反渗透净水机技术创新.doc

反渗透净水机技术创新（1） 作者：杜弘道内容提示：针对传统家用反渗透净水机（纯水机）回收率低、废水量大浪费水资源，水源适应性差、适用面窄，压力贮水罐、活性炭存在二次污染风险，保护系统欠完善、存在安全隐患，“三化”水平低等问题进行深入地分析并提出以提高整体性能为目标的创新方案。（一）、关于产水回收率 通常家用反渗透净水机回收率为15%- 30%，余下的大量浓水很多彼当做废水排放掉，造成水资源严重浪费，已成为阻碍行业发展的瓶颈，亟待解决。按照反渗透系统水流量和物料平衡原理，在进水量和溶质含量不变的情况下，提高回收率则给水（浓水侧）量减少、溶质含量增高；反之则给水量增大、溶质含量减少。当回收率为15%时则给水被浓缩1.18倍（注：透过产水的盐分忽略不计），回收率为20%时给水被浓缩1.25倍；回收率为30%时给水被浓缩1.43倍；回收率为40%时给水被浓缩1.7倍；回收率为50%时给水被浓缩2倍；回收率为75%时给水被浓缩4倍。产水溶质含量也随给水浓缩度的增高而增高。反渗透膜回收率、脱盐率是按照标准测试条件在产品出厂时就已经确定的。多数家用反渗透膜标准测试条件为：额定工作压力0.41-0.45MPa、水温25、测试液(NaCl)浓度250/L、pH值7.5时脱盐率98%、回收率15%。（注：HY/T 068饮用纯净水制备系统环保标准规定：一级反渗透设备测试溶液的总含盐量（TDS）应小150mg/L。比膜的标准测试条件要求更严）。照此条件，如果原水溶解性总固体（TDS）250/L，其产水盐含量多数能够达到纯净水标准（电导率10s/），并能保证膜的长期安全运行。反渗透装置的回收率受原水水质、膜的排列、给水流程长度等诸多因素影响。给水流程长回收率高；反之回收率低。工业反渗透装置一个膜壳可串联6支膜，由于膜数多、给水流程长，回收率达75%。由18支膜串联的多段反渗透装置回收率达90% ，已经到了极限。家用反渗透净水机通常只有一支膜，给水流程短，所以回收率低。反渗透装置无论膜数多少、怎样排列，单膜回收率都不应大于标准回收率（低TDS、低污染指数SDI的原水可适当放宽），否则会影响产品水质和膜的使用寿命。QB/T4144家用和类似用途反渗透净水机标准将回收率定为30%，是参照GB/T19249反渗透水处理设备标准按小型设备确定的。而该标准定义的小型设备是指日产水量100t的工业设备，与家用净水机在用途和产品结构上迥然不同。前者日产量以吨位计，反渗透装置膜数多，采用多段排列可轻易达到30%以上的回收率；后者日产量一般在几百升，多数为单膜配置，30%回收率已超过标准回收率一倍。如果原水TDS250/L，多数不能达到纯净水标准要求。回收率超过一定限度不仅影响到给水和产水溶质含量的增高，而且会出现渗透压增高、产水量减少，工作压力上升、进水量减少（水泵进水流量随着工作压力上升而减少），浓差极化加重、膜面结垢倾向加大，设备负荷加重、运行工况恶化等情况。如果没有切实可行的措施断然提高回收率，必然会造成以降低水质、减少设备使用寿命、增加能耗为代价的后果。综上所述，如果家用反渗透净水机回收率超过限度将会对产水水质和膜的使用寿命产生不利影响；如果仅限于纯净水生产将大大缩小设备的适用范围。片面地追求纯度水中缺少人体需要的矿物质，不仅对改善饮水品质没有好处，而且对节能减排、节约用水、产品更新只会带来负面影响。显然，在提高净水机设计回收率的时候有必要对其技术性能和产水水质指标重新进行评估。提高回收率是一个权衡利弊的系统工程。影响回收率的因素有原水水质、产水水质、水温、工作压力、泵膜配置、膜的排列、水流分配、水路阻力、冲洗方式、背压损失、预处理质量等。将这些相辅相成又相互制约的因素解决好了提高回收率就有希望。我们应用多年来在饮用水深度净化、水处理设备研制、饮用水生产、特别是膜法脱盐调控技术生产实践中积累的经验，在提高家用反渗透净水机回收率方面主要措施有：从安全性、健康性、舒适性综合考虑，合理确定产水纯度指标；多模串联、浓水部分循环，以提高回收率；加大横向流速、增强冲洗力度，以减小结垢頃向；采用可调节装置替代废水比，优化运行参数；提高冲洗和预处理质量；改进水路减阻增流；硬水阻垢等。 经过上千次试验，以提高家用反渗透净水机整体技性能为目标的技术创新好于预期效果。单膜净水机回收率由传统机的15-30%提高到45-60%，双膜、多膜机回收率可达60-70%，水、电、滤芯消耗量也相应降低。在水泵功率、滤料用量相同的条件下更新机比传统机产水量增加25-100%。通过物理调质将饮水矿物质含量控制在合理水平，改善了健康舒适性，天然矿物质含量稳定均衡，比人工添加好。对水质和设备运行状况各项技术指标测试结果，重复性和再现性概率达到95%以上，稳定性高、可靠性好、技术先进、经济可行。 （二）、节水方式的创新和防止二次污染产水量小、废水量大、压力水罐和后置活性炭污染是家用反渗透净水机突出问题之一。家庭用户使用最多的50加仑净水机接一杯水要花一分钟，很不方便。为了解决快速用水的需要，现有净水机基本上都配有压力水罐。制水时将小流量的水集存在罐里，用水时由于气囊膨胀增大了流量，给用水带来方便。压力水罐是一个不能拆卸的密封容器，进水出水为同一通道存在死角，又无法清洗，贮水滞留时间长，容易滋生细菌，罐内橡胶气囊产生的异味也会溶入水体。为了消除异味，现有净水机均配置有后置活性炭。然而，活性炭虽有除臭效果却无灭菌功能，超期使用反而会成为滋生细菌和产生亚硝酸盐的载体。不仅如此，试验证明，由于水罐气囊反作用力产生的背压使回收率降低20-25%，增加电耗，降低泵、膜使用寿命。活性炭具有去除有机物、化学毒物、余氯、致臭物等功能，是水处理重要材料，但使用方法一定要得当。通常水处理生产线均将活性炭配置在超滤、反渗透等具有除菌功能的净化单元之前，从不放在末尾。原因很简单，一是防止微生物污染，二是防止碳末进入水体。后置活性炭违背科学实践，带来负面后果，建议从净水机基本配置中取消。有的声称后置活性炭可以调节水的pH值，此言缺乏科学依据。解决节水、浓水利用和压力水罐污染的方法很多，列举于下：1、双罐双龙头贮水取水。这只是一种利用浓水措施，未能解决提高回收率和水罐污染问题。2、将浓水与自来水龙头连接，打开龙头时净水机工作制水，浓水随自来水流出利用，关闭龙头时净水机停止工作。由于两者工作时间不同步，产水量很少，缺乏实用价值。3、将浓水排放由连续式改为间断式，制水时不排放浓水，定时冲洗。此方法用于低TDS水勉强可以，对于高TDS、高硬水由于污堵严重，无法正常运行。4、将浓水注入净水机的进水侧循环利用，但给水浓缩度不能超过临界值（LSI指数），回流量有限。有人声称开发出将浓水百分之百的循环利用的零排放纯水机，如果是这样反渗透膜将很快被堵死。5、将浓水注入自来水管与其混合稀释利用，这对于改善净水机的运行条件、节水肯定有好处。但与 “严禁自备水源的供水管道直接与自来水管网连接，无论自备水源的水质达到何种标准，这些和防止有害污染一样均属于不准发生倒流污染的场所”的国家法律、法规相悖。6、用水桶、水壶、浴缸等容器将浓水贮存利用。简单经济，但需要查看以防水满溢出。7、将封闭式贮水罐改成可拆卸式，以便于清洗消毒。这只是减轻了污染，维护麻烦。8、用可更换的塑料袋取代压力水罐。较好地解决了污染和背压问题，但专用性强、通用性欠佳，未能同时解决浓水利用问题。通过上述方案对比发现一个共同特点，就是将浓水利用、水罐污染等具体问题孤立对待，因此陷入头痛医头，脚痛医脚，顾此失彼，难以两全其美的境地。吸取正反两个方面的经验教训，形成以提高产品整体性能为目标的一揽子解决方案，标本兼治，症结迎刃而解。以无压双桶节水型反渗透净水机为代表的多项专利技术不仅解决了提高回收率，实现浓水百分之百的利用，还同时解决了贮水罐、后置活性炭污染等问题，其特征如下：1、用两只食品级标准塑料水桶，一只装产水，另一只装浓水，取代压力水罐。桶上带有把手和龙头，提水、取水都很轻便快捷，还可与饮水机配套使用。如果用快热电水壶，几分钟就能喝上鲜开水，免除饮水机反复加热，喝“千滚水”之苦。 2、水桶敞口透明，便于清洗消毒，制水、用水情况一目了然。桶的规格有3、5、10升，便于携带，以满足家庭、单位、办公、旅游、车辆（人员、水箱）等用水需要。3、压力水罐取消后，气囊产生的异味已不复存在，后置活性炭也无存在价值，大大降低了污染风险，消除了背压，提高了回收率。4、用电子无压式控制系统取代由单向阀、压力开关和压力水罐组成的压力式控制系统。当产水或者浓水任何一只水桶水满时都将自动关机，可按需设定产水量。不仅适合标准水桶使用，还适合普通水桶、洗衣机、浴缸等使用，具有同样功能，彻底消除水满外溢之虞。5、具有水满自动关机、产后自动冲洗停机、水源断水或水压不足自动停机、压力超限自动泄压、故障连锁保护等功能。6、控制系统灵敏、准确、稳定、耐用。启动、停机、断水、水位控制等过程不受水压变化、水面波动、电极结垢、浮球跳动等因素影响。制水过程中可随意取水，解决了传统方法取水时水泵频繁启动、开一次泵冲洗一次之不足，节水、节能，可靠性大大提高。 7、具有LED声光显示功能。对电源、水源、制水、水满、冲洗、水压不足、压力超限、活性炭使用超期、故障停机等状态发出声光显示。8、不用接下水管和鹅颈龙头，安装、使用更加方便。9、成本低于同类产品。三）、新型分质供水无泵反渗透净水机利用自来水压力作为制水动力的无泵反渗透净水机，具有结构简单、节能、无噪声、成本低等优点但也存在不足，主要问题是：回收率低、废水量大，压力贮水罐、后置活性炭存在二次污染等问题依然存在；控制方法受原水压力影响可靠性差；无自动冲洗功能回收率比普通机型还要低等。无泵净水机的诸多优点毋庸置疑，但对其产水量小等技术性能也应该实事求是地坦诚对待。众所周知，反渗透膜分离原理是以压力差为推动力，产水量取决于给水压力高低，压力高产水量高；反之产水量低。多数家用膜标准工作压力在0.41-0.45Mpa之间，市政自来水压力在0.15-0.3Mpa左右,显然多数自来水压力低于膜的标准工作压力，产量也就达不到标准产水量要求，因此无泵净水机通常采用大膜配置。有的将膜的标准产水量作为净水机的产水量，不实宣传，后患无穷。新型无泵反渗透净水机针对同类产品的不足对产品结构进行了更新，其特征是：1、采用上述无压双桶节水型反渗透净水机等专利技术，实现了浓水百分之百的回收利用，彻底消除了压力贮水罐、后置活性炭二次污染，消除了背压，提高了回收率。2、采用电子无压式控制系统取代由单向阀、四面阀、压力水罐组成的压力式控制系统。不受原水压力影响，彻底解决了断水失控、水罐伫存水量少等之不足。3、复合式净化单元，一机产三种水：反渗透水为柔润甘甜的舒适水；浓缩水可作为普通生活用水或生活杂用水；超滤水为大流量净化水。真正实现了按需分质供水，不浪费一滴水。4、双水路冲洗系统。在打开超滤水龙头用水时水流经反渗透膜对其进行冲洗，流量大效果好，延长了膜的使用寿命，回收率也得到提高。5、结构简单造型美观，故障率低，安装维护方便，具有漂亮的机罩和LED声光显示。6、节能，成本低于同类产品。（四）、新型零压反渗透净水机无压力水源反渗透净水机与普通净水机最大的区别在于配置自吸增压泵。该机具有在不加引水的情况下（首次使用时滤瓶应加满水），自动将容器内的无压力水源吸上来的功能。零压净水机的性能质量不仅取决于自吸式隔膜泵，而且水路、电路设计也很独特。从理论上讲泵的最大吸程不会超过1个标准大气压。标准大气压为0.1Mpa（101325pa）或760毫米汞柱（676mmHg），均低于正表压的自来水（表压是在一个大气压的基础上开始计量的）。隔膜泵的有效吸程只有2米，处于负压状态，吸力很小。为减少水头损失，减轻滤芯堵塞，通常将泵的杨程置于预处理之前。 传统零压净水机存在之不足主要有：回收率低、废水量大、压力贮水罐后置活性炭存在二次污染等问题依然存在；隔膜泵压力不稳定、失压，抗污能力差；水路、特别是吸程瓶颈多阻力大；滤瓶承受压力大，由普通型机的0.2-0.3Mpa上升到0.5-0.6Mpa甚至更高，又无限压功能，存在安全隐患；控制方式反映迟钝。新型零压反渗透净水机针对同类产品之不足对产品结构进行了更新，其特征是：1、采用上述无压双桶节水型反渗透净水机等专利技术，实现了浓水百分之百的回收利用，彻底消除了压力贮水罐、后置活性炭二次污染问题，消除了背压，回收率也有提高。2、采用电子无压式控制系统取代由单向阀、压力开关、压力水罐组成的压力式控制系统。灵敏、准确，彻底解决了无压水源传统控制方式反应迟钝、缺水干抽、水泵空转等之不足。 3、特设压力超限保护系统，当压力超过设定值时自动泄压报警。4、低阻力水路。进水口安装金属烧结滤芯，方便清洗，长期使用。5、具有LED声光显示。 6、成本低于同类产品。（后续）（五）、高硬水自动阻垢装置硬度（以caco3计）300mg/L为硬水，450mg/L为极硬水；TDS500mg/L为高矿化水，这类水感官性状差，带苦涩味，煮肉不易熟，严重影响饭菜质量和茶、水味道；沐浴时头发干涩、伤害皮肤；洗涤时浪费肥皂、损坏衣物；由于水垢重增加热耗、堵塞管道、损伤生产和生活设施，未经处理不宜饮用。我国自来水标准（GB 5749-2006）硬度450/L，TDS1000/L；饮用净水标准（CJ 94-2006）硬度300/L，TDS500/L；I类地下水硬度150/L，TDS300/L；II类地下水硬度300/L，TDS500/L。显然在溶解性总固体和硬度水质指标(系影响感官舒适性的重要指标)上自来水不如净水，也不如I、II类地下水，这是国情所定。我国可饮用地下水中，硬度大于300mg/L的硬水占可饮用地下水的70%以上。华北 、华东、西北和西南地区有50%城市自来水的硬度已接近甚至超过450mg/L标准限值，降水充沛的南方和沿海地区，饮用高硬水的居民也为数不少,不良饮水造成的困扰已成为社会关注的焦点。大力发展适宜处理高硬水、苦咸水的净水设备是关系民生、利国利民的好事。反渗透具有脱盐功能，是处理高硬水、苦咸水的克星，但在使用过程中本身也会受到水垢污染。所以对于硬度大于250/L、TDS大于300mg/L的原水需进行软化或阻垢处理以保证设备正常运行。传统树脂软化工艺使用周期短，再生频繁、操作麻烦、耗费食盐、质量不易控制,难以在家庭使用。采用自动控制缓释阻垢技术可减少许多麻烦。该装置制水时自动通水使阻垢剂缓慢释放；停止制水时自动排水阻垢剂停止释放，不需要频繁人工再生, 剂量添加均匀。弥补了普通阻垢机不管使不使用阻垢剂一直浸泡在水里，任其融化，造成溶解过度浪费材料，甚至堵塞水路之不足。新技术比老办法节省阻垢剂70%以上。食品级硅磷酸盐缓释阻垢剂符合国家卫生部生活饮用水化学处理剂卫生安全评价规范要求，环保无害。应用可用于硬水的节水型反渗透净水机、无压双桶节水型反渗透净水机等专利技术，除具有处理硬水、苦咸水等特种功能外，在提高回收率，实现浓水全部利用，消除压力伫水罐、后置活性炭二次污染等方面与上述创新产品具有同样功能。（六）、权衡利弊合理用水不同原水、不同回收率的产水和浓水的溶解性总固体（TDS）原水TDS（mg/L）不同回收率浓缩水TDS（mg/L）不同回收率产品水TDS（mg/L）30%40%50%60%70%75%30%40%50%60%70%75%1502142503003755006004.3567.51012150-200214-286250-333300-400375-500500-666600-8004.3-5.75-6.76-87.5-1010-13.312-16200-400286-571333-666400-800500-1000660-1333800-16005.7-11.46.7-13.38-1610-2013.3-26.716-32400-600571-857666-1000800-12001000-15001333-20001600-240011.4-17.113.3-2016-2420-3026.7-4032-48600-800857-11431000-13331200-16001500-20002000-26662400-320017.1-22.920-26.724-3230-4040-53.3 48-64800-10001143-14291333-16661600-20002000-25002666-33333200-400022.9-28.626.7-33.332-4040-5053.3-6764-80注：反渗透膜脱盐率以98%计； 因膜的参数公差及浓水部分回流等变动性因素影响，以上数据仅供参考。通过上表看出，不同盐含量的原水在不同回收率的情况下浓水和产水盐含量的变化，以此来分析水质状况：1、产水。当原水TDS150-200mg/L、回收率30-40%时产水TDS 4.3-5.0mg/L，通常可以制备出纯净水；当原水TDS小于1000mg/L、回收率为30-75%时产水TDS小于80mg/L，可以制备出含盐量低、硬度低、含有一定矿物质、口感好的优质饮用水（日本舒适水标准TDS为 30-100 mg/L）。如果按照卫生部生活饮用水反渗透处理装置卫生安全与功能评价规范（征求意见稿）“出水水质溶解总固体50mg/L”的规定（盐含量为纯净水的10倍），则只有原水TDS小于800mg/L、回收率小于65%时水质才符合要求。2、浓水。根据原水和回收率的对应关系，TDS小于500mg/L的浓水可当普通自来水使用，煮饭、煲汤、洗衣都可以。TDS大于500mg/L、小于1000mg/L的浓水虽然没有超过自来水标准，但硬度高、水垢重，口感苦涩，主要用作冲厕所、绿化、扫除等生活杂用水（注：生活杂用水标准（CJ 25.1）规定：TDS不大于1200mg/L）。TDS大于1000mg/L,硬度大于550mg/L的水盐浓度太高，水垢很重、沉淀很多、滴在洁具上都会留下迹印，这种水不适宜洗衣、更不能用于人员洗漱。综上所述，我们在确定回收率的时候，不仅要保证产水质量也要考虑到浓水质量和用途。由于通过创新浓水已能全部利用，产水回收率的高低已不是节水的唯一因素。从实际出发权衡利弊，合理确定回收率，以求实用性更好。（七）、保护系统的完善和创新。传统反渗透净水机只有缺水和水满停机保护功能，而无压力超限、故障连锁保护功能，存在安全隐患。例如：当膜出现污塞工作压力升高、产水量减少、运行时间延长、工作状况恶劣，甚至造成设备损坏；进水电磁阀失效，造成水泵空转；单向阀失效使水泵停不下来等。新的产品结构和连锁保护装置避免了上述故障的发生。当出现水路堵塞、水泵堵转、电磁阀失效、压力超限等故障时自动关机、泄压，断电后鸣笛报警。（八）、几项技术创新1、多功能冲洗系统。传统冲洗方法有两种：手工冲洗，增添麻烦，多数不能坚持，形同摆设；由电磁阀或电脑盒控制的自动冲洗，冲洗时间固定在14-20秒/次，工作方式为产前冲洗，由于浓水不能及时排放，致使大量成垢物质沉集于膜的表面，增加结垢倾向，效果欠佳。产后自动冲洗能及时将浓水排掉，冲洗时间10-120秒/次，可根据水质、水量情况设定。产后冲洗比产前冲洗洗净度（以电导率/单位冲洗时间计）提高一倍以上，节水，延长膜的使用寿命。同时该装置还具有产前、产中和不定时冲洗功能，可以在使用现场进行化学清洗。 2、流量分配调节装置。反渗透的产水量主要取决于工作压力和水温，产水量随工作压力升降而增减。膜的额定产水量均以250C水温为标准，水温高水的粘度低水量增加；水温低水的粘度高水量减少。水温每增减1度，产水量增减2.5-3%。同一台设备在不同季节产水量变化很大。传统方法是用废水比来控制浓水与产水比例，由于不能调节就会出现夏季产量大冬季产量小，负荷不均浪费资源。新的调节装置可以根据季节温度变化调节回收率，每年调整1-2次。具有限压装置调节时不会超限，安全可靠，用户都能操作。3、活性炭使用周期自动控制系统。对于活性炭超期失效所造成的二次污染问题，虽然大家都在强调按时更换滤芯的重要性，但很难落实。活性炭使用周期控制系统是采用累计时方法控制水泵，通过水泵运行时间控制总水量。总水量是活性炭吸附饱和时的累计水量，当设定总水量超限时将自动关机报警。4、全面更新传统水路、电路系统。淘汰了进水电磁阀、单向阀，四面阀、废水比、手动冲洗阀、产前冲洗电磁阀、管塞接头等。水泵出力由传统机的5065%提高到100%，为提高整机性能创造条件。（九）、美化产品，提高“三化”水平人性化设计是家电产品永恒的主题。家用净水机不仅要净化功能好，使用方便而且要美观。外观设计需要产品定型才能量体裁衣。贯彻执行“三化”（标准化、通用化、系列化）技术政策，是现代化大生产的需要，也是产品定型的重要原则。目前国内家用反渗透净水机主要有美式和韩式两类机型，反渗透膜“三化”程度相对较好。遗憾的是作为净水机心脏的隔膜泵“三化”尚未形成；滤瓶、膜壳、阀门、管件、电器、密封件等基础件基本上为美制或英制单位，同样规格不同厂家的产品也不能通用；机座、机罩都是按