家用凈水器尾水綜合利用裝置

黃世雄

（廈門松霖科技股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

自從我國加入世界貿易組織（WTO）后，開始享受全球經濟福利，國內經濟也在外資推波助瀾下快速發展，經濟的快速發展使環境惡化，地下水、河流水污染問題日益嚴重，人們開始逐漸關注飲用水的安全問題。以歐美國家為例，凈水器的安裝普及率高達75.3%以上，從我國統計局紕漏的數據來看，我國凈水器普及率到了2012年才開始增長，2018年已經達到1.2億用戶，2019年突破1.5億用戶，在人民對凈水器認識程度不斷提升的同時也帶來了凈水器尾水資源浪費的問題。

1 家用凈水器的種類

1.1 PP棉濾芯凈水器

搭載各種PP棉過濾器的單缸凈水器，一般價格較低，但是過濾器元件容易堵塞，更換頻率高，過濾精度也不高。這個只用于水的預備過濾，不能直接喝。

1.2 RO反滲透純水機

純水機可以完全去除水中的有害物質，純凈水就是純水。水的壓力不足以讓它發揮作用，它還需要水泵、電和壓力。它最大的缺點是有更多的廢水，一般過濾掉約50%的廢水。它的凈化成本很高，水的產出很少，只能用來解決飲用水的問題。

1.3 活性碳過濾器

活性炭的超吸附可以去除水中的異質染色質和異味，但不能去除水中的細菌和其他有害物質。純粹的活性炭凈化器的去除效果也因為沉淀物和鐵銹不夠。

1.4 飲水機

軟水器的最大效果是軟化水質，降低水的硬度，并減少尺度的生產。一般的軟化方法是將水中的鈣離子和鎂離子置換成再生鈉樹脂。但是，它既不能凈化，也不能去除水中所有的有害污染物。

1.5 超濾機

限外過濾凈化器能有效去除沉積物、漂浮物、銹、細菌、膠體以及一些高分子有機物，保留一些有益的礦物質、微量元素等。其優點是濾水器的耐用年限長，出水力大，電力和壓力小，與其他凈化設備相比成本低，非常適合家用凈水。

2 家用凈水器尾水綜合利用裝置

2.1 家用凈水器尾水綜合利用的概念

家用凈水器尾水綜合利用裝置主要是指對家用凈水器在運行和使用過程中產生的尾水進行回收再利用的綜合性技術，是1種典型的環保型技術。該技術是在現有家用凈水器基本原理及構造的技術上發揮作用的，一般是通過改造凈水器結構，加裝回收處理及再利用裝置的形式實現對尾水的回收利用。綜合利用的概念在于對回收的尾水進行一系列處理，從而滿足不同應用需求的過程。例如，可以通過對尾水的處理，滿足用戶日常沐浴、種植等活動用水需求。隨著現代技術的不斷發展，一方面家用凈水器本身的尾水控制水平越來越高，另一方面通過相關技術對尾水的回收率和利用率也在全面提升，尤其是一些尾水經過處理之后甚至可以達到再次飲用的水準。

從現代社會可持續發展理念的角度來講，家用凈水器尾水綜合利用裝置技術的應用，有助于實現最為基本的節約用水目標，滿足環境生態保護及社會可持續發展的基本需求。從家用凈水器用戶的角度來講，通過該技術的應用，可以在降低用水費用的基礎上，得到更為健康、舒適和實用的用水體驗。

2.2 家用凈水器技術現狀

反滲透凈水技術是當前較為流行的1種凈化技術，它能夠剝離水中的有害物質，防止長時間使用導致有害物質侵蝕裝置，反向滲透以凈化的水資源。我們以江西上饒某家用反滲透凈水器為例，經過反滲透凈水器凈化的水資源割各類有機污染物、重金屬離子數值發生了根本性改變。通過送檢分析報告得出：三氯甲烷去除率高達86%、一氯二溴甲烷去除率高達89%、二氯一溴甲烷去除率高達92%，通過測試實驗報告我們可以得知，反滲透凈水器對于有機物污染去除效果較好。分析包報告還指出錳、鎳、銅、鐵4種較為常見重金離子去除率平均高于83%，金屬陰離子去除率高達95%以上，各項數據報告最終指明了反滲透凈水技術對于重金屬離子和金屬陰離子過濾效果也良好[1]。

除了反滲透凈化技術，很多凈水器還采用了紫外線消毒技術，如果將反滲透技術作為預防重金屬和有機物過濾的主要手段，那么紫外線凈化技術就是消滅水中滋生細菌首選方法。紫外線凈化技術是通過預處理、超濾、活性炭吸附以及紫外線消菌4個環節達到凈化水資源目的。現階段，家用紫外線凈化器一般都是由外套筒、紫外線燈光照射組、石英分層分組套管組成。外套管一般會選取不銹鋼材料作為外邊面，銅芯材料作為內襯，當紫外線在發生折射時，銅芯會將光線最大限度地折回，并且銅芯不會發生生銹問題，抗侵蝕程度高于不銹鋼材料，可以完美地契合凈水器工作；紫外線燈光照射組是負責消菌的核心組。在紫外線消菌前期工作時，設計者發現單一波段的紫外線殺菌效果有限，但是高頻率、多波段紫外線組會消滅95%以上的細菌。因此，紫外線照射組應運而生。而且紫外線照射組對水溫適應能力很強，0 ℃～50 ℃水溫都可以進行正常滅菌；石英分成分組材料主要是為了固定紫外線照射組，將其與水隔離開，石英本身就具有很強的透射率，可以幫助紫外線照射組集中照射光線。紫外線照射凈化技術具有較為強大可靠性與安全性，可以長時間不間斷地進行工作[2]。

除了以上2種凈水器常用技術以外，在我國市場上還有1種活性炭凈化技術較為流行。使用該技術的凈水裝置最大的優勢就是價格低廉，更換凈水芯較為便捷，但是該技術也有著一定的缺陷。筆者通過對所在城市300家使用活性炭凈水器用戶凈水質量以及凈水芯更換頻率調查分析發現，活性炭凈水技術存在水氧不足的問題，在夏季最為炎熱的時期必須半個月更換一次凈化濾芯，否則水中有機物就會出現超標問題。但是更換的新濾芯在使用不到3 d后，過濾口前端位置就會出現過濾飽和無機物附著到濾芯上，最終降低過濾效果的情況。而且普通家庭也無法達到半個月更換濾芯一次的頻率?；钚蕴績艋夹g最大的優勢就是成本投入少，在沒有其他設備輔助的情況下，單靠濾芯就可以增加水資源品質，它十分適合野外應急過濾水資源或者是短期、低頻率過濾水資源工作，如果使其長期放在家中進行水源凈化工作，雖然購買成本會比較低，但是后期的維護成本會遠高于以上2種凈水技術。

3 家用凈水器尾水綜合利用裝置設計分析

3.1 裝置整體設計

該文在研究中重點分析了分體式太陽能熱水器和反滲透凈水器的組合應用，并結合實際應用需求進行整體設計。在該裝置中，一方面實現了對凈水器中絕大多數尾水的有效收集，另一方面得益于熱水器系統的應用，滿足了尾水回收的儲存的基本需求，可以降低熱水器日常耗水量。更為關鍵的是，該裝置還可以實現對尾水的加熱使用，進一步提高尾水回收利用價值。在該設計中，該家用凈水器尾水綜合利用裝置主要分為3個部分，包括水調節系統、自動上水系統及水加熱系統。在設計中，將凈水器和太陽能系統進行整合，基于凈水器的過濾結構，對熱水器用水進行過濾處理，再通過反滲透膜將其輸送到熱水器的補水箱中。通過這種方式，實現對尾水的收集再利用。同時，將處理之后的純凈水輸送到熱水管道，再結合太陽能系統，可以實現對二次用水進行加熱的目的。如圖1所示，在這種設計模式中，形成了1套成熟的自動化尾水再利用循環系統，具有很強的實用價值。

3.2 制取和尾水收集設計

制取和尾水收集裝置需要凈水器深壓痛、多層濾芯、反滲透層、壓力水泵以及水補給箱。尾水經過多層濾芯的過濾，在壓力水泵的推導下來到自動補水箱，壓力泵再次通過反滲透濾膜將尾水排擠進水補給箱，形成1個完整的閉環結構。經過簡單凈化的尾水整體清潔度更高，可以應用于一般打掃衛生用水或者清潔沖刷用水的情況。

3.3 自動上水及水位調節系統設計

在該系統裝置中，自動上水裝置的核心在于可調節水箱，通過水位傳感器及自動補水箱、調節板等裝置，實現水位的自動化感應、調節和補充。其中，自動上水裝置中的水由補水箱輸送到可調節水箱部位，然后由水影響調節板，當水觸碰到水位傳感器，傳感器發出信號，促使進水電磁閥開關關閉，停止補水。如果水位傳感器無法監測到水，開關打開，開始補水。在水位調節方面，根據實際使用的需求，對裝置中的純凈水和系數用水比例進行設定。例如，用戶在使用時需要更多的純凈水，則可以保證裝置內儲存的純凈水比例更大。具體來講，通過水位傳感器，可以控制隔水板，實現水位的合理化調節。

3.4 凈水系統細節設計要點

以反滲透凈水裝置為例，反滲透凈水裝置需要在后側、中側制取凈水模塊，上調廚衛用水和洗澡用水儲存量，只有這樣才能降低凈水設備過濾壓力。而對于一般熱水需要進行一體化處理，通過凈水器多層濾芯凈化水質狀態，將反滲透凈化產生的尾水連入自動補水箱，在有需要的情況下實現廢水二次利用?，F階段，凈水器裝置要按照節能、環保、低耗能標準，所以在設計過程中一般會采用溶質度較高的PP材料，但是該材料在水溫過高時會釋放微量就塑料元素，所以在設計過程中，設計人員需要對熱水凈水管道進行處理，可以添加銅芯鍍層或者304不銹鋼鍍層，處理水溫與材料變化問題額。而對于熱水尾水處理，設計人員需要單獨設立水補給箱，并在外觀設計上添加防觸碰、防燙傷、高溫標識，只有這樣才能夠保證熱水補給箱不會被他人在不知情的狀態下觸碰，防治發生用戶燙傷問題。設計者必須更加專注于設計細節優化，以凈水器使用便利率去占領市場份額，通過對尾水二次使用設計幫助用戶節約水資源，在節約社會資源的同時幫助用戶降低生活成本[3]。

圖1 尾水綜合利用裝置示意圖

3.5 純凈水加熱裝置設計

在該裝置中，為了滿足用戶的日常使用需求，配備了純凈水加熱系統。該系統主要由凈水器壓力桶、溫度監測儀和電輔助裝置等組成。如圖2所示，如果用戶需要對收集和處理的純凈水進行加熱，則直接打開熱水開關。此時，純凈水受到開關影響而進入螺旋換熱器裝置中，同時太陽能熱水也會進入該裝置，根據用戶打開開關的幅度或角度來控制水溫。在秋冬季節，太陽能比較缺乏的時候，可以通過電輔助加熱裝置補充熱量。

圖2 水加熱裝置結構示意圖

3.6 凈水器相關電路設計

凈水器電路設計主要由上水調節電路和純凈水電路組成，根據不同的需求，用戶會啟用不同電路系統。上水調節系統一般控制衛生間洗衣、洗澡凈水設備，由于這2個環節都不需要達到飲用水標準，設計人員可以使用功率較大的供水泵設備，在水壓出口處設定感應壓力器，當水量水壓達到一定標準后停止輸水活動，電路電磁自動跳閘，保證用戶用水安全性。同時，設計人員要注意電路外表面要有2層防水防風化技術，第1層使用軟質樹膠材質材料完成保護延長使用壽命，第2層使用硬質硬塑材料增加電路硬度，保證其防水性與抗壓性，避免線路被曲折；凈水線路是供應凈水裝置主要電源線路，該線路的特點是穩定和安全，所以在電壓不易超過36 V，電路電流不宜超過75 A，這就需要設計人員設置相應的小型變壓器。由于凈化器可能安置在一些隱蔽角落中，該線路外表面需要使用雙層阻燃軟塑材料，而且在設計過程中設計人員就可以采用分段組裝形式控制線路長度，使安裝過程變得更加科學合理，盡量避免安裝線路捆扎在一起。

4 家用凈水技術的發展趨勢

4.1 反滲透的技術

傳統反滲透凈化設備需要在壓力罐幫助下完成凈化過程，如果用戶長時間忘記清洗壓力罐，容易造成細菌滋生。而在納米技術的幫助下，設計者取消了原有的壓力罐裝置，采用全新的R0薄膜技術，使凈水設備可以直接達到飲用水標準，去除二次過濾困擾。此外，為了防止細菌滋生問題，設計人員可以在R0薄膜外表面增添抗污染涂層，這樣既可以提升凈化效率，又可以延長R0薄膜使用壽命。

4.2 中央分質凈水

中央分質凈水技術是超濾凈水技術的分支，其核心位分量家庭凈水裝置，這類技術一般多用于我國南方和西北方多井地區，該技術雖然現階段市場份額有限，將是未來發展發一趨勢。因為其可以大量過濾水資源，將水資源內容部金屬離子吸附在濾芯位置，在通過尾水清洗降低完成自潔功能。在經過處理后，水質會得到軟化處理，燒水加熱就可以達到飲用水標準，而且由于將金屬元素過濾不會產生水垢，一般使用年限可以達到7 a～10 a，但是該技術也有一定的局限性，由于造價過高，因此很多地區民眾無法獨立購買。

5 家用凈水器的設計趨勢

眾所周知，我國是世界大國，由于人口數量多，水資源的人均量也非常貧乏，如何提高水資源的利用率，保證人們對于水資源的需求已經成為備受關注的話題。隨著近些年來工業、農業等行業的發展，水資源污染情況越來越嚴重，優質的水資源越來越少，家用凈水器的節能、凈化功能的提升已經成為相關項目主要研究方向。在智能化時代到來的同時，家用熱水器的功能也更加具有豐富性，從目前來看，家用凈水器的未來發展目標應該是更加節能化、智能化。為了推動家用凈水器的市場發展，提高我國水資源的利用率，同時保證人們健康用水，可以從以下3個方面考慮市場情況：1） 消費者的凈水需求。從目前曝光的水、環境污染情況來看，消費者對水質的高品質要求必然要通過使用凈水器來實現，這是不僅是有效的方式，也是目前唯一可以使用的方法。2） 消費人群的數量。由于家用凈水器的發展時間不長，在市場上的發展空間還有很大，即使是在傳統行業中，水資源也是具有廣闊市場空間的資源之一，從這一點我們可以看出，凈水器有很大的市場，無法具體估算出需求人群的數量。3） 目標消費者的需求。在設計上來看，我國的凈水器產品仍然存在一些問題，雖然目前我國的水資源質量較差，但是只有少部分地區污染比較嚴重，凈水器還沒有達到“家家”需要的地步，受到需求量的限制，凈水器產品設計問題還沒有嚴重到眾所周知，因此，如何能夠提高消費者的認知，注重凈水器的設計問題，是在考慮市場需求時需要加重考慮的問題之一。

6 結語

總的來說，隨著我國凈水器的使用率越來越普及，尾水二次應用與處理問題就變得愈加嚴峻。胡錦濤同志曾經說過“任何一個大事情除以十三億就是小事情，任何一個小事情乘以十三億就是大事情”同理，在現階段，超過1.5億凈水器用戶對尾水的應用也1個極為重要的問題，凈水器廠家設計人員必須提升自身設計理念，強化設計水平，將尾水處理裝置單獨設立出來，引導用戶主動使用尾水資源進行二次用水，只有設計者將產品設計想法與可持續發展戰略相平衡，才能在凈水市場中獲得更多用戶的支持。