家用净水机的节水系统设计

武韩笑，任有志，胡涛，庞彩珠

摘要：為了解决现有复合型净水机RO反渗透滤芯工作过程中排放大量废水而造成水资源浪费的问题，设计了净水机节水系统。首先，将净水系统设计为由预处理滤芯、RO反渗透滤芯、后处理滤芯组成的多极化结构;然后，对不同级别的过滤水按照水质进行分配使用;最后，设计了废水回收系统对产生的废水进行回收利用;另外，还设计了冲洗支路，对RO反渗透滤芯进行定时冲洗。净水器件的工作状态、净水参数、滤芯更换提醒等信息均通过设计的人机交互面板予以显示。运行结果证明，净水机节水系统通过对不同级别的过滤水进行合理分配，提高了家庭用水的利用率;在产水率稳定的条件下，废水回收率超过90%;定时冲洗积垢延长了滤芯的使用寿命。设计的净水机节水系统可有效解决水资源浪费问题，并能够避免因废水排放和频繁更换滤芯造成的成本增加问题，非常适合家庭使用，具有较好的商业价值，对净水机节水研究具有一定的参考价值。

关键词：机电一体化技术;净水;节水;废水回收利用;反渗透（RO）

中图分类号：TP273文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx05009

Design of water-saving system of household water purifier

WU Hanxiao，REN Youzhi，HU Tao，PANG Caizhu

（School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：In order to solve the problem that a large amount of waste water was discharged in the working process of the RO filter element of the existing composite water purifier and resulted in the waste of water resources，a water-saving system of the water purifier was designed.Firstly，the water purification system was multistaged and was composed of pretreatment filter element，RO filter element and post-treatment filter element;Then，different levels of filtered water were distributed according to the water quality;Finally，the waste water recycling system was designed to recycle the waste water;In addition，a flushing branch was designed to flush the RO filter element regularly.The working status of water purification devices，water purification parameters，filter element replacement reminder and other information were displayed through the designed human-computer interaction panel.The operation results show that the designed water-saving system of water purifier improves the utilization rate of domestic water through reasonable distribution of different levels of filtered water;Under the condition of stable water production rate，the waste water recovery rate of the water purifier is more than 90%，and the service life of the filter element is prolonged by washing and scaling regularly.The designed water-saving system of water purifier can effectively solve the problem of water resources waste，and avoid the increase of  cost caused by waste water discharge and frequent replacement of filter element，which is very suitable for family use.The design result has good commercial value，and has a certain reference value for water-saving research of water purifier.

Keywords：electromechanical integration technology;water purification;water-saving;waste water recycling;reverse osmosis（RO）

水资源是人类生存与社会发展必不可少的物质之一。由于地下水被污染、居民饮用水不达标，故净水机应运而生[1-2]。净水机是一种使用多种滤芯对自来水做进一步净化处理的装置，所以净水机质量的好坏直接影响居民家庭饮用水的安全。净水机随着科技的进步而不断发展，最初的净水机使用石英砂作为过滤层，随后出现了不锈钢滤网、普通活性炭、陶瓷滤芯等，如今又出现了微滤、超滤、纳滤、反渗透等膜分离技术，其中反渗透膜过滤是目前最好的终端过滤方式。

带有反渗透滤芯的净水机随着产水量的增加，废水浓度也随之增加，当滤芯表面残留的杂质较多时，净水效率变差，严重时会使反渗透滤芯和废水阀堵塞，降低净水机的使用寿命，若频繁更换滤芯，会会导致成本增加。一般净水机将制纯水而产生的废水直接排入下水道，水资源未得到合理利用，浪费严重[3]，不符合环保和节能理念。目前主流的解决方案是回流排废水和脉冲排废水等;回流技术是将反渗透膜流出的水重新送到进水端以提高净水机的回收率，长时间运行会造成反渗透净水机内含盐量急剧增加，当水的渗透压大于泵所产生的压力时将导致净水机停止工作;脉冲排废水是使用常闭电磁阀控制，通过改变回收率可实现无废水排放，但反渗透膜处于死端过滤状态，表面杂质不能清理，极大地减少膜的使用寿命;这两种方案均不能有效解决废水阀堵塞和反渗透膜寿命降低的问题[4]。另外，市面上使用反渗透膜技术的净水机，其设计结构较复杂，这为后期的维修和保养带来诸多不便。

对比同类产品，本文的家用净水机节水系统设计结构简单，在保证制取高纯度饮用水的同时，定期冲洗滤芯，延长滤芯寿命。过滤水分级使用，废水回收再利用，可为居民节省经济成本，具有应用研究价值。

1常见复合型净水机原理及存在问题

1.1常见复合型净水机工作原理

市面上的净水机品牌及其功能繁多，但工作原理万变不离其宗，总的来说净水器分为纯水机、超滤机、活性炭净水机、复合型净水机等[5-6]，其中复合型净水机较为常见，其采用2种或2种以上的工艺进行净水，经过多种过滤吸附预处理方法后，主要采用RO反渗透膜技术，使水在一定压力下反渗透过孔径只有0.000 1 μm的RO膜，滤除水中的无机盐、有机物、胶体、重金属离子、细菌、病毒、荧光物、农药等杂质，从而制取几乎无杂质的纯净水，达到直饮标准[7-8]。但是经过RO反渗透膜后，水中缺少对人体有益的微量元素，一般会设置后置滤芯来补充微量元素，并且吸附压力桶中的杂质，避免二次污染。常见的复合型净水机工作原理如图1所示。

1.2常见复合型净水机存在的问题

传统净水机使用RO反渗透膜制纯水过程中，杂质附着在膜表面使水的渗透压不断增加，导致 RO反渗透膜产水量下降，产生的高浓度杂质水（即废水）不断增加，由图1可以看到，废水直接排放到排水系统中丢弃了，造成了水资源浪费。为解决净水效果变差的问题，通常会频繁更换滤芯，从而导致成本增加[9]。目前已有研究者对家用净水系统做了很多改进，虽然一定程度上降低了废水排放率，减少了反渗透膜污堵的现象，但仍然存在纯水流量衰减、废水排放率高等问题[10]。

饮水机产生的废水已经经过了预处理，其清洁度仍然可满足日常生活中马桶冲水、洗衣用水等非饮用的生活用水要求。以目前三口之家为例，人均每天摄入2.4 L（含做饭用水）纯净饮用水，按照1∶5的纯废比计算，每天每户将产生36 L过滤废水，一年一个家庭将直接排放掉13 140 L可回收自来水。按照5 000万户家庭计算，每年将有6.57×108 t经过自来水公司处理后的自来水未被利用就直接流入下水系统。由于很多城市采取阶梯水费，这些本可利用的清洁水的丢弃给居民带来了进一步的经济负担[11]。以北方某城市阶梯水价为例，若能将这些废水回收，用于其他生活用途，每年每户可节省水费约66元。另外，延长反渗透膜的使用寿命也可挽回一定的经济损失。

2节水型净水系统的设计

2.1工作原理

设计的净水系统包含多级滤芯，分别为预处理滤芯、RO反渗透滤芯、后处理滤芯。自来水自过滤精度低的滤芯依次流向过滤精度高的滤芯，净水效果显著。预处理滤芯包括高分子纤维滤芯、颗粒活性炭滤芯、超滤膜。高分子纤维滤芯去除水中的铁锈、污泥和其他颗粒状杂质，降低水的浊度;颗粒活性炭滤芯去除水中的余氯、重金属和其他有毒有害物质，并调节水的pH值;超滤膜去除水中的大分子有机物、胶体、细菌和其他有害物质[12];后处理滤芯为后置活性炭。将不同级别的过滤水合理分配，经过预处理流出的粗过滤水，杂质含量少，供用户在水质精细化要求不高的地方使用，如洗菜、烧水、做饭、洗漱等。粗过滤水经过RO反渗透膜、后置活性炭滤芯过滤后，得到水质精细化很高的纯水，达到直饮标准，供用户直接饮用。为解决常见复合型净水机存在的废水直接排放问题，笔者设计了废水回收系统，将回收的废水用于马桶冲水、洗衣用水、拖地等。此外，还设置有冲洗支路，对RO反渗透滤芯定时冲洗，除去其表面残留杂质，家用净水机的节水系统工作原理如图2所示。

2.2纯水制备

图2中，低壓开关负责在自来水进水压力过低或无水压时断开，净水机停止工作，防止泵在无水状态下空转导致电路损坏，而当水压大于设定值后，低压开关打开。泵为水流通过RO反渗透膜提供一定压力。单向阀防止水倒流[13]。在纯水正常制备过程中，低压开关打开，高压开关打开，控制器输出信号，控制进水电磁阀和泵工作，自来水便可进入净水机，经过不同级别滤芯的过滤，产生粗过滤水、纯水。纯水制备需要一定的时间，将纯水流入压力桶存储起来，用户无需等待，便可饮用纯水。当压力桶水满时，高压开关自动断开，净水机停止制纯水。当用户饮用纯水后，压力桶内水量减少，管路自动泄压，高压开关打开，净水机重新制备纯水。

2.3冲洗滤芯支路

RO反渗透制纯水的过程实际是液体浓缩的过程，水不断流过RO反渗透膜使得膜表面上的杂质越来越多，堵塞RO反渗透膜的孔隙，为此，笔者在RO反渗透滤芯出口增加一个冲洗支路，设置有流量计、冲洗电磁阀、比例阀。首先设置好比例阀，一般情况下纯水与废水比（废效比）为1∶3～1∶5，废效比随着RO过滤能力下降而变大，当比值设定太小将影响滤芯寿命[14]。冲洗过程为控制器打开冲洗电磁阀、进水电磁阀和泵，经泵增压的水高速冲洗RO反渗透膜，除去堆积的杂质，延长RO反渗透滤芯的使用寿命，滤芯的更换频率降低，节省了经济成本，但此过程将产生大量废水。图3为冲洗支路示意图。

2.4废水解决方案

为解决传统净水机产生的废水直接排放的问题，设计的家用净水机的节水系统可回收废水并对其再利用，如图4所示。冲洗支路末端连接进入废水箱，制纯水和冲洗滤芯得到的废水全部流入废水箱。废水箱安装有高中低3个液位传感器，用于检测废水箱中水位，并向控制器发送信号[15]。笔者将收集废水的废水箱安装在较高位置，利用高位产生的水压，使废水通过管道自流入用户所需的地方。废水箱最下面为排水口，设置有单向阀，通过管道连接进入用户厕所、洗衣机、水管等地方。另外，笔者还设置有低液位电磁阀，无论是制纯水还是冲洗滤芯，只要废水箱内水位低于低液位传感器，低液位电磁阀就会被打开，让自来水流入用户厕所、洗衣机、水管等地方。这样，用户可在废水箱内废水少时，转换使用自来水。若废水箱内水位高于低液位传感器，便关闭低液位电磁阀，用户使用废水箱中的水，这里单向阀的作用是防止自来水流入废水箱中。

制备纯水时，所产生的废水流入废水箱内，若废水箱内水位到达高液位传感器时，则会提醒用户排水，但此情况很少，一般家庭废水使用量远超纯水的使用量。不制备纯水，且废水箱内水位低于低液位传感器时，开始冲洗RO反渗透膜上沉积的杂质，此过程产生的废水流入废水箱，直至废水箱中的水位到达中液位传感器时停止冲洗。此外，笔者还设置有强冲洗按键，废水箱内废水不够用时可手动冲洗RO反渗透膜，产生废水。

上述设计可将废水有效回收，供家庭非饮用时的用水需求，废水因此得到充分利用，节约了水资源的同时，也避免了废水流失造成的经济损失。

2.5控制器及交互功能的设计

2.5.1控制器的设计

将净水系统涉及到的器件与控制器连接，图5所示为笔者设计的净水系统的硬件控制框图。图中控制器使用51单片机，左侧的器件向单片机输入信号，右侧的器件受单片机输出信号的控制，单片机根据不同状态的输入信号，发送对应的输出信号，完成净水机制取纯水、冲洗反渗透滤芯、废水回收再利用、液晶显示等工作。

2.5.2交互功能的设计

在净水系统中加入2个流量计、1602液晶屏和按键。流量计选用霍尔流量计，水通过水流转子组件引起磁性转子转动，转速随着水流量而变化，霍尔传感器产生的脉冲信号输入给单片机[16]，单片机再对脉冲数进行运算。流量计1检测总进水脉冲数，计算得到进水总流量、总进水速率，流量计2检测废水脉冲数，计算得到废水总流量、废水速率，间接可得到纯水总流量、废效比等。这些数据连同净水机和各器件的工作情况均被显示在1602液晶屏上，当滤芯使用寿命到达规定使用值后，会出现更换滤芯的信息。用按键控制1602液晶屏翻页，实现人机交互，使净水机更加智能，用户可随时查看净水机状态。

3净水机的工作效果分析与讨论

3.1净水机的工作效果

采用实验的方式对节水型净水机的工作效果进行分析，需用到1 L的量筒和秒表，单片机将读取的2个流量计脉冲数显示在1602液晶屏上，测得总进水达1 L时的脉冲数约为1 844个，用时101.5 s，总进水速率为0.59 L/min。测得废水达1 L时的脉冲数约为1 854个，用时137.29 s，废水速率为0.437 L/min。进而可得纯水流量约为0.153 L/min，废效比约为3∶1。图6为节水型净水系统产水率和废水回收率的变化，结果可以看到在产水率稳定的情况下，家庭使用节水型净水系统的废水回收率在90%以上，回收率较高。

3.2讨论

河北省 80%以上地区的生活饮用水主要取自地下水，地下水水质受地区地质因素影响较大。如衡水市地下水质总体情况好，硬度高，但部分地区地下水碘含量偏高。保定市水质分布不均，水的硬度偏高，达到200 mg/L左右，地下水的污染程度较低。承德市地下水水质好，污染物少。廊坊市水质总体良好，水硬度为180 mg/L，泥沙含量少，但个别地区水质有异味且水中的铁、锰、矿物质含量较高。张家口市水的硬度高。沧州、邯郸、邢台3市的水硬度高，金属离子含量高。石家庄市的水硬度高，受自来水管网二次污染较为严重。此外，根据地下水监测资料分析，河北省部分地区地下水中有机污染物和硝酸盐含量有增加趋势。

家用净水机的节水系统设置有五级滤芯，可有效除去水中杂质、异味、各种有机污染物等有害物质，改善水质的同时增加人体必需的矿物质，满足人们对健康水质的需求。增加的冲洗回路，可定时清理RO反渗透滤芯上的杂质，延长滤芯寿命。将过滤后的水分为粗过滤水、精细过滤水，供家庭不同需求使用;废水回收系统对废水回收再利用，可帮助家庭节约90%以上的水，较常见复合型净水机的回收率高。

4结语

综上所述，家用净水机的节水系统设计在废水回收利用、家庭水资源分配和提高滤芯寿命上进行改革创新，能够有效过滤水中大部分的杂质和污染物，使水质达到国家直饮标准。

1）设置冲洗回路，定时冲洗反渗透滤芯，延长了滤芯使用寿命。

2）废水回收系统将制纯水和冲洗滤芯产生的废水回收，作为家庭非饮用生活用水，降低了废水排放率，节约了水资源。过滤程度低的粗过滤水可供家庭水质要求不高的地方使用，过滤程度高的精细过滤水可供家庭直接饮用。

3）家用净水机的节水系统设计在满足家庭饮用纯水需求的同时节约了水资源，降低了因废水排放和频繁更换滤芯给家庭带来的经济损失。

本设计已申请专利并获批。本文所设计的家用净水机节水系统需占用较大空间，其小型化是今后的研究方向。

参考文献/References：

[1]金亞楠.净水行业迎来黄金时代[J].电器，2014（5）：26-27.

[2]周炜姗，伍娟，陈忻，等.自来水净水工艺的现状及发展[J].广东化工，2018，45（5）：169-170.

ZHOU Weishan，WU Juan，CHEN Xin，et al.Current situation and development of water purification process[J].Guangdong Chemical Industry，2018，45（5）：169-170.

[3]郭明.纯水机废水回收利用技术研究[J].甘肃科技，2015，31（2）：38-40.

[4]刘梦薇.一种长寿命反渗透净水系统[J].科技创新导报，2019，16（9）：75-76.

[5]贺祥珂，高翠玲，周加彦，等.家用净水产品滤芯评价标准现状分析[J].中国标准化，2019（14）：249-251.

[6]蒋莉蓉.家用净水器技术与其展望[J].中山大学研究生学刊（自然科学·医学版），2016（1）：25-34.

JIANG Lirong.Household water purifier technology and its prospect[J].Journal of the Graduates Sun Yat-Sen University（Natural Sciences，Medicine），2016（1）：25-34.

[7]蔣士桦.RO膜产品最适合解决当下家庭饮水问题[J].现代家电，2011（32）：14-15.

[8]张超，王吉坤，王宏义，等.反渗透法去除煤矿矿井水氟化物的试验研究[J].煤炭加工与综合利用，2020（1）：77-80.

ZHANG Chao，WANG Jikun，WANG Hongyi，et al.Experimental study on the removal of fluoride from coal mine water by reverse osmosis RO[J].Coal Processing and Comprehensive Utilization，2020（1）：77-80.

[9]王文峰.RO排放浓水回用分析[J].资源节约与环保，2019（6）：23.

[10]姜亚.节水型家用净水系统的设计与研究[D].南京：南京理工大学，2018.

[11]李正权.你家的净水机节水吗[J].大众标准化，2018（10）：13-15.

[12]赵伟伟.超滤膜技术在环境工程水处理中的运用探究[J].化工管理，2020（12）：147-148.

[13]周军.净水机单向阀的低噪声设计[J].家电科技，2020（1）：102-107.

ZHOU Jun.The structure design of a low noise check valve[J].Journal of Appliance Science & Technology，2020（1）：102-107.

[14]罗亚岚.家用净水器滤芯使用寿命显示装置[J].家电科技，2012（5）：76-77.

[15]FENG Dejiu，LIU Min，FENG Wenlin，et al.Michelson liquid-level sensor based on cascaded no-core fiber and single-mode fiber structure[J].Optik，2020，206：163746.

[16]SATTHAMSAKUL S，SRIRATANA W，SRIRATANA L，et al.Empirical study on influences of electromagnetic field on hall effect sensor for analysing oil lubricant deterioration[J].IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2020，895：012015.