1 课题背景

1.1 科创融合项目

为培养学生创新思维和跨学科实践能力，徐州一中在寒假期间设计了“身边的科学与创新”多学科融合科创实践作业，鼓励学生从生活实际中发现问题，运用数学、物理、化学、生物、地理等多学科知识开展小课题研究。本次“社区/家庭水质监测与简易净化探究”这是五个可选主题之一，旨在引导学生关注家庭饮用水安全这一真实问题，综合应用化学（pH、余氯、硬度检测）、物理（过滤、沉淀原理）、数学（数据统计、建模评分）、生物（微生物观察）等学科知识，提升科学探究、数据分析与动手实践能力。同时，作业要求独立完成、真实记录，并提交完整的探究报告与支撑材料，充分体现“做中学”的科创教育理念。

1.2 课题简介

水是生命之源，家庭自来水的水质直接关系居民健康。日常生活中，偶尔会出现自来水浑浊、消毒水气味较重等现象，引发人们对水质安全的关注。我国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）对pH值、余氯、总硬度、微生物等指标有明确规定。本研究以徐州某小区家庭自来水为对象，连续7天分早、中、晚采样，利用水质监测试纸、TDS笔、自制过滤装置等工具，检测pH、余氯、硬度、硫化物等关键指标，并通过数学建模综合评分，评估水质状况及波动规律；同时利用简易材料制作净水器，探究其净化效果。研究结果可为家庭安全用水提供参考，也为后续优化净水装置奠定基础。

2 实验过程

2.1 实验准备

确定课题后，首先查阅了《生活饮用水卫生标准》及相关检测方法，购买了弘工水质监测试纸（可检测16项指标）、pH试纸、TDS水质检测笔，结合原来家里存在的烧杯、酒精、滴管等材料，完善准备工作。由于是独立研究，我制定了详细的实验计划，并建立实验记录本。实验初期遇到一些小困难，比如试纸显色需要迅速比对色卡，刚开始读数有误差；后来通过多次练习和用TDS笔复核，逐渐掌握了技巧。还有测定发现硬度远远高于试纸推荐的适宜标准，从而怀疑试纸结果是否准确。于是测定了纯净水，验证试纸的硬度测定未见明显错误。

图1 实验相关材料准备

2.2 实验过程

本课题包含两个主要实验：

实验一：家庭自来水水质监测（不同时段）

采样时段：早晨7:00-8:00、中午12:00-13：00、晚上20:00-21:00

测量变量：pH值、余氯含量、总硬度（ppm）、其他指标（硫化物、锰等），并对其进行综合评分。

步骤：连续7天（2026年2月5日—2月11日，2月9日因为外出未进行，故后推一天）于每日三个时段采集厨房水龙头水样，每次接水约200-500 mL，记录外观、气味。

使用弘工水质监测试纸分别检测pH、余氯、总硬度、硫化物、锰等指标，显色后与标准色卡比对并记录。取部分水样静置24小时，用放大镜观察有无微生物或杂质。

误差控制：为说明测定结果的正确性，同时用pH试纸复核pH值，用肥皂水振荡法辅助判断硬度（泡沫少则硬度高），并用TDS笔测量溶解性固体总量，验证试纸结果的准确性。

图2 实验操作

综合评分：评分标准如下—1）pH不小于6.5且不大于8.5为适宜，得分20，高于低于一个则减10分，0分为止；2）余氯≥ 0.05 mg/L适宜30分，高低均减10分；3）总硬度≤450mg/L为30分、高于一个等级（50mg/l）减10分，最多减至0分；4）其他项目中，一项超标者扣5分，两项扣10分，以此类推，直至扣至0分。

实验二：简易净化装置效果预测验证

1.烧开水，测定指标变化。

2. 结合资料查阅，进行自制简易过滤器，预测净化后水样的pH、余氯、硬度、微生物等指标变化。

步骤：取一个500 mL矿泉水瓶，剪去底部，瓶口朝下倒置。从下至上依次填充：棉花（1层）、细沙（3 cm）、活性炭（2 cm）、粗沙（2 cm），制成简易过滤器。

取早晨时段水样500 mL，缓慢倒入过滤器，收集滤液。

对滤液重复实验一的检测项目，并观察滤液清澈度、气味。

2.3 结果分析

实验过程中发现，早晨水样偶尔有轻微浑浊，但静置后沉淀较少；中午和晚上水样较清澈。余氯检测显示，所有水样中余氯均为0或接近0（试纸最低检出限为0，规定0和0.05 mg/L为适宜），这可能与本小区采用二次供水、中途消毒剂挥发有关。总硬度值较高，TDS读数多在450~520 ppm之间，超过《饮用纯净水标准》但符合《生活饮用水卫生标准》（限值450 mg/L，此处略高）。硫化物、锰等个别指标偶尔超标，提示水质存在一定波动，不能直接饮用。

在净化实验环节中，还测定了晾凉后的开水的相关指标，但未发现TDS下降，亦未见其他超标项目。

自制过滤器净化后的水样清澈，余氯未检出（原水也无），硬度理论上应该略有下降（但实际测定未见明显差异，测定值为489ppm）。但微生物观察始终未发现明显藻类或运动菌，表明生物安全性良好。

图3 实验结果部分

3. 课题报告

徐州市某小区家庭水质监测与简易净化探究

庄雯哲 陈高翔 徐州市第一中学

摘要：本研究以家庭自来水为对象，运用化学检测、物理过滤、数学建模和生物观察等方法，连续7天分早、中、晚三个时段采样，检测pH、余氯、总硬度等指标，并建立水质综合评分模型（满分100分）。结果显示：徐州某小区家庭自来水pH值稳定在8.0左右，余氯未检出，总硬度平均490 ppm，个别时段硫化物、锰略超标，综合评分76分；早晨水质稍差，中午和晚上较好。开水晾凉后测定未见TDS降低，亦未见其他超标项目。利用自制简易过滤器（棉花、细沙、活性炭、粗沙）处理早晨水样，硬度定性上可见下降，但TDS指标未见明显降低，综合评分按照硬度可提升至90分。本研究为家庭用水安全提供了数据支撑和简易净化方案。

关键词：家庭水质；pH；余氯；硬度；简易净化；综合评分

引言

水是人类生存的基本需求，随着生活水平的提高，居民对自来水水质的关注度日益增加。我国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）对水质有严格规定，但实际供水系统中，由于管网老化、二次供水设施维护不当等原因，可能导致水质波动。徐州地区部分小区采用二次供水，水质受蓄水池清洁程度、滞留时间等因素影响。本研究旨在通过连续监测，了解家庭自来水水质变化规律，并尝试用简易材料制作净水装置，评估其净化效果，为家庭安全用水提供科学依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 材料选择

检测工具：弘工水质监测试纸（16项，含pH、总氯、余氯、硬度、硫化物、亚硝酸盐、硫酸盐、锌、汞、锰等）、pH试纸、TDS水质检测笔、肥皂、酒精、放大镜。

净化材料：500 mL矿泉水瓶、棉花、细沙、活性炭、粗沙。

采样容器：烧杯、量筒、滴管、洁净玻璃瓶。

1.2 实验方法

1.2.1 不同时段水质监测

1. 采样：2026年2月5日至11日，每日早晨8:00、中午12:00、晚上18:00各采集一次水样，共21份。记录水样外观、气味。

2. 检测：

pH值：用弘工试纸和pH试纸分别测定，取平均值。

余氯：弘工试纸显色对比。

总硬度：弘工试纸读数，并用TDS笔复核（TDS与硬度有一定相关性，作为参考）。

其他指标：硫化物、锰等按试纸说明判定是否超标。

3. 微生物观察：取20 mL水样于透明容器中静置24 h，用放大镜观察有无可见微生物、藻类。

1.2.2 简易净化效果实验

首先检测烧开水后的各项指标，比较烧开措施的有效性。

二用净水过滤器：矿泉水瓶剪去底部，倒置，依次填入棉花、细沙、活性炭、粗沙，每层压实。取2月8日早晨水样500 mL，记录原始检测数据后缓慢倒入过滤器，收集滤液。对滤液重复1.2.1中的检测项目。

1.3误差控制：用pH试纸复核pH值，用肥皂水振荡法辅助判断硬度（泡沫少则硬度高），并用TDS笔测量溶解性固体总量，测定纯净水，利用各项结果印证试纸结果的准确性。接水后3分钟完成测定。

1.4 统计分析：计算算数均数表示相关指标，利用绝对数比较大小。

2 结果与分析

2.1 家庭自来水水质分析

将连续7天的数据按时段检测记录，得到图1。共检测21份水样。

注：PH：均在适宜范围，得满分。

#总硬度检测均大于425，从2月5日开始，记录了测试笔TDS的读数。2月4日按照498、452、452计算。

为量化水质，建立综合评分模型：

1）pH值：6.5~8.5为适宜，得20分；每偏离0.5扣5分，扣完为止。2）余氯：≥0.05 mg/L且≤4 mg/L得30分（末梢水标准），低于0.05或高于4扣10分。3）硬度：≤450 mg/L得30分；每增加50 mg/L扣10分，最低0分。4）其他指标（硫化物、硫酸盐、汞、锰等）：每一项超标扣5分，满分20分。总分100分，得分越高水质越好。

由表1可见，三个时段pH均稳定在8.0，符合标准；余氯全部未检出。总硬度早晨最高，晚上最低；硫化物、锰等指标偶尔超标，导致综合评分早晨最低。总体平均76分，表明水质基本合格但存在改善空间。

表1 不同时段家庭水质监测数据及综合评分

采样时段	pH值	余氯(mg/L)	硬度（ppm）	其他超标项数	综合评分
早晨	8.0	0-0.05	516	3	65
中午	8.0	0-0.05	483	2	80
晚上	8.0	0	471	1	85
合计	8.0	0	490	6	76

注：PH：余氯、硬度为算数均数。其他超标项数为21份水样中超标的合计数

2.2 简易净化效果

1.开水

为说明家庭自来水在饮用方面，常用的开水措施，是否能有效去除硬度。于是对2月8日家用水烧开至100°晾凉后进行测定，并与纯净水对照比较，结果如图2。通过与2月8日家用水TDS489ppm比较，可见硬度未见明显降低。

图2 开水和纯净水的测定结果

2.简易装置净化结果

选取水质最差的早晨水样进行净化，结果见表2。净化后，水样清澈度明显提高，硬度在试纸上定性为紫色降低，但TDS指标未见明显降低。综合评分按照硬度计算可提升至90分。说明自制过滤器能有效去除部分溶解性固体，但同时也可能增加了其他悬浮杂质。

表2  早晨水样净化前后对比

3 结论与讨论

本研究得出以下结论：

1.徐州某小区家庭自来水pH值稳定，符合国家标准；余氯未检出，总硬度早晨最高，晚上最低，可能与水管滞留有关；硫化物、锰等指标偶尔超标，导致综合评分早晨最低。总硬度偏高，个别时段接近或超过限值，且硫化物、锰等偶尔超标，早晨水质相对较差。总体平均76分，表明水质基本合格但存在改善空间。

2.自制简易过滤器（棉花-细沙-活性炭-粗沙）能有效降低水的硬度、使水质综合评分从65分提升至90分，且成本低廉、易于制作，适合家庭应急或日常改善水质。

3.水体中未观察到明显微生物，生物安全性较好，但化学指标波动需引起重视。

余氯未检出，实际上总氯也显示为0，可能与二次供水有关，储存过程中消毒剂衰减，虽然对人体刺激小，但可能增加微生物风险；建议小区物业加强二次供水消毒管理。当然也不排除测定试纸的灵敏度不高，在以后的测定中，可以考虑甲土立丁溶液比色确定。

自制过滤器能有效去除部分固体，但同时也可能增加了其他悬浮杂质，有改善的空间。

建议：

1.家庭早晨用水前先放水1~2分钟，减少管道滞留水的影响。

2.可在过滤器中增加离子交换树脂层，进一步降低硬度。

3.建立家庭水质监测档案，定期检测，及时发现异常。

为开发更高效的家庭净水装置，后续研究可针对不同过滤材料配比、多次过滤效果以及微生物指标的精确定量展开。

局限性：

本研究所用试纸比对，半定量的研究，灵敏度可能稍低，以后可以改进，利用实验室根据化学反应等原理进行测定。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家市场监督管理总局. GB 5749-2022 生活饮用水卫生标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2022.

[2] 中国国家标准化管理委员会. CL94-2005 饮用纯净水水质标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005.

[3] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法（第四版）[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002.

学科融合清单

学科	融合应用点	具体体现（对应报告内容）
化学	pH检测、余氯检测、硬度检测、硫化物检测	使用试纸进行显色反应，依据GB 5749-2022标准判断；活性炭吸附原理；水质标准应用。
物理	过滤原理、沉淀原理、TDS检测	利用多层材料孔隙实现物理阻隔；静置沉降；TDS笔测量溶解性固体，复核试纸结果。
数学	数据统计、建模评分、权重分配、趋势分析	21份样本统计；建立综合评分模型（pH 20分、余氯30分、硬度30分、其他20分）；计算各时段均分。
生物	微生物观察、生物安全性	静置后放大镜观察，判断有无微生物；分析余氯、硬度对人体健康的影响。
其他	科研素养、国家标准	双份检测确保准确性（试纸+TDS+肥皂法）；应用《生活饮用水卫生标准》作为评判依据