家用凈水機(jī)的節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武韓笑，任有志，胡濤，龐彩珠

摘要：為了解決現(xiàn)有復(fù)合型凈水機(jī)RO反滲透濾芯工作過程中排放大量廢水而造成水資源浪費(fèi)的問題，設(shè)計(jì)了凈水機(jī)節(jié)水系統(tǒng)。首先，將凈水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由預(yù)處理濾芯、RO反滲透濾芯、后處理濾芯組成的多極化結(jié)構(gòu);然后，對(duì)不同級(jí)別的過濾水按照水質(zhì)進(jìn)行分配使用;最后，設(shè)計(jì)了廢水回收系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的廢水進(jìn)行回收利用;另外，還設(shè)計(jì)了沖洗支路，對(duì)RO反滲透濾芯進(jìn)行定時(shí)沖洗。凈水器件的工作狀態(tài)、凈水參數(shù)、濾芯更換提醒等信息均通過設(shè)計(jì)的人機(jī)交互面板予以顯示。運(yùn)行結(jié)果證明，凈水機(jī)節(jié)水系統(tǒng)通過對(duì)不同級(jí)別的過濾水進(jìn)行合理分配，提高了家庭用水的利用率;在產(chǎn)水率穩(wěn)定的條件下，廢水回收率超過90%;定時(shí)沖洗積垢延長(zhǎng)了濾芯的使用壽命。設(shè)計(jì)的凈水機(jī)節(jié)水系統(tǒng)可有效解決水資源浪費(fèi)問題，并能夠避免因廢水排放和頻繁更換濾芯造成的成本增加問題，非常適合家庭使用，具有較好的商業(yè)價(jià)值，對(duì)凈水機(jī)節(jié)水研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化技術(shù);凈水;節(jié)水;廢水回收利用;反滲透（RO）

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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）

水資源是人類生存與社會(huì)發(fā)展必不可少的物質(zhì)之一。由于地下水被污染、居民飲用水不達(dá)標(biāo)，故凈水機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。凈水機(jī)是一種使用多種濾芯對(duì)自來水做進(jìn)一步凈化處理的裝置，所以凈水機(jī)質(zhì)量的好壞直接影響居民家庭飲用水的安全。凈水機(jī)隨著科技的進(jìn)步而不斷發(fā)展，最初的凈水機(jī)使用石英砂作為過濾層，隨后出現(xiàn)了不銹鋼濾網(wǎng)、普通活性炭、陶瓷濾芯等，如今又出現(xiàn)了微濾、超濾、納濾、反滲透等膜分離技術(shù)，其中反滲透膜過濾是目前最好的終端過濾方式。

帶有反滲透濾芯的凈水機(jī)隨著產(chǎn)水量的增加，廢水濃度也隨之增加，當(dāng)濾芯表面殘留的雜質(zhì)較多時(shí)，凈水效率變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使反滲透濾芯和廢水閥堵塞，降低凈水機(jī)的使用壽命，若頻繁更換濾芯，會(huì)會(huì)導(dǎo)致成本增加。一般凈水機(jī)將制純水而產(chǎn)生的廢水直接排入下水道，水資源未得到合理利用，浪費(fèi)嚴(yán)重[3]，不符合環(huán)保和節(jié)能理念。目前主流的解決方案是回流排廢水和脈沖排廢水等;回流技術(shù)是將反滲透膜流出的水重新送到進(jìn)水端以提高凈水機(jī)的回收率，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成反滲透凈水機(jī)內(nèi)含鹽量急劇增加，當(dāng)水的滲透壓大于泵所產(chǎn)生的壓力時(shí)將導(dǎo)致凈水機(jī)停止工作;脈沖排廢水是使用常閉電磁閥控制，通過改變回收率可實(shí)現(xiàn)無廢水排放，但反滲透膜處于死端過濾狀態(tài)，表面雜質(zhì)不能清理，極大地減少膜的使用壽命;這兩種方案均不能有效解決廢水閥堵塞和反滲透膜壽命降低的問題[4]。另外，市面上使用反滲透膜技術(shù)的凈水機(jī)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，這為后期的維修和保養(yǎng)帶來諸多不便。

對(duì)比同類產(chǎn)品，本文的家用凈水機(jī)節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在保證制取高純度飲用水的同時(shí)，定期沖洗濾芯，延長(zhǎng)濾芯壽命。過濾水分級(jí)使用，廢水回收再利用，可為居民節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，具有應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。

1常見復(fù)合型凈水機(jī)原理及存在問題

1.1常見復(fù)合型凈水機(jī)工作原理

市面上的凈水機(jī)品牌及其功能繁多，但工作原理萬變不離其宗，總的來說凈水器分為純水機(jī)、超濾機(jī)、活性炭?jī)羲畽C(jī)、復(fù)合型凈水機(jī)等[5-6]，其中復(fù)合型凈水機(jī)較為常見，其采用2種或2種以上的工藝進(jìn)行凈水，經(jīng)過多種過濾吸附預(yù)處理方法后，主要采用RO反滲透膜技術(shù)，使水在一定壓力下反滲透過孔徑只有0.000 1 μm的RO膜，濾除水中的無機(jī)鹽、有機(jī)物、膠體、重金屬離子、細(xì)菌、病毒、熒光物、農(nóng)藥等雜質(zhì)，從而制取幾乎無雜質(zhì)的純凈水，達(dá)到直飲標(biāo)準(zhǔn)[7-8]。但是經(jīng)過RO反滲透膜后，水中缺少對(duì)人體有益的微量元素，一般會(huì)設(shè)置后置濾芯來補(bǔ)充微量元素，并且吸附壓力桶中的雜質(zhì)，避免二次污染。常見的復(fù)合型凈水機(jī)工作原理如圖1所示。

1.2常見復(fù)合型凈水機(jī)存在的問題

傳統(tǒng)凈水機(jī)使用RO反滲透膜制純水過程中，雜質(zhì)附著在膜表面使水的滲透壓不斷增加，導(dǎo)致 RO反滲透膜產(chǎn)水量下降，產(chǎn)生的高濃度雜質(zhì)水（即廢水）不斷增加，由圖1可以看到，廢水直接排放到排水系統(tǒng)中丟棄了，造成了水資源浪費(fèi)。為解決凈水效果變差的問題，通常會(huì)頻繁更換濾芯，從而導(dǎo)致成本增加[9]。目前已有研究者對(duì)家用凈水系統(tǒng)做了很多改進(jìn)，雖然一定程度上降低了廢水排放率，減少了反滲透膜污堵的現(xiàn)象，但仍然存在純水流量衰減、廢水排放率高等問題[10]。

飲水機(jī)產(chǎn)生的廢水已經(jīng)經(jīng)過了預(yù)處理，其清潔度仍然可滿足日常生活中馬桶沖水、洗衣用水等非飲用的生活用水要求。以目前三口之家為例，人均每天攝入2.4 L（含做飯用水）純凈飲用水，按照1∶5的純廢比計(jì)算，每天每戶將產(chǎn)生36 L過濾廢水，一年一個(gè)家庭將直接排放掉13 140 L可回收自來水。按照5 000萬戶家庭計(jì)算，每年將有6.57×108 t經(jīng)過自來水公司處理后的自來水未被利用就直接流入下水系統(tǒng)。由于很多城市采取階梯水費(fèi)，這些本可利用的清潔水的丟棄給居民帶來了進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[11]。以北方某城市階梯水價(jià)為例，若能將這些廢水回收，用于其他生活用途，每年每戶可節(jié)省水費(fèi)約66元。另外，延長(zhǎng)反滲透膜的使用壽命也可挽回一定的經(jīng)濟(jì)損失。

2節(jié)水型凈水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1工作原理

設(shè)計(jì)的凈水系統(tǒng)包含多級(jí)濾芯，分別為預(yù)處理濾芯、RO反滲透濾芯、后處理濾芯。自來水自過濾精度低的濾芯依次流向過濾精度高的濾芯，凈水效果顯著。預(yù)處理濾芯包括高分子纖維濾芯、顆?；钚蕴繛V芯、超濾膜。高分子纖維濾芯去除水中的鐵銹、污泥和其他顆粒狀雜質(zhì)，降低水的濁度;顆?；钚蕴繛V芯去除水中的余氯、重金屬和其他有毒有害物質(zhì)，并調(diào)節(jié)水的pH值;超濾膜去除水中的大分子有機(jī)物、膠體、細(xì)菌和其他有害物質(zhì)[12];后處理濾芯為后置活性炭。將不同級(jí)別的過濾水合理分配，經(jīng)過預(yù)處理流出的粗過濾水，雜質(zhì)含量少，供用戶在水質(zhì)精細(xì)化要求不高的地方使用，如洗菜、燒水、做飯、洗漱等。粗過濾水經(jīng)過RO反滲透膜、后置活性炭濾芯過濾后，得到水質(zhì)精細(xì)化很高的純水，達(dá)到直飲標(biāo)準(zhǔn)，供用戶直接飲用。為解決常見復(fù)合型凈水機(jī)存在的廢水直接排放問題，筆者設(shè)計(jì)了廢水回收系統(tǒng)，將回收的廢水用于馬桶沖水、洗衣用水、拖地等。此外，還設(shè)置有沖洗支路，對(duì)RO反滲透濾芯定時(shí)沖洗，除去其表面殘留雜質(zhì)，家用凈水機(jī)的節(jié)水系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2.2純水制備

圖2中，低壓開關(guān)負(fù)責(zé)在自來水進(jìn)水壓力過低或無水壓時(shí)斷開，凈水機(jī)停止工作，防止泵在無水狀態(tài)下空轉(zhuǎn)導(dǎo)致電路損壞，而當(dāng)水壓大于設(shè)定值后，低壓開關(guān)打開。泵為水流通過RO反滲透膜提供一定壓力。單向閥防止水倒流[13]。在純水正常制備過程中，低壓開關(guān)打開，高壓開關(guān)打開，控制器輸出信號(hào)，控制進(jìn)水電磁閥和泵工作，自來水便可進(jìn)入凈水機(jī)，經(jīng)過不同級(jí)別濾芯的過濾，產(chǎn)生粗過濾水、純水。純水制備需要一定的時(shí)間，將純水流入壓力桶存儲(chǔ)起來，用戶無需等待，便可飲用純水。當(dāng)壓力桶水滿時(shí)，高壓開關(guān)自動(dòng)斷開，凈水機(jī)停止制純水。當(dāng)用戶飲用純水后，壓力桶內(nèi)水量減少，管路自動(dòng)泄壓，高壓開關(guān)打開，凈水機(jī)重新制備純水。

2.3沖洗濾芯支路

RO反滲透制純水的過程實(shí)際是液體濃縮的過程，水不斷流過RO反滲透膜使得膜表面上的雜質(zhì)越來越多，堵塞RO反滲透膜的孔隙，為此，筆者在RO反滲透濾芯出口增加一個(gè)沖洗支路，設(shè)置有流量計(jì)、沖洗電磁閥、比例閥。首先設(shè)置好比例閥，一般情況下純水與廢水比（廢效比）為1∶3～1∶5，廢效比隨著RO過濾能力下降而變大，當(dāng)比值設(shè)定太小將影響濾芯壽命[14]。沖洗過程為控制器打開沖洗電磁閥、進(jìn)水電磁閥和泵，經(jīng)泵增壓的水高速?zèng)_洗RO反滲透膜，除去堆積的雜質(zhì)，延長(zhǎng)RO反滲透濾芯的使用壽命，濾芯的更換頻率降低，節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本，但此過程將產(chǎn)生大量廢水。圖3為沖洗支路示意圖。

2.4廢水解決方案

為解決傳統(tǒng)凈水機(jī)產(chǎn)生的廢水直接排放的問題，設(shè)計(jì)的家用凈水機(jī)的節(jié)水系統(tǒng)可回收廢水并對(duì)其再利用，如圖4所示。沖洗支路末端連接進(jìn)入廢水箱，制純水和沖洗濾芯得到的廢水全部流入廢水箱。廢水箱安裝有高中低3個(gè)液位傳感器，用于檢測(cè)廢水箱中水位，并向控制器發(fā)送信號(hào)[15]。筆者將收集廢水的廢水箱安裝在較高位置，利用高位產(chǎn)生的水壓，使廢水通過管道自流入用戶所需的地方。廢水箱最下面為排水口，設(shè)置有單向閥，通過管道連接進(jìn)入用戶廁所、洗衣機(jī)、水管等地方。另外，筆者還設(shè)置有低液位電磁閥，無論是制純水還是沖洗濾芯，只要廢水箱內(nèi)水位低于低液位傳感器，低液位電磁閥就會(huì)被打開，讓自來水流入用戶廁所、洗衣機(jī)、水管等地方。這樣，用戶可在廢水箱內(nèi)廢水少時(shí)，轉(zhuǎn)換使用自來水。若廢水箱內(nèi)水位高于低液位傳感器，便關(guān)閉低液位電磁閥，用戶使用廢水箱中的水，這里單向閥的作用是防止自來水流入廢水箱中。

制備純水時(shí)，所產(chǎn)生的廢水流入廢水箱內(nèi)，若廢水箱內(nèi)水位到達(dá)高液位傳感器時(shí)，則會(huì)提醒用戶排水，但此情況很少，一般家庭廢水使用量遠(yuǎn)超純水的使用量。不制備純水，且廢水箱內(nèi)水位低于低液位傳感器時(shí)，開始沖洗RO反滲透膜上沉積的雜質(zhì)，此過程產(chǎn)生的廢水流入廢水箱，直至廢水箱中的水位到達(dá)中液位傳感器時(shí)停止沖洗。此外，筆者還設(shè)置有強(qiáng)沖洗按鍵，廢水箱內(nèi)廢水不夠用時(shí)可手動(dòng)沖洗RO反滲透膜，產(chǎn)生廢水。

上述設(shè)計(jì)可將廢水有效回收，供家庭非飲用時(shí)的用水需求，廢水因此得到充分利用，節(jié)約了水資源的同時(shí)，也避免了廢水流失造成的經(jīng)濟(jì)損失。

2.5控制器及交互功能的設(shè)計(jì)

2.5.1控制器的設(shè)計(jì)

將凈水系統(tǒng)涉及到的器件與控制器連接，圖5所示為筆者設(shè)計(jì)的凈水系統(tǒng)的硬件控制框圖。圖中控制器使用51單片機(jī)，左側(cè)的器件向單片機(jī)輸入信號(hào)，右側(cè)的器件受單片機(jī)輸出信號(hào)的控制，單片機(jī)根據(jù)不同狀態(tài)的輸入信號(hào)，發(fā)送對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，完成凈水機(jī)制取純水、沖洗反滲透濾芯、廢水回收再利用、液晶顯示等工作。

2.5.2交互功能的設(shè)計(jì)

在凈水系統(tǒng)中加入2個(gè)流量計(jì)、1602液晶屏和按鍵。流量計(jì)選用霍爾流量計(jì)，水通過水流轉(zhuǎn)子組件引起磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速隨著水流量而變化，霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸入給單片機(jī)[16]，單片機(jī)再對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。流量計(jì)1檢測(cè)總進(jìn)水脈沖數(shù)，計(jì)算得到進(jìn)水總流量、總進(jìn)水速率，流量計(jì)2檢測(cè)廢水脈沖數(shù)，計(jì)算得到廢水總流量、廢水速率，間接可得到純水總流量、廢效比等。這些數(shù)據(jù)連同凈水機(jī)和各器件的工作情況均被顯示在1602液晶屏上，當(dāng)濾芯使用壽命到達(dá)規(guī)定使用值后，會(huì)出現(xiàn)更換濾芯的信息。用按鍵控制1602液晶屏翻頁，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使凈水機(jī)更加智能，用戶可隨時(shí)查看凈水機(jī)狀態(tài)。

3凈水機(jī)的工作效果分析與討論

3.1凈水機(jī)的工作效果

采用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)節(jié)水型凈水機(jī)的工作效果進(jìn)行分析，需用到1 L的量筒和秒表，單片機(jī)將讀取的2個(gè)流量計(jì)脈沖數(shù)顯示在1602液晶屏上，測(cè)得總進(jìn)水達(dá)1 L時(shí)的脈沖數(shù)約為1 844個(gè)，用時(shí)101.5 s，總進(jìn)水速率為0.59 L/min。測(cè)得廢水達(dá)1 L時(shí)的脈沖數(shù)約為1 854個(gè)，用時(shí)137.29 s，廢水速率為0.437 L/min。進(jìn)而可得純水流量約為0.153 L/min，廢效比約為3∶1。圖6為節(jié)水型凈水系統(tǒng)產(chǎn)水率和廢水回收率的變化，結(jié)果可以看到在產(chǎn)水率穩(wěn)定的情況下，家庭使用節(jié)水型凈水系統(tǒng)的廢水回收率在90%以上，回收率較高。

3.2討論

河北省 80%以上地區(qū)的生活飲用水主要取自地下水，地下水水質(zhì)受地區(qū)地質(zhì)因素影響較大。如衡水市地下水質(zhì)總體情況好，硬度高，但部分地區(qū)地下水碘含量偏高。保定市水質(zhì)分布不均，水的硬度偏高，達(dá)到200 mg/L左右，地下水的污染程度較低。承德市地下水水質(zhì)好，污染物少。廊坊市水質(zhì)總體良好，水硬度為180 mg/L，泥沙含量少，但個(gè)別地區(qū)水質(zhì)有異味且水中的鐵、錳、礦物質(zhì)含量較高。張家口市水的硬度高。滄州、邯鄲、邢臺(tái)3市的水硬度高，金屬離子含量高。石家莊市的水硬度高，受自來水管網(wǎng)二次污染較為嚴(yán)重。此外，根據(jù)地下水監(jiān)測(cè)資料分析，河北省部分地區(qū)地下水中有機(jī)污染物和硝酸鹽含量有增加趨勢(shì)。

家用凈水機(jī)的節(jié)水系統(tǒng)設(shè)置有五級(jí)濾芯，可有效除去水中雜質(zhì)、異味、各種有機(jī)污染物等有害物質(zhì)，改善水質(zhì)的同時(shí)增加人體必需的礦物質(zhì)，滿足人們對(duì)健康水質(zhì)的需求。增加的沖洗回路，可定時(shí)清理RO反滲透濾芯上的雜質(zhì)，延長(zhǎng)濾芯壽命。將過濾后的水分為粗過濾水、精細(xì)過濾水，供家庭不同需求使用;廢水回收系統(tǒng)對(duì)廢水回收再利用，可幫助家庭節(jié)約90%以上的水，較常見復(fù)合型凈水機(jī)的回收率高。

4結(jié)語

綜上所述，家用凈水機(jī)的節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)在廢水回收利用、家庭水資源分配和提高濾芯壽命上進(jìn)行改革創(chuàng)新，能夠有效過濾水中大部分的雜質(zhì)和污染物，使水質(zhì)達(dá)到國(guó)家直飲標(biāo)準(zhǔn)。

1）設(shè)置沖洗回路，定時(shí)沖洗反滲透濾芯，延長(zhǎng)了濾芯使用壽命。

2）廢水回收系統(tǒng)將制純水和沖洗濾芯產(chǎn)生的廢水回收，作為家庭非飲用生活用水，降低了廢水排放率，節(jié)約了水資源。過濾程度低的粗過濾水可供家庭水質(zhì)要求不高的地方使用，過濾程度高的精細(xì)過濾水可供家庭直接飲用。

3）家用凈水機(jī)的節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足家庭飲用純水需求的同時(shí)節(jié)約了水資源，降低了因廢水排放和頻繁更換濾芯給家庭帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

本設(shè)計(jì)已申請(qǐng)專利并獲批。本文所設(shè)計(jì)的家用凈水機(jī)節(jié)水系統(tǒng)需占用較大空間，其小型化是今后的研究方向。

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