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抗污染高水效反渗透净水机突破性创新 作者杜弘道
当今，众多净水技术中以反渗透净化功能最好具有广谱性，对于物理性、化学性和生物性污染均有很好的去除效果。不仅能高效去除重金属、化学毒物、有机物、农药、内分泌干扰素、藻毒素和细菌、病毒等有害成分，而且具有独特的脱盐功能，感官舒适性最好，为世界所公认。然而，家用反渗透净水机由于功能结构的局限性仍然存在不足，最为突出的莫过于水耗大、二次污染和硬水处理太麻烦存在化学污染风险。
现代水处理膜分离技术中以反渗透截留精度最高，达0.0001微米，制水时截留的杂质极易将膜孔堵塞，因此反渗透膜除了进、出水口外还多了一个浓水出口。制水时产水从膜的垂直方向流出，高于产水量几倍的浓水从膜的横向流过，将截留在膜面上的杂质冲刷掉从浓水口排放。按设计规范单支膜产水回收率为15～20%，加上水温、储水罐背压损失等因素，产水、废水比为1:4～1:8。
（一）、关于回收率
1、反渗透回收率的高低主要取决于给水流程长度。串联膜数多给水流程长回收率高，反之回收率低。工业反渗透装置采用多膜的级、段组合：级，指将膜的产水进行重复过滤以提高脱盐率，保证水质纯度；段，指将前面膜排放的浓水作为后面膜的原水重复利用，以提高回收率。
表1：膜元件串联支数与回收率的关系
膜元件串联支数/支
1
2
4
6
8
12
18
最大系统回收率/%
<18
<32
<50
<58
<68
<80
<90
2、提高回收率膜的进水溶质含量会相应增高。回收率超过一定限度浓差极化加重，渗透压增高，水通量减少，脱盐率降低，结垢污堵倾向加大，从而影响产水质量和设备正常运行。
表2：回收率与浓缩系数的关系
系统回收率/%
10
20
30
40
50
60
70
75
80
85
90
95
浓缩系数/倍
1.1
1.25
1.43
1.67
2.00
2.50
3.33
4.00
5.00
6.67
10
20
注：透过产水的盐份忽略不计
工业反渗透装置膜数多系统回收率高，但单支膜的回收率并不高，不会超过“设计导则”的规定，有足够的冲洗水量。此外，还会采取物理冲洗、化学清洗、软化、阻垢、灭菌、加酸碱调节PH值等技术措施，以解决浓缩结垢污堵问题。
3、工业、民用两种反渗透装置虽然原理一样但在用途、水质要求、使用对象、复杂程度、体积大小、成本价格等方面差异很大。工业反渗透是根据原水特性和产水要求量身定制的，属专用产品，水质纯度越高越好；家用净水机是面向千家万户的通用产品，对不同地区、不同环境、不同原水都应该有很好的适应性，水质纯度适中，健康舒适性好，两者产品结构、工艺配置迥然不同。
4、家用反渗透净水机回收率。近年来不少人采用增加膜数串联、浓水循环、优化冲洗程序、化学阻垢、软化等措施以减少浓水排放量提高回收率，但收效不大。膜数少、给水流程短、冲洗水量不足导致结垢汚堵，是制约回收率的主要瓶颈。按照反渗透工作原理和产品结构特点，家用净水机天生就费水，迄今为止单膜产水率没有多大改进，是个世界性难题。
5、家用反渗透净水机的水质纯度。长期以来总是有人把反渗透净水机称之为“纯水机”，把产水称为 “纯水、超纯水”这是对净水机技术性能的误解或不甚了解。
反渗透是制备纯水重要工艺之一。通常一级反渗透只能达到制备脱盐水的水平，需用二级或三级反渗透再加上离子交换、电除盐（EDI）等组合工艺才可以制备出纯水、高纯水。不言而喻，只有一级反渗透+活性炭的家用净水机无论如何也造不出真正意义上的纯水。通常家用反渗透净水机只适合TDS 小于200㎎/L的原水才能制备出纯净水，适合制备纯净水的水资源也有限。
2014年、2015年发布的GB 19298、GB/T 10789新国标对直饮水称谓作出了明确规范，只有矿泉水、纯净水、其他饮用水三类水种，没有“饮用纯水”之说。国际上没有哪个权威机构将反渗透饮用水称为纯水也不都是纯净水。美国NSF国家标准规定家用反渗透净水机的脱盐率为≥75%,大大低于我国纯净水水平。国家卫生部《生活饮用水反渗透处理装置卫生安全与功能评价规范（征求意见稿）》规定“出水水质溶解性总固体≤50mg/L”为纯净水的10倍。显然将反渗透净水机称为“纯水机”是名不副实。
6、回收率与水质纯度的关系。回收率越高进水浓缩度越高，产水纯度越低，对于工业反渗透水而言是水质下降的坏事；但对于饮用水而言回收率升高水中物矿质含量也随之增高，如果通过控制回收率的高低将水中矿物质含量调节到人体需要的水平，既节约用水又有益健康，是个一举两得的好事。
哪种以夸大水质纯度为卖点，人为地制造“纯水机在去除有害物质的同时也把有益物质去除掉了”的错觉，无疑是画蛇添足，弄巧成拙。
7、浓水利用。解决反渗透净水机节水问题主要有两个途径：一是提高回收率；二是浓水回收利用。前者属于产品功能结构性问题是主因；后者属副产物（浓水）利用问题是次因。只有牢牢地抓住主要矛盾，主次并举、相辅相成，标本兼治，才能从根本上解决问题。
浓水如何利用，厂商有义务将水质真实情况告知消费者。浓水即反渗透排放的冲洗水，由于经过纤维棉、活性炭初步过滤，肉眼看浓水清澈透明无漂白粉味好像比自来水还好，但实际上制水过程中反渗透膜截留下来的大量杂质（含有害物质）都融入浓水中，水质肯定比自来水差。
美国环境保护局（EPA40CFR122.2）把反渗透浓水分类为二级工业过程废水。我国表征水质的《水质词汇标准GB6816》对废水的表述是：“生产过程中使用后排放的或产生的水，这种水对该过程无进一步直接利用的价值”。从水质指标对比看反渗透浓水更接近于《生活杂用水水质标准CJ25》，其用途“适用于厕所便器冲洗、城市绿化、洗车、扫除等生活杂用水，也适用于有同样水质要求的其他用水”。对于硬度不高，经处理浓缩度也不高，无明显水垢的还可以用来洗衣，但不适于饮用、烹调等直接与人体健康相关的用途。绝对不能将浓水称之为“净水”。
（二）、国家标准《反渗透净水机水效限定值及水效等级》近期报批。
1、“水效标准”将净水机的水效等级分为6级。其中5级为合格；2级为节水评价值；最高级为“领先值”。
表3净水器水效等级指标
净水机水效等级
领先值
1级
2级
3级
4级
5级
净水产水率（%）
≥75
≥60
≥55
≥50
≥45
≥35
2、水效等级测试条件。测试水溶解性总固体（TDS）500mg/L±50，去除率85%；总硬度250mg/L±20，去除率90%；碱度160mg/L±20；PH值7～7.5。
“水效标准”测试条件比以往发布的标准要求都高，达标难度大，以“领先值”为例：如果是单膜，当产水率75%时给水被浓缩4倍，测试水TDS由500 mg/ L上升到2000mg/ L,总硬度由250 mg/L上升到1000mg/L,为自来水标准的2倍、“设计导则”的4倍，此时水中难溶盐饱和指数（LSI)）已超过临界点许多，结垢倾向大；由于回收率高冲洗水量不足，随着时间推移给水浓缩度越来越高，浓差极化越来越大，沉积在膜面上的污物不仅增多而且形成硬垢，造成难以逆转的堵塞，这种情况下即使是采用传统的软化、阻垢也只能在短期内有所缓解，需要定期化学除垢才能保持正常运行，化学除垢不仅麻烦而且水耗大。采用双膜（多膜）配置情况会好一些，按照“设计导则”需要10支膜串联才能达到75%的回收率，家用净水机能够做得到吗？实践证明可以做到，但须要完善提高。
传统技术已不适应资源节约型、环境友好型的可持续发展须要，创新升级迫在眉睫。“水效标准”出台是对 陈旧技术的挑战，是促进产品升级换代、企业转型升级的重要举措。
3、“水效标准”规定的测试条件与反渗透膜生产厂家测试条件是不相同的。厂家测试条件采用的是浓度为250mg/L Nacl测试液，氯化钠属易溶盐，用反渗透水配制，对膜的结垢汚堵几乎没有影响；“水效标准”采用的测试水有可溶性总固体、硬度、碱度要求，含有碳酸钙、镁等难溶盐，对膜的结垢污堵有直接影响。因此，厂家测试条件测定结果只能代表该测试条件下膜的性能参数；“水效标准”测试条件则能体现在天然原水条件下净水机的实际技术性能。
水效测试条件将传统物料平衡原理与创新的设计理念相融合，不受现行条条框框的约束，合理解决了产水、浓水、回收率、脱盐率相互之间的平衡关系，既满足提高产水率的必要条件又使产水矿物质含量适度增加有益健康，为设备运行创造良好条件，不仅对节约水资源意义重大，而且对提高家用净水机的整体性能具有创新性的现实意义。笔者建议以 “水效”标准出台为契机，全国水机行业应组织开展传统观念（包括对现行法规、标准、技术规范等）与创新理念的辩证研讨，以正本清源，推陈出新，促进产品升级换代。
（三）、关于二次污染
近年来质量监督抽查，家用反渗透净水机出现细菌、亚硝酸盐、重金属等超标问题层出不穷。
1、压力储水罐、后置活性炭及滤芯失效是造成二次污染的主因，已是不争的事实。此外，储水罐气囊反作用力产生的背压使产水量减少约30%%，回收率降低约10%的负面作用也不可小觑；
2、为了消除污染隐患有的推出了大膜无罐反渗透净水机。大膜无罐机的优点是，去掉压力水罐、后置活性炭避免了二次污染，产水量大取水快，现产现用水质新鲜。但也存在不足，膜大泵也大功秏高，现产现用启动频繁，设备损耗大，不管用水多少取一次水都要放掉大量浓水，回收率低、耗水量大、电耗高、使用成本高的问题依然存在。
3、灭菌功能缺失或不完善。反渗透、超滤等膜分离技术对细菌、病毒只有去除作用而无杀灭功能，由于自身污染细菌超标问题十分突出。
目前多数膜法净水机仍无杀菌装置，现有消杀装置也存在不足，例如：臭氧，杀菌能力强但残留在水中有异味，不能现产现用，如果原水中溴含量较高还存在溴酸盐超标风险；载银炭、KDF、碘树脂属中、低效抑菌型，不仅杀灭效果欠佳，还存在银离子泄漏、铜锌超标、碘影响水的口感等问题。紫外线属物理灭菌，具有高效、广谱、无污染、不改变水的口味等优点，但是目前净水机的紫外灯基本上为过流式，紫外线照射水体时间短杀灭霉菌、藻类、孢子等剂量不足，杀而不死存在光复活隐患。
4、净化单元失效。水机净化功能主要体现在滤芯、活性炭、反渗透膜等净化单元的功效上，不仅取决于质量，超期使用更是造成二次污染的祸根。目前各种滤芯监测装置相继问世，但良莠不齐。有的使寿命设定值不够合理，有的只有提醒显示而无控制功能，重视装饰性忽略适用性。
（四）、关于硬水处理
1、硬水的危害。硬度（以caco3计）>250mg/L为硬水，TDS>500mg/L为高盐水。这类水感官性状差，带苦涩味，煮肉不易熟，严重影响饭菜质量和茶、水味道；沐浴时头发干涩伤害皮肤；洗涤时浪费肥皂损坏衣物；水垢重增加热耗损坏器物。
我国少雨干旱地区及地下水源水质硬度普遍偏高。2011年水资源评价资料显示，我国可饮用地下水中，硬度大于300mg/L的硬水占可饮用地下水的70％以上。华北、东北、西北和西南地区有50％城市自来水的硬度己接近甚至超过450mg/L标准限值。不良饮水造成的困扰以成为社会关注的热点，大力发展适宜硬水、苦咸水处理的净水设备是关系国计民
硬度、盐含量是影响水质感官舒适性的重要指标。研究成果表明：TDS 5～100mg/L的水柔润甘甜感官舒适性优，100～300mg/L良，300～600mg/L中，>600mg/L差；硬度低于100mg/L优，100～150mg/L良，150～300mg/L中，超过300mg/L差，然而水质太纯平淡无味反而影响口感。
《国际瓶装水协会IBWA》 “消费者比较喜欢的瓶装水”TDS为30mg～100mg/L。日本厚生省“快适水标准”TDS为30～200mg/L。国内某知名企业“××山泉有点甜” 的广告词可谓一鸣惊人，但对专业人士而言并非秘而不宣的独门诀技，无非是将TDS、硬度控制在适度范围。反渗透、纳滤（松散反渗透LooseRO）脱盐技术是调节水质口感的好方法。
3、反渗透具有脱盐功能，是处理硬水、苦咸水的克星，但本身
也会受到污染结垢。所以对于硬度≥200㎎/L、TDS≥300mg/L、电导率≥500µS/cm的原水需进行防垢处理以保障水质和设备正常运行。
传统树脂软化工艺使用周期短，再生频繁、操作麻烦、耗费食盐、质量不易控制，难以在家庭使用，再生后钠含量增高无益健康。
化学阻垢剂以“硅磷精”居多（主要成份由聚磷酸盐和聚硅酸盐
组成）操作比软化简单，但也需要人工添加。剂量不足时效果不好，溶解过度会造成管路堵塞、磷超标。
针对传统反渗透净水机存在的问题，本公司历时五年研发出“抗污染节水型反渗透净水机”专利。通过一年多验证试验，充分暴露问题，不断改进创新，在可靠性、适用性、经济性方面又有所提高。特别是对硬水、高浓缩水处理，提高单膜净水机回收率取得关键性突破，具有以下特征。
（一）五位一体抗污防堵体系。
综上所诉，多膜串联、浓水循环是提高反渗透回收率普遍采用的传统方法，但家用净水机因受单膜配置等因素制约难以达到理想目标。我们利用多年来从事水处理设备及应用技术研制积累的经验，打破传统理论、规范的束缚，创造了“五位一体抗污防堵体系”。
1、循环冲洗。余能利用，浓水循环，大流量、高强度、不间断地对反渗透膜进行横向冲洗，减少截留在膜面上的污染物、成垢物沉降附着机率。
2、排污。针对给水浓缩度，自动定时循环排污，降低浓差极化。
3、产后冲洗。停机后在水流由动态转为静态之际，趁污染物还处于松散状态未与膜面粘合稳固时及时将其去除。实践证明产后冲洗比传统产前冲洗效果增强一倍以上。
4、泄压。停机后自动排水泄压，有利于降低水中杂质在膜面的附着力、向内部渗透力。
5、反渗透膜自洗技术。利用负压渗透原理将成垢物、污染物溶解、松散、脱落、去除，以恢复膜的水通量，延长其使用寿命。纯物理方法，无添加物、毒副产物，水耗电耗微乎其微，停机后自动转为自洗，自洗时间可根据不同水质设定。经硬度450mg/L左右、TDS 1000mg/L左右劣质水源，相当于5年使用期的强化试验，水耗同比降低64.4%、电耗降低56%、滤芯消耗降低一半以上，反渗透膜使用寿命提高1.5倍以上，平均回收率56%。
“五位一体抗污防堵体系”开创了高硬、高盐、高浓缩、高结垢倾向水质在无软化、无阻垢、无化学药剂条件下保持高回收率长期稳定运行的先例。
（二）、用无压控制容器替代传统压力水罐，取消后置活性炭。
彻底根除二次污染和背压危害，只此一项产水量约增加30%，回收率提高10%。
1、壁挂式不锈钢无菌水箱。比同规格压力水罐体积小但储水更多、取水更快，流道无死角，紫外灭菌全覆盖，免清洗。
2、产水、浓水双桶回收。无论哪只桶水满都将自动停机，除标准便携式水桶外任何容器都可使用。同一水机适用于水箱、水桶两种储水方式。
3、一体箱式大膜水机。无外配水罐，占用空间小，清洁美观，安装维护、取水更加方便。
（三）、浓水自动回收系统。
水满自动停机，浓水、冲洗水百分之百回收，可随时取水。
（四）、防漏治漏系统。
停机或漏水自动关机切断水源，大大降低渗漏慨率和漏水祸害。
（五）、专用电子水位控制技术。
无电极腐蚀，无重金属污染，可靠性高，适用价廉，替代昂贵的电子纯水水位控制。
（六）、滤芯数显智能监控系统。
当滤芯、反渗透膜使用超期或污堵时自动报警、强制停机，实现了由提醒监视型向监视控制型转换。
（七）、水箱浸入式高强度紫外线灭菌。
比传统过流式紫外线灯灭菌强度高600倍以上，消除细菌超标隐患。
（八）、专用PLC可编程智能控制系统。
通过数码编程实现制水开机、水满停机、浓水回收、灭菌消毒；缺水、漏水、超压、漏电保护，滤芯监控与抗污防堵体系协同联动，生产过程全自动。不同机型、不同原水通用。
经试验验证，以单位产量消耗计：同比节水55～73%、节电25～63%、滤芯耗降低一半以上，反渗透膜使用寿命提高1.5倍以上，设备制造成本降低30%以上，使用成本降低50%以上。回收率由传统机的15～30%提高到55～75%；产水、废水比由1:4～1:8下降到1:0.82～1:0.33，无废水排放，无环境污染。 主要技术经济指标处于国内外同类产品先进水平，其中《五位一体抗污防堵体系》是对传统技术的颠覆性创新，为反渗透净水机硬水、苦咸水处理，节水降耗、节能环保开辟了新途径。
产水健康舒适性好，符合国际优质饮用水指标要求。达到“水效标准”“领先值”要求。按水效测试条件无论是单膜、多膜如：125G、175G、325G、400g、500g、1500G等各型净水机均能达到回收率≥75%，产水、废水比1: 0.33。
笔者从事水处理应用技术研究40余年，亲身经历我国健康饮水事业的蓬勃发展，对于目前家用净水机存在的问题深感不安，决心以多年来积累的专业知识和实践经验，为产品升级换代尽一份余热。殷切希望与行业同仁有识之士精诚合作，加强交流，优势互补，发挥所长，共同为健康饮水事业做贡献！不当之处敬请批评指正。
高级工程师 杜弘道 2016年6月5日
附：
如需了解更多情况，请参阅笔者在百度等网站发表的《抗污染节水型反渗透净水机问世》，《反渗透净水机发展瓶颈与升级换代》，《抗污染节水型反渗透净水机核心技术图文简介》等论文。

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