家用净水器尾水综合利用装置

黄世雄

（厦门松霖科技股份有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

自从我国加入世界贸易组织（WTO）后，开始享受全球经济福利，国内经济也在外资推波助澜下快速发展，经济的快速发展使环境恶化，地下水、河流水污染问题日益严重，人们开始逐渐关注饮用水的安全问题。以欧美国家为例，净水器的安装普及率高达75.3%以上，从我国统计局纰漏的数据来看，我国净水器普及率到了2012年才开始增长，2018年已经达到1.2亿用户，2019年突破1.5亿用户，在人民对净水器认识程度不断提升的同时也带来了净水器尾水资源浪费的问题。

1 家用净水器的种类

1.1 PP棉滤芯净水器

搭载各种PP棉过滤器的单缸净水器，一般价格较低，但是过滤器元件容易堵塞，更换频率高，过滤精度也不高。这个只用于水的预备过滤，不能直接喝。

1.2 RO反渗透纯水机

纯水机可以完全去除水中的有害物质，纯净水就是纯水。水的压力不足以让它发挥作用，它还需要水泵、电和压力。它最大的缺点是有更多的废水，一般过滤掉约50%的废水。它的净化成本很高，水的产出很少，只能用来解决饮用水的问题。

1.3 活性碳过滤器

活性炭的超吸附可以去除水中的异质染色质和异味，但不能去除水中的细菌和其他有害物质。纯粹的活性炭净化器的去除效果也因为沉淀物和铁锈不够。

1.4 饮水机

软水器的最大效果是软化水质，降低水的硬度，并减少尺度的生产。一般的软化方法是将水中的钙离子和镁离子置换成再生钠树脂。但是，它既不能净化，也不能去除水中所有的有害污染物。

1.5 超滤机

限外过滤净化器能有效去除沉积物、漂浮物、锈、细菌、胶体以及一些高分子有机物，保留一些有益的矿物质、微量元素等。其优点是滤水器的耐用年限长，出水力大，电力和压力小，与其他净化设备相比成本低，非常适合家用净水。

2 家用净水器尾水综合利用装置

2.1 家用净水器尾水综合利用的概念

家用净水器尾水综合利用装置主要是指对家用净水器在运行和使用过程中产生的尾水进行回收再利用的综合性技术，是1种典型的环保型技术。该技术是在现有家用净水器基本原理及构造的技术上发挥作用的，一般是通过改造净水器结构，加装回收处理及再利用装置的形式实现对尾水的回收利用。综合利用的概念在于对回收的尾水进行一系列处理，从而满足不同应用需求的过程。例如，可以通过对尾水的处理，满足用户日常沐浴、种植等活动用水需求。随着现代技术的不断发展，一方面家用净水器本身的尾水控制水平越来越高，另一方面通过相关技术对尾水的回收率和利用率也在全面提升，尤其是一些尾水经过处理之后甚至可以达到再次饮用的水准。

从现代社会可持续发展理念的角度来讲，家用净水器尾水综合利用装置技术的应用，有助于实现最为基本的节约用水目标，满足环境生态保护及社会可持续发展的基本需求。从家用净水器用户的角度来讲，通过该技术的应用，可以在降低用水费用的基础上，得到更为健康、舒适和实用的用水体验。

2.2 家用净水器技术现状

反渗透净水技术是当前较为流行的1种净化技术，它能够剥离水中的有害物质，防止长时间使用导致有害物质侵蚀装置，反向渗透以净化的水资源。我们以江西上饶某家用反渗透净水器为例，经过反渗透净水器净化的水资源割各类有机污染物、重金属离子数值发生了根本性改变。通过送检分析报告得出：三氯甲烷去除率高达86%、一氯二溴甲烷去除率高达89%、二氯一溴甲烷去除率高达92%，通过测试实验报告我们可以得知，反渗透净水器对于有机物污染去除效果较好。分析包报告还指出锰、镍、铜、铁4种较为常见重金离子去除率平均高于83%，金属阴离子去除率高达95%以上，各项数据报告最终指明了反渗透净水技术对于重金属离子和金属阴离子过滤效果也良好[1]。

除了反渗透净化技术，很多净水器还采用了紫外线消毒技术，如果将反渗透技术作为预防重金属和有机物过滤的主要手段，那么紫外线净化技术就是消灭水中滋生细菌首选方法。紫外线净化技术是通过预处理、超滤、活性炭吸附以及紫外线消菌4个环节达到净化水资源目的。现阶段，家用紫外线净化器一般都是由外套筒、紫外线灯光照射组、石英分层分组套管组成。外套管一般会选取不锈钢材料作为外边面，铜芯材料作为内衬，当紫外线在发生折射时，铜芯会将光线最大限度地折回，并且铜芯不会发生生锈问题，抗侵蚀程度高于不锈钢材料，可以完美地契合净水器工作；紫外线灯光照射组是负责消菌的核心组。在紫外线消菌前期工作时，设计者发现单一波段的紫外线杀菌效果有限，但是高频率、多波段紫外线组会消灭95%以上的细菌。因此，紫外线照射组应运而生。而且紫外线照射组对水温适应能力很强，0 ℃～50 ℃水温都可以进行正常灭菌；石英分成分组材料主要是为了固定紫外线照射组，将其与水隔离开，石英本身就具有很强的透射率，可以帮助紫外线照射组集中照射光线。紫外线照射净化技术具有较为强大可靠性与安全性，可以长时间不间断地进行工作[2]。

除了以上2种净水器常用技术以外，在我国市场上还有1种活性炭净化技术较为流行。使用该技术的净水装置最大的优势就是价格低廉，更换净水芯较为便捷，但是该技术也有着一定的缺陷。笔者通过对所在城市300家使用活性炭净水器用户净水质量以及净水芯更换频率调查分析发现，活性炭净水技术存在水氧不足的问题，在夏季最为炎热的时期必须半个月更换一次净化滤芯，否则水中有机物就会出现超标问题。但是更换的新滤芯在使用不到3 d后，过滤口前端位置就会出现过滤饱和无机物附着到滤芯上，最终降低过滤效果的情况。而且普通家庭也无法达到半个月更换滤芯一次的频率。活性炭净化技术最大的优势就是成本投入少，在没有其他设备辅助的情况下，单靠滤芯就可以增加水资源品质，它十分适合野外应急过滤水资源或者是短期、低频率过滤水资源工作，如果使其长期放在家中进行水源净化工作，虽然购买成本会比较低，但是后期的维护成本会远高于以上2种净水技术。

3 家用净水器尾水综合利用装置设计分析

3.1 装置整体设计

该文在研究中重点分析了分体式太阳能热水器和反渗透净水器的组合应用，并结合实际应用需求进行整体设计。在该装置中，一方面实现了对净水器中绝大多数尾水的有效收集，另一方面得益于热水器系统的应用，满足了尾水回收的储存的基本需求，可以降低热水器日常耗水量。更为关键的是，该装置还可以实现对尾水的加热使用，进一步提高尾水回收利用价值。在该设计中，该家用净水器尾水综合利用装置主要分为3个部分，包括水调节系统、自动上水系统及水加热系统。在设计中，将净水器和太阳能系统进行整合，基于净水器的过滤结构，对热水器用水进行过滤处理，再通过反渗透膜将其输送到热水器的补水箱中。通过这种方式，实现对尾水的收集再利用。同时，将处理之后的纯净水输送到热水管道，再结合太阳能系统，可以实现对二次用水进行加热的目的。如图1所示，在这种设计模式中，形成了1套成熟的自动化尾水再利用循环系统，具有很强的实用价值。

3.2 制取和尾水收集设计

制取和尾水收集装置需要净水器深压痛、多层滤芯、反渗透层、压力水泵以及水补给箱。尾水经过多层滤芯的过滤，在压力水泵的推导下来到自动补水箱，压力泵再次通过反渗透滤膜将尾水排挤进水补给箱，形成1个完整的闭环结构。经过简单净化的尾水整体清洁度更高，可以应用于一般打扫卫生用水或者清洁冲刷用水的情况。

3.3 自动上水及水位调节系统设计

在该系统装置中，自动上水装置的核心在于可调节水箱，通过水位传感器及自动补水箱、调节板等装置，实现水位的自动化感应、调节和补充。其中，自动上水装置中的水由补水箱输送到可调节水箱部位，然后由水影响调节板，当水触碰到水位传感器，传感器发出信号，促使进水电磁阀开关关闭，停止补水。如果水位传感器无法监测到水，开关打开，开始补水。在水位调节方面，根据实际使用的需求，对装置中的纯净水和系数用水比例进行设定。例如，用户在使用时需要更多的纯净水，则可以保证装置内储存的纯净水比例更大。具体来讲，通过水位传感器，可以控制隔水板，实现水位的合理化调节。

3.4 净水系统细节设计要点

以反渗透净水装置为例，反渗透净水装置需要在后侧、中侧制取净水模块，上调厨卫用水和洗澡用水储存量，只有这样才能降低净水设备过滤压力。而对于一般热水需要进行一体化处理，通过净水器多层滤芯净化水质状态，将反渗透净化产生的尾水连入自动补水箱，在有需要的情况下实现废水二次利用。现阶段，净水器装置要按照节能、环保、低耗能标准，所以在设计过程中一般会采用溶质度较高的PP材料，但是该材料在水温过高时会释放微量就塑料元素，所以在设计过程中，设计人员需要对热水净水管道进行处理，可以添加铜芯镀层或者304不锈钢镀层，处理水温与材料变化问题额。而对于热水尾水处理，设计人员需要单独设立水补给箱，并在外观设计上添加防触碰、防烫伤、高温标识，只有这样才能够保证热水补给箱不会被他人在不知情的状态下触碰，防治发生用户烫伤问题。设计者必须更加专注于设计细节优化，以净水器使用便利率去占领市场份额，通过对尾水二次使用设计帮助用户节约水资源，在节约社会资源的同时帮助用户降低生活成本[3]。

图1 尾水综合利用装置示意图

3.5 纯净水加热装置设计

在该装置中，为了满足用户的日常使用需求，配备了纯净水加热系统。该系统主要由净水器压力桶、温度监测仪和电辅助装置等组成。如图2所示，如果用户需要对收集和处理的纯净水进行加热，则直接打开热水开关。此时，纯净水受到开关影响而进入螺旋换热器装置中，同时太阳能热水也会进入该装置，根据用户打开开关的幅度或角度来控制水温。在秋冬季节，太阳能比较缺乏的时候，可以通过电辅助加热装置补充热量。

图2 水加热装置结构示意图

3.6 净水器相关电路设计

净水器电路设计主要由上水调节电路和纯净水电路组成，根据不同的需求，用户会启用不同电路系统。上水调节系统一般控制卫生间洗衣、洗澡净水设备，由于这2个环节都不需要达到饮用水标准，设计人员可以使用功率较大的供水泵设备，在水压出口处设定感应压力器，当水量水压达到一定标准后停止输水活动，电路电磁自动跳闸，保证用户用水安全性。同时，设计人员要注意电路外表面要有2层防水防风化技术，第1层使用软质树胶材质材料完成保护延长使用寿命，第2层使用硬质硬塑材料增加电路硬度，保证其防水性与抗压性，避免线路被曲折；净水线路是供应净水装置主要电源线路，该线路的特点是稳定和安全，所以在电压不易超过36 V，电路电流不宜超过75 A，这就需要设计人员设置相应的小型变压器。由于净化器可能安置在一些隐蔽角落中，该线路外表面需要使用双层阻燃软塑材料，而且在设计过程中设计人员就可以采用分段组装形式控制线路长度，使安装过程变得更加科学合理，尽量避免安装线路捆扎在一起。

4 家用净水技术的发展趋势

4.1 反渗透的技术

传统反渗透净化设备需要在压力罐帮助下完成净化过程，如果用户长时间忘记清洗压力罐，容易造成细菌滋生。而在纳米技术的帮助下，设计者取消了原有的压力罐装置，采用全新的R0薄膜技术，使净水设备可以直接达到饮用水标准，去除二次过滤困扰。此外，为了防止细菌滋生问题，设计人员可以在R0薄膜外表面增添抗污染涂层，这样既可以提升净化效率，又可以延长R0薄膜使用寿命。

4.2 中央分质净水

中央分质净水技术是超滤净水技术的分支，其核心位分量家庭净水装置，这类技术一般多用于我国南方和西北方多井地区，该技术虽然现阶段市场份额有限，将是未来发展发一趋势。因为其可以大量过滤水资源，将水资源内容部金属离子吸附在滤芯位置，在通过尾水清洗降低完成自洁功能。在经过处理后，水质会得到软化处理，烧水加热就可以达到饮用水标准，而且由于将金属元素过滤不会产生水垢，一般使用年限可以达到7 a～10 a，但是该技术也有一定的局限性，由于造价过高，因此很多地区民众无法独立购买。

5 家用净水器的设计趋势

众所周知，我国是世界大国，由于人口数量多，水资源的人均量也非常贫乏，如何提高水资源的利用率，保证人们对于水资源的需求已经成为备受关注的话题。随着近些年来工业、农业等行业的发展，水资源污染情况越来越严重，优质的水资源越来越少，家用净水器的节能、净化功能的提升已经成为相关项目主要研究方向。在智能化时代到来的同时，家用热水器的功能也更加具有丰富性，从目前来看，家用净水器的未来发展目标应该是更加节能化、智能化。为了推动家用净水器的市场发展，提高我国水资源的利用率，同时保证人们健康用水，可以从以下3个方面考虑市场情况：1） 消费者的净水需求。从目前曝光的水、环境污染情况来看，消费者对水质的高品质要求必然要通过使用净水器来实现，这是不仅是有效的方式，也是目前唯一可以使用的方法。2） 消费人群的数量。由于家用净水器的发展时间不长，在市场上的发展空间还有很大，即使是在传统行业中，水资源也是具有广阔市场空间的资源之一，从这一点我们可以看出，净水器有很大的市场，无法具体估算出需求人群的数量。3） 目标消费者的需求。在设计上来看，我国的净水器产品仍然存在一些问题，虽然目前我国的水资源质量较差，但是只有少部分地区污染比较严重，净水器还没有达到“家家”需要的地步，受到需求量的限制，净水器产品设计问题还没有严重到众所周知，因此，如何能够提高消费者的认知，注重净水器的设计问题，是在考虑市场需求时需要加重考虑的问题之一。

6 结语

总的来说，随着我国净水器的使用率越来越普及，尾水二次应用与处理问题就变得愈加严峻。胡锦涛同志曾经说过“任何一个大事情除以十三亿就是小事情，任何一个小事情乘以十三亿就是大事情”同理，在现阶段，超过1.5亿净水器用户对尾水的应用也1个极为重要的问题，净水器厂家设计人员必须提升自身设计理念，强化设计水平，将尾水处理装置单独设立出来，引导用户主动使用尾水资源进行二次用水，只有设计者将产品设计想法与可持续发展战略相平衡，才能在净水市场中获得更多用户的支持。