【背景】
8月4日，云南魯甸地震第二天，震中龍頭山鎮的龍全中學食品匱乏，只能吃外面輸送進來的泡面，地下水和自來水因為地震水質現在比較渾濁，潔水有限優先供應傷員，目前救援人員只能用渾水泡面做飯。后勤是當地組織的，渾水是自來水，放了消毒藥片。部隊里要求戰士只吃面不喝湯。
【思考】
飲用水是部隊后勤保障的重要組成部分，特別是當部隊在特殊環境下執行任務時，供水保障的地位就更為突出。供水保障直接關系到部隊官兵的生理和心理健康狀況，也影響著整個部隊的作戰能力的發揮。野戰供水保障問題成為世界性研究課題。
美軍凈水裝備及技術發展綜述
楊敏 總后建筑工程研究所五室
供水保障直接關系到部隊官兵的生理和心理健康狀況,也影響著整個部隊的作戰能力的發揮。在第一次世界大戰中,美軍由于飲用水不達標而造成了很多官兵的身體不適,極大地影響了戰斗力的發揮,因此一戰后,美軍開始研究野戰供水保障問題。當時研發出的移動凈水裝備(Mobile waterpurification unit,MWPU)主要工藝是砂土過濾和氯化消毒。在隨后的二戰中,MWPU移動凈水裝備得以實戰檢驗,結果并不理想,它生產的水還不能完全達到飲用、洗漱及廚房用水等的要求。因此在二戰之后,美軍開始研制適用于各種不同水源的序列凈水裝備。在20世紀60年代,美軍認識到盡管這些系列裝備能夠滿足提供潔凈飲用水的要求,但是為了減輕勤務保障和操作維修的負擔,認為有必要研制一種能夠適應淡水、海水和苦咸水等各種不同水源的通用凈水裝備,另外還要能夠處理被核生化NBC污染的原水。最終美軍選定了反滲透技術,包括600型和3000型反滲透凈水裝備(Reverseosmosis water purification,ROWPU)等,它們分別于1981年和1989年裝備部隊,至今仍被陸軍、海軍陸戰隊和空軍使用。via《給水排水》雜志
1 美軍現有凈水裝備
美軍最初使用的標準反滲透凈水裝備有3種，分別為額定產水量為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，它們分別于1981年和1989年裝備部隊。150000型ROWPU 是為營區等固定設施設計的, 也被安裝在標準的軍用艦船上, 1981 年投入使用。除此之外, 美軍后來還研發了同樣基于反滲透技術的戰術凈水系統（Tactical water purification system，簡稱TWPS）和輕型凈水裝備（Light weight water purifier，簡稱LWP）, 分別于2004年和2005年裝備部隊。2004年還研制了遠征分隊凈水系統（Expeditionary unit of water purification，簡稱EUWP）。它們的主要處理工藝及處理能力如表1所示。
1.1 ROWPU反滲透系列凈水裝備
該型號的裝備的機動性和適應性強，在任何地方都能夠快速展開和使用。其處理工藝采用物理方法和化學方法相結合，能夠將不同類型的原水凈化成為潔凈的飲用水。其凈水裝置主要由進水系統、沉淀系統、過濾系統、配水系統和NBC核生化消毒系統五部分組成, 其過濾系統包括8個直徑為6in的反滲透單元, 核生化消毒系統則采用活性炭吸附和離子交換床過濾技術。via《給水排水》雜志
600型ROWPU反滲透凈水裝置的凈水能力為12000gal/d（鹽度35000ppm），當原水的鹽度較低時，其產水能力還能更大，其每天可連續運行20h，剩余4h則主要用于常規清洗和維護。600型ROWPU有三種不同型號，分別裝備陸軍、海軍和海軍陸戰隊、空軍。它由30KW拖車電站供電，整套設備可由5t載重卡車、鐵路、海、空運輸，空投及直升機懸投。
3000型ROWPU處理工藝與600型ROWPU基本相同, 也包括進水、沉淀、過濾、配水、消毒五個部分。但最大的不同就在于其進水系統的進水泵處增設了一個漩流分離器，以去除水中較大的懸浮物。其次它的過濾系統由12個直徑為8in的反滲透單元組成，每組各6個并聯運行。整個裝備可置于8ft×8ft×12ft的ISO標準集裝箱內，由40ft的半掛車進行運輸，同時配備有60KW發電機和高壓泵, 適應于汽車、鐵路、海、空運輸。
150000型ROWPU比其他 ROWPU 系統機動性差, 需要諸如鏟車等裝卸設備, 適宜在某個位置長期運行。該系統水處理過程與其他的 ROWPU 相類似, 其處理流程為: 原水泵—增壓泵—絮凝劑泵 —介質過濾器 —阻垢劑泵—筒式過濾器 —高壓泵 — 反滲透裝置。增壓泵除了用于多介質過濾器和筒式過濾器的過濾外,也用于多介質過濾器的反沖洗和反滲透組件的化學清洗。與其他 ROWPU 不同的是它沒有加氯設備, 因為該系統的產水最終要進入有加氯設備的標準貯槽和分配系統。
1.2 MMFFS多功能模塊化流體過濾系統
多功能模塊化流體過濾系統(Multi-functional modular fluid filtration system, 簡稱MMFFS)共分三級, Ⅰ級為微孔過濾器, 能夠過濾去除5微米以上的顆粒物等;Ⅱ級由獲得專利的Ad-Ab吸附劑模塊組成, 能夠去除大部分BOD、COD、 TSS、TOC、苯類等有機物和金屬等雜質; Ⅲ級為2.5微米級過濾, 去除殘存的雜質等。其有2000型和3000型兩種不同的型號, 其最大流量分別為35gal/分和120gal/分, 工作壓力40～60磅/in2, 能夠在2～52℃的環境下工作。
MMFFS主要用于ROWPU的預處理或后處理、反滲透膜清洗液、核化生沾染液及野戰洗浴水的處理等。特別是用作ROPWU的預處理單元, 取得了很好的效果, 大大提高了反滲透膜的產水效率和使用壽命。via《給水排水》雜志
1.3 TWPS戰術凈水系統
戰術凈水系統是一種完全自容式的可移動凈水裝備，它主要由7部分組成：進水單元、微濾（Microfiltration，簡稱MF）單元、反滲透單元、空氣單元、化學試劑加注單元、配水單元、核生化凈化單元。微濾預處理可以去除水中的固體懸浮物、微生物等，并且可以消除影響反滲透膜工作的水體漩渦，使TWPS能夠更好地適應各種原水，包括淡水、苦咸水以及高溶解固體濃度（TDS≥60000毫克/升）的海水。TWPS處理淡水時產水率為1500gal/h，處理苦咸水、海水或被核生化污染的原水則能達到1200gal/h。TWPS有兩種不同型號分別裝備于陸軍和海軍陸戰隊。
TWPS已在陸軍和海軍陸戰隊中逐步取代600ROWPU執行任務。其與600ROWPU相比，其在體積、質量等相似的前提下，其制水能力大大增強，特別是處理高鹽kW.h的水方面獨具優勢，其效率和產量都很高。
1.4 LWP輕型凈水裝備
輕型凈水裝備模塊化裝置主要由以下部分組成：進水模塊、超濾（Ultrafiltration，簡稱UF）模塊、高壓泵模塊、反滲透模塊、化學試劑加注/清洗模塊、核生化后處理模塊、配水模塊和供電模塊。其主要是為滿足小分隊、特種任務部隊（Special operations forces，簡稱SOF）以及臨時醫療分隊的供水需求而研制的，它能夠適應包括核生化沾染原水在內的各種原水。其處理淡水和海水的能力分別為125gal/h和75gal/h。它可以裝在HMMWV高機動性多功能輪式車輛M1097上運輸，也可以由C130運輸機或UN-60直升機運送。
1.5 EUWP遠征分隊凈水系統
遠征分隊凈水系統（見圖1）是2004年由美海軍研究辦公室研發的一種先進的軍民兩用凈水系統，由Village Marine Tec公司生產, 其產水量大，能耗低, 目前其Ⅰ代產品處理海水和淡水能力分別可達100,000gal/d和200,000gal/d, 是目前處理能力最大的移動式凈水系統。2005年在美國卡特里娜颶風救災行動中,每天為當地一家醫院提供100,000gal/d的潔凈飲用水, 發揮了重要作用。
EUWP由超濾和反滲透兩個單元組成，該系統中Koch超濾系統處理能力為270gal/min，Dow FILMTEC反滲透系統處理能力為80gal/min。兩個單元各由一臺60KW發電機驅動，超濾單元每處理1000gal水耗電2kW.h，反滲透單元每處理1000gal則耗電7.5kW.h。
EUWP采用增強型玻璃纖維塑膠(Fiberglass-reinforced plastic, 簡稱FRP)材質的水泵, 相比較于傳統的碳鋼水泵, 其質量大約減輕了25%, 每套系統僅重1500磅，可安裝在 20ft×8ft×8ft的ISO標準集裝箱內，采用C-130運輸機或卡車運輸。EUWP凈水系統的使用范圍很廣, 能夠在0℃～50℃的溫度條件下運行, 原水的溫度可為0℃～41℃。
目前正在研發的Ⅱ代裝備, 其凈水能力將達到300,000gal/d, 并且質量更輕, 體積更小。via《給水排水》雜志
2 下一步研究重點及發展趨勢
美陸軍坦克車輛研發工程中心TARDEC和國防高級研究計劃局正在研究可以不受水源地的束縛, 在戰場的任何地方都可以制水的新型凈水裝備，以減輕運配水保障壓力。實現這一目標主要通過以下兩種途徑：一是研發更高效、質輕、緊湊的凈水裝備；二是從非傳統水源，比如空氣或汽車尾氣等中制水。
2.1新技術
目前美軍供水裝備存在的主要問題包括: 能耗偏高；體積和質量偏大；容易結垢, 膜壽命短；低溫運行時穩定性差；化學試劑、過濾器材等消耗大；當原水中的水質污染物發生改變時，操作也需作相應調整。針對以上這些問題, 美軍正在積極研究新技術, 具體包括抗氯型反滲透膜、正滲透、離子濃縮極化、電容電去離子和電化學消毒技術等。
2.1.1新型反滲透膜技術
美軍一直在尋找一種能夠減少濃縮極化和生物污垢的新型膜技術。分離系統公司（Separation system technology）已經研發出了一種能夠降低生物污垢的抗氯型的新型反滲透膜。由于現有的膜材料大都不具抗氯性，因而很容易被氯降解，而這種新型的抗氯膜則能夠利用氯來減少微生物在膜上結垢從而延長其使用壽命。MIXO公司正在研制一種采用先進網孔結構膜和脈沖水流技術的手持式反滲透系統。脈沖式水流將能夠減少膜表面污染物的形成，從而減少濃縮極化現象和生物污垢。現有的反滲透膜系統，其膜與膜之間是由一些菱形網孔結構聯接而成的，這些孔隙影響了水流通過，并且給細菌滋生提供了場所。而這種新型膜的網孔是直接印在膜上的，并且其形狀、大小或厚度可根據實際需要調節，從而提高過水性能，減少極化和結垢現象。所以說，脈沖式水流和新型網孔結構設計，大大降低了系統的操作水壓，減少了清潔頻次，進而節約了成本。這些新技術將逐步應用推廣到包括小型模塊化凈水裝置和單兵凈水器等在內的陸軍所有的凈水裝備。via《給水排水》雜志
2.1.2正滲透技術
美軍也在研究將正滲透（Forward osmosis）技術運用到單兵凈水器中。相比反滲透而言，正滲透是利用膜兩側的滲透壓差進行滲濾，因而幾乎不需要外力，這樣其能耗也大大降低。美國水合技術公司（HTI）開發出世界上第一種可商業應用的正向滲透膜，并生產出使用該技術的乙烯基XPack便攜式水合水袋Hydration bag，其在產水側加入飲料粉和帶電離子類食物(如鹽、糖、氨基酸等), 這樣就能利用膜兩側的滲透壓差, 將原水側的水分子吸收過來。此方法幾乎可以從任何水源甚至是人體的尿液取水，并將其轉化成安全的可飲用水。美國的分離系統公司也正在研制一種新型有孔纖維正滲透膜，它通過增加過水面積，從而提高產水率。
2.1.3離子濃縮極化技術
離子濃縮極化（Ion concentration polarization）技術, 則是通過靜電排斥作用將鹽和微生物通過離子選擇性膜材料從水中分離出來, 這樣水流無需通過膜材料即可達到除鹽目的, 從而不需要提供高壓差, 自然也不會有膜污染的發生。
這種在微型規模下工作的微流裝置, 其結構原理類似于微型電機。每一個凈水單元僅能處理很微量的水, 但是研究人員通過大量組裝, 將1600個此凈水單元組合到一個直徑8in的裝置, 每小時可制備15升潔凈水。整個裝置是自容式的, 利用重力工作, 從上面將鹽水倒入, 經過分離, 淡水和濃縮鹽水就分別從下面的兩個出口流出。via《給水排水》雜志
相比于目前反滲透等較為成熟的規模化技術, 這種新技術的耗電量還稍微有點高。相信在不久的將來, 通過合理的工程化設計, 該系統的電耗將大大降低。由于是靠靜電作用進行分離的, 因此那些不帶電的污染物就不能被分離。考慮到殘留的顆粒物大多數是工業污染物, 研究人員建議將該系統與傳統的活性炭過濾系統相結合, 這樣就能夠獲得純凈安全的飲用水。預計很快就能開發出較為成熟穩定的小型或單兵海水淡化裝備。
2.1.4電容去離子技術
生物技術公司（Biosource Incorporated）正在研制一種新型的電容去離子技術（Capacitive deionization）凈水裝置。其原理是讓水流通過電容器，利用電容器表面的極化作用去除水中的離子，以達到凈水目的。該技術能夠處理包括海水在內的任何原水。相比較于傳統的凈水技術，電容電去離子技術具有更好的熱動力性能。在過去，由于受材料所限，此項技術還不能應用于海水處理上。但是現在生物技術公司研制出一種新型集成碳電極，其具備較高的電壓和較大的過水面積，正是由于采用了這種新型碳電極以及新型電池層技術，該公司已研發出可成功處理海水的樣機。同時，由于其具有良好的去離子、提高pH值、去除穩定性化合物的性能，使其處理汽車尾氣制水成為可能。
2.1.5．電解氧化劑技術
氧化劑凈水器（Mix oxidant，簡稱MIOX），其原理是將氯化鈉溶液電解產生高效混合氧化劑（次氯酸鈉、次氯酸、二氧化氯、臭氧、雙氧水等），這種消毒劑可以抑制大量普通病原體，包括大腸桿菌、賈第蟲和隱孢子蟲，甚至包括某些化學戰劑。MIOX凈水器通過了美國環保署EPA關于微生物凈水器所制定的指導標準，比規定的滅活要求還高出了10多倍，即便是美國環保署指定的“最差水質”的水源。via《給水排水》雜志
如圖2所示, MIOX電解消毒筆超輕超小，僅重99克，無泵設計，只需加水、搖晃、按鈕，操作非常簡便。將此混合氧化液倒入需要凈化的原水中，1 h后即可安全飲用，每次可處理1 gal的原水，目前美軍已在阿富汗戰區使用。
現在, 適用于ROWPU的大型MIOX電解消毒器也已經研制出來, 并且安裝到ROWPU上進行了相關測試。
2.2 新水源
由于現有的供水保障仍然是基于有充足水源的基礎之上, 進行凈水、運水和配水, 但是未來戰爭作戰形勢更加嚴峻, 作戰環境更具不確定性, 因而對供水保障提出了新的挑戰, 即使在沒有外界補給的情況之下, 也要能夠滿足部隊的供水需求。因此美軍為滿足未來作戰部隊的保障需求，積極開發了多種非常規新水源, 包括尾氣、空氣、中水、雨水、汗水甚至人體尿液等。
2.2.1尾氣制水
汽車尾氣制水（見圖3 ）將成為未來從非傳統水源制水的非常有潛力的技術。柴油燃燒的主要產物為水和二氧化碳，方程式如下：
C12H22 + 17.5O2 → 11H2O + 12CO2
理論上講，1gal的柴油大約能生成1gal的水。柴油燃燒后生成的冷凝水中還含有不少氮氧化物和硫化物等具有較強酸性的物質，還有灰顆粒、不完全燃燒產生的有機物、未燃燒的碳氫化合物、金屬等其它污染物。
汽車尾氣首先必須經過冷凝濃縮。假設1gal柴油就產生1gal水，經過理論計算，冷卻器和熱交換器的水蒸汽冷凝轉化熱效率為50%～70％比較合適。
尾氣冷凝物的水質分析包括灰顆粒、極性或非極性有機物和金屬等。在不同的冷凝濃縮的條件下，TOC總有機碳的變化范圍處于60～360ppm之間。影響TOC濃度的主要因素包括尾氣的溫度、生成水量、發動機功率及接觸轉換的時間的長短等。非有機污染物主要包括鋁、鋅、硼、磷、鐵等。其處理工藝包括過濾、活性炭纖維過濾、離子交換樹脂吸附等。過濾主要是去除原水中的顆粒物（顆粒物濃度在20～100ppm之間），經過這一步驟，原水就由黑色粘稠液體變為黃褐色的較為清澈的水。活性炭基本能夠完全吸附小的非極性有機物，但是對于較大的有機物或極性有機物等則只能吸附40%～50％。離子吸附樹脂能夠有效吸附除硼以外的所有無機物，以及極性有機物，能夠有效降低TOC。via《給水排水》雜志
根據上述研究結果，美軍不斷對尾氣制水裝備進行改進。（1）采用木質活性炭顆粒去除較大有機物和極性有機物。（2）采用一種能夠去除硼的新型混合離子樹脂。通過以上這些技術改進，最終的出水中的污染物濃度低于飲用水標準。這項裝備的成功研制，將為部隊提供更加機動靈活的供水保障。
2.2.2空氣制水
空氣中的水蒸氣是世界上最廣泛存在的水資源。特別是干旱缺水地區，空氣中的水蒸氣就成為最好的水源，但現有空氣制水裝備存在體積大、能耗高的缺點。
目前美陸軍部和國防高級研究計劃局正在進行相關研究。一方面改進冷卻系統，以提高進氣中的水蒸氣含量。正在研制的新型沸石和化學表面改性活性炭，其具有更好的吸水性能，并且相比較于一般吸附劑，此改性活性炭能夠更容易地脫水，從而降低能耗。另一方面就是研究新型濃縮技術, 其通過采用新型冷凝技術與新的膜通道技術、表面改性材料和電聚合體的聯用來實現。這種新型膜與生物膜類似，膜上的親水材料使它能夠抵抗濃縮的離心力影響，讓微分子順利通過，從而降低能耗。特別之處是，此膜表面與電極聯通，因此其親水性和憎水性可根據需要通過改變電極而變換，過濾時顯示親水性，而收集水時則顯示憎水性。
空氣制水技術適用于單兵、小型部隊或無外界支援的部隊等使用的小型模塊化凈水裝置，其目標就是體積縮小為1/5~1/15，能耗降低到1/2~1/5。目前，空氣制水試驗板模型和車載樣機已在阿伯丁試驗場完成環境和道路試驗等測試，其理論最大制水能力為每消耗1gal燃油可制備5gal水。下一階段，將研制軍用標準7.5t拖車式空氣制水機，其產水能力為2～5gal水/gal油，每天制水500gal，做為FCS未來作戰部隊使用。
2.2.3中水回用
美軍力量提供者(Force Provider, 簡稱FP)基地野營系統的集裝箱式淋浴系統每天用水12000gal，每年達4.4Mgal。采用洗浴水回用系統(見圖4)的水回用率為75%~80%，每年大約可節水3.3Mgal。目前，作戰區的70支戰斗支援部隊采用此項技術之后，每年能節省231Mgal的水。
該洗浴水回用系統每天可處理12000gal洗浴廢水（高峰流量40gal/min）。原水首先經過自清洗型（空氣清除）預濾器，此濾器孔徑為15微米, 能夠去除毛發, 其后是2微米的微濾膜過濾, 去除溶液中的懸浮固體, 之后經過咸/海水型反滲透膜的過濾, 去除有機物、細菌、病毒等, 膜過濾之后采用活性炭過濾, 最后由自動加氯系統加氯, 達到飲用水標準。使用溫度為–32℃～60℃。via《給水排水》雜志
該系統自動化程度高, 內置自測試裝置和監控裝置, 可實現7天無人值守自動運行。采用邏輯編程控制(PLC)，該控制帶有液晶屏幕的用戶界面、各種顯示控制器、流量計、壓力計，并設立/運行指令以及發現并修理故障等。
總之，該系統不僅提高了水的利用率，降低了使用成本，而且大大減輕了后勤補給負擔，并且能夠減少士兵因此而可能受到的危險或傷害。
2.3 新裝備
2008年, 美軍與商業界合作研制出了采用風能和太陽能供電的新型凈水設備（見圖5）, 其主要處理系統包括預處理單元、0.02微米的超濾單元和活性炭吸附單元。目前已有處理能力1000～6400gal/d的多種型號, 并且由于其帶有特殊的電源調節器, 因而能夠適應220V/110V/24V多種電壓。這種太陽能/風能凈水裝備的出現, 提高了凈水裝備的機動性和適應性, 并且減少了野戰燃料的消耗和有害物質的排放。
3結語
美軍的凈水裝備和技術, 我們不難看出有以下幾大特點:
一是注重以反滲透技術為基礎的多種水處理技術的應用或聯用, 包括微濾、超濾、納濾, 以及正滲透、電容電去離子、離子濃縮極化、電化學法等很多新技術的應用, 不斷對現有裝備及處理技術進行改進或優化, 以提高產量, 降低能耗;
二是開發多種非常規水源, 比如汽車尾氣制水、空氣制水、中水回用等, 以擺脫凈水裝備對傳統水源的依賴, 減輕部隊運配水壓力，提高部隊自我保障能力, 有助于提升部隊的機動性和適應性;
三是積極開發適應多種能源的新型凈水裝備, 特別是太陽能、風能等這些廣泛存在且易于利用的可再生能源, 提高了凈水裝備的機動性和適應性, 并且減少了燃料的消耗和污染物的排放。via《給水排水》雜志
反觀我軍，總體而言，近年來其野營凈水裝備的研制和列裝工作取得了較大進展, 但是與美國等發達國家相比, 仍有較大差距,根據我軍現狀及未來戰爭特點, 首先需要積極研發新型裝備, 比如新能源或非常規水源凈水裝備等, 提高我軍后勤供水保障能力; 再者用高新技術發展野戰凈水裝備。比如可以反滲透技術為當前的主要研究方向, 研究和開發多種凈水技術的高效組合的凈水工藝, 改進其預處理系統或后處理系統等, 提高供水的質量和產量;其三要改進裝備的處理工藝, 優選裝備的零部件和材料等, 簡化操作規程, 提高凈水裝置的穩定性、可靠性、適應性, 降低能耗。（參考文獻略）
本文刊登于《給水排水》雜志2010年12月。
