高层建筑直饮水工艺的优化改造

沈伊辰

摘 要：高层建筑直饮水工艺一般采用预处理（砂滤+炭滤+软化）+反渗透+后处理（消毒），本文通过对直饮水工艺的阐述，总结了传统直饮水工艺的优缺点，随后提出了三套工艺改造措施，并进行了简单的成本核算，得出最适合实际改造的方案。以期待未来在工程设计中提供借鉴作用。

关键词：高层建筑直饮水；直饮水工艺；直饮水；工艺改造；反渗透；

（ Environment & Municipal Engineering College of Xi'an University Of Architecture And Technology， Xi'an 710055 Shanxi ）

Abstract： high-rise building direct drinking water technology generally adopt pretreatment （ sand filter and carbon filter + softening ） + reverse osmosis + after treatment （ disinfection ）， based on the direct drinking water the elaboration process， summed up the advantages and disadvantages of traditional direct drinking water， then put forward three technological transformation measures， and the simple cost accounting， the most suitable to the actual transformation plan. To look forward to the future in engineering design reference.

Key words： high-rise building direct drinking water； water process； drinking water； technological transformation； reverse osmosis

1.引言

高层建筑管道直饮水原水一般采用城市自来水，经过预处理、膜处理和后处理。预处理主要是为了减轻后续膜的结垢、堵塞和污染，以避免膜在短期内损坏，保证膜工艺系统的长期稳定运行。膜处理，是利用膜分离原理来将水中微小颗粒的物质，如细菌、病毒等胶体物质通过一定大小的膜孔径来去除。工程实际上主要采用反渗透处理工艺。后处理是指在膜处理后的保质或水质调整措施，主要是为了保证管道直饮水水质的长期稳定性，通常采用消毒，常用方法：臭氧、紫外线、二氧化氯或氯等。工程中常采用臭氧和紫外线杀菌消毒。

直饮水的应用在欧美等发达国家已有较长的历史，其最大的优点就是饮用水水质有保证，健康、经济、方便。在我国，上海于1996年率先在住宅小区试验建设第一个管道直饮水系统，由于其相对传统烧开水的饮用习惯和桶装水换水、等水、长时间不饮用还易滋生细菌的无与伦比的优势，立即受到用户的追捧，带来了极高的经济、社会和环境效益[1]。

将管道直饮水引入住宅小区，是提高住宅品质的表现，许多房地产开发商为增加商品房的卖点，已成为房地产开发商们重点用来吸引购买者的亮点之一，国内多个城市，尤其是沿海大中型城市都已在住宅小区推广建设管道直饮水。城市公共直饮水系统的发展也很快，深圳、珠海、海口、桂林等不少城市都安装了街头饮水机。深圳等经济发达的城市已计划全面改造城市供水系统，提升自来水水质，最终使自来水可以直接饮用[1]。

但是，我国管道直饮水的发展仍处于起步阶段。其主要应用集中在北京、上海、广州等大城市。对于当前主要制约直饮水发展的原因一下几个方面：

（1）直饮水管路中易滋生细菌。

（2）直饮水管网中死水情况。

（3）工艺设备以及管材的选用，经济成本很高。主要是膜组件的成本。

（4）当地建设主管部门缺乏对直饮水行业监管，对个别相关工程项目只提出少量建设性意见。

高层建筑直饮水系统，属于建筑给排水饮水供应的部分。建筑给排水饮水供应主要有开水供应系统和冷饮水供应系统。所谓直饮水，指的就是冷水供应系统。对于直饮水系统，最为关键的一环应该是直饮水工艺部分。因此，对于直饮水系统的设计，对其工艺的选择与设计会变得非常重要。本文主要阐述了整个传统直饮水工艺的主要流程，并分析其主要的缺陷與不足，以期待来指导未来在高层建筑直饮水方向上的设计。

2. 高层建筑直饮水传统处理工艺

2.1高层建筑直饮水传统处理工艺基本介绍

高层建筑传统直饮水工艺处理流程，根据原水水质的特点和出水水质要求，大致分为三个阶段：预处理、膜处理和后处理。

预处理一般为：过滤（一般可以采用多介质过滤、活性炭过滤、精密过滤、KDF处理等方法）、软化[7]。

反渗透RO处理工艺是整个传统处理工艺的核心。它包括反渗透膜元件，以及压力容器、高压泵、计量泵、保安过滤器、各种仪表、阀门等一系列附件组成。反渗透是与自然渗透过程相反的膜分离过程。它是借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差推动下，使溶剂渗透通过半透膜，达到溶液脱盐的目的。渗透和反渗透是通过半透膜来完成的。在浓溶液一侧施加比自然渗透压更高的压力。迫使浓溶液中的溶剂反向透过膜，流向稀溶液一侧，从而达到分离提纯目的。渗透压的大小与溶液性质有关而与膜无关。反渗透的物质迁移过程常用氢键理论、优先吸附一毛细管流动理论、溶解扩散理论来解释。反渗透膜的材料一般为醋酸纤维素（CA）、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑（PBI）、聚苯醚（PPO）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）。反渗透膜组件是由膜、支撑物、和容器按一定技术要求制成的组合构件。膜组件一般分为板式、管式、卷式以及中空纤维式。其中主要用于饮用水、纯水领域的是中空纤维式。板式主要用于污水处理MBR领域。目前膜工业上把反渗透膜分为三类：高压反渗透膜（5.6-10.5MPa，用于海水淡化）、低压反渗透膜（1.4-4.2MPa，用于苦咸水的脱盐）、和超低压反渗透膜（0.5-1.4MPa，用于自来水脱盐）[6]。

在膜处理后的后处理，常用方法还有：臭氧、紫外线、二氧化氯或氯等。工程中常采用臭氧和紫外线杀菌消毒[4]。下图为传统直饮水工艺流程图。

其中砂滤器采用多介质过滤器（又称压力式机械过滤器）其主要作用是去除粒度大于20?m的机械杂质，经过混凝的小分子有机物和胶体，前加絮凝剂；炭滤器采用活性炭过滤器，其主要功能是除臭、除色、除有机物、除氯、除重金属；软化器一般采用钠离子交换器，或采用一些化学处理方法，例如：pH调节、投加阻垢剂、氧化等，这样做，笔者认为，这样做可以在一定程度上，节约设计构筑物的成本（对于环保公司）和节约设备选型的成本（对于一般设计院）。对于软化，主要是为了防止钙、镁盐在后续的膜组件表面产生结垢。通常情况下，一般各大环保公司在设计时，主要针对实际的工程条件中所告知的水质条件，来对工艺进行优化选择。对于北方大部分地区，水质偏硬，需要采取前面所述的有效措施，防止后续的反渗透膜表面结垢，进而导致的最后出水水质不达标的情况；而对于南方或其他特点地区水质较好的情况下，可以取消这一步。从而达到节约工艺设计成本和设备选型的成本；精密过滤，又称保安过滤器。是放置于整个反渗透装置的进口，其目的是为了进一步去除预处理进水中可能携带的颗粒性杂质。通常采用5?m的滤芯，滤芯材质一般为聚乙烯或丙纶。在反渗透系统中采用的滤芯一般有蜂房式线绕滤芯和熔喷滤芯，以及更高效的折叠式滤芯。还有，关于反渗透装置的浓水的处理，工程上常对浓水进行直接排放至城市污水管网，或作浇花、洗车和浇洒道路及绿地之用。

2.2 高层建筑直饮水传统处理工艺的优缺点

如上文所述，高层建筑直饮水传统工艺是以反渗透工艺为核心的处理工艺。对于反渗透处理工艺，笔者认为之所以现在大部分环保公司采用这套工艺，有以下几点原因：

（ 1） 反渗透膜是膜孔径小于1 nm的膜，它基本上将水中的细菌、病毒等有害物质去除。处理效果好。保证了供水的安全可靠性。

（ 2 ） 制取反渗透膜工艺技术的成熟。反渗透膜厂家很多，例如：美国海德能、美国陶氏以及日本东丽。

但是，该工艺存在以下几点问题：

（ 1 ）关于反渗透膜的清洗以及更换周期的问题；

对于反渗透膜的清洗，主要是由于反渗透膜在长时间的运行过程中，随时有可能被无机物垢、胶体、微生物、金属氧化物等污染。从而导致装置出水水质降低，脱盐率降低，产水量降低以及多种反应反渗透膜性能的指标下降。

（ 2 ） 反渗透工艺浓水处理问题；

在反渗透工艺处理的过程中，会产生浓水。对于浓水的处置问题，长久以来，都是一个很让大多数设计者头痛的问题。反渗透工艺浓水中的污染物主要有：溶解性有机物（DOM）和总溶解性固体（TDS）。

（ 3 ）反渗透出水水质问题；

反渗透膜有将将水中有益于健康的无机离子去除的可能。如何保持水中的矿物质将会变得异常关键。其次，怎样使水保持一个弱碱性的pH值，也会变得异常关键。

3. 高层建筑直饮水工艺的优化

对于砂滤+炭滤+软化+RO（膜技术）+消毒这套常规制取直饮水的工艺，其中软化工艺，向上文所述，已经可以针对特定水质来考虑其工艺的取舍。这里无需考虑其优化改造问题。重点是应基于对其核心处理工艺——膜工艺的改造。由于近年来，陆续爆发饮用水水源地受到有机污染物污染的事件。为了防止因由于突发的水污染事件，而导致的供水安全的问题。工程上采用RO为其工艺流程的核心处理工艺。其主要目的是保证整个处理工艺的供水安全性。RO足以保证其处理流程的供水安全。因为反渗透用膜的孔径是最小的，一般小于1nm，可将水中大部分杂质、及一些有机污染物去除。可见下表所示：

所以，对于此。估计改造的可能性也较小。因此需从如何保证水能保证人体健康饮用，以及最大限度地去除有机污染物才是关键。

关于反渗透工艺清洗系统，工程上发现，对于膜的清洗，一般设计的有自动清洗系统。并且每隔半年或一年清洗系统一次，该系统为自动化控制。对于这一部分，设计人员需强调这一部分设计，以及在运行过程中的重要性。

关于反渗透浓水排放问题，反渗透产水较低，为了提高产水率，工程上都采用二级反渗透，来提高反渗透装置的产水率。當然，也可以将浓水回用到整个工艺流程前段，重走一遍工艺流程。当然，在一开始对整个直饮水传统工艺设计时，就必须考虑到这一部分的水量。从而提高浓水的利用率。减少设备的排水。

3.1 直饮水处理优化方案

下面列举了三种工艺改造方法，并与传统处理工艺进行了比较；

传统工艺：预处理+RO装置+紫外线杀菌；

方案1：预处理+NF装置+紫外线杀菌；

方案2：预处理+UF装置+紫外线杀菌；

方案3：预处理+RO装置+紫外线杀菌+电解装置；

方案1，是利用膜技术中的纳滤手段进行处理。纳滤膜是目前优质直饮水的最佳技术之一，其可以有效去除三卤甲烷的前驱物、细菌、病毒、溶解性有机物等污染物质，并且适度脱盐，保证水中对人体有益的无机离子。

方案2，是对于直饮水原水水质较好的情况下采用的技术。该技术的成功推广在2010年上海世博会中使用。

方案3，在传统反渗透处理工艺的基础上，加上一个对水质改良的措施，维持水体pH的弱碱性。

注：三种方案均增加浓水回用系统。

3.2 优化方案与传统工艺的比较

假设某建筑直饮水设备产水量为1m3/h，采用海德能4寸ESPAI-4040型反渗透膜组件，一支为1380元，共采用8支。一支纳滤膜1750元，压力容器采用无缝连接不锈钢材质，一支350元。一支浙江求是膜FUF8040型PVDF材质超滤膜组件（包括压力容器）为4500元，高压泵，两台，一用一备，一台为1150元。保安过滤器为2800元。紫外线杀菌器为350元一台，预计采用一用一备，共两台。电解设备预计为500元一台，采用一用一备，共计两台。

膜组件的费用=膜元件的价钱+压力容器+高压泵+保安过滤器+阀门仪表（按前四项的总和的20% 计算）

不锈钢容器的费用及除反渗透装置以外的管路管材费用 =膜组件费用的20%+紫外线杀菌器的价钱；

各容器中填料、以及药剂的费用=膜组件的费用的20%。

具体计算结果见下表：

4.结论

（1）传统直饮水处理工艺主要缺陷反映在： a.反渗透出水水质问题上，反渗透不仅去除了细菌、病毒等有毒有害物质，而且还去除了对人体有益的无机离子。b.反渗透膜的浓水排放问题；反渗透水利用率不高。会产生大量的浓水。浓水的排放需要设计者引起重视。c.反渗透膜膜污染问题；一般环保公司会对工程运行后，要求建设方在设备运行了差不多每半年或一年后开启系统自带的清洗系统，对反渗透膜进行清洗。所以，对于清洗系统的设计以及膜材料的选用需要在设计时引起足够多的重视。

（2）从上文的成本损耗对比中可以得出结论：

方案2的预算成本最少，大约比传统方案便宜了将近18000元的成本损耗。方案3仅仅比传统工艺贵了1000元左右。而方案1比传统工艺贵了近4000元左右。对于浓水回用部分仅在工艺基础上增加管材费用。

1）虽然纳滤膜的处理效果是最好的。但纳滤膜组件的成本明显比传统工艺的反渗透膜组件要贵许多。且到目前为止，纳滤膜仍处于研发与中试阶段。

2） 对于原水水质较好的情况下，可以采用超滤膜组件进