增强抗污防垢功能推进反渗透净水机创新升级

1、增强抗污防垢功能推进反渗透净水机创新升级作者杜弘道本文系笔者在中国标准化总第259期发表的贯彻落实水效标准促进反渗透净水机创新升级的续篇。侧重介绍反渗透膜结垢污堵机理及对策。饮用水深度净化技术中以反渗透净化精度最高，可除去0.0001微的杂质，高效去除无机物、有机物、微生物和放射性核素'具有独特的脱盐功能。反渗透（RO）、电渗析（ED）、蒸储（DW）、离子交换是制备纯净水的四大脱盐技术，其中以反渗透感官舒适性最好，是硬水、苦咸水的克星。然而，生产过程中反渗透膜也会受到悬浮物、胶体、生物粘泥、难溶盐及金属氧化物等成垢物质的污染而堵塞。盐含量、硬度、碱度过高，消毒灭菌功能欠缺，是造成反渗透

2、膜结垢污堵的重要因素；是导致水耗高、二次污染、水源适用面受限等功能性不足的症结。增强抗污防垢功能，扩大水源适用面，是反渗透净水机创新升级的主攻方向。（一）高盐高硬天然水水质特性。1、高盐、高硬天然水理化特性。自然界中各种天然水都是由水和杂质组成的。水中的杂质种类繁多，按其本性可分为无机物、有机物和微生物。水和杂质之间的相互作用共同决定了其水质特性。溶解性总固体、总硬度、碱度是高盐高硬水的主要特征性指标。（1）溶解性总固体（TD§亦称盐含量）是指溶解于水中的无机盐、有机物等各种离子、分子、化合物的总量，硬度、碱度也包含其中。在恒定工作压力下，盐含量越高产水率、脱盐率越低；反之，产水率、

3、脱盐率越高。（2）硬度是由水中多种溶解性金属阳离子同一些阴离子结合形成的，传统水的硬度是以水与肥皂反应的能力来衡量的。天然水中主要是以钙镁的碳酸盐、碳酸氢盐构成的碳酸盐硬度（亦称暂时硬度）；硫酸盐、氯化物和硝酸盐构成的非碳酸盐硬度（亦称永久硬度）。碳酸盐硬度+非碳酸盐硬度=总硬度。止匕外，还有钠钾的碳酸氢盐和碳酸盐，称为负硬度（俗称盐碱水）。（3）碱度是指水中所含碱性物质而具有的能够接受氢离子的能力。天然水碱度主要是钙镁的碳酸氢盐，这就使碱度与硬度有了关联。（4）总碱度总硬度，水中有碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度，则：总硬度-总碱度=非碳酸盐硬度，总碱度=碳酸盐硬度。（5）总碱度总硬度，水中无非碳酸

4、盐硬度，只存在碳酸盐硬度和负硬度，则：总硬度=碳酸盐硬度，总碱度-总硬度=负硬度。（6）总碱度=总硬度，水中无非碳酸盐硬度和负硬度，只有碳酸盐硬度，则：总硬度=总碱度=碳酸盐硬度。2、高盐、高硬、碱性水的危害。盐含量500mg/L为高盐水，硬度300mg/L为高硬水，碱度大于硬度的水为碱性水。这类水感官性状差，口感苦涩咸，严重影响饭菜质量，可引起胃肠功能暂时性紊乱；沐浴时滑腻不适；洗涤时浪费肥皂；水垢重沉淀多，污染洁具，堵塞管道，增加热耗。盐含量、硬度、碱度高低对水的感官舒适性具有重要影响。实践证明：低矿化度（TD0、低硬、低碱的淡矿泉水好喝，受到广大消费者青睐；高矿化度、高硬、高碱的浓矿泉水

5、味道苦涩且沉淀多，适合特殊人群需要；纯净水比其他饮用水口感更好，已成为国内外水界不争的共识。（二）回收率与膜的结垢污堵1、回收率与浓缩系数。制水时水中的杂质被反渗透膜截留，沉积结垢造成污堵。原水水质、预处理水质、回收率对膜的结垢污堵影响最大。随着回收率的提高膜的进水侧（专业术语称：给水）溶质含量不断地浓缩呈线性增高，产水侧溶质含量也随进水侧浓缩系数的增高而增高。当回收率超过一定限度使浓差极化加剧、渗透压增高、水通量减少、透盐率增加、结垢倾向加大，影响产水质量和设备正常运行。以水效标准为例，列表说明净水机水效等级与浓缩系数的关系。表1反渗透净水机水效等级与浓缩系数的关系水效等级传统单膜净水机1级

6、2级3级4级5级领跑者净水回收率/%15>60>55>50>45>35>75浓缩系数/倍1.172.502.222.001.821.544.00注：净水盐含量忽略不计2、反渗透膜的构造特征。反渗透属于纳米级半透膜，极易被截留杂质所堵塞，其构造与其他筛分膜不同，除了原水进口和产水出水口外还有一个浓水出口。制水时大量浓水从膜的表面横向流过，将截留在膜面上的杂质冲刷掉从浓水口排放，以保证产水质量和设备正常运行。（三）工业和家用反渗透装置1、工业反渗透装置。膜数多按级、段组合：级，指将产水进行重复过滤以提高脱盐率，“产水每流经由增压泵和膜组件组成的一个系统为一级”2

7、,级数多产水纯度高；段，指通过串联将前面膜排放的浓水作为后面膜的原水重复利用，增加每支膜的冲洗水量，降低浓缩系数，以提高回收率，“给水（含浓水）每流经一组膜组件为一段”，多段组合的反渗透装置回收率可达75%-90%2、家用反渗透净水机。是面向千家万户的通用产品，水质纯度适中，健康舒适性好。由于大多数为单膜配置，冲洗水耗高，为了保持较低的浓缩系数、降低结垢倾向，因此传统净水机回收率指标定的很低，膜生产商产品技术手册规定，单支膜产水回收率为15%。家用和工业反渗透水处理装置虽然原理一样但在用途、水质要求、工艺配置等方面截然不同，技术创新中只能借鉴，不能照搬。（四）水效标准与技术创新针对反渗透净水机

8、水耗高浪费水资源的突出问题，国家质检总局、国家标准委发布了GB34914反渗透净水机水效限定值及水效等级标准，于2018年11月1日实施。这是我国净水业首个强制性国家标准，也是国际上首个提出净水机产水率等级要求的标准，对于我国净水业技术创新产品升级具有里程碑式的意义。1、起点高。水效标准净水产水率共分5级：最低级（合格）>35%,最高级A60%,激励性指标“领跑者”>75%。大大的高于现行轻工行业标准QB/T4144产水率A30%家用反渗透膜产品技术手册15%勺要求。表2反渗透净水机水效等级及相关技术参数净水机水效等级1级2级3级4级5级净水产水率（）>60>55>

9、;50>45>35脱盐率（）>85>85>85>85>85硬度去除率（）>90>90>90>90>902、测试条件与实际使用条件一致。膜制造商产品技术手册规定家用反渗透膜测试液为氯化钠+纯水配制，由于氯化钠属易溶盐，仅有浓度不高的盐含量，没有硬度、碱度几乎不存在膜的结垢污堵问题与实际使用条件脱节；水效标准测试用水有浓度较高的盐含量、硬度和碱度，对膜的结垢堵塞具有直接影响，能够体现天然原水条件下净水机的实际性能表3家用反渗透膜测试条件对比执行测试液试验条件标准配TDS总硬碱度PH值水温进水压运行压净水回脱盐硬度规范方度力力收

10、率率去除mg/Lmg/Lmg/L(C)(Mpa)(Mpa)(%)(%)率（）水效附录A500±5250±2160±2725±10.24土0产品说.)35>85>90标准0007.502明书>60技术纯水+250-725±1-0.411590-手册氯化钠7.50.80993、理论研究与实践紧密结合。由标准主要起草人中国标准化研究院王玉洁、白雪、朱春雁撰写的反渗透净水机水效标准研究论文披露。测试用原水最初是参考GB5749生活饮用水卫生标准设定为：TDS950£0mg/L,硬度450d50mg/L,碱度320mg/L。经

11、5家企业，9台样机测试结果只有一台样机完成测试，其他8台在测试过程中净水流量下降50%以上，堵膜，并且未达到标称的总净水量要求，产水率均不足30%后来通过大量调查研究，标准正式文本试验用水定为：TDS50050mg/L,总硬度250d20mg/L,碱度160i20mg/L,考核指标更加切合实际，科学合理。综上所述，如果按照最初方案当回收率为50%寸TDS由原来的950mg/L上升到1900mg/L,硬度由原来的450mg/L上升到900mg/L,此时渗透压增加50%以上，极限碳酸钙硬度超过亚稳定状态3倍以上，净水流量下降，透盐率升高，浓差极化加剧，结垢倾向严重。随着时间推移沉积在膜面上的成垢物

12、质不断增多，如果没有切实可行的措施连续运行一两天就会严重堵塞。理论依据及大量实践均证明，不具备抗污防垢功能的反渗透净水机不可能实5现水效标准对市政自来水极限指标的全覆盖，必须对传统净水机进行脱胎换骨地改造。4、增强抗污防堵功能扩大水源适用面。我国幅员广阔，不同地区天然水质差别很大，普遍规律是：少雨干旱地区盐含量高，硬度高，地下水比地表水高。东南沿海的软水；长江流域及其以南，黑龙江和松花江流域的软水、低硬水、中硬水；黄河流域及其以北和辽河流域的中硬水、硬水；西北、华北、内蒙古的硬水、高硬水；东部沿海部分地区的高盐碱水等。劣质水源不少是缺水和经济欠发达地区，涉及3800多万人。增强抗污防堵功能，扩

13、大水源适用面，大力开发适合不同水质水源，特别是高盐、高硬、碱性等劣质水源和分散供水的节水环保型净水设备，是净水业者义不容辞的光荣使命。（五）抗污防垢灭菌措施。水垢通常分三类：盐垢（scale）由钙镁离子与碳酸钙等难溶盐所形成；污垢（fouling）由泥沙、腐殖质、金属氧化物等悬浮物、胶体所形成；粘垢（slime）由杂菌、藻类等形成的生物粘泥。1、污垢、粘垢、微生物。可以用纤维棉（P?、微滤（MF）超滤（UF）、活性炭及抑菌等预处理解决。浊度、污染密度指数（SDD、余氯等是表征预处理水质好坏的综合性指标。反渗透除菌机理是截留而非杀灭，由于预处理水去掉了余氯失去抑菌作用，当自身受到污染时，菌藻繁殖

14、速度可能比含有余氯的自来水还要快，也是污堵原因之一。为了防止菌藻污染，仅有预处理抑菌是远远不够的，必须配置产品水灭菌后处理工艺。2、盐垢。可以用软化、阻垢等化学和物理方法解决。软化、阻垢只能解决结垢问题不能降低盐含量。3、软化。树脂软化工艺再生频繁、操作麻烦、水耗高，再生后钠含量增高长期饮用对人体健康有负面影响冏。4、阻垢。化学阻垢剂种类繁多，其机理是通过络合、分散、微晶致畸等改变水分子与成垢物质的形态结构，以达到防垢溶垢之目的。净水机以“硅磷精”阻垢剂居多，用量过度会造成管路堵塞，磷酸盐超标，不宜长期饮用冏。5、物理性防垢除垢是发展方向。膜的优化组合，浓水部分回流，强化冲洗等是抗污防堵提高回

15、收率行之有效的方法。超声波、电磁、电场、电吸附、电气石等物理防垢除垢方法由于技术、成本等原因迄今尚未发现在家用净水机上应用，主要用在冷却循环、低压锅炉等水处理。（六）走绿色环保之路推进反渗透净水机全面升级针对传统反渗透净水机水耗高、二次污染、取水慢等不足，以全面升级为目标，解决结垢污堵为突破口，对症施治，推陈出新，六年来经过不断地实验改进，在用物理方法解决抗污防垢、消毒灭菌、节水环保方面实现了新的突破，净水机的整体性能提升到一个新的高度。1、物理性抗污防垢体系。由湍流增强器、浓水循环、周期排污、产后泄压和深度清洗构成的抗污防垢体系具有很好的协同效应：增加膜面横向流速，有效地降低杂质沉降附着几率

16、，减轻结垢倾向，保持运行稳定；废水复用，余能利用,减阻增流，节水环保；湍流增强器极大地强化了冲洗力度，不用电，无运动件，可靠耐用；深度清洗以极低的水耗、电耗，停机后对膜进行持久性的修复清洗，延长其使用寿命。2、拓展水效标准实现饮用水源国家标准极限指标全覆盖(1)按水效标准，TDS500mg/L、硬度250mg/L、碱度160mg/L的原水净水回收率A75%,达“领跑者”指标。(2)按市政自来水极限指标，TDS1000mg/L硬度450mg/L的原水净水回收率A60%,达一级水效标准。(3)按小型集中和分散式供水极限指标，TDS1500mg/L硬度550mg/L的原水净水回收率A55%。(4)按

17、IV类地下水极限指标，TDS2000mg/L硬度650mg/L的原水净水回收率A50%。表4不同原水反渗透净水机水效测试参数表适用原水测试条件净水回收率%脱盐率%硬度去除率流量波动率%脱盐波动率%压力波动Mpa水效标准试验GB34914TDS:500mg/L±50总硬度：250mg/L±2限度：160mg/L±20PH值：77.5;水温：250C±!)>75>85>90<7.5W5由01市政自来水GB5749TDS:1000mg/L±50总硬度：450mg/L±2限度：320mg/L±20PH值：78

18、.5;水温：25°C±1>60>85>90<7.5W5由01小型集中和分散式供水GB5749.表4TDS:1500mg/L±50总硬度：550mg/L±5P碱度：340mg/L±2(PH值：78.5;水温：25PC±1>55>85>90<7.5W5由01IV类地下水GB/T14848TDS2000mg/L±5P总硬度650mg/L土5眦度：370mg/L±20PH值：78.5;水温250C±1>50>85>90<7.5W5由018注：

19、试验方法：参照GB34914标准。3、重力式不锈钢水箱。内置紫外线灭菌灯，无气囊水袋，无背压危害，无二次污染源，无产能损失，产水量增加约25%,回收率提高约10%7,水箱容积612L,取水流速45L/min。专用水位控制系统，电极与水体屏蔽，无电化学重金属污染，防溢流双保险；无频繁启动，不存在“头道水”口感差的问题。4、浸入式紫外C灭菌装置。紫外线辐射剂量达30000jw.s/cm2以上。具有水路系统循环消毒功能，即使是炎热的夏季停机半年只需循环消毒30分钟菌数为零。弥补了载银碳、KDR碘树脂等只能用于预处理抑菌不能解决成品水灭菌之不足，有效抑制菌藻粘泥造成的污堵。5、专用PLC智能控制。应用实验中获得的大量数据，根据不同水质优化设定运行参数。同一台机多种编程，既适宜低盐低硬水，又适宜高盐高硬水，对不同地区、不同环境、不同水质具有较高的通