基于動態膜錯流過濾的野外凈水裝置研究*

沈志杰，楊德忠，鄧黛青**，丁 濤

(1.中國計量大學質量與安全工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江紅石梁集團熱電有限公司，浙江 臺州 317299)

我國是一個地質災害多發的國家，地質災害會使大量污染物進入水體，使災區飲用水水質迅速惡化，威脅災區飲用水的安全[1]。同時，我國地域遼闊，各地受自然、經濟和社會條件的影響，大量農村給水設施較為落后，自來水普及率較低，農村飲用水安全問題長期存在[2]。基于此，本文提出了一種基于動態膜錯流過濾的野外凈水裝置，可適用于災害救援、農村給水與軍隊訓練等場景，滿足野外應急情況下的生活用水需求。

1 動態膜與錯流過濾原理概述

1.1 自生動態膜

動態膜是一些大孔徑網膜材料與某種固體懸浮物或膠體溶液，在一定條件下通過這些網膜材料時形成的分離層，它們共同組成膜材料。根據動態膜材料的不同，可分為自生動態膜、預涂動態膜。自生動態膜是利用廢液中的某種物質，作為成膜物質，沉淀在載體上形成的動態膜；預涂動態膜技術就是把自身生物動態膜技術中的生物層改進為由一種或者多種、天然或者人工合成、無機物或者有機物形成的預涂層[3]。本文采用自生動態膜技術，在裝置過濾的過程當中基膜對小粒子進行截留，會形成一層分離層，從而提高過濾的精度。

1.2 錯流過濾

在水過濾過程當中，常見的操作方式為死端過濾和錯流過濾。兩者之間的區別在于水流的流動方向不同。死端過濾時的水流方向是垂直于基膜方向的，如圖1所示。而錯流過濾，水流方向為平行于基膜表面方向，如圖2所示。錯流過濾時，基膜表面會因水流運動產生一定的剪切力，該剪切力能夠沖刷基膜表面附著的小顆粒[4]，減少基膜堵塞，延長基膜使用壽命，同時也有利于控制動態膜的過濾精度，在一定程度上緩解隨時間變化動態膜孔隙逐步減小而導致過濾壓力升高的現象。

圖1 死端過濾過程圖

圖2 錯流過濾過程圖

2 基于動態膜錯流過濾的野外凈水裝置結構設計

野外凈水裝置分為進水預處理模塊、催化過濾模塊，以及離子去除模塊三大模塊，并由芯片實現自控。進水預處理模塊主要部件為管道預處理器，負責對水體進行初步大雜質分離；催化過濾模塊由兩個核心反應罐體組成，可對水體進行絮凝、催化、吸附等操作，同時還會進行動態膜錯流過濾，進行更高精度的雜質分離；離子去除模塊由離子去除器構成，主要負責對水體進行廣譜的有害離子去除。如圖3、圖4所示。

2.1 反應罐體

根據反應時罐內水壓和結構維持的要求，外殼采用立式3.5 mm不銹鋼儲罐，并利用四個吊環法蘭實現罐體全密封。升流槳動力裝置處于密封端蓋上端，主要作用是提供反應罐內升流槳轉動動力。該動力裝置由120W可調速電機、齒輪減速機和聯軸器組成。調速電機通過齒輪減速機、聯軸器與罐體內的升流槳連接。

在反應罐上部定位壓板上開孔裝配壓力表和自動泄壓閥，過濾時，若罐內壓力過大，可自動泄壓，避免造成安全事故。進水口設置在反應罐底端，濾芯出水口與反應罐出水口通過螺紋連接，濾芯底部使用橡膠圈密封。升流槳由兩個分漿組成，每個分槳貼近罐體側焊有四片槳葉，槳葉與水平方向呈30°。同一槳桿上每片槳葉間隔50 mm，充分保證罐內反應的水流能夠上升到預期高度。升流槳通過聯軸器懸掛在反應罐中央，兩根分漿分別在濾芯兩側。啟動時分漿可圍繞濾芯旋轉，罐內底部進入的水流從底部螺旋上升至濾芯上端，并形成一段穩定的上升水渦進行錯流過濾。可通過定位壓板上的進料漏斗完成加藥，漏斗管道上設置閥門，加料完成關閉閥門保持罐體內密封狀態。

在裝置中，微污染水進入罐體中，在反應罐漏斗上加入絮凝劑，反應罐中間的升流槳將進水口的水流從底部螺旋上升至反應罐上端，并形成一段穩定的上升水渦。在流場的作用下，既能使得藥物與水樣充分反應，又能使絮凝的污染物在過濾基膜的外表面均勻形成動態膜。本裝置可在漏斗上加入吸附劑，吸附劑將雜質吸附。吸附的少量雜質可通過罐內流場的作用在基膜的表面成膜，同時吸附劑本身也可作為成膜的材料附著在基膜表面。如圖5所示。

2.2 集成管閥

管閥系統主要由聚氯乙烯管道以及電磁三通閥、 電磁單向閥組成。 利用芯片集成控制，將正常過濾模式與反洗模式相結合，使用單泵實現整個運作模式。 本文設計的管閥系統在滿足模式運行要求的同時還能減少水泵的使用數量，減小裝置的體積與重量，提高裝置在野外攜帶與運輸的便攜性。 如圖6、 圖7所示。

圖5 反應罐體結構

圖7 管閥路線結構

2.3 離子去除器

為了消除臭氧、應對水中可能存在的多種有害離子和細菌、藻類等微生物，裝置使用銅鋅合金(KDF)以及離子交換樹脂作為裝置末端工藝-離子去除的主要材料。

KDF (Kinetic Degradation Fluxion)是一種新型的、多功能的、可再生的銅鋅合金水處理材料(圖8)。1984年，美國的水處理專家 Done Heskett 發明了KDF濾料，并申請了多項專利，而且通過了美國國家衛生基金會(NSF)、水質協會(WQA)等機構的認證。KDF的凈水機理是通過與水中的污染物質在濾料的表面發生氧化還原反應從而達到去除污染物質的目的。與傳統濾料相比，KDF具有使用壽命長，可以100%恢復過濾能力；能有效減少或去除水中的氯和重金屬、有效控制微生物和鍋垢；在除鐵、降低氟化物、硝酸鹽、碳酸鹽和硫酸鹽等方面也有較好效果；并具有維護方便，綜合性能優良等特點。目前KDF合金濾料已經被用于生活用水深度凈化、工業給水凈化及廢水處理等方面[5-7]。

圖8 銅鋅合金濾料(KDF)

離子交換樹脂是一種具有一定高分子結構的特殊樹脂材料，按照結構可將其分為大孔型和凝膠型樹脂。離子交換樹脂由兩部分組成：樹脂基質和離子交換基團。作用原理是連接在離子交換樹脂骨架上的活性基團與水溶液中同類電荷的離子之間發生化學置換反應[8]。離子交換樹脂廣泛應用于水處理、化學分析、制藥、生物技術等領域。在凈水領域中，離子交換樹脂可以去除水中的硬度離子、重金屬離子、部分有害物質等。

本文設計了一種柱形容器，容器內上層放置銅鋅合金濾料，下層放置離子交換樹脂(圖9)。

圖9 離子去除器

容器置于凈水系統的后端，經過反應罐過濾的水流從容器上端進水口進入依次流經銅鋅合金濾料和離子交換樹脂。

3 野外凈水裝置運行流程

裝置設置三大模塊。在正常模式下，微污染原水通過泵抽取進入第一模塊進行預處理，通過管道預處理器實現大雜質與水的初步分離。

當微污染水進入第二模塊時，在反應罐漏斗上加入絮凝劑與催化劑，微污染水中的雜質與藥劑反應在過濾基膜表面形成次生膜，通過升流漿的帶動，微污染水在膜表面進行錯流過濾與催化反應。

當經過一段時間過濾后，控制系統通過控制電磁閥改變水流路徑，裝置自動進入反洗模式，將動態膜洗下，并從污水口排出，再轉換為正常模式進行下一輪的成膜催化過濾。

本文在第二模塊設定了四個工作模式，分別為：水流經A反應罐過濾，再流經B反應罐過濾；水流經B反應罐過濾，再反洗A反應罐。水流經B反應罐過濾，再流經A反應罐過濾；水流經A反應罐過濾，再反洗B反應罐。工作流程如圖10所示。其中，微污染水先經A罐過濾再經B罐過濾的雙重過濾模式能夠有效的提高水質的凈化程度，為使用者提供更加安全和健康的飲用水。由于A罐處在過濾流程的前端，因此A罐基膜污染堵塞的速度遠快于B罐基膜。在過濾流程運行一段時間后，芯片控制對應電磁閥開閉，改變水流路徑，此時B罐所過濾的水從A罐出水口進入反洗A罐基膜，反洗產生的污水從污水口排出。反洗完成后芯片再次控制對應電磁閥開閉，此時系統再次進入過濾流程，微污染水從B罐過濾后流經A罐過濾。由于當前過濾流程中B罐處于凈化前端，因此B罐基膜污染速度快于A罐。B罐基膜污染達到一定程度時，進入反洗模式，A罐過濾的水從B罐出水口流入反洗沖刷B罐基膜，產生的反洗污水從污水口排出。B罐反洗結束后，芯片再次控制電磁閥門的開閉進入下一輪A罐至B罐的過濾模式。上述流程循環往復，直至過濾結束。

反洗模式的設計能夠延長基膜壽命，提高凈水器的過濾效率并且節省維護成本。

經膜過濾后的水繼續進入下一模塊—離子去除模塊。該模塊采用基于銅鋅合金的管道過濾器，可實現水中有害離子的廣泛去除。

圖11 基于動態膜錯流過濾的野外凈水裝置工作流程示意圖

4 基于動態膜錯流過濾的野外凈水裝置優勢與創新點

4.1 反應罐內動態膜搭建、錯流過濾為一體

本文設計的管道循環結構能夠將初步過濾的水多次回轉至罐體內，通過加料漏斗加入絮凝劑、催化劑進行反應，通過升流槳在罐體內產生穩定流場進行錯流過濾，在濾芯表面逐步形成動態膜，實現過濾精度逐級提升。

4.2 在罐體內自由組合吸附、絮凝、催化氧化等水處理單元

在反應罐頂部設計了單一加料漏斗，預選用吸附劑、絮凝劑、催化劑等多種藥劑，根據水處理環境自由組合藥劑，進行“對癥下藥”，可在災區或野外等復雜環境下采取相應的水處理單元實現水體水質最優凈化。

4.3 單泵交錯串流過濾工藝

本文設計閥門與管道相應的配合結構使單泵即可實現過濾與反洗運作模式，減少水泵使用數量，減少占地面積和裝置體積。同時本文將閥門和主要管道系統集成在一個 40 cm×30 cm×20 cm 的箱體內，可以方便快捷地進行整體安裝以及更換，不需要專業操作人員對復雜的管道和電磁閥線路進行操作。

4.4 高效、廣泛實現水體中有害離子的去除

在裝置末端加入離子去除器，選用性能優良的離子去除材料-銅鋅合金。銅鋅合金離子去除效果良好并具有維護方便，綜合性能優良等特點。同時在銅鋅合金層下方增加離子交換樹脂層進行二次離子去除，真正達到水質安全。

5 結語

我國是一個地震頻發的國家，災區自來水供應難以得到及時保障，災區人民只能就地飲用沒有水質保障的水。目前中國仍有3億多人存在飲水安全問題，并且大多集中在自然條件惡劣，經濟相對落后的西部地區。為此，國家每年都要投入大量的財力進行改水工程建設以解決農村飲水困難，保障飲水安全。同時，野外駐訓部隊目前還大量采用單兵式野外凈水器，也未有適合野外作訓的可供多人的野外凈水裝置。保障駐訓官兵的飲用水安全，能在一定程度上增強國防實力。綜上所述，基于動態膜錯流過濾的野外凈水裝置具有獨特的運行模式，靈活方便，適合中國國情，能為國家災害防護、野外救援、部隊駐訓等提供飲用水資源保障。