基于动态膜错流过滤的野外净水装置研究*

沈志杰，杨德忠，邓黛青**，丁 涛

(1.中国计量大学质量与安全工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江红石梁集团热电有限公司，浙江 台州 317299)

我国是一个地质灾害多发的国家，地质灾害会使大量污染物进入水体，使灾区饮用水水质迅速恶化，威胁灾区饮用水的安全[1]。同时，我国地域辽阔，各地受自然、经济和社会条件的影响，大量农村给水设施较为落后，自来水普及率较低，农村饮用水安全问题长期存在[2]。基于此，本文提出了一种基于动态膜错流过滤的野外净水装置，可适用于灾害救援、农村给水与军队训练等场景，满足野外应急情况下的生活用水需求。

1 动态膜与错流过滤原理概述

1.1 自生动态膜

动态膜是一些大孔径网膜材料与某种固体悬浮物或胶体溶液，在一定条件下通过这些网膜材料时形成的分离层，它们共同组成膜材料。根据动态膜材料的不同，可分为自生动态膜、预涂动态膜。自生动态膜是利用废液中的某种物质，作为成膜物质，沉淀在载体上形成的动态膜；预涂动态膜技术就是把自身生物动态膜技术中的生物层改进为由一种或者多种、天然或者人工合成、无机物或者有机物形成的预涂层[3]。本文采用自生动态膜技术，在装置过滤的过程当中基膜对小粒子进行截留，会形成一层分离层，从而提高过滤的精度。

1.2 错流过滤

在水过滤过程当中，常见的操作方式为死端过滤和错流过滤。两者之间的区别在于水流的流动方向不同。死端过滤时的水流方向是垂直于基膜方向的，如图1所示。而错流过滤，水流方向为平行于基膜表面方向，如图2所示。错流过滤时，基膜表面会因水流运动产生一定的剪切力，该剪切力能够冲刷基膜表面附着的小颗粒[4]，减少基膜堵塞，延长基膜使用寿命，同时也有利于控制动态膜的过滤精度，在一定程度上缓解随时间变化动态膜孔隙逐步减小而导致过滤压力升高的现象。

图1 死端过滤过程图

图2 错流过滤过程图

2 基于动态膜错流过滤的野外净水装置结构设计

野外净水装置分为进水预处理模块、催化过滤模块，以及离子去除模块三大模块，并由芯片实现自控。进水预处理模块主要部件为管道预处理器，负责对水体进行初步大杂质分离；催化过滤模块由两个核心反应罐体组成，可对水体进行絮凝、催化、吸附等操作，同时还会进行动态膜错流过滤，进行更高精度的杂质分离；离子去除模块由离子去除器构成，主要负责对水体进行广谱的有害离子去除。如图3、图4所示。

2.1 反应罐体

根据反应时罐内水压和结构维持的要求，外壳采用立式3.5 mm不锈钢储罐，并利用四个吊环法兰实现罐体全密封。升流桨动力装置处于密封端盖上端，主要作用是提供反应罐内升流桨转动动力。该动力装置由120W可调速电机、齿轮减速机和联轴器组成。调速电机通过齿轮减速机、联轴器与罐体内的升流桨连接。

在反应罐上部定位压板上开孔装配压力表和自动泄压阀，过滤时，若罐内压力过大，可自动泄压，避免造成安全事故。进水口设置在反应罐底端，滤芯出水口与反应罐出水口通过螺纹连接，滤芯底部使用橡胶圈密封。升流桨由两个分浆组成，每个分桨贴近罐体侧焊有四片桨叶，桨叶与水平方向呈30°。同一桨杆上每片桨叶间隔50 mm，充分保证罐内反应的水流能够上升到预期高度。升流桨通过联轴器悬挂在反应罐中央，两根分浆分别在滤芯两侧。启动时分浆可围绕滤芯旋转，罐内底部进入的水流从底部螺旋上升至滤芯上端，并形成一段稳定的上升水涡进行错流过滤。可通过定位压板上的进料漏斗完成加药，漏斗管道上设置阀门，加料完成关闭阀门保持罐体内密封状态。

在装置中，微污染水进入罐体中，在反应罐漏斗上加入絮凝剂，反应罐中间的升流桨将进水口的水流从底部螺旋上升至反应罐上端，并形成一段稳定的上升水涡。在流场的作用下，既能使得药物与水样充分反应，又能使絮凝的污染物在过滤基膜的外表面均匀形成动态膜。本装置可在漏斗上加入吸附剂，吸附剂将杂质吸附。吸附的少量杂质可通过罐内流场的作用在基膜的表面成膜，同时吸附剂本身也可作为成膜的材料附着在基膜表面。如图5所示。

2.2 集成管阀

管阀系统主要由聚氯乙烯管道以及电磁三通阀、 电磁单向阀组成。 利用芯片集成控制，将正常过滤模式与反洗模式相结合，使用单泵实现整个运作模式。 本文设计的管阀系统在满足模式运行要求的同时还能减少水泵的使用数量，减小装置的体积与重量，提高装置在野外携带与运输的便携性。 如图6、 图7所示。

图5 反应罐体结构

图7 管阀路线结构

2.3 离子去除器

为了消除臭氧、应对水中可能存在的多种有害离子和细菌、藻类等微生物，装置使用铜锌合金(KDF)以及离子交换树脂作为装置末端工艺-离子去除的主要材料。

KDF (Kinetic Degradation Fluxion)是一种新型的、多功能的、可再生的铜锌合金水处理材料(图8)。1984年，美国的水处理专家 Done Heskett 发明了KDF滤料，并申请了多项专利，而且通过了美国国家卫生基金会(NSF)、水质协会(WQA)等机构的认证。KDF的净水机理是通过与水中的污染物质在滤料的表面发生氧化还原反应从而达到去除污染物质的目的。与传统滤料相比，KDF具有使用寿命长，可以100%恢复过滤能力；能有效减少或去除水中的氯和重金属、有效控制微生物和锅垢；在除铁、降低氟化物、硝酸盐、碳酸盐和硫酸盐等方面也有较好效果；并具有维护方便，综合性能优良等特点。目前KDF合金滤料已经被用于生活用水深度净化、工业给水净化及废水处理等方面[5-7]。

图8 铜锌合金滤料(KDF)

离子交换树脂是一种具有一定高分子结构的特殊树脂材料，按照结构可将其分为大孔型和凝胶型树脂。离子交换树脂由两部分组成：树脂基质和离子交换基团。作用原理是连接在离子交换树脂骨架上的活性基团与水溶液中同类电荷的离子之间发生化学置换反应[8]。离子交换树脂广泛应用于水处理、化学分析、制药、生物技术等领域。在净水领域中，离子交换树脂可以去除水中的硬度离子、重金属离子、部分有害物质等。

本文设计了一种柱形容器，容器内上层放置铜锌合金滤料，下层放置离子交换树脂(图9)。

图9 离子去除器

容器置于净水系统的后端，经过反应罐过滤的水流从容器上端进水口进入依次流经铜锌合金滤料和离子交换树脂。

3 野外净水装置运行流程

装置设置三大模块。在正常模式下，微污染原水通过泵抽取进入第一模块进行预处理，通过管道预处理器实现大杂质与水的初步分离。

当微污染水进入第二模块时，在反应罐漏斗上加入絮凝剂与催化剂，微污染水中的杂质与药剂反应在过滤基膜表面形成次生膜，通过升流浆的带动，微污染水在膜表面进行错流过滤与催化反应。

当经过一段时间过滤后，控制系统通过控制电磁阀改变水流路径，装置自动进入反洗模式，将动态膜洗下，并从污水口排出，再转换为正常模式进行下一轮的成膜催化过滤。

本文在第二模块设定了四个工作模式，分别为：水流经A反应罐过滤，再流经B反应罐过滤；水流经B反应罐过滤，再反洗A反应罐。水流经B反应罐过滤，再流经A反应罐过滤；水流经A反应罐过滤，再反洗B反应罐。工作流程如图10所示。其中，微污染水先经A罐过滤再经B罐过滤的双重过滤模式能够有效的提高水质的净化程度，为使用者提供更加安全和健康的饮用水。由于A罐处在过滤流程的前端，因此A罐基膜污染堵塞的速度远快于B罐基膜。在过滤流程运行一段时间后，芯片控制对应电磁阀开闭，改变水流路径，此时B罐所过滤的水从A罐出水口进入反洗A罐基膜，反洗产生的污水从污水口排出。反洗完成后芯片再次控制对应电磁阀开闭，此时系统再次进入过滤流程，微污染水从B罐过滤后流经A罐过滤。由于当前过滤流程中B罐处于净化前端，因此B罐基膜污染速度快于A罐。B罐基膜污染达到一定程度时，进入反洗模式，A罐过滤的水从B罐出水口流入反洗冲刷B罐基膜，产生的反洗污水从污水口排出。B罐反洗结束后，芯片再次控制电磁阀门的开闭进入下一轮A罐至B罐的过滤模式。上述流程循环往复，直至过滤结束。

反洗模式的设计能够延长基膜寿命，提高净水器的过滤效率并且节省维护成本。

经膜过滤后的水继续进入下一模块—离子去除模块。该模块采用基于铜锌合金的管道过滤器，可实现水中有害离子的广泛去除。

图11 基于动态膜错流过滤的野外净水装置工作流程示意图

4 基于动态膜错流过滤的野外净水装置优势与创新点

4.1 反应罐内动态膜搭建、错流过滤为一体

本文设计的管道循环结构能够将初步过滤的水多次回转至罐体内，通过加料漏斗加入絮凝剂、催化剂进行反应，通过升流桨在罐体内产生稳定流场进行错流过滤，在滤芯表面逐步形成动态膜，实现过滤精度逐级提升。

4.2 在罐体内自由组合吸附、絮凝、催化氧化等水处理单元

在反应罐顶部设计了单一加料漏斗，预选用吸附剂、絮凝剂、催化剂等多种药剂，根据水处理环境自由组合药剂，进行“对症下药”，可在灾区或野外等复杂环境下采取相应的水处理单元实现水体水质最优净化。

4.3 单泵交错串流过滤工艺

本文设计阀门与管道相应的配合结构使单泵即可实现过滤与反洗运作模式，减少水泵使用数量，减少占地面积和装置体积。同时本文将阀门和主要管道系统集成在一个 40 cm×30 cm×20 cm 的箱体内，可以方便快捷地进行整体安装以及更换，不需要专业操作人员对复杂的管道和电磁阀线路进行操作。

4.4 高效、广泛实现水体中有害离子的去除

在装置末端加入离子去除器，选用性能优良的离子去除材料-铜锌合金。铜锌合金离子去除效果良好并具有维护方便，综合性能优良等特点。同时在铜锌合金层下方增加离子交换树脂层进行二次离子去除，真正达到水质安全。

5 结语

我国是一个地震频发的国家，灾区自来水供应难以得到及时保障，灾区人民只能就地饮用没有水质保障的水。目前中国仍有3亿多人存在饮水安全问题，并且大多集中在自然条件恶劣，经济相对落后的西部地区。为此，国家每年都要投入大量的财力进行改水工程建设以解决农村饮水困难，保障饮水安全。同时，野外驻训部队目前还大量采用单兵式野外净水器，也未有适合野外作训的可供多人的野外净水装置。保障驻训官兵的饮用水安全，能在一定程度上增强国防实力。综上所述，基于动态膜错流过滤的野外净水装置具有独特的运行模式，灵活方便，适合中国国情，能为国家灾害防护、野外救援、部队驻训等提供饮用水资源保障。