城市供水现状及膜净化技术分析

北京市大学生创业项目资助

北方工业大学现场总线实验室大学生创业项目

城市供水现状及膜净化技术分析

北京市大学生创业项目资助

左 岐 马 斌 王 莉

北方工业大学现场总线实验室大学生创业项目

本文在对工业发展导致的江河污染、人们对饮用水安全的关注、国内自来水生产工艺水平、管网及二次供水现状的分析基础上，提出了居民家用自来水净化设备的必要性与可行性。对国内外主流水处理与净化技术——膜处理技术原理、技术指标和应用进行了详细讨论，可用于小型纯水机设计的参考。

国内供水状况分析

近年来，在国内工农业生产发展迅速的同时污染物的排放也随之增多，越来越多的江河湖泊被污染，饮用水污染事件也频频发生，直接危害着国人的身体健康。

城市自来水生产环节：仍然采用“混凝—沉淀—过滤—加氯消毒”的常规方法，这种净化工艺虽然可以消除悬浮物、胶体和细菌，但对有机物和有害离子的去除效率不高，影响了自来水的质量。为了进行严格的消毒须加入氯来抑制和杀灭水中的细菌，因此送到用户家中的自来水是含有余氯的。氯是强氧化性物质，它会破坏大米、蔬菜中的维生素。用含氯的水洗澡可使人的肌肤变干、头发分叉等。氯与水中有机植腐物反应生成三氯甲烷及中间衍生物，是非常有害的物质，有些甚至是三致物（致癌、致畸、致突变）。

自来水的供应环节：政府和自来水公司对管网建设的投入不足，缺少必要的管路更换维修资金，管网陈旧，管道腐蚀、结垢、生锈现象严重，自来水在送往用户的途中再次被陈旧的管道污染。

小区供水：高层建筑中多采用二次供水，楼顶贮水池材质无卫生标准，结构不密封，有时甚至因人为因素而敞开，雨水、灰尘、蚊虫等极易侵入，长年得不到有效的清洗。经常看到贮水池有藻类滋生、腐蚀生锈甚至掉进壁虎、蟑螂等现象的报道。由于物业公司的技术管理水平和责任心等原因，二次供水储水箱卫生状况堪忧。

鉴于自来水当前的供水现状，将自来水质量提高到发达国家的直饮水平的可能性微乎其微。因此，改善居民饮用水质量最有效、最直接的办法就是在饮用之前进行深度净化，这是现阶段提高居民饮用水质量的唯一的、行之有效的措施。

膜过滤器类型

健康饮用水不仅要去除对人体健康有害的杂质，还应该保留甚至适当增加对人体健康有益的微量元素和矿物质。

家用净化设备种类繁多，有简单过滤型、多级过滤型、树脂交换型等。过滤器的类型又有PP棉、块状炭、药用炭、陶瓷芯、微滤、超滤、纳滤和反渗透等。不同类型的过滤器直接影响产出水的质量，其中净化效果最理想的是具有反渗透功能的纯水机，它生产出的水纯净到几乎不含任何其他成分。

家用净水器通常经过预处理、膜过滤、后处理三个环节而得到高质量的产出水。预处理主要由PP棉和颗粒药用炭过滤器构成，除去水中人眼可见的颗粒、铁锈、泥沙以及不可见的余氯等。膜过滤是将水和其它物质分开，实现净化提纯的目的。后处理通常根据净水设备的具体结构而设置，用于改善产水的口感。

膜分离是20世纪初开始应用，60年代后迅速发展的一门分离新技术，它是当今公认的深度水处理的先进技术，具有低能耗、高效率、不污染环境等优点。它以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差等）时，原料侧组分选择性地透过膜介质，达到分离、提纯的目的。

微滤膜（MF）

华谊兄弟在品牌形象上，塑造了诸多脍炙人口的人物形象，影片风格以幽默、讽刺等风格居多，特别是以快乐为主题的贺岁片深入人心。在导演方面，有冯小刚、葛优团队的“冯氏幽默”坐镇，兼有一批优秀年轻导演被启用。好莱坞打造电影企业品牌的模式值得华谊兄弟参考和借鉴。

微滤又称精密过滤，是基于筛网过滤实现分离的高效膜，它的制造工艺成熟、成本低，适应于管道压力为0.07～0.2MPa的供水系统。膜孔径范围为0.1～10.0um，主要用于对微米级的悬浮液和乳浊液的过滤截留，分离效果受到膜的物理结构、孔径大小和形状的影响。微滤膜可有效滤掉水中的泥沙、铁锈、悬浮物等大颗粒物质，能阻止微米级的“两虫”（贾第虫和隐抱子虫，两虫具有很强抗氯性，能引起大规模疾病爆发）和藻类（臭味严重）、细菌等。但对大量溶剂、小分子及少量大分子溶质可以通过，对于水中离子、有机物、病毒等小分子滤除效果差。此外，难以对膜内残留物进行清洗，属于定期更换型部件。

微滤主要应用于澄清，去除微粒和细粒物质。在工业反渗透进水的预处理工艺中滤掉污水中大颗粒杂质或在制药行业进行液体-固体分离。微滤膜+药用炭技术则可用于水质情况较好地区的水净化，如未受污染山区的地下水过滤。

图1　反渗透过程

超滤膜

超滤膜的膜孔径范围为1～50nm，它以膜两侧压差（0.1～0.5MPa）为驱动力，以机械筛分原理为基础，根据高分子溶质之间或高分子与小分子之间的分子质量差异进行分离。超滤技术可以除去水中的悬浮颗粒、胶体及有机物等，将出水浊度降至0.1NTU以下，同时几乎完全去除“两虫”、藻类、细菌、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术。

超滤的技术优点如下：

（1）是一种物理分离技术，可有效去除致病微生物、细菌和大部分病毒等，水质达到生物稳定性要求，不需要进行杀菌消毒；

（2）有效地去除原水中的有机物，可减少消毒剂的用量和消毒副产物的生成，提高了水的化学安全性；

（3）无需外加电压，靠自来水本身的压力进行过滤，水的回收率可达95%以上，可对超滤膜进行反冲洗。

在医药食品工业、海水淡化预处理、超纯水制备及生物技术等领域应用于净化、浓缩、大分子分级工艺的预处理系统，也可以用于深度净化工艺。

超滤膜的不足是：由于截留分子量大，使得去除溶解性有机物、重金属离子、溶解性盐的效果较差，需增设膜前处理和膜后处理单元。水中的悬浮物、胶体、微生物等容易附着在超滤膜表面使其受到污染，因此超滤膜需要一定的前处理工序，使用时还需要保持膜处于湿润状态。

纳滤膜

纳滤膜是一种具有纳米级微孔结构、带电的分离膜。它是一种筛分、溶解——扩散并存的膜分离技术，在结构上属于非对称膜，工作时需有外部压力推动。纳滤膜的主要特点如下：

⑴膜孔约为1～2nm，截留直径1nm以上，分子量大于200的各类物质；

⑵有选择性的去除分子量小于200的物质和单价离子，对阳离子的截留顺序（递增）为H+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cu2+，对阴离子的截留顺序（递增）为：NO-3，Cl-，OH-，SO42-，CO3

2-，纳滤膜可有效的去除2价和多价离子；

⑶水的回收率高达70%，对溶液有选择性的进行除盐。

纳滤膜在在饮用水领域主要用于脱除细菌、病毒、重金属、加氯消毒的副产物三卤甲烷、痕量的除草剂和杀虫剂残余物、合成洗涤剂、可溶性有机物、异味、Ca2+、Mg2+等硬度成分，产出水口感好、保留了人体所需的营养元素，十分适合于自来水的深度处理，是目前饮用水深度净化的最佳选择。

反渗透膜

反渗透是一种以压力差为推动力，实现低浓度往高浓度一侧进行渗透，从而使溶液中的溶质和溶剂分离开来的膜处理技术，因为它和自然渗透的方向相反，故称反渗透。

反渗透膜原理

高浓度向低浓度渗透是一种自然的物理现象，用一张仅可以透过水分子的半透膜将透明玻璃容器分隔成如图1（a）所示的两个空间，两边分别加入等高度的水和某种水溶液，一段时间后发现溶液一侧液面上升，水的一侧液面下降，薄膜两侧出现液面的高度差。产生的原因是水溶液一侧水的浓度相对较低，因此，水自然的渗透到溶液侧，渗透形成的高度差称为渗透压（如图b）。如果在溶液一侧施加一个大小等于该渗透压的压力则系统恢复至初始的状态，两侧液位平衡；如果继续在溶液一侧增加压力，系统将产生方向相反的渗透，溶液一侧的水分子渗透到水一侧而溶质被阻隔，此时水一侧的液面上升（如图c），实现了反渗透。

利用反渗透原理，在含有杂质的溶液中施加比渗透压更大的压力时，溶液中的杂质留在原处而水分子在压力作用下渗透到膜的另一侧，实现提纯和浓缩目标。

反渗透膜及技术指标

反渗透膜在结构上有不对称膜和复合膜两种结构。不对称结构膜由厚度约为0.1～2nm的表面致密层和孔径较大的多孔支撑层构成。复合膜则增加了一层活化层，具有更高的脱盐率、更好耐压性、更大的透水性以及更低的操作压力。

反渗透膜的主要技术指标包括透水性、脱盐率以及回收率、耐压、成本、寿命等，其中脱盐率决定产出水的品质，透水性决定产出水的产量。

与纳滤膜的选择性相比较，反渗透膜可滤除水分子外所有的物质，对分子量大于100的溶质去除率可达90%，无机离子的分离则受水合离子数和水合离子半径的影响，水合半径越大越容易被分离。反渗透膜对弱电解质、气体的分离效果差。

产水量则与膜的孔径、操作压力、温度成正比，与溶液浓度成反比。

⑴绝大多数膜元件的单支膜元件标准回收率为15%，最大不超过19%。而在实际使用中在其它条件不变时，增大给水压力，可提高纯水产水量；

⑵排放口压力越高则废水越少（产水越高）。

通常总是希望较高的回收率以提高经济效益，但是，回收率过高将影响膜的使用寿命。因此，回收率应以膜系统不会因杂质的饱和与沉淀为极限。根据RO膜厂商推荐参数，将废水比设定在3～5左右，有利于提高系统的综合指标。

此外，许多用户将浓缩水视为废水排掉，造成巨大的水资源浪费。实际上这里的浓缩水已经过三次过滤，除了含盐量、细菌比自来水略高以外，其他如浊度、色度、余氯、有机物、重金属、胶体等都比自来水要低，这样的水虽然不能饮用，但仍可以收集起来用于擦地、洗车、浇花等，要充分利用每一滴水资源。

总结

如何使系统的设计最优化，既能得到健康的、高品质的饮用水，又充分利用水资源，实现节约用水，同时又最大程度的延长膜的使用寿命，是净水系统设计者的目标和努力方向。市场上有多种自来水净化设备，过滤效果和价格也千差万别。微滤和超滤作为净化过程的初级过滤智能去除大颗粒和部分细菌，对病毒的去除有限；RO膜几乎滤掉了水以外的所有物质，得到不含任何成分的纯水；纳滤系统则只对特定的溶质具有高的脱除率，除掉了病毒、重金属和钙镁离子，但同时保留了一些有益元素，因此纳滤膜在饮用水深度处理中展示了其他技术无可比拟的优势。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.022