北京市大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項目資助

北方工業(yè)大學(xué)現(xiàn)場總線實驗室大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項目

城市供水現(xiàn)狀及膜凈化技術(shù)分析

北京市大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項目資助

左 岐 馬 斌 王 莉

北方工業(yè)大學(xué)現(xiàn)場總線實驗室大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項目

本文在對工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致的江河污染、人們對飲用水安全的關(guān)注、國內(nèi)自來水生產(chǎn)工藝水平、管網(wǎng)及二次供水現(xiàn)狀的分析基礎(chǔ)上，提出了居民家用自來水凈化設(shè)備的必要性與可行性。對國內(nèi)外主流水處理與凈化技術(shù)——膜處理技術(shù)原理、技術(shù)指標和應(yīng)用進行了詳細討論，可用于小型純水機設(shè)計的參考。

國內(nèi)供水狀況分析

近年來，在國內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速的同時污染物的排放也隨之增多，越來越多的江河湖泊被污染，飲用水污染事件也頻頻發(fā)生，直接危害著國人的身體健康。

城市自來水生產(chǎn)環(huán)節(jié)：仍然采用“混凝—沉淀—過濾—加氯消毒”的常規(guī)方法，這種凈化工藝雖然可以消除懸浮物、膠體和細菌，但對有機物和有害離子的去除效率不高，影響了自來水的質(zhì)量。為了進行嚴格的消毒須加入氯來抑制和殺滅水中的細菌，因此送到用戶家中的自來水是含有余氯的。氯是強氧化性物質(zhì)，它會破壞大米、蔬菜中的維生素。用含氯的水洗澡可使人的肌膚變干、頭發(fā)分叉等。氯與水中有機植腐物反應(yīng)生成三氯甲烷及中間衍生物，是非常有害的物質(zhì)，有些甚至是三致物（致癌、致畸、致突變）。

自來水的供應(yīng)環(huán)節(jié)：政府和自來水公司對管網(wǎng)建設(shè)的投入不足，缺少必要的管路更換維修資金，管網(wǎng)陳舊，管道腐蝕、結(jié)垢、生銹現(xiàn)象嚴重，自來水在送往用戶的途中再次被陳舊的管道污染。

小區(qū)供水：高層建筑中多采用二次供水，樓頂貯水池材質(zhì)無衛(wèi)生標準，結(jié)構(gòu)不密封，有時甚至因人為因素而敞開，雨水、灰塵、蚊蟲等極易侵入，長年得不到有效的清洗。經(jīng)常看到貯水池有藻類滋生、腐蝕生銹甚至掉進壁虎、蟑螂等現(xiàn)象的報道。由于物業(yè)公司的技術(shù)管理水平和責任心等原因，二次供水儲水箱衛(wèi)生狀況堪憂。

鑒于自來水當前的供水現(xiàn)狀，將自來水質(zhì)量提高到發(fā)達國家的直飲水平的可能性微乎其微。因此，改善居民飲用水質(zhì)量最有效、最直接的辦法就是在飲用之前進行深度凈化，這是現(xiàn)階段提高居民飲用水質(zhì)量的唯一的、行之有效的措施。

膜過濾器類型

健康飲用水不僅要去除對人體健康有害的雜質(zhì)，還應(yīng)該保留甚至適當增加對人體健康有益的微量元素和礦物質(zhì)。

家用凈化設(shè)備種類繁多，有簡單過濾型、多級過濾型、樹脂交換型等。過濾器的類型又有PP棉、塊狀炭、藥用炭、陶瓷芯、微濾、超濾、納濾和反滲透等。不同類型的過濾器直接影響產(chǎn)出水的質(zhì)量，其中凈化效果最理想的是具有反滲透功能的純水機，它生產(chǎn)出的水純凈到幾乎不含任何其他成分。

家用凈水器通常經(jīng)過預(yù)處理、膜過濾、后處理三個環(huán)節(jié)而得到高質(zhì)量的產(chǎn)出水。預(yù)處理主要由PP棉和顆粒藥用炭過濾器構(gòu)成，除去水中人眼可見的顆粒、鐵銹、泥沙以及不可見的余氯等。膜過濾是將水和其它物質(zhì)分開，實現(xiàn)凈化提純的目的。后處理通常根據(jù)凈水設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)而設(shè)置，用于改善產(chǎn)水的口感。

膜分離是20世紀初開始應(yīng)用，60年代后迅速發(fā)展的一門分離新技術(shù)，它是當今公認的深度水處理的先進技術(shù)，具有低能耗、高效率、不污染環(huán)境等優(yōu)點。它以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，當膜兩側(cè)存在某種推動力（如壓力差、濃度差、電位差等）時，原料側(cè)組分選擇性地透過膜介質(zhì)，達到分離、提純的目的。

微濾膜（MF）

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微濾又稱精密過濾，是基于篩網(wǎng)過濾實現(xiàn)分離的高效膜，它的制造工藝成熟、成本低，適應(yīng)于管道壓力為0.07～0.2MPa的供水系統(tǒng)。膜孔徑范圍為0.1～10.0um，主要用于對微米級的懸浮液和乳濁液的過濾截留，分離效果受到膜的物理結(jié)構(gòu)、孔徑大小和形狀的影響。微濾膜可有效濾掉水中的泥沙、鐵銹、懸浮物等大顆粒物質(zhì)，能阻止微米級的“兩蟲”（賈第蟲和隱抱子蟲，兩蟲具有很強抗氯性，能引起大規(guī)模疾病爆發(fā)）和藻類（臭味嚴重）、細菌等。但對大量溶劑、小分子及少量大分子溶質(zhì)可以通過，對于水中離子、有機物、病毒等小分子濾除效果差。此外，難以對膜內(nèi)殘留物進行清洗，屬于定期更換型部件。

微濾主要應(yīng)用于澄清，去除微粒和細粒物質(zhì)。在工業(yè)反滲透進水的預(yù)處理工藝中濾掉污水中大顆粒雜質(zhì)或在制藥行業(yè)進行液體-固體分離。微濾膜+藥用炭技術(shù)則可用于水質(zhì)情況較好地區(qū)的水凈化，如未受污染山區(qū)的地下水過濾。

圖1　反滲透過程

超濾膜

超濾膜的膜孔徑范圍為1～50nm，它以膜兩側(cè)壓差（0.1～0.5MPa）為驅(qū)動力，以機械篩分原理為基礎(chǔ)，根據(jù)高分子溶質(zhì)之間或高分子與小分子之間的分子質(zhì)量差異進行分離。超濾技術(shù)可以除去水中的懸浮顆粒、膠體及有機物等，將出水濁度降至0.1NTU以下，同時幾乎完全去除“兩蟲”、藻類、細菌、病毒和水生生物，是目前保障水的微生物安全性的最有效技術(shù)。

超濾的技術(shù)優(yōu)點如下：

（1）是一種物理分離技術(shù)，可有效去除致病微生物、細菌和大部分病毒等，水質(zhì)達到生物穩(wěn)定性要求，不需要進行殺菌消毒；

（2）有效地去除原水中的有機物，可減少消毒劑的用量和消毒副產(chǎn)物的生成，提高了水的化學(xué)安全性；

（3）無需外加電壓，靠自來水本身的壓力進行過濾，水的回收率可達95%以上，可對超濾膜進行反沖洗。

在醫(yī)藥食品工業(yè)、海水淡化預(yù)處理、超純水制備及生物技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用于凈化、濃縮、大分子分級工藝的預(yù)處理系統(tǒng)，也可以用于深度凈化工藝。

超濾膜的不足是：由于截留分子量大，使得去除溶解性有機物、重金屬離子、溶解性鹽的效果較差，需增設(shè)膜前處理和膜后處理單元。水中的懸浮物、膠體、微生物等容易附著在超濾膜表面使其受到污染，因此超濾膜需要一定的前處理工序，使用時還需要保持膜處于濕潤狀態(tài)。

納濾膜

納濾膜是一種具有納米級微孔結(jié)構(gòu)、帶電的分離膜。它是一種篩分、溶解——擴散并存的膜分離技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上屬于非對稱膜，工作時需有外部壓力推動。納濾膜的主要特點如下：

⑴膜孔約為1～2nm，截留直徑1nm以上，分子量大于200的各類物質(zhì)；

⑵有選擇性的去除分子量小于200的物質(zhì)和單價離子，對陽離子的截留順序（遞增）為H+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cu2+，對陰離子的截留順序（遞增）為：NO-3，Cl-，OH-，SO42-，CO3

2-，納濾膜可有效的去除2價和多價離子；

⑶水的回收率高達70%，對溶液有選擇性的進行除鹽。

納濾膜在在飲用水領(lǐng)域主要用于脫除細菌、病毒、重金屬、加氯消毒的副產(chǎn)物三鹵甲烷、痕量的除草劑和殺蟲劑殘余物、合成洗滌劑、可溶性有機物、異味、Ca2+、Mg2+等硬度成分，產(chǎn)出水口感好、保留了人體所需的營養(yǎng)元素，十分適合于自來水的深度處理，是目前飲用水深度凈化的最佳選擇。

反滲透膜

反滲透是一種以壓力差為推動力，實現(xiàn)低濃度往高濃度一側(cè)進行滲透，從而使溶液中的溶質(zhì)和溶劑分離開來的膜處理技術(shù)，因為它和自然滲透的方向相反，故稱反滲透。

反滲透膜原理

高濃度向低濃度滲透是一種自然的物理現(xiàn)象，用一張僅可以透過水分子的半透膜將透明玻璃容器分隔成如圖1（a）所示的兩個空間，兩邊分別加入等高度的水和某種水溶液，一段時間后發(fā)現(xiàn)溶液一側(cè)液面上升，水的一側(cè)液面下降，薄膜兩側(cè)出現(xiàn)液面的高度差。產(chǎn)生的原因是水溶液一側(cè)水的濃度相對較低，因此，水自然的滲透到溶液側(cè)，滲透形成的高度差稱為滲透壓（如圖b）。如果在溶液一側(cè)施加一個大小等于該滲透壓的壓力則系統(tǒng)恢復(fù)至初始的狀態(tài)，兩側(cè)液位平衡；如果繼續(xù)在溶液一側(cè)增加壓力，系統(tǒng)將產(chǎn)生方向相反的滲透，溶液一側(cè)的水分子滲透到水一側(cè)而溶質(zhì)被阻隔，此時水一側(cè)的液面上升（如圖c），實現(xiàn)了反滲透。

利用反滲透原理，在含有雜質(zhì)的溶液中施加比滲透壓更大的壓力時，溶液中的雜質(zhì)留在原處而水分子在壓力作用下滲透到膜的另一側(cè)，實現(xiàn)提純和濃縮目標。

反滲透膜及技術(shù)指標

反滲透膜在結(jié)構(gòu)上有不對稱膜和復(fù)合膜兩種結(jié)構(gòu)。不對稱結(jié)構(gòu)膜由厚度約為0.1～2nm的表面致密層和孔徑較大的多孔支撐層構(gòu)成。復(fù)合膜則增加了一層活化層，具有更高的脫鹽率、更好耐壓性、更大的透水性以及更低的操作壓力。

反滲透膜的主要技術(shù)指標包括透水性、脫鹽率以及回收率、耐壓、成本、壽命等，其中脫鹽率決定產(chǎn)出水的品質(zhì)，透水性決定產(chǎn)出水的產(chǎn)量。

與納濾膜的選擇性相比較，反滲透膜可濾除水分子外所有的物質(zhì)，對分子量大于100的溶質(zhì)去除率可達90%，無機離子的分離則受水合離子數(shù)和水合離子半徑的影響，水合半徑越大越容易被分離。反滲透膜對弱電解質(zhì)、氣體的分離效果差。

產(chǎn)水量則與膜的孔徑、操作壓力、溫度成正比，與溶液濃度成反比。

⑴絕大多數(shù)膜元件的單支膜元件標準回收率為15%，最大不超過19%。而在實際使用中在其它條件不變時，增大給水壓力，可提高純水產(chǎn)水量；

⑵排放口壓力越高則廢水越少（產(chǎn)水越高）。

通常總是希望較高的回收率以提高經(jīng)濟效益，但是，回收率過高將影響膜的使用壽命。因此，回收率應(yīng)以膜系統(tǒng)不會因雜質(zhì)的飽和與沉淀為極限。根據(jù)RO膜廠商推薦參數(shù)，將廢水比設(shè)定在3～5左右，有利于提高系統(tǒng)的綜合指標。

此外，許多用戶將濃縮水視為廢水排掉，造成巨大的水資源浪費。實際上這里的濃縮水已經(jīng)過三次過濾，除了含鹽量、細菌比自來水略高以外，其他如濁度、色度、余氯、有機物、重金屬、膠體等都比自來水要低，這樣的水雖然不能飲用，但仍可以收集起來用于擦地、洗車、澆花等，要充分利用每一滴水資源。

總結(jié)

如何使系統(tǒng)的設(shè)計最優(yōu)化，既能得到健康的、高品質(zhì)的飲用水，又充分利用水資源，實現(xiàn)節(jié)約用水，同時又最大程度的延長膜的使用壽命，是凈水系統(tǒng)設(shè)計者的目標和努力方向。市場上有多種自來水凈化設(shè)備，過濾效果和價格也千差萬別。微濾和超濾作為凈化過程的初級過濾智能去除大顆粒和部分細菌，對病毒的去除有限；RO膜幾乎濾掉了水以外的所有物質(zhì)，得到不含任何成分的純水；納濾系統(tǒng)則只對特定的溶質(zhì)具有高的脫除率，除掉了病毒、重金屬和鈣鎂離子，但同時保留了一些有益元素，因此納濾膜在飲用水深度處理中展示了其他技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.022