车载式反渗透净水机的结构设计

苑英海，宿红波，朱孟府，张 正，田 丰，孙景工

车载式反渗透净水机的结构设计

苑英海，宿红波，朱孟府，张 正，田 丰，孙景工

目的：设计一种车载式反渗透净水机，为无饮用净水供应的群体提供适用人体需要的净水。方法：采用超滤-反渗透-紫外线消毒集成技术工艺，主要由动力单元、净化单元、药洗单元、排水单元和控制单元组成。结果：产水流量大于300 L/h，产水的基本水质指标符合国家生活饮用水卫生标准（GB 5749—2006）的规定。结论：该设备除具有净水功能外，还增加了药洗功能和排水功能，很好地解决了膜组件的自动清洗、停用储存期间水路系统的存水污染以及低温环境中的管路防冻和膜组件贮存等问题，延长了设备的使用寿命。

反渗透；结构设计；饮水；车载式

0 引言

膜分离技术是一种高效节能的新技术，具有常温下操作、无相态变化、在生产过程中不产生污染等特点，在饮用水净化[1-2]、海水淡化[3]、工业用水处理[4-5]、废水处理[6-7]等各领域得到广泛的应用。

应急处理自然灾害或突发卫生事件需要机动性强、效率高的净水设备[8]。世界各国十分重视自然灾害与突发事件中的安全供水问题，支持净水设备的研制开发，如美国、日本、韩国等相继研发了各种型号的反渗透净水设备。本文采用超滤-反渗透-紫外线消毒技术工艺，设计了一种车载式反渗透净水机，为那些无饮用净水供应的群体（如从事野外工作和训练的人员，遭受自然灾害、水源被污染及突发公共事件地区的人们）提供一种能对水源进行深度净化处理以适用人体需要的净水设备。该设备主要由动力单元、净化单元、药洗单元、排水单元和控制单元组成，能对受污染的江河湖泊水以及自来水等水源进行深度净化。同时，该净水设备集成了排水功能，解决了设备停用储存期间水路系统中的存水污染，以及在低温环境中的管路防冻和膜组件贮存等问题，可延长设备的使用寿命。

1 结构设计

1.1 净水工艺

车载式反渗透净水机的净化工艺由超滤预处理、反渗透脱盐及紫外线消毒等3个部分组成。超滤作为预处理单元，可以滤除水中的颗粒物、大分子污染物、微生物和胶体等，为反渗透膜提供水质保障。反渗透用于去除水中的可溶性盐类、有机物、微生物及放射性元素等，是水质净化工艺的关键。最终反渗透产水经紫外线消毒器来杀灭水中残留的微生物，防止其泄露到产水中，以保证产水的水质，工艺流程如图1所示。

1.2 净水机结构

车载式反渗透净水机由动力单元、净化单元、药洗单元、排水单元以及控制单元组成，具有净水、药洗和排水功能。在结构设计中，充分考虑各系统之间元器件和管路的重复性，使用最少的元器件来实现净水机的功能，使其结构紧凑，节约了整体空间。其结构示意图和立体模拟示意图如图2、3所示。

图1 工艺流程图

图2 结构示意图

图3 立体模拟示意图

1.3 动力单元

动力单元由增压泵、高压泵及气泵组成。增压泵用于将需要净化的原水引入装置内，内置止回阀和压力罐，具有干转保护和电机热保护功能，其电源为220 VAC/50 Hz，功率为0.85 kW。高压泵主要为反渗透膜组件提供动力，其电源为220 VAC/50 Hz，功率为1.1 kW。气泵主要为管路排水提供动力，其电源为220 VAC/50 Hz，功率为0.37 kW。

1.4 净化单元

净化单元主要由超滤组件、反渗透膜组件和紫外线消毒器组成。将需要净化的原水通过增压泵引入装置内，以超滤膜分离作为预处理，超滤产水再通过高压泵进入反渗透膜组件，最终反渗透产水经过紫外线消毒器。其中，超滤采用4021型号的超滤膜，数量为4支，并联连接；反渗透选用4021型号的反渗透膜，膜壳材料选用不锈钢，采用一级三段设计，提高了水的回收率；紫外线消毒采用RLUV-1型号的紫外线杀菌器，杀灭水中残留的微生物，保证产水的水质。

1.5 药洗单元

药洗单元主要由药洗阀门和管路组成。根据反渗透膜的污染情况，配制相应的清洗液，将原水进水管、浓水排放管及设备产水管均放入清洗液中。打开药洗阀，启动增压泵，对反渗透膜组件进行药洗。然后按正常步骤运行净水程序30 min进行管路冲洗，并测量产水流量及脱盐率，确定清洗是否有效。如有必要，可反复清洗。

1.6 排水单元

排水单元采用新的结构设计和排水方案来进行排水，包括管路排水、超滤组件排水、反渗透膜组件排水以及泵内存水的排放。通过增加气泵来提供排水时所需要的压力，同时在管路的最低端以及各部件的接口位置增加排水阀，与管路上的其他阀门相互配合，将管路、泵以及各容器内的存水排出，解决了净水设备停用储存期间水路系统中的存水污染问题，以及在低温环境中的管路防冻和膜组件贮存问题。

1.7 控制单元

控制单元由PLC可编程逻辑控制器以及外围器件构成。PLC控制器直接控制电磁阀和指示灯。对于电动机的控制，则采用接触器和热继电器的方式来实现对电动机的通断控制，实现对电动机的过热、过载保护，延长电动机的使用寿命。该控制单元具有无水保护功能、低压保护功能和高压保护功能。当发生意外情况，如原水断水、高压泵出现吸空或输出压力过高时，PLC控制器则使装置停止运行。此后控制器将不间断扫描检测压力的开关状态，直至压力开关复位，并且水压满足，控制系统恢复制水过程。

2 技术参数

电源：220 VAC/50 Hz；功率消耗：2.4 kW；质量：150 kg；外观尺寸：1 000 mm×600 mm×1 430 mm；工作温度：5～40℃。

3 净化性能评价

对车载式反渗透净水机产水的水质基本指标进行检测，原水采用不同地区的地下水、地表水和自来水。在净化过程中，操作压力控制在0.7~1.2 MPa。调节操作压力后，待反渗透膜组件稳定运行5 min后再测定产水流量和基本水质指标。其中，产水流量

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）稳定在322~341 L/h，浑浊度、色度、臭和味、肉眼可见物、菌落总数、溶解性固体含量和pH值等水质指标符合生活饮用水卫生标准的要求（GB 5749—2006）。

4 结论

车载式反渗透净水机采用高效节能的超滤膜-反渗透膜-紫外线消毒技术工艺，结构紧凑，操作简单，可以安装在车厢内以提高设备的机动性能。同时，还具有排水功能，解决了设备停用期间的存水污染，以及低温环境中的管路防冻和膜组件贮存等问题。该净水设备产水的基本水质指标符合生活饮用水卫生标准的规定，适合野外工作、部队训练和抢险救灾的群体使用。

[1]许骏，王志，王纪孝，等.反渗透膜技术研究和应用进展[J].化学工业与工程，2010，27（4）：351-357.

[2]王志斌，杨宗伟，邢晓林，等.膜分离技术应用的研究进展[J].过滤与分离，2008，18（2）：19-23.

[3]朱孟府，王海燕，宿红波，等.移动式海水淡化装置的结构设计[J].医疗卫生装备，2007，28（7）：24-25.

[4]窦茂卫，苏保卫，高学理，等.油田采出水膜法处理技术应用研究进展[J].环境科学与技术，2011，34（8）：124-130.

[5]黄子生，关分派，王炎红.锅炉给水处理反渗透系统的优化与改造[J].造纸科学与技术，2011，30（2）：67-70.

[6]Salem Alzahrani.Comparative study of NF and RO membranes in treatment of produced water II：toxicity removal efficiency[J].Desalination，2013，315：27-32.

[7]郭健，邓超冰，冼萍，等.“微滤+反渗透”工艺在处理垃圾渗滤液中的应用研究[J].环境科学与技术，2011，34（5）：170-174，182.

[8]杨波，鄂学礼.车载式应急安全供水装置的研制[J].中国卫生工程学，2004，3（2）：103-105.

（收稿：2013-06-17 修回：2013-12-16）

Structure Design of Vehicle-mounted Reverse Osmosis W ater Purifier

YUAN Ying-hai1,SU Hong-bo1,ZHU Meng-fu1,ZHANG Zheng2,TIAN Feng1,SUN Jing-gong1
(1.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China;2.Department of Comprehensive Planning,Bureau of Military Materials Procurement in North China,Tianjin 300182,China)

Objective To design a vehicle-mounted reverse osmosiswater purifier so as to provide clean water for the populationwithoutdrinkingwater supply.Methods Thewater purifierwas designed by using ultrafiltration,reverse osmosis and UV steril-ization processes,and consisted ofa power unit,a purification unit,amedicinewashing unit,a drainage unitand a controlunit.Results The device had thewater flowmore than 300 L/h and water qualitymeeting the requirement s of GB 5749—2006 Na－tional Standard for Drinking Water Quality.Conclusion The device can be used for water purification,medicine washing anddrainage,which can solve the problems in automatic membrane component cleaning,backwater pollution in pipeline system,pipeline anti-freezing andmembrane componentstorage in low-temperature environment,and thus the service life of the deviceisprolonged.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（3）：17-18，22]

reverse osmosis;structure design;drinking water;vehicle-mounted

R318.6；R197.39

A

1003-8868（2014）03-0017-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.017

国家科技重大专项项目（2012ZX10004801-003-010）

苑英海（1986—），男，硕士，主要从事自动控制及膜分离技术方面的研究工作，E-mail：280476649@qq.com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（苑英海，宿红波，朱孟府，田 丰，孙景工）；300182天津，华北军用物资采购局综合计划处（张 正）

朱孟府，E-mail：zm f323@163.com