反滲透凈水機(jī)水效提高方法研究

李文明

艾歐史密斯（中國(guó)）熱水器有限公司 江蘇南京 210038

0 引言

反滲透凈水機(jī)過濾精度高，能滿足直飲水需求，是目前家庭飲用水過濾精度等級(jí)最高的凈水設(shè)備之一，市場(chǎng)發(fā)展迅速，深受消費(fèi)者的青睞。然而，反滲透凈水機(jī)在凈化過程中，會(huì)產(chǎn)生一定量的濃縮水，膜的清潔和廢水閥的沖洗也要排掉一部分廢水，這些廢水的排放都會(huì)造成水的浪費(fèi)。隨著“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的不斷踐行，反滲透凈水機(jī)凈化過濾產(chǎn)生的廢水逐漸受到人們的重視。凈水機(jī)的水效越高，其凈水產(chǎn)水率就越高，相應(yīng)廢水排放量就越少。2021年發(fā)布的GB 34914-2021《反滲透凈水機(jī)水效限定值及水效等級(jí)》水效標(biāo)準(zhǔn)[1]，與2017版標(biāo)準(zhǔn)[2]相比，最低凈水產(chǎn)水率從35%提升到45%，最高凈水產(chǎn)水率也從60%提升到65%，減少?gòu)U水排放量，從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)層面提高凈水機(jī)的水效，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策。目前市面上反滲透凈水機(jī)受現(xiàn)有技術(shù)、成本等因素的影響，水效普遍都不高，凈水產(chǎn)水率在50%左右，在過濾凈化水過程中會(huì)有一半的水被浪費(fèi)掉。現(xiàn)有技術(shù)中有通過提高反滲透膜濾芯抗污堵性來改善水效的方法，如反滲透膜非側(cè)流水道設(shè)計(jì)[3]方法，通過提高膜表面水流速，減少污染物沉淀，增加總凈水量來提高水效，但仍還不能滿足新水效要求?；谒岣咝枨?，軟化水技術(shù)和廢水閥自清潔技術(shù)被應(yīng)用到凈水機(jī)中，下面通過凈水樣機(jī)效果驗(yàn)證和測(cè)試對(duì)比，對(duì)凈水機(jī)的水效提高進(jìn)行研究。

1 反滲透凈水機(jī)水效影響因素分析

反滲透凈水機(jī)的水效由凈水產(chǎn)水率和總凈水量?jī)煞矫婀餐瑳Q定，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，水的硬度越高，凈水機(jī)的凈水產(chǎn)水率和總凈水量越低，影響凈水機(jī)的水效。分析其原因是水的硬度高，膜表面容易積垢，凈水流量衰減快，同時(shí)需要更多的水去沖洗水垢等雜質(zhì)來延緩衰減，凈水量減少，廢水量增多，從而降低了凈水機(jī)水效。從實(shí)際使用情況看，北方地區(qū)水硬度高，凈水機(jī)膜濾芯、廢水閥等件容易污堵失效，通常采用消耗更多沖洗水的方法來延長(zhǎng)使用壽命，水效降低。如果通過有效的技術(shù)方法，降低水的硬度，使其軟化，減緩凈水流量衰減，減少膜濾芯、廢水閥等所需的沖洗水，提升凈水產(chǎn)水率和總凈水量，從而提高凈水機(jī)水效。

廢水閥是控制廢水流量的閥件，在凈水流量一定的情況下，濃縮水流量越大，凈水產(chǎn)水率就越低，同樣影響凈水機(jī)的水效。通過測(cè)試分析，凈水機(jī)在凈化過程中產(chǎn)生濃縮水，其硬度比自來水更高，通過廢水閥排放時(shí)，水垢等雜質(zhì)容易附著在閥體廢水孔周圍，積累到一定程度后小孔就會(huì)被污堵。常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)往往要考慮廢水閥的耐堵性，需加大廢水孔孔徑，并定期用較多的水去沖刷孔周圍的附著物，來緩解廢水孔污堵問題。凈水流量一定時(shí)，濃縮水流量大，沖洗水排放多，水效自然降低。如果能解決廢水閥的耐堵性問題，也是提高凈水機(jī)水效的一種有效方法。

2 反滲透凈水機(jī)水效提高方法

2.1 軟水提高水效的實(shí)現(xiàn)方法

2.1.1 水的軟化原理概述

在家用水處理裝置中，有幾種常用的水軟化方法。第一種是鈉型陽(yáng)離子樹脂交換技術(shù)，簡(jiǎn)稱離子交換技術(shù)[4]，利用樹脂作為載體，用鹽中的鈉離子置換水中的鈣鎂離子，使水軟化，它是直接減少或去除水中的鈣鎂離子含量，降低水的硬度，其過程較復(fù)雜，包括軟化、飽和、再生、沖洗等；第二種是阻垢技術(shù)，是指水中的鈣鎂離子沒有被直接去除，而是使其不能生成碳酸鹽水垢，也能實(shí)現(xiàn)軟化作用；如硅磷晶[5]，由聚磷酸鹽及硅酸鹽組成，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)成玻璃型球體，與鈣離子、鎂離子絡(luò)合而使它不能生成碳酸鹽水垢；第三種是分散技術(shù)[6]，是指即使形成水垢，但通過改變水垢的結(jié)構(gòu)和晶格形式，使其分散在水中不結(jié)硬垢，這樣也能達(dá)到軟化目的；如PAA聚丙烯酸，改變碳酸鈣等鹽類的晶格形式，形成亞微晶體分散于水中，隨著水一起流動(dòng)，不附著、不沉淀。

2.1.2 提高凈水機(jī)水效的實(shí)現(xiàn)方法

從水的軟化原理來看，離子交換技術(shù)，軟化工藝較復(fù)雜，適用于中央軟水機(jī)，考慮設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高等因素，不適合未端凈水機(jī)。阻垢技術(shù)或分散技術(shù)在水處理行業(yè)已成熟使用很多年，采用的軟化劑符合生活飲用水衛(wèi)生安全與功能評(píng)價(jià)規(guī)范[7]。軟化劑一般是顆粒狀固體，填裝在罐體里，可以結(jié)合凈水機(jī)的凈化水路系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。軟化劑運(yùn)用到凈水機(jī)里需考慮幾個(gè)方面：一是溶解緩釋速度要有一定的控制，使適量濃度的軟化劑溶進(jìn)水里發(fā)揮軟化效果；二是軟化劑溶解后，體積會(huì)逐漸消耗減少，需要定期更換。凈水機(jī)的濾芯是定期更換的，將軟化劑與濾芯放在一起，集成設(shè)計(jì)，再利用濾芯內(nèi)部或端部空間填裝軟化劑，這樣阻垢技術(shù)或分散技術(shù)就能夠運(yùn)用到未端凈水機(jī)里去，具體實(shí)現(xiàn)方法如下文所述。

反滲透凈水機(jī)水路過濾系統(tǒng)通常由PP棉濾芯、碳纖維濾芯、高精度PP棉濾芯、反滲透膜濾芯、后置活性炭濾芯，以及增壓泵、廢水閥等組成，軟化劑設(shè)計(jì)在高精度PP棉濾芯與增壓泵之間，優(yōu)化后過濾系統(tǒng)原理圖如圖1所示?？紤]結(jié)構(gòu)緊湊和成本優(yōu)化，最外層PP棉、碳纖維和高精度PP棉設(shè)計(jì)成集成濾芯，其內(nèi)部的中心管用于支承過濾材料和連接水路，中心管內(nèi)部空間用來填充軟化劑，一體式軟化集成濾芯結(jié)構(gòu)如圖2所示；中心管側(cè)面開一定數(shù)量的圓孔，具體孔徑和孔的數(shù)量需根據(jù)測(cè)試效果來設(shè)計(jì)，通過圓孔的進(jìn)水流量，來調(diào)控軟化劑的緩釋速度。濾芯一側(cè)端蓋是盲孔，另一側(cè)端蓋是通孔，保證水是從濾芯最外層圓周方向流入，通過三層過濾后進(jìn)入中心管內(nèi)部進(jìn)行軟化，然后從另一側(cè)端蓋通孔流出，經(jīng)過增壓泵增壓后進(jìn)入反滲透膜濾芯。當(dāng)自來水經(jīng)過三層預(yù)處理后進(jìn)入中心管內(nèi)，軟化劑通過水流沖擊產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)緩釋溶解于水中，改變水垢的結(jié)晶形式，使其不結(jié)硬垢，實(shí)現(xiàn)軟化功能。中心管內(nèi)部腔體尺寸緊湊，容積較小，軟化劑填充量不多，軟水處理流量基本可滿足流量600 G及以下的凈水機(jī)。預(yù)處理濾芯體積不大，存水量較少，通過中心管圓孔的合理設(shè)計(jì)，能夠使軟化劑穩(wěn)定溶解；另外，因軟化劑與濾芯是一體式設(shè)計(jì)，壽命相同，可同步換芯。

圖1 凈水機(jī)過濾系統(tǒng)原理圖

圖2 一體式軟化集成濾芯示意圖

600 G以上凈水機(jī)，凈水流量大，相應(yīng)的軟水處理能力要求高，要單獨(dú)設(shè)計(jì)罐體，填裝更多的軟化劑，然后罐體與濾芯集成；另外，流量提高后，預(yù)處理濾芯體積大，存水量多，對(duì)軟化劑溶解穩(wěn)定性有一定的影響，過濾結(jié)束后需要將軟化劑與罐體外的水隔離，減少影響。復(fù)合式軟化集成濾芯結(jié)構(gòu)如圖3所示，罐體與濾芯分開設(shè)計(jì)，罐體容積取決于軟化劑的填充量，左邊外層是PP棉，左邊第二層是碳纖維，第三層是高精度PP棉，右邊是獨(dú)立罐體，軟化劑裝在罐體內(nèi)，在罐體兩端進(jìn)出口各設(shè)計(jì)一個(gè)單向閥。當(dāng)有水過濾時(shí)單向閥會(huì)自動(dòng)打開，軟化劑正常發(fā)揮軟化水作用；當(dāng)過濾結(jié)束后單向閥自動(dòng)關(guān)閉，動(dòng)態(tài)隔斷罐體外的水，減少水對(duì)軟化劑的影響，維持軟化劑緩釋的穩(wěn)定性。復(fù)合濾芯與軟化劑罐體結(jié)構(gòu)集成，壽命設(shè)計(jì)相同，軟化劑隨復(fù)合濾芯一起定期更換。復(fù)合式軟化集成濾芯可滿足大流量?jī)羲畽C(jī)的需求。

圖3 復(fù)合式軟化集成濾芯示意圖

2.2 優(yōu)化廢水閥耐堵性來提高水效

普通的廢水閥排濃水的孔徑是固定的，一般在1 mm以下，改進(jìn)前廢水閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，濃水從閥的進(jìn)水口流入，通過廢水小孔節(jié)流后從閥的出水口排出；由于廢水孔細(xì)小，容易發(fā)生堵塞失效。在設(shè)計(jì)時(shí)，如果凈水流量不變，濃水流量越大，越能緩解廢水孔堵塞，但這樣會(huì)導(dǎo)致凈水機(jī)水效降低。根據(jù)小孔堵塞失效的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)廢水閥令其具有自清潔功能，在每次排廢水時(shí)，能自動(dòng)將小孔堵塞物進(jìn)行清潔，這樣就可以大大提高廢水閥的耐堵性，從而提高凈水機(jī)的水效。自清潔廢水閥結(jié)構(gòu)如圖5所示，在閥體小孔里設(shè)計(jì)一根針形閥桿，不工作時(shí)閥桿是插在小孔內(nèi)，當(dāng)工作時(shí)，通過電磁閥線圈的動(dòng)力將閥桿移出小孔，小孔正常排出廢水；工作結(jié)束后，閥桿再次插入小孔。這樣每次工作時(shí)閥桿的一進(jìn)一出，自動(dòng)將污堵物從小孔上清除下來，隨濃水一起沖走，實(shí)現(xiàn)自清潔功能。閥桿動(dòng)作的進(jìn)出次數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況，通過程序控制做不同頻率的自清潔動(dòng)作，以提高廢水閥耐堵性。與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后的自清潔廢水閥能減少濃水和沖洗水的排放，從而提高凈水機(jī)的水效。

圖4 改進(jìn)前廢水閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 自清潔廢水閥結(jié)構(gòu)示意圖

3 不同方法對(duì)水效提高的效果驗(yàn)證

根據(jù)凈水機(jī)水效限定值及水效等級(jí)[1]的測(cè)試方法，分別對(duì)軟水提高水效方法和廢水閥自清潔提高水效方法進(jìn)行效果驗(yàn)證。改進(jìn)樣機(jī)為無桶即濾型反滲透凈水機(jī)，數(shù)量3臺(tái)，試驗(yàn)用水硬度為（250±20）mg/L；對(duì)比機(jī)型為普通樣機(jī)400 G，額定凈水流量1.2 L/min，凈水產(chǎn)水率50%，總凈水量3400 L，符合新國(guó)標(biāo)水效等級(jí)3級(jí)。凈水機(jī)水效等級(jí)指標(biāo)值如表1所示。

表1 凈水機(jī)水效等級(jí)指標(biāo)值

3.1 增加軟化水功能試驗(yàn)對(duì)比

用軟化水技術(shù)提高水效的改進(jìn)樣機(jī)為400 GA型，與普通樣機(jī)相比，僅是帶軟化水功能濾芯的區(qū)別，其余均相同。設(shè)計(jì)參數(shù)為：額定凈水流量1.2 L/min，額定總凈水量4100 L，凈水產(chǎn)水率達(dá)65%，去除率不小于90%。測(cè)試過程中，進(jìn)行凈水流量和去除率測(cè)試，達(dá)到額定總凈水量時(shí)，記錄總進(jìn)水量和總濃水量，測(cè)試結(jié)束。樣機(jī)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，改進(jìn)后樣機(jī)的凈水產(chǎn)水率達(dá)65%，比改進(jìn)前提高約15%；總凈水量4100 L，比改進(jìn)前提高約20.6%，改進(jìn)后整機(jī)水效等級(jí)達(dá)到新國(guó)標(biāo)1級(jí)水平。

3.2 改進(jìn)廢水閥后試驗(yàn)對(duì)比

用廢水閥自清潔技術(shù)提高水效的改進(jìn)樣機(jī)為400 GB型，與普通樣機(jī)相比，僅是廢水閥帶自清潔功能的區(qū)別，其余均相同。設(shè)計(jì)參數(shù)為：額定凈水流量1.2 L/min，額定總凈水量3400 L，凈水產(chǎn)水率55%，去除率不小于90%。測(cè)試過程與前面相同，樣機(jī)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，改進(jìn)樣機(jī)的凈水產(chǎn)水率為55%，總凈水量約3400 L左右，與改進(jìn)前基本相同，但凈水產(chǎn)水率提高了約5%，改進(jìn)后整機(jī)水效等級(jí)達(dá)到新國(guó)標(biāo)2級(jí)水平。

4 結(jié)論

通過上述方法研究和樣機(jī)測(cè)試對(duì)比驗(yàn)證，軟化水技術(shù)和廢水閥自清潔技術(shù)可以增加總凈水量、凈水產(chǎn)水率，提高凈水機(jī)的水效，使凈水機(jī)更好地滿足新水效標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)水要求。軟化水功能通過軟化劑量、水路結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)來滿足不同流量規(guī)格的凈水機(jī)；自清潔功能通過沖洗水路、控制方式等設(shè)計(jì)來提高廢水閥耐堵性。設(shè)備廠家可以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和市場(chǎng)定位，選擇運(yùn)用不同的技術(shù)方案來設(shè)計(jì)高水效凈水機(jī)。隨著消費(fèi)者對(duì)健康飲用水需求日益增多，凈水機(jī)將會(huì)更加普及，如果用這兩項(xiàng)技術(shù)來升級(jí)反滲透凈水機(jī)，不但可以提高凈水機(jī)水效，而且其技術(shù)成本將會(huì)進(jìn)一步降低，從而能帶來更高的社會(huì)價(jià)值和更好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，隨著科技的不斷發(fā)展，相信將會(huì)有更好的技術(shù)手段來提升反滲透凈水機(jī)的水效。