城市供水現狀及膜凈化技術分析

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北方工業大學現場總線實驗室大學生創業項目

城市供水現狀及膜凈化技術分析

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左 岐 馬 斌 王 莉

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本文在對工業發展導致的江河污染、人們對飲用水安全的關注、國內自來水生產工藝水平、管網及二次供水現狀的分析基礎上，提出了居民家用自來水凈化設備的必要性與可行性。對國內外主流水處理與凈化技術——膜處理技術原理、技術指標和應用進行了詳細討論，可用于小型純水機設計的參考。

國內供水狀況分析

近年來，在國內工農業生產發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生，直接危害著國人的身體健康。

城市自來水生產環節：仍然采用“混凝—沉淀—過濾—加氯消毒”的常規方法，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，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、頭發分叉等。氯與水中有機植腐物反應生成三氯甲烷及中間衍生物，是非常有害的物質，有些甚至是三致物（致癌、致畸、致突變）。

自來水的供應環節：政府和自來水公司對管網建設的投入不足，缺少必要的管路更換維修資金，管網陳舊，管道腐蝕、結垢、生銹現象嚴重，自來水在送往用戶的途中再次被陳舊的管道污染。

小區供水：高層建筑中多采用二次供水，樓頂貯水池材質無衛生標準，結構不密封，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?？吹劫A水池有藻類滋生、腐蝕生銹甚至掉進壁虎、蟑螂等現象的報道。由于物業公司的技術管理水平和責任心等原因，二次供水儲水箱衛生狀況堪憂。

鑒于自來水當前的供水現狀，將自來水質量提高到發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，這是現階段提高居民飲用水質量的唯一的、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，還應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。

家用凈化設備種類繁多，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出水的質量，其中凈化效果最理想的是具有反滲透功能的純水機，它生產出的水純凈到幾乎不含任何其他成分。

家用凈水器通常經過預處理、膜過濾、后處理三個環節而得到高質量的產出水。預處理主要由PP棉和顆粒藥用炭過濾器構成，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分開，實現凈化提純的目的。后處理通常根據凈水設備的具體結構而設置，用于改善產水的口感。

膜分離是20世紀初開始應用，60年代后迅速發展的一門分離新技術，它是當今公認的深度水處理的先進技術，具有低能耗、高效率、不污染環境等優點。它以選擇性透過膜為分離介質，當膜兩側存在某種推動力（如壓力差、濃度差、電位差等）時，原料側組分選擇性地透過膜介質，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，是基于篩網過濾實現分離的高效膜，它的制造工藝成熟、成本低，適應于管道壓力為0.07～0.2MPa的供水系統。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構、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，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，能引起大規模疾病爆發）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，難以對膜內殘留物進行清洗，屬于定期更換型部件。

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

圖1　反滲透過程

超濾膜

超濾膜的膜孔徑范圍為1～50nm，它以膜兩側壓差（0.1～0.5MPa）為驅動力，以機械篩分原理為基礎，根據高分子溶質之間或高分子與小分子之間的分子質量差異進行分離。超濾技術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。

超濾的技術優點如下：

（1）是一種物理分離技術，可有效去除致病微生物、細菌和大部分病毒等，水質達到生物穩定性要求，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物的生成，提高了水的化學安全性；

（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。

在醫藥食品工業、海水淡化預處理、超純水制備及生物技術等領域應用于凈化、濃縮、大分子分級工藝的預處理系統，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。

納濾膜

納濾膜是一種具有納米級微孔結構、帶電的分離膜。它是一種篩分、溶解——擴散并存的膜分離技術，在結構上屬于非對稱膜，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；

⑵有選擇性的去除分子量小于200的物質和單價離子，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域主要用于脫除細菌、病毒、重金屬、加氯消毒的副產物三鹵甲烷、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，產出水口感好、保留了人體所需的營養元素，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，實現低濃度往高濃度一側進行滲透，從而使溶液中的溶質和溶劑分離開來的膜處理技術，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，一段時間后發現溶液一側液面上升，水的一側液面下降，薄膜兩側出現液面的高度差。產生的原因是水溶液一側水的濃度相對較低，因此，水自然的滲透到溶液側，滲透形成的高度差稱為滲透壓（如圖b）。如果在溶液一側施加一個大小等于該滲透壓的壓力則系統恢復至初始的狀態，兩側液位平衡；如果繼續在溶液一側增加壓力，系統將產生方向相反的滲透，溶液一側的水分子滲透到水一側而溶質被阻隔，此時水一側的液面上升（如圖c），實現了反滲透。

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

反滲透膜及技術指標

反滲透膜在結構上有不對稱膜和復合膜兩種結構。不對稱結構膜由厚度約為0.1～2nm的表面致密層和孔徑較大的多孔支撐層構成。復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，其中脫鹽率決定產出水的品質，透水性決定產出水的產量。

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，對分子量大于100的溶質去除率可達90%，無機離子的分離則受水合離子數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、氣體的分離效果差。

產水量則與膜的孔徑、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，可提高純水產水量；

⑵排放口壓力越高則廢水越少（產水越高）。

通?？偸窍Ｍ^高的回收率以提高經濟效益，但是，回收率過高將影響膜的使用壽命。因此，回收率應以膜系統不會因雜質的飽和與沉淀為極限。根據RO膜廠商推薦參數，將廢水比設定在3～5左右，有利于提高系統的綜合指標。

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

如何使系統的設計最優化，既能得到健康的、高品質的飲用水，又充分利用水資源，實現節約用水，同時又最大程度的延長膜的使用壽命，是凈水系統設計者的目標和努力方向。市場上有多種自來水凈化設備，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，得到不含任何成分的純水；納濾系統則只對特定的溶質具有高的脫除率，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無可比擬的優勢。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.022