【背景】
8月4日，云南鲁甸地震第二天，震中龙头山镇的龙全中学食品匮乏，只能吃外面输送进来的泡面，地下水和自来水因为地震水质现在比较浑浊，洁水有限优先供应伤员，目前救援人员只能用浑水泡面做饭。后勤是当地组织的，浑水是自来水，放了消毒药片。部队里要求战士只吃面不喝汤。
【思考】
饮用水是部队后勤保障的重要组成部分，特别是当部队在特殊环境下执行任务时，供水保障的地位就更为突出。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。野战供水保障问题成为世界性研究课题。
美军净水装备及技术发展综述
杨敏 总后建筑工程研究所五室
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(Mobile waterpurification unit,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(Reverseosmosis water purification,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。via《给水排水》杂志
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的600型ROWPU、3000gal/h的3000型ROWPU及150000gal/d的150000型ROWPU。 600型和3000型ROWPU，它们分别于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（Tactical water purification system，简称TWPS）和轻型净水装备（Light weight water purifier，简称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（Expeditionary unit of water purification，简称EUWP）。它们的主要处理工艺及处理能力如表1所示。
1.1 ROWPU反渗透系列净水装备
该型号的装备的机动性和适应性强，在任何地方都能够快速展开和使用。其处理工艺采用物理方法和化学方法相结合，能够将不同类型的原水净化成为洁净的饮用水。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。via《给水排水》杂志
600型ROWPU反渗透净水装置的净水能力为12000gal/d（盐度35000ppm），当原水的盐度较低时，其产水能力还能更大，其每天可连续运行20h，剩余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。但最大的不同就在于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, 其处理流程为: 原水泵—增压泵—絮凝剂泵 —介质过滤器 —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-functional modular fluid filtration system, 简称MMFFS)共分三级, Ⅰ级为微孔过滤器, 能够过滤去除5微米以上的颗粒物等;Ⅱ级由获得专利的Ad-Ab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2.5微米级过滤, 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/分和120gal/分, 工作压力40～60磅/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、反渗透膜清洗液、核化生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。via《给水排水》杂志
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部分组成：进水单元、微滤（Microfiltration，简称MF）单元、反渗透单元、空气单元、化学试剂加注单元、配水单元、核生化净化单元。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≥60000毫克/升）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。其与600ROWPU相比，其在体积、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kW.h的水方面独具优势，其效率和产量都很高。
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部分组成：进水模块、超滤（Ultrafiltration，简称UF）模块、高压泵模块、反渗透模块、化学试剂加注/清洗模块、核生化后处理模块、配水模块和供电模块。其主要是为满足小分队、特种任务部队（Special operations forces，简称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UN-60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年由美海军研究办公室研发的一种先进的军民两用净水系统，由Village Marine Tec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100,000gal/d和200,000gal/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,每天为当地一家医院提供100,000gal/d的洁净饮用水, 发挥了重要作用。
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，Dow FILMTEC反渗透系统处理能力为80gal/min。两个单元各由一台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-reinforced plastic, 简称FRP)材质的水泵, 相比较于传统的碳钢水泵, 其质量大约减轻了25%, 每套系统仅重1500磅，可安装在 20ft×8ft×8ft的ISO标准集装箱内，采用C-130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300,000gal/d, 并且质量更轻, 体积更小。via《给水排水》杂志
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。
2.1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（Separation system technology）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，并且给细菌滋生提供了场所。而这种新型膜的网孔是直接印在膜上的，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。via《给水排水》杂志
2.1.2正渗透技术
美军也在研究将正渗透（Forward osmosis）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Hydration bag，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（Ion concentration polarization）技术, 则是通过静电排斥作用将盐和微生物通过离子选择性膜材料从水中分离出来, 这样水流无需通过膜材料即可达到除盐目的, 从而不需要提供高压差, 自然也不会有膜污染的发生。
这种在微型规模下工作的微流装置, 其结构原理类似于微型电机。每一个净水单元仅能处理很微量的水, 但是研究人员通过大量组装, 将1600个此净水单元组合到一个直径8in的装置, 每小时可制备15升洁净水。整个装置是自容式的, 利用重力工作, 从上面将盐水倒入, 经过分离, 淡水和浓缩盐水就分别从下面的两个出口流出。via《给水排水》杂志
相比于目前反渗透等较为成熟的规模化技术, 这种新技术的耗电量还稍微有点高。相信在不久的将来, 通过合理的工程化设计, 该系统的电耗将大大降低。由于是靠静电作用进行分离的, 因此那些不带电的污染物就不能被分离。考虑到残留的颗粒物大多数是工业污染物, 研究人员建议将该系统与传统的活性炭过滤系统相结合, 这样就能够获得纯净安全的饮用水。预计很快就能开发出较为成熟稳定的小型或单兵海水淡化装备。
2.1.4电容去离子技术
生物技术公司（Biosource Incorporated）正在研制一种新型的电容去离子技术（Capacitive deionization）净水装置。其原理是让水流通过电容器，利用电容器表面的极化作用去除水中的离子，以达到净水目的。该技术能够处理包括海水在内的任何原水。相比较于传统的净水技术，电容电去离子技术具有更好的热动力性能。在过去，由于受材料所限，此项技术还不能应用于海水处理上。但是现在生物技术公司研制出一种新型集成碳电极，其具备较高的电压和较大的过水面积，正是由于采用了这种新型碳电极以及新型电池层技术，该公司已研发出可成功处理海水的样机。同时，由于其具有良好的去离子、提高pH值、去除稳定性化合物的性能，使其处理汽车尾气制水成为可能。
2.1.5．电解氧化剂技术
氧化剂净水器（Mix oxidant，简称MIOX），其原理是将氯化钠溶液电解产生高效混合氧化剂（次氯酸钠、次氯酸、二氧化氯、臭氧、双氧水等），这种消毒剂可以抑制大量普通病原体，包括大肠杆菌、贾第虫和隐孢子虫，甚至包括某些化学战剂。MIOX净水器通过了美国环保署EPA关于微生物净水器所制定的指导标准，比规定的灭活要求还高出了10多倍，即便是美国环保署指定的“最差水质”的水源。via《给水排水》杂志
如图2所示, MIOX电解消毒笔超轻超小，仅重99克，无泵设计，只需加水、摇晃、按钮，操作非常简便。将此混合氧化液倒入需要净化的原水中，1 h后即可安全饮用，每次可处理1 gal的原水，目前美军已在阿富汗战区使用。
现在, 适用于ROWPU的大型MIOX电解消毒器也已经研制出来, 并且安装到ROWPU上进行了相关测试。
2.2 新水源
由于现有的供水保障仍然是基于有充足水源的基础之上, 进行净水、运水和配水, 但是未来战争作战形势更加严峻, 作战环境更具不确定性, 因而对供水保障提出了新的挑战, 即使在没有外界补给的情况之下, 也要能够满足部队的供水需求。因此美军为满足未来作战部队的保障需求，积极开发了多种非常规新水源, 包括尾气、空气、中水、雨水、汗水甚至人体尿液等。
2.2.1尾气制水
汽车尾气制水（见图3 ）将成为未来从非传统水源制水的非常有潜力的技术。柴油燃烧的主要产物为水和二氧化碳，方程式如下：
C12H22 + 17.5O2 → 11H2O + 12CO2
理论上讲，1gal的柴油大约能生成1gal的水。柴油燃烧后生成的冷凝水中还含有不少氮氧化物和硫化物等具有较强酸性的物质，还有灰颗粒、不完全燃烧产生的有机物、未燃烧的碳氢化合物、金属等其它污染物。
汽车尾气首先必须经过冷凝浓缩。假设1gal柴油就产生1gal水，经过理论计算，冷却器和热交换器的水蒸汽冷凝转化热效率为50%～70％比较合适。
尾气冷凝物的水质分析包括灰颗粒、极性或非极性有机物和金属等。在不同的冷凝浓缩的条件下，TOC总有机碳的变化范围处于60～360ppm之间。影响TOC浓度的主要因素包括尾气的温度、生成水量、发动机功率及接触转换的时间的长短等。非有机污染物主要包括铝、锌、硼、磷、铁等。其处理工艺包括过滤、活性炭纤维过滤、离子交换树脂吸附等。过滤主要是去除原水中的颗粒物（颗粒物浓度在20～100ppm之间），经过这一步骤，原水就由黑色粘稠液体变为黄褐色的较为清澈的水。活性炭基本能够完全吸附小的非极性有机物，但是对于较大的有机物或极性有机物等则只能吸附40%～50％。离子吸附树脂能够有效吸附除硼以外的所有无机物，以及极性有机物，能够有效降低TOC。via《给水排水》杂志
根据上述研究结果，美军不断对尾气制水装备进行改进。（1）采用木质活性炭颗粒去除较大有机物和极性有机物。（2）采用一种能够去除硼的新型混合离子树脂。通过以上这些技术改进，最终的出水中的污染物浓度低于饮用水标准。这项装备的成功研制，将为部队提供更加机动灵活的供水保障。
2.2.2空气制水
空气中的水蒸气是世界上最广泛存在的水资源。特别是干旱缺水地区，空气中的水蒸气就成为最好的水源，但现有空气制水装备存在体积大、能耗高的缺点。
目前美陆军部和国防高级研究计划局正在进行相关研究。一方面改进冷却系统，以提高进气中的水蒸气含量。正在研制的新型沸石和化学表面改性活性炭，其具有更好的吸水性能，并且相比较于一般吸附剂，此改性活性炭能够更容易地脱水，从而降低能耗。另一方面就是研究新型浓缩技术, 其通过采用新型冷凝技术与新的膜通道技术、表面改性材料和电聚合体的联用来实现。这种新型膜与生物膜类似，膜上的亲水材料使它能够抵抗浓缩的离心力影响，让微分子顺利通过，从而降低能耗。特别之处是，此膜表面与电极联通，因此其亲水性和憎水性可根据需要通过改变电极而变换，过滤时显示亲水性，而收集水时则显示憎水性。
空气制水技术适用于单兵、小型部队或无外界支援的部队等使用的小型模块化净水装置，其目标就是体积缩小为1/5~1/15，能耗降低到1/2~1/5。目前，空气制水试验板模型和车载样机已在阿伯丁试验场完成环境和道路试验等测试，其理论最大制水能力为每消耗1gal燃油可制备5gal水。下一阶段，将研制军用标准7.5t拖车式空气制水机，其产水能力为2～5gal水/gal油，每天制水500gal，做为FCS未来作战部队使用。
2.2.3中水回用
美军力量提供者(Force Provider, 简称FP)基地野营系统的集装箱式淋浴系统每天用水12000gal，每年达4.4Mgal。采用洗浴水回用系统(见图4)的水回用率为75%~80%，每年大约可节水3.3Mgal。目前，作战区的70支战斗支援部队采用此项技术之后，每年能节省231Mgal的水。
该洗浴水回用系统每天可处理12000gal洗浴废水（高峰流量40gal/min）。原水首先经过自清洗型（空气清除）预滤器，此滤器孔径为15微米, 能够去除毛发, 其后是2微米的微滤膜过滤, 去除溶液中的悬浮固体, 之后经过咸/海水型反渗透膜的过滤, 去除有机物、细菌、病毒等, 膜过滤之后采用活性炭过滤, 最后由自动加氯系统加氯, 达到饮用水标准。使用温度为–32℃～60℃。via《给水排水》杂志
该系统自动化程度高, 内置自测试装置和监控装置, 可实现7天无人值守自动运行。采用逻辑编程控制(PLC)，该控制带有液晶屏幕的用户界面、各种显示控制器、流量计、压力计，并设立/运行指令以及发现并修理故障等。
总之，该系统不仅提高了水的利用率，降低了使用成本，而且大大减轻了后勤补给负担，并且能够减少士兵因此而可能受到的危险或伤害。
2.3 新装备
2008年, 美军与商业界合作研制出了采用风能和太阳能供电的新型净水设备（见图5）, 其主要处理系统包括预处理单元、0.02微米的超滤单元和活性炭吸附单元。目前已有处理能力1000～6400gal/d的多种型号, 并且由于其带有特殊的电源调节器, 因而能够适应220V/110V/24V多种电压。这种太阳能/风能净水装备的出现, 提高了净水装备的机动性和适应性, 并且减少了野战燃料的消耗和有害物质的排放。
3结语
美军的净水装备和技术, 我们不难看出有以下几大特点:
一是注重以反渗透技术为基础的多种水处理技术的应用或联用, 包括微滤、超滤、纳滤, 以及正渗透、电容电去离子、离子浓缩极化、电化学法等很多新技术的应用, 不断对现有装备及处理技术进行改进或优化, 以提高产量, 降低能耗;
二是开发多种非常规水源, 比如汽车尾气制水、空气制水、中水回用等, 以摆脱净水装备对传统水源的依赖, 减轻部队运配水压力，提高部队自我保障能力, 有助于提升部队的机动性和适应性;
三是积极开发适应多种能源的新型净水装备, 特别是太阳能、风能等这些广泛存在且易于利用的可再生能源, 提高了净水装备的机动性和适应性, 并且减少了燃料的消耗和污染物的排放。via《给水排水》杂志
反观我军，总体而言，近年来其野营净水装备的研制和列装工作取得了较大进展, 但是与美国等发达国家相比, 仍有较大差距,根据我军现状及未来战争特点, 首先需要积极研发新型装备, 比如新能源或非常规水源净水装备等, 提高我军后勤供水保障能力; 再者用高新技术发展野战净水装备。比如可以反渗透技术为当前的主要研究方向, 研究和开发多种净水技术的高效组合的净水工艺, 改进其预处理系统或后处理系统等, 提高供水的质量和产量;其三要改进装备的处理工艺, 优选装备的零部件和材料等, 简化操作规程, 提高净水装置的稳定性、可靠性、适应性, 降低能耗。（参考文献略）
本文刊登于《给水排水》杂志2010年12月。
