

2.8给水泵

在不锈钢水箱外部安装给水泵，通过给水泵的加压作用，将淡水输送到岛礁用户水管中。此过程中，给水泵发挥着至关重要的作用，它将水箱内的淡水增压，确保水能够顺利地流动到岛礁上的用户水管中。这种给水泵装置通常采用不锈钢材质，以耐腐蚀、耐磨损的特性保证长期稳定运行。在给水泵的推动下，淡水得以高效、迅速地分配至岛礁各处，满足用户的生活用水需求。

3南海岛礁雨水深度净化处理装置的开发与应用

3.1装置设计原则与技术指标

3.3.1 设计原则

本南海岛礁雨水深度净化处理装置的设计遵循以下几个原则：

（1）环境适应性：

1）气候条件：南海岛礁常年处于高温、高湿、强风等环境中，装置设计应采取防水、防腐蚀和耐高温材料。关键部件应涂有耐腐蚀的涂层，并使用耐盐雾的材料，防止设备因盐雾腐蚀而失效。

2）风力影响：考虑到强风的影响，装置结构应具有足够的抗风能力。设计中应包括稳固的基础和抗风设计，以保证装置在极端天气条件下仍能稳定运行。

3）降水量：南海岛礁降水量大，设计应包括高效的雨水排水系统，防止雨水积聚对设备造成损害。此外，装置应具有防洪设计，确保在暴雨期间也能正常运作。

（2）经济实用性：

1）初期投资：选择具有成本效益的材料和技术，优先使用成熟的技术解决方案，以降低建设初期的投资。综合评估不同技术的性价比，选择最适合岛礁环境的方案。

2）运营成本：设计中应考虑降低能源和维护成本。例如，采用高效能的处理技术和设备，以减少能源消耗，并优化设备的维修周期，降低长期运营费用。

3）本地资源利用：尽可能利用岛礁的本地资源，如雨水收集系统，减少对外部资源的依赖。考虑本地条件的可持续技术，例如利用太阳能或风能等可再生能源，降低运营成本。

（3）操作简便性：

1）用户友好界面：设计简化控制面板和操作界面，确保岛礁居民可以轻松理解和操作。包括直观的显示屏和简洁的操作流程，降低操作复杂性。

2）自动化功能：引入自动化系统以减少人工干预。包括自动监测水质、自动调节处理参数、自动清洁系统等，确保设备在最小人工干预下运行。

3）维护便利：设计应考虑设备的模块化和可维护性，便于快速更换故障部件和进行定期维护。提供详细的操作手册和维护指南，并培训岛礁工作人员，以提高维护效率。

（4）安全可靠性：

1）水质监测：装置应配备先进的水质监测系统，实时检测水质指标如pH值、浊度、细菌含量等，确保处理后的水质符合生活饮用水标准。一旦检测到水质异常，应自动发出警报并启动备用处理程序。

2）防故障设计：设计应包括冗余系统和备用设备，以应对主系统出现故障时保证持续供水。采用高质量、经过严格测试的组件和材料，减少故障发生的可能性。

3）应急预案：制定详细的应急处理预案和应急响应程序，包括设备故障、自然灾害等情况下的应对措施。定期进行应急演练，确保岛礁居民能够迅速有效地应对各种突发情况。

3.3.2 技术处理

根据《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）和实际需求，装置需满足以下技术指标：

（1）水质标准：处理后的水质不仅应符合《生活饮用水卫生标准》的各项要求，包括pH值、色度、浊度和金属离子等基本指标，还应符合微生物指标如总细菌数、大肠杆菌等，以确保水质的全面安全和适宜饮用。此外，应定期检测水质，确保其长期稳定符合标准，并采取必要措施处理水质异常情况。

（2）处理能力：装置设计需综合考虑岛礁的年降水量、居民用水量、峰值需求等多方面因素，确保其处理能力既能满足日常需求，又能应对突发情况。此外，应考虑装置的扩展性，以便在岛礁人口增长或用水需求变化时进行适当的调整或升级。

（3）设备寿命：装置中的设备材料应采用优质耐腐蚀性材料，如不锈钢、塑料或涂层材料，能够抵御海洋环境中的盐雾和湿气，减少腐蚀和磨损。定期进行设备检修和维护，及时更换磨损部件，保证设备长期稳定运行。此外，考虑到维修便利性，设备设计应便于拆卸和检修。

（4）能耗指标：优化装置设计以提高能源使用效率，包括采用节能型泵等设备，减少能耗。此外，可以考虑引入可再生能源（如太阳能、风能）来降低外部电力依赖，并使用智能控制系统来动态调整能耗，以应对不同的工作负荷和环境条件。

（5）自动化程度：装置应具备高水平的自动化控制系统，包括自动监测、调节和报警功能，以减少人工干预。同时，应配备先进的数据采集和分析系统，实现远程监控和故障诊断，确保系统能够自适应变化，提高运行效率和可靠性。此外，设计中应考虑自动清洗和维护功能，以进一步减少人工操作和系统停机时间。

通过以上设计原则和技术指标的遵循，本南海岛礁雨水深度净化处理装置旨在为岛礁居民提供安全、可靠、经济的饮用水解决方案，同时实现雨水的资源化利用，促进岛礁的可持续发展。

3.2雨水收集与预处理

在热带岛屿，尤其是南海礁岛，淡水资源获取困难，传统收集方式效率低下，难以满足岛民需求。因此，开发有效的雨水收集与预处理装置至关重要。南海岛礁雨水深度净化处理装置解决了这一问题，设计了一套完整的雨水收集流程。该装置首先抛弃初期雨水以去除悬浮物和灰尘，提高后续处理效率。抛弃的雨水通过污水管道排放，干净的雨水则被收集并输送到蓄水池中，确保收集到的雨水尽可能干净。

图2 南海岛礁雨水深度净化处理流程图

在南海岛礁雨水深度净化处理装置中，蓄水池扮演着至关重要的角色，它不仅存储经过初雨抛弃后的雨水，还负责沉淀雨水中固体颗粒，以减少后续处理的负担。为了应对雨水量变化，蓄水池设计考虑了溢流机制，通过溢流管排出多余的雨水，同时内置的压力提升泵为整个装置提供必要的压力，确保稳定运行。此外，装置中的格栅截留装置用于拦截原水中的大体积杂物，如树叶和塑料袋，这些措施共同构成了一个高效的前处理阶段，为深度净化处理提供了坚实的基础，确保进入后续处理环节的雨水尽可能干净。

3.3深度净化处理工艺

在南海岛礁雨水深度净化处理装置中，经过雨水收集与预处理后，装置进入关键的深度净化阶段，直接影响出水水质是否符合饮用水标准。装置采用压力滤池有效去除固体悬浮物，减少水头损失，并考虑使用压缩空气辅助冲洗以提高过滤效率。接着，水净化处理设备集成了混凝、沉淀、过滤工艺，电絮凝装置进行混凝沉淀，石英砂过滤杂质，自动反冲洗装置维持稳定运行。超滤膜处理设备进一步去除有害物质，利用超滤技术实现固液分离，保证水质安全[4]。紫外线灭菌装置确保水箱内储存的水质卫生。通过这些深度净化处理工艺，装置能够有效去除雨水中的杂质、微生物等，使水质达到生活饮用水标准，提高雨水资源利用效率，为岛礁居民提供安全、可靠的饮用水。

3.4水质监测与保障

为了确保雨水深度净化处理装置出水水质达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022），装置配备了先进的水质监测设备，能够实时检测出水中的PH值、色度、浊度、金属离子等关键指标。这些设备能够快速、准确地反馈水质状况，为装置的调整和优化提供数据支持。同时，装置设定了严格的水质标准，这些标准高于国家标准，确保即使在水资源紧张的情况下，也能够为岛礁居民提供安全、可靠的水源。

表1 岛礁雨水收集及处理工程的雨水水质监测结果

装置建立了完善的水质监测机制，包括定期对出水水质进行采样检测，对监测数据进行记录和分析，以便及时发现并解决可能出现的水质问题。此外，装置还设有预警机制，当监测数据超出设定标准时，装置会自动报警，并启动应急处理程序，以防止不合格的水质流出。

3.5南海岛礁地区的应用

南海岛礁雨水深度净化处理装置的应用对于解决岛礁地区淡水资源短缺问题具有重要意义。该装置通过集成创新的水处理技术，实现了对雨水的有效收集、预处理和深度净化，确保了出水水质稳定达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）。这一技术的应用不仅提高了岛礁居民的生活质量，还有助于减少对外部淡水资源的依赖，降低运输成本，并减少污水排放，从而保护了岛礁脆弱的生态环境。

此外，雨水深度净化处理技术在其他潜在应用场景中也具有广泛的应用潜力。例如，在广东省内其他无人岛如大蠔沙、大虎岛、上横挡岛等，这些地区由于缺乏稳定的淡水资源，雨水净化装置可以有效解决孤岛看守和居民的饮用水问题。在内陆偏远地区，尤其是在干旱和半干旱地区，雨水收集和净化技术可以作为一种补充水源，提高当地居民的饮水安全。在自然灾害发生时，如地震、洪水等导致供水系统破坏的情况下，雨水净化装置可以快速部署，提供临时的饮用水解决方案。

技术的不断优化和创新是该装置成功应用的关键。通过研发新型过滤材料、改进净化工艺和提高自动化水平，可以进一步提高雨水净化装置的处理效率和水质稳定性。集成智能监控系统，实现对雨水收集、净化和分发过程的实时监控和远程控制，提高系统的可靠性和维护便捷性。随着技术的成熟和规模化生产，装置的生产和运营成本有望进一步降低，使得雨水净化技术更加普及和经济。

南海岛礁地区的应用前景广阔，随着技术的不断进步，雨水深度净化处理技术将为岛礁居民提供稳定的饮用水源，促进岛礁地区的可持续发展。同时，该技术在其他地区和场景的应用也将为解决全球水资源短缺问题提供新的思路和方法。

3.6环境与经济效益分析

（1）解决水源问题与成本降低

南海岛礁雨水深度净化处理装置的应用，显著提升了岛礁地区的水资源自给能力。通过对雨水的高效收集与净化，装置能够为岛礁居民提供稳定的生活饮用水，减少了对外部供水的依赖。据估算，该装置的运行成本远低于传统的海水淡化和远距离输水成本，具体数据如下：

传统海水淡化成本约为每立方米5至10元，而雨水净化处理成本可降低至每立方米2至3元。

装置的维护和运营成本也相对较低，主要涉及定期更换滤膜和化学药品，以及能源消耗，年均维护成本约占总投资的10%至15%。

（2）生态环境保护与可持续发展

雨水深度净化处理技术在保护岛礁生态环境方面发挥了重要作用。通过减少对海水淡化的依赖，降低了大量消耗能源和产生高浓度盐水对海洋环境的潜在影响。此外，该技术的应用还有助于减少污水排放，保护岛礁周边的珊瑚礁生态系统，具体效益包括：

减少能源消耗：与传统海水淡化相比，雨水净化处理技术减少了约30%的能源消耗。

降低环境影响：减少了因海水淡化产生的盐水排放对海洋生态的破坏，保护了珊瑚礁和其他海洋生物。

促进可持续发展：雨水净化处理技术为岛礁地区提供了一种可持续的水资源管理方案，有助于支持岛礁地区的长期发展和生态保护。

南海岛礁雨水深度净化处理装置不仅在技术和经济上具有显著优势，而且在环境保护和可持续发展方面也展现出巨大潜力。随着技术的进一步优化和应用推广，预计将为更多岛礁地区带来积极的变化。

4 结论

本文提出的南海岛礁雨水深度净化处理装置，通过集成创新的水处理技术，实现了对雨水的有效收集、预处理和深度净化，确保了出水水质稳定达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）。该装置的成功研发和应用，不仅解决了南海岛礁地区居民的饮用水安全问题，也为类似环境下的孤岛提供了可行的水源解决方案。

1）技术应用与推广

该装置的技术应用前景广阔，不仅适用于南海岛礁地区，也可推广至广东省内其他无人岛，如大蠔沙、大虎岛、上横挡岛等。这将有助于解决孤岛看守人员和岛内居民的饮用水源问题，减少对外部供水的依赖，提高岛礁居民的生活质量。

2）经济与环境效益

该装置提供了一种安全、可靠、经济的饮用水解决方案，有助于降低用水成本，减少污水排放，保护岛礁生态环境。随着技术的不断优化和创新，雨水深度净化处理技术将为岛礁居民提供稳定的饮用水源，促进岛礁地区的可持续发展。

3）技术创新与优化

技术的不断优化和创新是该装置成功应用的关键。通过集成多种水处理技术，如初期雨水抛弃、压力滤池、水净化处理设备、超滤膜处理设备和紫外线灭菌装置等，实现了雨水的高效净化。未来，随着新材料、新工艺的应用，该装置的处理效率和水质稳定性将得到进一步提升。

4）社会与生态影响

该装置的应用对于改善岛礁居民的生活条件、保护岛礁生态环境具有重要意义。它不仅提高了岛礁居民的饮用水安全，还有助于减少对传统水资源的过度开发，保护了岛礁的自然资源和生态系统，促进了岛礁地区的社会和生态平衡。

参考文献：

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