反滲透凈水機水效提高方法研究

李文明

艾歐史密斯（中國）熱水器有限公司 江蘇南京 210038

0 引言

反滲透凈水機過濾精度高，能滿足直飲水需求，是目前家庭飲用水過濾精度等級最高的凈水設備之一，市場發展迅速，深受消費者的青睞。然而，反滲透凈水機在凈化過程中，會產生一定量的濃縮水，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造成水的浪費。隨著“碳達峰，碳中和”目標的不斷踐行，反滲透凈水機凈化過濾產生的廢水逐漸受到人們的重視。凈水機的水效越高，其凈水產水率就越高，相應廢水排放量就越少。2021年發布的GB 34914-2021《反滲透凈水機水效限定值及水效等級》水效標準[1]，與2017版標準[2]相比，最低凈水產水率從35%提升到45%，最高凈水產水率也從60%提升到65%，減少廢水排放量，從技術標準層面提高凈水機的水效，響應國家節能減排政策。目前市面上反滲透凈水機受現有技術、成本等因素的影響，水效普遍都不高，凈水產水率在50%左右，在過濾凈化水過程中會有一半的水被浪費掉?，F有技術中有通過提高反滲透膜濾芯抗污堵性來改善水效的方法，如反滲透膜非側流水道設計[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?，軟化水技術和廢水閥自清潔技術被應用到凈水機中，下面通過凈水樣機效果驗證和測試對比，對凈水機的水效提高進行研究。

1 反滲透凈水機水效影響因素分析

反滲透凈水機的水效由凈水產水率和總凈水量兩方面共同決定，通過實驗測試發現，水的硬度越高，凈水機的凈水產水率和總凈水量越低，影響凈水機的水效。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，同時需要更多的水去沖洗水垢等雜質來延緩衰減，凈水量減少，廢水量增多，從而降低了凈水機水效。從實際使用情況看，北方地區水硬度高，凈水機膜濾芯、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使用壽命，水效降低。如果通過有效的技術方法，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，提升凈水產水率和總凈水量，從而提高凈水機水效。

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，凈水產水率就越低，同樣影響凈水機的水效。通過測試分析，凈水機在凈化過程中產生濃縮水，其硬度比自來水更高，通過廢水閥排放時，水垢等雜質容易附著在閥體廢水孔周圍，積累到一定程度后小孔就會被污堵。常規設計時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，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，也是提高凈水機水效的一種有效方法。

2 反滲透凈水機水效提高方法

2.1 軟水提高水效的實現方法

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。第一種是鈉型陽離子樹脂交換技術，簡稱離子交換技術[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，其過程較復雜，包括軟化、飽和、再生、沖洗等；第二種是阻垢技術，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，也能實現軟化作用；如硅磷晶[5]，由聚磷酸鹽及硅酸鹽組成，經高溫燒結成玻璃型球體，與鈣離子、鎂離子絡合而使它不能生成碳酸鹽水垢；第三種是分散技術[6]，是指即使形成水垢，但通過改變水垢的結構和晶格形式，使其分散在水中不結硬垢，這樣也能達到軟化目的；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，不附著、不沉淀。

2.1.2 提高凈水機水效的實現方法

從水的軟化原理來看，離子交換技術，軟化工藝較復雜，適用于中央軟水機，考慮設計復雜、成本高等因素，不適合未端凈水機。阻垢技術或分散技術在水處理行業已成熟使用很多年，采用的軟化劑符合生活飲用水衛生安全與功能評價規范[7]。軟化劑一般是顆粒狀固體，填裝在罐體里，可以結合凈水機的凈化水路系統整體設計。軟化劑運用到凈水機里需考慮幾個方面：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水里發揮軟化效果；二是軟化劑溶解后，體積會逐漸消耗減少，需要定期更換。凈水機的濾芯是定期更換的，將軟化劑與濾芯放在一起，集成設計，再利用濾芯內部或端部空間填裝軟化劑，這樣阻垢技術或分散技術就能夠運用到未端凈水機里去，具體實現方法如下文所述。

反滲透凈水機水路過濾系統通常由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，軟化劑設計在高精度PP棉濾芯與增壓泵之間，優化后過濾系統原理圖如圖1所示?？紤]結構緊湊和成本優化，最外層PP棉、碳纖維和高精度PP棉設計成集成濾芯，其內部的中心管用于支承過濾材料和連接水路，中心管內部空間用來填充軟化劑，一體式軟化集成濾芯結構如圖2所示；中心管側面開一定數量的圓孔，具體孔徑和孔的數量需根據測試效果來設計，通過圓孔的進水流量，來調控軟化劑的緩釋速度。濾芯一側端蓋是盲孔，另一側端蓋是通孔，保證水是從濾芯最外層圓周方向流入，通過三層過濾后進入中心管內部進行軟化，然后從另一側端蓋通孔流出，經過增壓泵增壓后進入反滲透膜濾芯。當自來水經過三層預處理后進入中心管內，軟化劑通過水流沖擊產生布朗運動，自動緩釋溶解于水中，改變水垢的結晶形式，使其不結硬垢，實現軟化功能。中心管內部腔體尺寸緊湊，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。預處理濾芯體積不大，存水量較少，通過中心管圓孔的合理設計，能夠使軟化劑穩定溶解；另外，因軟化劑與濾芯是一體式設計，壽命相同，可同步換芯。

圖1 凈水機過濾系統原理圖

圖2 一體式軟化集成濾芯示意圖

600 G以上凈水機，凈水流量大，相應的軟水處理能力要求高，要單獨設計罐體，填裝更多的軟化劑，然后罐體與濾芯集成；另外，流量提高后，預處理濾芯體積大，存水量多，對軟化劑溶解穩定性有一定的影響，過濾結束后需要將軟化劑與罐體外的水隔離，減少影響。復合式軟化集成濾芯結構如圖3所示，罐體與濾芯分開設計，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，右邊是獨立罐體，軟化劑裝在罐體內，在罐體兩端進出口各設計一個單向閥。當有水過濾時單向閥會自動打開，軟化劑正常發揮軟化水作用；當過濾結束后單向閥自動關閉，動態隔斷罐體外的水，減少水對軟化劑的影響，維持軟化劑緩釋的穩定性。復合濾芯與軟化劑罐體結構集成，壽命設計相同，軟化劑隨復合濾芯一起定期更換。復合式軟化集成濾芯可滿足大流量凈水機的需求。

圖3 復合式軟化集成濾芯示意圖

2.2 優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，改進前廢水閥結構示意圖如圖4所示，濃水從閥的進水口流入，通過廢水小孔節流后從閥的出水口排出；由于廢水孔細小，容易發生堵塞失效。在設計時，如果凈水流量不變，濃水流量越大，越能緩解廢水孔堵塞，但這樣會導致凈水機水效降低。根據小孔堵塞失效的特點，設計廢水閥令其具有自清潔功能，在每次排廢水時，能自動將小孔堵塞物進行清潔，這樣就可以大大提高廢水閥的耐堵性，從而提高凈水機的水效。自清潔廢水閥結構如圖5所示，在閥體小孔里設計一根針形閥桿，不工作時閥桿是插在小孔內，當工作時，通過電磁閥線圈的動力將閥桿移出小孔，小孔正常排出廢水；工作結束后，閥桿再次插入小孔。這樣每次工作時閥桿的一進一出，自動將污堵物從小孔上清除下來，隨濃水一起沖走，實現自清潔功能。閥桿動作的進出次數，可以根據實際水質情況，通過程序控制做不同頻率的自清潔動作，以提高廢水閥耐堵性。與改進前相比，改進后的自清潔廢水閥能減少濃水和沖洗水的排放，從而提高凈水機的水效。

圖4 改進前廢水閥結構示意圖

圖5 自清潔廢水閥結構示意圖

3 不同方法對水效提高的效果驗證

根據凈水機水效限定值及水效等級[1]的測試方法，分別對軟水提高水效方法和廢水閥自清潔提高水效方法進行效果驗證。改進樣機為無桶即濾型反滲透凈水機，數量3臺，試驗用水硬度為（250±20）mg/L；對比機型為普通樣機400 G，額定凈水流量1.2 L/min，凈水產水率50%，總凈水量3400 L，符合新國標水效等級3級。凈水機水效等級指標值如表1所示。

表1 凈水機水效等級指標值

3.1 增加軟化水功能試驗對比

用軟化水技術提高水效的改進樣機為400 GA型，與普通樣機相比，僅是帶軟化水功能濾芯的區別，其余均相同。設計參數為：額定凈水流量1.2 L/min，額定總凈水量4100 L，凈水產水率達65%，去除率不小于90%。測試過程中，進行凈水流量和去除率測試，達到額定總凈水量時，記錄總進水量和總濃水量，測試結束。樣機對比測試數據如表2所示，改進后樣機的凈水產水率達65%，比改進前提高約15%；總凈水量4100 L，比改進前提高約20.6%，改進后整機水效等級達到新國標1級水平。

3.2 改進廢水閥后試驗對比

用廢水閥自清潔技術提高水效的改進樣機為400 GB型，與普通樣機相比，僅是廢水閥帶自清潔功能的區別，其余均相同。設計參數為：額定凈水流量1.2 L/min，額定總凈水量3400 L，凈水產水率55%，去除率不小于90%。測試過程與前面相同，樣機對比測試數據如表3所示，改進樣機的凈水產水率為55%，總凈水量約3400 L左右，與改進前基本相同，但凈水產水率提高了約5%，改進后整機水效等級達到新國標2級水平。

4 結論

通過上述方法研究和樣機測試對比驗證，軟化水技術和廢水閥自清潔技術可以增加總凈水量、凈水產水率，提高凈水機的水效，使凈水機更好地滿足新水效標準的節水要求。軟化水功能通過軟化劑量、水路結構等設計來滿足不同流量規格的凈水機；自清潔功能通過沖洗水路、控制方式等設計來提高廢水閥耐堵性。設備廠家可以根據產品特點和市場定位，選擇運用不同的技術方案來設計高水效凈水機。隨著消費者對健康飲用水需求日益增多，凈水機將會更加普及，如果用這兩項技術來升級反滲透凈水機，不但可以提高凈水機水效，而且其技術成本將會進一步降低，從而能帶來更高的社會價值和更好的經濟效益。當然，隨著科技的不斷發展，相信將會有更好的技術手段來提升反滲透凈水機的水效。