高層建筑直飲水工藝的優化改造

沈伊辰

摘 要：高層建筑直飲水工藝一般采用預處理（砂濾+炭濾+軟化）+反滲透+后處理（消毒），本文通過對直飲水工藝的闡述，總結了傳統直飲水工藝的優缺點，隨后提出了三套工藝改造措施，并進行了簡單的成本核算，得出最適合實際改造的方案。以期待未來在工程設計中提供借鑒作用。

關鍵詞：高層建筑直飲水；直飲水工藝；直飲水；工藝改造；反滲透；

【文章編號】1627-6868（2017）08-0055-04

Abstract： high-rise building direct drinking water technology generally adopt pretreatment （ sand filter and carbon filter + softening ） + reverse osmosis + after treatment （ disinfection ）， based on the direct drinking water the elaboration process， summed up the advantages and disadvantages of traditional direct drinking water， then put forward three technological transformation measures， and the simple cost accounting， the most suitable to the actual transformation plan. To look forward to the future in engineering design reference.

Key words： high-rise building direct drinking water； water process； drinking water； technological transformation； reverse osmosis

1.引言

高層建筑管道直飲水原水一般采用城市自來水，經過預處理、膜處理和后處理。預處理主要是為了減輕后續膜的結垢、堵塞和污染，以避免膜在短期內損壞，保證膜工藝系統的長期穩定運行。膜處理，是利用膜分離原理來將水中微小顆粒的物質，如細菌、病毒等膠體物質通過一定大小的膜孔徑來去除。工程實際上主要采用反滲透處理工藝。后處理是指在膜處理后的保質或水質調整措施，主要是為了保證管道直飲水水質的長期穩定性，通常采用消毒，常用方法：臭氧、紫外線、二氧化氯或氯等。工程中常采用臭氧和紫外線殺菌消毒。

直飲水的應用在歐美等發達國家已有較長的歷史，其最大的優點就是飲用水水質有保證，健康、經濟、方便。在我國，上海于1996年率先在住宅小區試驗建設第一個管道直飲水系統，由于其相對傳統燒開水的飲用習慣和桶裝水換水、等水、長時間不飲用還易滋生細菌的無與倫比的優勢，立即受到用戶的追捧，帶來了極高的經濟、社會和環境效益[1]。

將管道直飲水引入住宅小區，是提高住宅品質的表現，許多房地產開發商為增加商品房的賣點，已成為房地產開發商們重點用來吸引購買者的亮點之一，國內多個城市，尤其是沿海大中型城市都已在住宅小區推廣建設管道直飲水。城市公共直飲水系統的發展也很快，深圳、珠海、海口、桂林等不少城市都安裝了街頭飲水機。深圳等經濟發達的城市已計劃全面改造城市供水系統，提升自來水水質，最終使自來水可以直接飲用[1]。

但是，我國管道直飲水的發展仍處于起步階段。其主要應用集中在北京、上海、廣州等大城市。對于當前主要制約直飲水發展的原因一下幾個方面：

（1）直飲水管路中易滋生細菌。

（2）直飲水管網中死水情況。

（3）工藝設備以及管材的選用，經濟成本很高。主要是膜組件的成本。

（4）當地建設主管部門缺乏對直飲水行業監管，對個別相關工程項目只提出少量建設性意見。

高層建筑直飲水系統，屬于建筑給排水飲水供應的部分。建筑給排水飲水供應主要有開水供應系統和冷飲水供應系統。所謂直飲水，指的就是冷水供應系統。對于直飲水系統，最為關鍵的一環應該是直飲水工藝部分。因此，對于直飲水系統的設計，對其工藝的選擇與設計會變得非常重要。本文主要闡述了整個傳統直飲水工藝的主要流程，并分析其主要的缺陷與不足，以期待來指導未來在高層建筑直飲水方向上的設計。

2. 高層建筑直飲水傳統處理工藝

2.1高層建筑直飲水傳統處理工藝基本介紹

高層建筑傳統直飲水工藝處理流程，根據原水水質的特點和出水水質要求，大致分為三個階段：預處理、膜處理和后處理。

預處理一般為：過濾（一般可以采用多介質過濾、活性炭過濾、精密過濾、KDF處理等方法）、軟化[7]。

反滲透RO處理工藝是整個傳統處理工藝的核心。它包括反滲透膜元件，以及壓力容器、高壓泵、計量泵、保安過濾器、各種儀表、閥門等一系列附件組成。反滲透是與自然滲透過程相反的膜分離過程。它是借助于半透膜對溶液中溶質的截留作用，在高于溶液滲透壓的壓差推動下，使溶劑滲透通過半透膜，達到溶液脫鹽的目的。滲透和反滲透是通過半透膜來完成的。在濃溶液一側施加比自然滲透壓更高的壓力。迫使濃溶液中的溶劑反向透過膜，流向稀溶液一側，從而達到分離提純目的。滲透壓的大小與溶液性質有關而與膜無關。反滲透的物質遷移過程常用氫鍵理論、優先吸附一毛細管流動理論、溶解擴散理論來解釋。反滲透膜的材料一般為醋酸纖維素（CA）、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑（PBI）、聚苯醚（PPO）、聚乙烯醇縮丁醛（PVB）。反滲透膜組件是由膜、支撐物、和容器按一定技術要求制成的組合構件。膜組件一般分為板式、管式、卷式以及中空纖維式。其中主要用于飲用水、純水領域的是中空纖維式。板式主要用于污水處理MBR領域。目前膜工業上把反滲透膜分為三類：高壓反滲透膜（5.6-10.5MPa，用于海水淡化）、低壓反滲透膜（1.4-4.2MPa，用于苦咸水的脫鹽）、和超低壓反滲透膜（0.5-1.4MPa，用于自來水脫鹽）[6]。endprint

在膜處理后的后處理，常用方法還有：臭氧、紫外線、二氧化氯或氯等。工程中常采用臭氧和紫外線殺菌消毒[4]。下圖為傳統直飲水工藝流程圖。

其中砂濾器采用多介質過濾器（又稱壓力式機械過濾器）其主要作用是去除粒度大于20?m的機械雜質，經過混凝的小分子有機物和膠體，前加絮凝劑；炭濾器采用活性炭過濾器，其主要功能是除臭、除色、除有機物、除氯、除重金屬；軟化器一般采用鈉離子交換器，或采用一些化學處理方法，例如：pH調節、投加阻垢劑、氧化等，這樣做，筆者認為，這樣做可以在一定程度上，節約設計構筑物的成本（對于環保公司）和節約設備選型的成本（對于一般設計院）。對于軟化，主要是為了防止鈣、鎂鹽在后續的膜組件表面產生結垢。通常情況下，一般各大環保公司在設計時，主要針對實際的工程條件中所告知的水質條件，來對工藝進行優化選擇。對于北方大部分地區，水質偏硬，需要采取前面所述的有效措施，防止后續的反滲透膜表面結垢，進而導致的最后出水水質不達標的情況；而對于南方或其他特點地區水質較好的情況下，可以取消這一步。從而達到節約工藝設計成本和設備選型的成本；精密過濾，又稱保安過濾器。是放置于整個反滲透裝置的進口，其目的是為了進一步去除預處理進水中可能攜帶的顆粒性雜質。通常采用5?m的濾芯，濾芯材質一般為聚乙烯或丙綸。在反滲透系統中采用的濾芯一般有蜂房式線繞濾芯和熔噴濾芯，以及更高效的折疊式濾芯。還有，關于反滲透裝置的濃水的處理，工程上常對濃水進行直接排放至城市污水管網，或作澆花、洗車和澆灑道路及綠地之用。

2.2 高層建筑直飲水傳統處理工藝的優缺點

如上文所述，高層建筑直飲水傳統工藝是以反滲透工藝為核心的處理工藝。對于反滲透處理工藝，筆者認為之所以現在大部分環保公司采用這套工藝，有以下幾點原因：

（ 1） 反滲透膜是膜孔徑小于1 nm的膜，它基本上將水中的細菌、病毒等有害物質去除。處理效果好。保證了供水的安全可靠性。

（ 2 ） 制取反滲透膜工藝技術的成熟。反滲透膜廠家很多，例如：美國海德能、美國陶氏以及日本東麗。

但是，該工藝存在以下幾點問題：

（ 1 ）關于反滲透膜的清洗以及更換周期的問題；

對于反滲透膜的清洗，主要是由于反滲透膜在長時間的運行過程中，隨時有可能被無機物垢、膠體、微生物、金屬氧化物等污染。從而導致裝置出水水質降低，脫鹽率降低，產水量降低以及多種反應反滲透膜性能的指標下降。

（ 2 ） 反滲透工藝濃水處理問題；

在反滲透工藝處理的過程中，會產生濃水。對于濃水的處置問題，長久以來，都是一個很讓大多數設計者頭痛的問題。反滲透工藝濃水中的污染物主要有：溶解性有機物（DOM）和總溶解性固體（TDS）。

（ 3 ）反滲透出水水質問題；

反滲透膜有將將水中有益于健康的無機離子去除的可能。如何保持水中的礦物質將會變得異常關鍵。其次，怎樣使水保持一個弱堿性的pH值，也會變得異常關鍵。

3. 高層建筑直飲水工藝的優化

對于砂濾+炭濾+軟化+RO（膜技術）+消毒這套常規制取直飲水的工藝，其中軟化工藝，向上文所述，已經可以針對特定水質來考慮其工藝的取舍。這里無需考慮其優化改造問題。重點是應基于對其核心處理工藝——膜工藝的改造。由于近年來，陸續爆發飲用水水源地受到有機污染物污染的事件。為了防止因由于突發的水污染事件，而導致的供水安全的問題。工程上采用RO為其工藝流程的核心處理工藝。其主要目的是保證整個處理工藝的供水安全性。RO足以保證其處理流程的供水安全。因為反滲透用膜的孔徑是最小的，一般小于1nm，可將水中大部分雜質、及一些有機污染物去除。可見下表所示：

所以，對于此。估計改造的可能性也較小。因此需從如何保證水能保證人體健康飲用，以及最大限度地去除有機污染物才是關鍵。

關于反滲透工藝清洗系統，工程上發現，對于膜的清洗，一般設計的有自動清洗系統。并且每隔半年或一年清洗系統一次，該系統為自動化控制。對于這一部分，設計人員需強調這一部分設計，以及在運行過程中的重要性。

關于反滲透濃水排放問題，反滲透產水較低，為了提高產水率，工程上都采用二級反滲透，來提高反滲透裝置的產水率。當然，也可以將濃水回用到整個工藝流程前段，重走一遍工藝流程。當然，在一開始對整個直飲水傳統工藝設計時，就必須考慮到這一部分的水量。從而提高濃水的利用率。減少設備的排水。

3.1 直飲水處理優化方案

下面列舉了三種工藝改造方法，并與傳統處理工藝進行了比較；

傳統工藝：預處理+RO裝置+紫外線殺菌；

方案1：預處理+NF裝置+紫外線殺菌；

方案2：預處理+UF裝置+紫外線殺菌；

方案3：預處理+RO裝置+紫外線殺菌+電解裝置；

方案1，是利用膜技術中的納濾手段進行處理。納濾膜是目前優質直飲水的最佳技術之一，其可以有效去除三鹵甲烷的前驅物、細菌、病毒、溶解性有機物等污染物質，并且適度脫鹽，保證水中對人體有益的無機離子。

方案2，是對于直飲水原水水質較好的情況下采用的技術。該技術的成功推廣在2010年上海世博會中使用。

方案3，在傳統反滲透處理工藝的基礎上，加上一個對水質改良的措施，維持水體pH的弱堿性。

注：三種方案均增加濃水回用系統。

3.2 優化方案與傳統工藝的比較

假設某建筑直飲水設備產水量為1m3/h，采用海德能4寸ESPAI-4040型反滲透膜組件，一支為1380元，共采用8支。一支納濾膜1750元，壓力容器采用無縫連接不銹鋼材質，一支350元。一支浙江求是膜FUF8040型PVDF材質超濾膜組件（包括壓力容器）為4500元，高壓泵，兩臺，一用一備，一臺為1150元。保安過濾器為2800元。紫外線殺菌器為350元一臺，預計采用一用一備，共兩臺。電解設備預計為500元一臺，采用一用一備，共計兩臺。endprint

膜組件的費用=膜元件的價錢+壓力容器+高壓泵+保安過濾器+閥門儀表（按前四項的總和的20% 計算）

不銹鋼容器的費用及除反滲透裝置以外的管路管材費用 =膜組件費用的20%+紫外線殺菌器的價錢；

各容器中填料、以及藥劑的費用=膜組件的費用的20%。

具體計算結果見下表：

4.結論

（1）傳統直飲水處理工藝主要缺陷反映在： a.反滲透出水水質問題上，反滲透不僅去除了細菌、病毒等有毒有害物質，而且還去除了對人體有益的無機離子。b.反滲透膜的濃水排放問題；反滲透水利用率不高。會產生大量的濃水。濃水的排放需要設計者引起重視。c.反滲透膜膜污染問題；一般環保公司會對工程運行后，要求建設方在設備運行了差不多每半年或一年后開啟系統自帶的清洗系統，對反滲透膜進行清洗。所以，對于清洗系統的設計以及膜材料的選用需要在設計時引起足夠多的重視。

（2）從上文的成本損耗對比中可以得出結論：

方案2的預算成本最少，大約比傳統方案便宜了將近18000元的成本損耗。方案3僅僅比傳統工藝貴了1000元左右。而方案1比傳統工藝貴了近4000元左右。對于濃水回用部分僅在工藝基礎上增加管材費用。

1）雖然納濾膜的處理效果是最好的。但納濾膜組件的成本明顯比傳統工藝的反滲透膜組件要貴許多。且到目前為止，納濾膜仍處于研發與中試階段。

2） 對于原水水質較好的情況下，可以采用超濾膜組件進行處理。且成本損耗較傳統工藝有很大的減少。

3）為了改進水質，又不過多去除對人體有益的無機離子。一般在RO出水采用電解或一系列礦化措施，來改進水質。其成本損耗較傳統工藝多不了多少成本的損耗。

5.結語

高層建筑直飲水，對于建筑給排水系統來說，是一個全新的系統。對于其的廣泛推廣，其工藝設計是不可缺少的一環。除此之外，國家需對整個直飲水工藝的水質對民眾開放，是大眾對其水質，真真地放心。并且，相關建設行政主管部門對整個直飲水市場加強監管。在《飲用凈水水質標準》（CJ94-2005）和《管道直飲水系統技術規程》（CJJ110-2006）的基礎上，繼續完善相關標準與法規。并對水專業技術人才將強培訓和輔導。

參考文獻

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[2] CJ94-2005飲用凈水水質標準

[3] CJJ110-2006管道直飲水系統技術規程

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[7]王增長、高羽飛主編.建筑給水排水工程（第五版）. 中國建筑工業出版社

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[10] Kah Peng Lee，Tom C. Arnot ，Davide Mattia。A review of reverse osmosis membrane material for desalination – Development to date and future potential。Journal of Membrane Science 370（2011）1-22。endprint