反渗透净水机水效提高方法研究

李文明

艾欧史密斯（中国）热水器有限公司 江苏南京 210038

0 引言

反渗透净水机过滤精度高，能满足直饮水需求，是目前家庭饮用水过滤精度等级最高的净水设备之一，市场发展迅速，深受消费者的青睐。然而，反渗透净水机在净化过程中，会产生一定量的浓缩水，膜的清洁和废水阀的冲洗也要排掉一部分废水，这些废水的排放都会造成水的浪费。随着“碳达峰，碳中和”目标的不断践行，反渗透净水机净化过滤产生的废水逐渐受到人们的重视。净水机的水效越高，其净水产水率就越高，相应废水排放量就越少。2021年发布的GB 34914-2021《反渗透净水机水效限定值及水效等级》水效标准[1]，与2017版标准[2]相比，最低净水产水率从35%提升到45%，最高净水产水率也从60%提升到65%，减少废水排放量，从技术标准层面提高净水机的水效，响应国家节能减排政策。目前市面上反渗透净水机受现有技术、成本等因素的影响，水效普遍都不高，净水产水率在50%左右，在过滤净化水过程中会有一半的水被浪费掉。现有技术中有通过提高反渗透膜滤芯抗污堵性来改善水效的方法，如反渗透膜非侧流水道设计[3]方法，通过提高膜表面水流速，减少污染物沉淀，增加总净水量来提高水效，但仍还不能满足新水效要求。基于水效提高需求，软化水技术和废水阀自清洁技术被应用到净水机中，下面通过净水样机效果验证和测试对比，对净水机的水效提高进行研究。

1 反渗透净水机水效影响因素分析

反渗透净水机的水效由净水产水率和总净水量两方面共同决定，通过实验测试发现，水的硬度越高，净水机的净水产水率和总净水量越低，影响净水机的水效。分析其原因是水的硬度高，膜表面容易积垢，净水流量衰减快，同时需要更多的水去冲洗水垢等杂质来延缓衰减，净水量减少，废水量增多，从而降低了净水机水效。从实际使用情况看，北方地区水硬度高，净水机膜滤芯、废水阀等件容易污堵失效，通常采用消耗更多冲洗水的方法来延长使用寿命，水效降低。如果通过有效的技术方法，降低水的硬度，使其软化，减缓净水流量衰减，减少膜滤芯、废水阀等所需的冲洗水，提升净水产水率和总净水量，从而提高净水机水效。

废水阀是控制废水流量的阀件，在净水流量一定的情况下，浓缩水流量越大，净水产水率就越低，同样影响净水机的水效。通过测试分析，净水机在净化过程中产生浓缩水，其硬度比自来水更高，通过废水阀排放时，水垢等杂质容易附着在阀体废水孔周围，积累到一定程度后小孔就会被污堵。常规设计时往往要考虑废水阀的耐堵性，需加大废水孔孔径，并定期用较多的水去冲刷孔周围的附着物，来缓解废水孔污堵问题。净水流量一定时，浓缩水流量大，冲洗水排放多，水效自然降低。如果能解决废水阀的耐堵性问题，也是提高净水机水效的一种有效方法。

2 反渗透净水机水效提高方法

2.1 软水提高水效的实现方法

2.1.1 水的软化原理概述

在家用水处理装置中，有几种常用的水软化方法。第一种是钠型阳离子树脂交换技术，简称离子交换技术[4]，利用树脂作为载体，用盐中的钠离子置换水中的钙镁离子，使水软化，它是直接减少或去除水中的钙镁离子含量，降低水的硬度，其过程较复杂，包括软化、饱和、再生、冲洗等；第二种是阻垢技术，是指水中的钙镁离子没有被直接去除，而是使其不能生成碳酸盐水垢，也能实现软化作用；如硅磷晶[5]，由聚磷酸盐及硅酸盐组成，经高温烧结成玻璃型球体，与钙离子、镁离子络合而使它不能生成碳酸盐水垢；第三种是分散技术[6]，是指即使形成水垢，但通过改变水垢的结构和晶格形式，使其分散在水中不结硬垢，这样也能达到软化目的；如PAA聚丙烯酸，改变碳酸钙等盐类的晶格形式，形成亚微晶体分散于水中，随着水一起流动，不附着、不沉淀。

2.1.2 提高净水机水效的实现方法

从水的软化原理来看，离子交换技术，软化工艺较复杂，适用于中央软水机，考虑设计复杂、成本高等因素，不适合未端净水机。阻垢技术或分散技术在水处理行业已成熟使用很多年，采用的软化剂符合生活饮用水卫生安全与功能评价规范[7]。软化剂一般是颗粒状固体，填装在罐体里，可以结合净水机的净化水路系统整体设计。软化剂运用到净水机里需考虑几个方面：一是溶解缓释速度要有一定的控制，使适量浓度的软化剂溶进水里发挥软化效果；二是软化剂溶解后，体积会逐渐消耗减少，需要定期更换。净水机的滤芯是定期更换的，将软化剂与滤芯放在一起，集成设计，再利用滤芯内部或端部空间填装软化剂，这样阻垢技术或分散技术就能够运用到未端净水机里去，具体实现方法如下文所述。

反渗透净水机水路过滤系统通常由PP棉滤芯、碳纤维滤芯、高精度PP棉滤芯、反渗透膜滤芯、后置活性炭滤芯，以及增压泵、废水阀等组成，软化剂设计在高精度PP棉滤芯与增压泵之间，优化后过滤系统原理图如图1所示。考虑结构紧凑和成本优化，最外层PP棉、碳纤维和高精度PP棉设计成集成滤芯，其内部的中心管用于支承过滤材料和连接水路，中心管内部空间用来填充软化剂，一体式软化集成滤芯结构如图2所示；中心管侧面开一定数量的圆孔，具体孔径和孔的数量需根据测试效果来设计，通过圆孔的进水流量，来调控软化剂的缓释速度。滤芯一侧端盖是盲孔，另一侧端盖是通孔，保证水是从滤芯最外层圆周方向流入，通过三层过滤后进入中心管内部进行软化，然后从另一侧端盖通孔流出，经过增压泵增压后进入反渗透膜滤芯。当自来水经过三层预处理后进入中心管内，软化剂通过水流冲击产生布朗运动，自动缓释溶解于水中，改变水垢的结晶形式，使其不结硬垢，实现软化功能。中心管内部腔体尺寸紧凑，容积较小，软化剂填充量不多，软水处理流量基本可满足流量600 G及以下的净水机。预处理滤芯体积不大，存水量较少，通过中心管圆孔的合理设计，能够使软化剂稳定溶解；另外，因软化剂与滤芯是一体式设计，寿命相同，可同步换芯。

图1 净水机过滤系统原理图

图2 一体式软化集成滤芯示意图

600 G以上净水机，净水流量大，相应的软水处理能力要求高，要单独设计罐体，填装更多的软化剂，然后罐体与滤芯集成；另外，流量提高后，预处理滤芯体积大，存水量多，对软化剂溶解稳定性有一定的影响，过滤结束后需要将软化剂与罐体外的水隔离，减少影响。复合式软化集成滤芯结构如图3所示，罐体与滤芯分开设计，罐体容积取决于软化剂的填充量，左边外层是PP棉，左边第二层是碳纤维，第三层是高精度PP棉，右边是独立罐体，软化剂装在罐体内，在罐体两端进出口各设计一个单向阀。当有水过滤时单向阀会自动打开，软化剂正常发挥软化水作用；当过滤结束后单向阀自动关闭，动态隔断罐体外的水，减少水对软化剂的影响，维持软化剂缓释的稳定性。复合滤芯与软化剂罐体结构集成，寿命设计相同，软化剂随复合滤芯一起定期更换。复合式软化集成滤芯可满足大流量净水机的需求。

图3 复合式软化集成滤芯示意图

2.2 优化废水阀耐堵性来提高水效

普通的废水阀排浓水的孔径是固定的，一般在1 mm以下，改进前废水阀结构示意图如图4所示，浓水从阀的进水口流入，通过废水小孔节流后从阀的出水口排出；由于废水孔细小，容易发生堵塞失效。在设计时，如果净水流量不变，浓水流量越大，越能缓解废水孔堵塞，但这样会导致净水机水效降低。根据小孔堵塞失效的特点，设计废水阀令其具有自清洁功能，在每次排废水时，能自动将小孔堵塞物进行清洁，这样就可以大大提高废水阀的耐堵性，从而提高净水机的水效。自清洁废水阀结构如图5所示，在阀体小孔里设计一根针形阀杆，不工作时阀杆是插在小孔内，当工作时，通过电磁阀线圈的动力将阀杆移出小孔，小孔正常排出废水；工作结束后，阀杆再次插入小孔。这样每次工作时阀杆的一进一出，自动将污堵物从小孔上清除下来，随浓水一起冲走，实现自清洁功能。阀杆动作的进出次数，可以根据实际水质情况，通过程序控制做不同频率的自清洁动作，以提高废水阀耐堵性。与改进前相比，改进后的自清洁废水阀能减少浓水和冲洗水的排放，从而提高净水机的水效。

图4 改进前废水阀结构示意图

图5 自清洁废水阀结构示意图

3 不同方法对水效提高的效果验证

根据净水机水效限定值及水效等级[1]的测试方法，分别对软水提高水效方法和废水阀自清洁提高水效方法进行效果验证。改进样机为无桶即滤型反渗透净水机，数量3台，试验用水硬度为（250±20）mg/L；对比机型为普通样机400 G，额定净水流量1.2 L/min，净水产水率50%，总净水量3400 L，符合新国标水效等级3级。净水机水效等级指标值如表1所示。

表1 净水机水效等级指标值

3.1 增加软化水功能试验对比

用软化水技术提高水效的改进样机为400 GA型，与普通样机相比，仅是带软化水功能滤芯的区别，其余均相同。设计参数为：额定净水流量1.2 L/min，额定总净水量4100 L，净水产水率达65%，去除率不小于90%。测试过程中，进行净水流量和去除率测试，达到额定总净水量时，记录总进水量和总浓水量，测试结束。样机对比测试数据如表2所示，改进后样机的净水产水率达65%，比改进前提高约15%；总净水量4100 L，比改进前提高约20.6%，改进后整机水效等级达到新国标1级水平。

3.2 改进废水阀后试验对比

用废水阀自清洁技术提高水效的改进样机为400 GB型，与普通样机相比，仅是废水阀带自清洁功能的区别，其余均相同。设计参数为：额定净水流量1.2 L/min，额定总净水量3400 L，净水产水率55%，去除率不小于90%。测试过程与前面相同，样机对比测试数据如表3所示，改进样机的净水产水率为55%，总净水量约3400 L左右，与改进前基本相同，但净水产水率提高了约5%，改进后整机水效等级达到新国标2级水平。

4 结论

通过上述方法研究和样机测试对比验证，软化水技术和废水阀自清洁技术可以增加总净水量、净水产水率，提高净水机的水效，使净水机更好地满足新水效标准的节水要求。软化水功能通过软化剂量、水路结构等设计来满足不同流量规格的净水机；自清洁功能通过冲洗水路、控制方式等设计来提高废水阀耐堵性。设备厂家可以根据产品特点和市场定位，选择运用不同的技术方案来设计高水效净水机。随着消费者对健康饮用水需求日益增多，净水机将会更加普及，如果用这两项技术来升级反渗透净水机，不但可以提高净水机水效，而且其技术成本将会进一步降低，从而能带来更高的社会价值和更好的经济效益。当然，随着科技的不断发展，相信将会有更好的技术手段来提升反渗透净水机的水效。