基于動(dòng)態(tài)膜錯(cuò)流過濾的野外凈水裝置研究*

沈志杰，楊德忠，鄧黛青**，丁 濤

(1.中國計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江紅石梁集團(tuán)熱電有限公司，浙江 臺(tái)州 317299)

我國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，地質(zhì)災(zāi)害會(huì)使大量污染物進(jìn)入水體，使災(zāi)區(qū)飲用水水質(zhì)迅速惡化，威脅災(zāi)區(qū)飲用水的安全[1]。同時(shí)，我國地域遼闊，各地受自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件的影響，大量農(nóng)村給水設(shè)施較為落后，自來水普及率較低，農(nóng)村飲用水安全問題長期存在[2]?；诖?，本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)膜錯(cuò)流過濾的野外凈水裝置，可適用于災(zāi)害救援、農(nóng)村給水與軍隊(duì)訓(xùn)練等場景，滿足野外應(yīng)急情況下的生活用水需求。

1 動(dòng)態(tài)膜與錯(cuò)流過濾原理概述

1.1 自生動(dòng)態(tài)膜

動(dòng)態(tài)膜是一些大孔徑網(wǎng)膜材料與某種固體懸浮物或膠體溶液，在一定條件下通過這些網(wǎng)膜材料時(shí)形成的分離層，它們共同組成膜材料。根據(jù)動(dòng)態(tài)膜材料的不同，可分為自生動(dòng)態(tài)膜、預(yù)涂動(dòng)態(tài)膜。自生動(dòng)態(tài)膜是利用廢液中的某種物質(zhì)，作為成膜物質(zhì)，沉淀在載體上形成的動(dòng)態(tài)膜；預(yù)涂動(dòng)態(tài)膜技術(shù)就是把自身生物動(dòng)態(tài)膜技術(shù)中的生物層改進(jìn)為由一種或者多種、天然或者人工合成、無機(jī)物或者有機(jī)物形成的預(yù)涂層[3]。本文采用自生動(dòng)態(tài)膜技術(shù)，在裝置過濾的過程當(dāng)中基膜對小粒子進(jìn)行截留，會(huì)形成一層分離層，從而提高過濾的精度。

1.2 錯(cuò)流過濾

在水過濾過程當(dāng)中，常見的操作方式為死端過濾和錯(cuò)流過濾。兩者之間的區(qū)別在于水流的流動(dòng)方向不同。死端過濾時(shí)的水流方向是垂直于基膜方向的，如圖1所示。而錯(cuò)流過濾，水流方向?yàn)槠叫杏诨け砻娣较颍鐖D2所示。錯(cuò)流過濾時(shí)，基膜表面會(huì)因水流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的剪切力，該剪切力能夠沖刷基膜表面附著的小顆粒[4]，減少基膜堵塞，延長基膜使用壽命，同時(shí)也有利于控制動(dòng)態(tài)膜的過濾精度，在一定程度上緩解隨時(shí)間變化動(dòng)態(tài)膜孔隙逐步減小而導(dǎo)致過濾壓力升高的現(xiàn)象。

圖1 死端過濾過程圖

圖2 錯(cuò)流過濾過程圖

2 基于動(dòng)態(tài)膜錯(cuò)流過濾的野外凈水裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

野外凈水裝置分為進(jìn)水預(yù)處理模塊、催化過濾模塊，以及離子去除模塊三大模塊，并由芯片實(shí)現(xiàn)自控。進(jìn)水預(yù)處理模塊主要部件為管道預(yù)處理器，負(fù)責(zé)對水體進(jìn)行初步大雜質(zhì)分離；催化過濾模塊由兩個(gè)核心反應(yīng)罐體組成，可對水體進(jìn)行絮凝、催化、吸附等操作，同時(shí)還會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)膜錯(cuò)流過濾，進(jìn)行更高精度的雜質(zhì)分離；離子去除模塊由離子去除器構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)對水體進(jìn)行廣譜的有害離子去除。如圖3、圖4所示。

2.1 反應(yīng)罐體

根據(jù)反應(yīng)時(shí)罐內(nèi)水壓和結(jié)構(gòu)維持的要求，外殼采用立式3.5 mm不銹鋼儲(chǔ)罐，并利用四個(gè)吊環(huán)法蘭實(shí)現(xiàn)罐體全密封。升流槳?jiǎng)恿ρb置處于密封端蓋上端，主要作用是提供反應(yīng)罐內(nèi)升流槳轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力。該動(dòng)力裝置由120W可調(diào)速電機(jī)、齒輪減速機(jī)和聯(lián)軸器組成。調(diào)速電機(jī)通過齒輪減速機(jī)、聯(lián)軸器與罐體內(nèi)的升流槳連接。

在反應(yīng)罐上部定位壓板上開孔裝配壓力表和自動(dòng)泄壓閥，過濾時(shí)，若罐內(nèi)壓力過大，可自動(dòng)泄壓，避免造成安全事故。進(jìn)水口設(shè)置在反應(yīng)罐底端，濾芯出水口與反應(yīng)罐出水口通過螺紋連接，濾芯底部使用橡膠圈密封。升流槳由兩個(gè)分漿組成，每個(gè)分槳貼近罐體側(cè)焊有四片槳葉，槳葉與水平方向呈30°。同一槳桿上每片槳葉間隔50 mm，充分保證罐內(nèi)反應(yīng)的水流能夠上升到預(yù)期高度。升流槳通過聯(lián)軸器懸掛在反應(yīng)罐中央，兩根分漿分別在濾芯兩側(cè)。啟動(dòng)時(shí)分漿可圍繞濾芯旋轉(zhuǎn)，罐內(nèi)底部進(jìn)入的水流從底部螺旋上升至濾芯上端，并形成一段穩(wěn)定的上升水渦進(jìn)行錯(cuò)流過濾?？赏ㄟ^定位壓板上的進(jìn)料漏斗完成加藥，漏斗管道上設(shè)置閥門，加料完成關(guān)閉閥門保持罐體內(nèi)密封狀態(tài)。

在裝置中，微污染水進(jìn)入罐體中，在反應(yīng)罐漏斗上加入絮凝劑，反應(yīng)罐中間的升流槳將進(jìn)水口的水流從底部螺旋上升至反應(yīng)罐上端，并形成一段穩(wěn)定的上升水渦。在流場的作用下，既能使得藥物與水樣充分反應(yīng)，又能使絮凝的污染物在過濾基膜的外表面均勻形成動(dòng)態(tài)膜。本裝置可在漏斗上加入吸附劑，吸附劑將雜質(zhì)吸附。吸附的少量雜質(zhì)可通過罐內(nèi)流場的作用在基膜的表面成膜，同時(shí)吸附劑本身也可作為成膜的材料附著在基膜表面。如圖5所示。

2.2 集成管閥

管閥系統(tǒng)主要由聚氯乙烯管道以及電磁三通閥、 電磁單向閥組成。 利用芯片集成控制，將正常過濾模式與反洗模式相結(jié)合，使用單泵實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)作模式。 本文設(shè)計(jì)的管閥系統(tǒng)在滿足模式運(yùn)行要求的同時(shí)還能減少水泵的使用數(shù)量，減小裝置的體積與重量，提高裝置在野外攜帶與運(yùn)輸?shù)谋銛y性。 如圖6、 圖7所示。

圖5 反應(yīng)罐體結(jié)構(gòu)

圖7 管閥路線結(jié)構(gòu)

2.3 離子去除器

為了消除臭氧、應(yīng)對水中可能存在的多種有害離子和細(xì)菌、藻類等微生物，裝置使用銅鋅合金(KDF)以及離子交換樹脂作為裝置末端工藝-離子去除的主要材料。

KDF (Kinetic Degradation Fluxion)是一種新型的、多功能的、可再生的銅鋅合金水處理材料(圖8)。1984年，美國的水處理專家 Done Heskett 發(fā)明了KDF濾料，并申請了多項(xiàng)專利，而且通過了美國國家衛(wèi)生基金會(huì)(NSF)、水質(zhì)協(xié)會(huì)(WQA)等機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。KDF的凈水機(jī)理是通過與水中的污染物質(zhì)在濾料的表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而達(dá)到去除污染物質(zhì)的目的。與傳統(tǒng)濾料相比，KDF具有使用壽命長，可以100%恢復(fù)過濾能力；能有效減少或去除水中的氯和重金屬、有效控制微生物和鍋垢；在除鐵、降低氟化物、硝酸鹽、碳酸鹽和硫酸鹽等方面也有較好效果；并具有維護(hù)方便，綜合性能優(yōu)良等特點(diǎn)。目前KDF合金濾料已經(jīng)被用于生活用水深度凈化、工業(yè)給水凈化及廢水處理等方面[5-7]。

圖8 銅鋅合金濾料(KDF)

離子交換樹脂是一種具有一定高分子結(jié)構(gòu)的特殊樹脂材料，按照結(jié)構(gòu)可將其分為大孔型和凝膠型樹脂。離子交換樹脂由兩部分組成：樹脂基質(zhì)和離子交換基團(tuán)。作用原理是連接在離子交換樹脂骨架上的活性基團(tuán)與水溶液中同類電荷的離子之間發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)[8]。離子交換樹脂廣泛應(yīng)用于水處理、化學(xué)分析、制藥、生物技術(shù)等領(lǐng)域。在凈水領(lǐng)域中，離子交換樹脂可以去除水中的硬度離子、重金屬離子、部分有害物質(zhì)等。

本文設(shè)計(jì)了一種柱形容器，容器內(nèi)上層放置銅鋅合金濾料，下層放置離子交換樹脂(圖9)。

圖9 離子去除器

容器置于凈水系統(tǒng)的后端，經(jīng)過反應(yīng)罐過濾的水流從容器上端進(jìn)水口進(jìn)入依次流經(jīng)銅鋅合金濾料和離子交換樹脂。

3 野外凈水裝置運(yùn)行流程

裝置設(shè)置三大模塊。在正常模式下，微污染原水通過泵抽取進(jìn)入第一模塊進(jìn)行預(yù)處理，通過管道預(yù)處理器實(shí)現(xiàn)大雜質(zhì)與水的初步分離。

當(dāng)微污染水進(jìn)入第二模塊時(shí)，在反應(yīng)罐漏斗上加入絮凝劑與催化劑，微污染水中的雜質(zhì)與藥劑反應(yīng)在過濾基膜表面形成次生膜，通過升流漿的帶動(dòng)，微污染水在膜表面進(jìn)行錯(cuò)流過濾與催化反應(yīng)。

當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間過濾后，控制系統(tǒng)通過控制電磁閥改變水流路徑，裝置自動(dòng)進(jìn)入反洗模式，將動(dòng)態(tài)膜洗下，并從污水口排出，再轉(zhuǎn)換為正常模式進(jìn)行下一輪的成膜催化過濾。

本文在第二模塊設(shè)定了四個(gè)工作模式，分別為：水流經(jīng)A反應(yīng)罐過濾，再流經(jīng)B反應(yīng)罐過濾；水流經(jīng)B反應(yīng)罐過濾，再反洗A反應(yīng)罐。水流經(jīng)B反應(yīng)罐過濾，再流經(jīng)A反應(yīng)罐過濾；水流經(jīng)A反應(yīng)罐過濾，再反洗B反應(yīng)罐。工作流程如圖10所示。其中，微污染水先經(jīng)A罐過濾再經(jīng)B罐過濾的雙重過濾模式能夠有效的提高水質(zhì)的凈化程度，為使用者提供更加安全和健康的飲用水。由于A罐處在過濾流程的前端，因此A罐基膜污染堵塞的速度遠(yuǎn)快于B罐基膜。在過濾流程運(yùn)行一段時(shí)間后，芯片控制對應(yīng)電磁閥開閉，改變水流路徑，此時(shí)B罐所過濾的水從A罐出水口進(jìn)入反洗A罐基膜，反洗產(chǎn)生的污水從污水口排出。反洗完成后芯片再次控制對應(yīng)電磁閥開閉，此時(shí)系統(tǒng)再次進(jìn)入過濾流程，微污染水從B罐過濾后流經(jīng)A罐過濾。由于當(dāng)前過濾流程中B罐處于凈化前端，因此B罐基膜污染速度快于A罐。B罐基膜污染達(dá)到一定程度時(shí)，進(jìn)入反洗模式，A罐過濾的水從B罐出水口流入反洗沖刷B罐基膜，產(chǎn)生的反洗污水從污水口排出。B罐反洗結(jié)束后，芯片再次控制電磁閥門的開閉進(jìn)入下一輪A罐至B罐的過濾模式。上述流程循環(huán)往復(fù)，直至過濾結(jié)束。

反洗模式的設(shè)計(jì)能夠延長基膜壽命，提高凈水器的過濾效率并且節(jié)省維護(hù)成本。

經(jīng)膜過濾后的水繼續(xù)進(jìn)入下一模塊—離子去除模塊。該模塊采用基于銅鋅合金的管道過濾器，可實(shí)現(xiàn)水中有害離子的廣泛去除。

圖11 基于動(dòng)態(tài)膜錯(cuò)流過濾的野外凈水裝置工作流程示意圖

4 基于動(dòng)態(tài)膜錯(cuò)流過濾的野外凈水裝置優(yōu)勢與創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 反應(yīng)罐內(nèi)動(dòng)態(tài)膜搭建、錯(cuò)流過濾為一體

本文設(shè)計(jì)的管道循環(huán)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒊醪竭^濾的水多次回轉(zhuǎn)至罐體內(nèi)，通過加料漏斗加入絮凝劑、催化劑進(jìn)行反應(yīng)，通過升流槳在罐體內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定流場進(jìn)行錯(cuò)流過濾，在濾芯表面逐步形成動(dòng)態(tài)膜，實(shí)現(xiàn)過濾精度逐級(jí)提升。

4.2 在罐體內(nèi)自由組合吸附、絮凝、催化氧化等水處理單元

在反應(yīng)罐頂部設(shè)計(jì)了單一加料漏斗，預(yù)選用吸附劑、絮凝劑、催化劑等多種藥劑，根據(jù)水處理環(huán)境自由組合藥劑，進(jìn)行“對癥下藥”，可在災(zāi)區(qū)或野外等復(fù)雜環(huán)境下采取相應(yīng)的水處理單元實(shí)現(xiàn)水體水質(zhì)最優(yōu)凈化。

4.3 單泵交錯(cuò)串流過濾工藝

本文設(shè)計(jì)閥門與管道相應(yīng)的配合結(jié)構(gòu)使單泵即可實(shí)現(xiàn)過濾與反洗運(yùn)作模式，減少水泵使用數(shù)量，減少占地面積和裝置體積。同時(shí)本文將閥門和主要管道系統(tǒng)集成在一個(gè) 40 cm×30 cm×20 cm 的箱體內(nèi)，可以方便快捷地進(jìn)行整體安裝以及更換，不需要專業(yè)操作人員對復(fù)雜的管道和電磁閥線路進(jìn)行操作。

4.4 高效、廣泛實(shí)現(xiàn)水體中有害離子的去除

在裝置末端加入離子去除器，選用性能優(yōu)良的離子去除材料-銅鋅合金。銅鋅合金離子去除效果良好并具有維護(hù)方便，綜合性能優(yōu)良等特點(diǎn)。同時(shí)在銅鋅合金層下方增加離子交換樹脂層進(jìn)行二次離子去除，真正達(dá)到水質(zhì)安全。

5 結(jié)語

我國是一個(gè)地震頻發(fā)的國家，災(zāi)區(qū)自來水供應(yīng)難以得到及時(shí)保障，災(zāi)區(qū)人民只能就地飲用沒有水質(zhì)保障的水。目前中國仍有3億多人存在飲水安全問題，并且大多集中在自然條件惡劣，經(jīng)濟(jì)相對落后的西部地區(qū)。為此，國家每年都要投入大量的財(cái)力進(jìn)行改水工程建設(shè)以解決農(nóng)村飲水困難，保障飲水安全。同時(shí)，野外駐訓(xùn)部隊(duì)目前還大量采用單兵式野外凈水器，也未有適合野外作訓(xùn)的可供多人的野外凈水裝置。保障駐訓(xùn)官兵的飲用水安全，能在一定程度上增強(qiáng)國防實(shí)力。綜上所述，基于動(dòng)態(tài)膜錯(cuò)流過濾的野外凈水裝置具有獨(dú)特的運(yùn)行模式，靈活方便，適合中國國情，能為國家災(zāi)害防護(hù)、野外救援、部隊(duì)駐訓(xùn)等提供飲用水資源保障。