家用凈水機的節水系統設計

武韓笑，任有志，胡濤，龐彩珠

摘要：為了解決現有復合型凈水機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的問題，設計了凈水機節水系統。首先，將凈水系統設計為由預處理濾芯、RO反滲透濾芯、后處理濾芯組成的多極化結構;然后，對不同級別的過濾水按照水質進行分配使用;最后，設計了廢水回收系統對產生的廢水進行回收利用;另外，還設計了沖洗支路，對RO反滲透濾芯進行定時沖洗。凈水器件的工作狀態、凈水參數、濾芯更換提醒等信息均通過設計的人機交互面板予以顯示。運行結果證明，凈水機節水系統通過對不同級別的過濾水進行合理分配，提高了家庭用水的利用率;在產水率穩定的條件下，廢水回收率超過90%;定時沖洗積垢延長了濾芯的使用壽命。設計的凈水機節水系統可有效解決水資源浪費問題，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，具有較好的商業價值，對凈水機節水研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：機電一體化技術;凈水;節水;廢水回收利用;反滲透（RO）

中圖分類號：TP273文獻標識碼：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發展必不可少的物質之一。由于地下水被污染、居民飲用水不達標，故凈水機應運而生[1-2]。凈水機是一種使用多種濾芯對自來水做進一步凈化處理的裝置，所以凈水機質量的好壞直接影響居民家庭飲用水的安全。凈水機隨著科技的進步而不斷發展，最初的凈水機使用石英砂作為過濾層，隨后出現了不銹鋼濾網、普通活性炭、陶瓷濾芯等，如今又出現了微濾、超濾、納濾、反滲透等膜分離技術，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隨著產水量的增加，廢水濃度也隨之增加，當濾芯表面殘留的雜質較多時，凈水效率變差，嚴重時會使反滲透濾芯和廢水閥堵塞，降低凈水機的使用壽命，若頻繁更換濾芯，會會導致成本增加。一般凈水機將制純水而產生的廢水直接排入下水道，水資源未得到合理利用，浪費嚴重[3]，不符合環保和節能理念。目前主流的解決方案是回流排廢水和脈沖排廢水等;回流技術是將反滲透膜流出的水重新送到進水端以提高凈水機的回收率，長時間運行會造成反滲透凈水機內含鹽量急劇增加，當水的滲透壓大于泵所產生的壓力時將導致凈水機停止工作;脈沖排廢水是使用常閉電磁閥控制，通過改變回收率可實現無廢水排放，但反滲透膜處于死端過濾狀態，表面雜質不能清理，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的凈水機，其設計結構較復雜，這為后期的維修和保養帶來諸多不便。

對比同類產品，本文的家用凈水機節水系統設計結構簡單，在保證制取高純度飲用水的同時，定期沖洗濾芯，延長濾芯壽命。過濾水分級使用，廢水回收再利用，可為居民節省經濟成本，具有應用研究價值。

1常見復合型凈水機原理及存在問題

1.1常見復合型凈水機工作原理

市面上的凈水機品牌及其功能繁多，但工作原理萬變不離其宗，總的來說凈水器分為純水機、超濾機、活性炭凈水機、復合型凈水機等[5-6]，其中復合型凈水機較為常見，其采用2種或2種以上的工藝進行凈水，經過多種過濾吸附預處理方法后，主要采用RO反滲透膜技術，使水在一定壓力下反滲透過孔徑只有0.000 1 μm的RO膜，濾除水中的無機鹽、有機物、膠體、重金屬離子、細菌、病毒、熒光物、農藥等雜質，從而制取幾乎無雜質的純凈水，達到直飲標準[7-8]。但是經過RO反滲透膜后，水中缺少對人體有益的微量元素，一般會設置后置濾芯來補充微量元素，并且吸附壓力桶中的雜質，避免二次污染。常見的復合型凈水機工作原理如圖1所示。

1.2常見復合型凈水機存在的問題

傳統凈水機使用RO反滲透膜制純水過程中，雜質附著在膜表面使水的滲透壓不斷增加，導致 RO反滲透膜產水量下降，產生的高濃度雜質水（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中丟棄了，造成了水資源浪費。為解決凈水效果變差的問題，通常會頻繁更換濾芯，從而導致成本增加[9]。目前已有研究者對家用凈水系統做了很多改進，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]。

飲水機產生的廢水已經經過了預處理，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的純廢比計算，每天每戶將產生36 L過濾廢水，一年一個家庭將直接排放掉13 140 L可回收自來水。按照5 000萬戶家庭計算，每年將有6.57×108 t經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。由于很多城市采取階梯水費，這些本可利用的清潔水的丟棄給居民帶來了進一步的經濟負擔[11]。以北方某城市階梯水價為例，若能將這些廢水回收，用于其他生活用途，每年每戶可節省水費約66元。另外，延長反滲透膜的使用壽命也可挽回一定的經濟損失。

2節水型凈水系統的設計

2.1工作原理

設計的凈水系統包含多級濾芯，分別為預處理濾芯、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，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，并調節水的pH值;超濾膜去除水中的大分子有機物、膠體、細菌和其他有害物質[12];后處理濾芯為后置活性炭。將不同級別的過濾水合理分配，經過預處理流出的粗過濾水，雜質含量少，供用戶在水質精細化要求不高的地方使用，如洗菜、燒水、做飯、洗漱等。粗過濾水經過RO反滲透膜、后置活性炭濾芯過濾后，得到水質精細化很高的純水，達到直飲標準，供用戶直接飲用。為解決常見復合型凈水機存在的廢水直接排放問題，筆者設計了廢水回收系統，將回收的廢水用于馬桶沖水、洗衣用水、拖地等。此外，還設置有沖洗支路，對RO反滲透濾芯定時沖洗，除去其表面殘留雜質，家用凈水機的節水系統工作原理如圖2所示。

2.2純水制備

圖2中，低壓開關負責在自來水進水壓力過低或無水壓時斷開，凈水機停止工作，防止泵在無水狀態下空轉導致電路損壞，而當水壓大于設定值后，低壓開關打開。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，低壓開關打開，高壓開關打開，控制器輸出信號，控制進水電磁閥和泵工作，自來水便可進入凈水機，經過不同級別濾芯的過濾，產生粗過濾水、純水。純水制備需要一定的時間，將純水流入壓力桶存儲起來，用戶無需等待，便可飲用純水。當壓力桶水滿時，高壓開關自動斷開，凈水機停止制純水。當用戶飲用純水后，壓力桶內水量減少，管路自動泄壓，高壓開關打開，凈水機重新制備純水。

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沖洗支路，設置有流量計、沖洗電磁閥、比例閥。首先設置好比例閥，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，當比值設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、進水電磁閥和泵，經泵增壓的水高速沖洗RO反滲透膜，除去堆積的雜質，延長RO反滲透濾芯的使用壽命，濾芯的更換頻率降低，節省了經濟成本，但此過程將產生大量廢水。圖3為沖洗支路示意圖。

2.4廢水解決方案

為解決傳統凈水機產生的廢水直接排放的問題，設計的家用凈水機的節水系統可回收廢水并對其再利用，如圖4所示。沖洗支路末端連接進入廢水箱，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個液位傳感器，用于檢測廢水箱中水位，并向控制器發送信號[15]。筆者將收集廢水的廢水箱安裝在較高位置，利用高位產生的水壓，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，設置有單向閥，通過管道連接進入用戶廁所、洗衣機、水管等地方。另外，筆者還設置有低液位電磁閥，無論是制純水還是沖洗濾芯，只要廢水箱內水位低于低液位傳感器，低液位電磁閥就會被打開，讓自來水流入用戶廁所、洗衣機、水管等地方。這樣，用戶可在廢水箱內廢水少時，轉換使用自來水。若廢水箱內水位高于低液位傳感器，便關閉低液位電磁閥，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，所產生的廢水流入廢水箱內，若廢水箱內水位到達高液位傳感器時，則會提醒用戶排水，但此情況很少，一般家庭廢水使用量遠超純水的使用量。不制備純水，且廢水箱內水位低于低液位傳感器時，開始沖洗RO反滲透膜上沉積的雜質，此過程產生的廢水流入廢水箱，直至廢水箱中的水位到達中液位傳感器時停止沖洗。此外，筆者還設置有強沖洗按鍵，廢水箱內廢水不夠用時可手動沖洗RO反滲透膜，產生廢水。

上述設計可將廢水有效回收，供家庭非飲用時的用水需求，廢水因此得到充分利用，節約了水資源的同時，也避免了廢水流失造成的經濟損失。

2.5控制器及交互功能的設計

2.5.1控制器的設計

將凈水系統涉及到的器件與控制器連接，圖5所示為筆者設計的凈水系統的硬件控制框圖。圖中控制器使用51單片機，左側的器件向單片機輸入信號，右側的器件受單片機輸出信號的控制，單片機根據不同狀態的輸入信號，發送對應的輸出信號，完成凈水機制取純水、沖洗反滲透濾芯、廢水回收再利用、液晶顯示等工作。

2.5.2交互功能的設計

在凈水系統中加入2個流量計、1602液晶屏和按鍵。流量計選用霍爾流量計，水通過水流轉子組件引起磁性轉子轉動，轉速隨著水流量而變化，霍爾傳感器產生的脈沖信號輸入給單片機[16]，單片機再對脈沖數進行運算。流量計1檢測總進水脈沖數，計算得到進水總流量、總進水速率，流量計2檢測廢水脈沖數，計算得到廢水總流量、廢水速率，間接可得到純水總流量、廢效比等。這些數據連同凈水機和各器件的工作情況均被顯示在1602液晶屏上，當濾芯使用壽命到達規定使用值后，會出現更換濾芯的信息。用按鍵控制1602液晶屏翻頁，實現人機交互，使凈水機更加智能，用戶可隨時查看凈水機狀態。

3凈水機的工作效果分析與討論

3.1凈水機的工作效果

采用實驗的方式對節水型凈水機的工作效果進行分析，需用到1 L的量筒和秒表，單片機將讀取的2個流量計脈沖數顯示在1602液晶屏上，測得總進水達1 L時的脈沖數約為1 844個，用時101.5 s，總進水速率為0.59 L/min。測得廢水達1 L時的脈沖數約為1 854個，用時137.29 s，廢水速率為0.437 L/min。進而可得純水流量約為0.153 L/min，廢效比約為3∶1。圖6為節水型凈水系統產水率和廢水回收率的變化，結果可以看到在產水率穩定的情況下，家庭使用節水型凈水系統的廢水回收率在90%以上，回收率較高。

3.2討論

河北省 80%以上地區的生活飲用水主要取自地下水，地下水水質受地區地質因素影響較大。如衡水市地下水質總體情況好，硬度高，但部分地區地下水碘含量偏高。保定市水質分布不均，水的硬度偏高，達到200 mg/L左右，地下水的污染程度較低。承德市地下水水質好，污染物少。廊坊市水質總體良好，水硬度為180 mg/L，泥沙含量少，但個別地區水質有異味且水中的鐵、錳、礦物質含量較高。張家口市水的硬度高。滄州、邯鄲、邢臺3市的水硬度高，金屬離子含量高。石家莊市的水硬度高，受自來水管網二次污染較為嚴重。此外，根據地下水監測資料分析，河北省部分地區地下水中有機污染物和硝酸鹽含量有增加趨勢。

家用凈水機的節水系統設置有五級濾芯，可有效除去水中雜質、異味、各種有機污染物等有害物質，改善水質的同時增加人體必需的礦物質，滿足人們對健康水質的需求。增加的沖洗回路，可定時清理RO反滲透濾芯上的雜質，延長濾芯壽命。將過濾后的水分為粗過濾水、精細過濾水，供家庭不同需求使用;廢水回收系統對廢水回收再利用，可幫助家庭節約90%以上的水，較常見復合型凈水機的回收率高。

4結語

綜上所述，家用凈水機的節水系統設計在廢水回收利用、家庭水資源分配和提高濾芯壽命上進行改革創新，能夠有效過濾水中大部分的雜質和污染物，使水質達到國家直飲標準。

1）設置沖洗回路，定時沖洗反滲透濾芯，延長了濾芯使用壽命。

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

3）家用凈水機的節水系統設計在滿足家庭飲用純水需求的同時節約了水資源，降低了因廢水排放和頻繁更換濾芯給家庭帶來的經濟損失。

本設計已申請專利并獲批。本文所設計的家用凈水機節水系統需占用較大空間，其小型化是今后的研究方向。

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