高層建筑直飲水工藝的優(yōu)化改造

沈伊辰

摘 要：高層建筑直飲水工藝一般采用預(yù)處理（砂濾+炭濾+軟化）+反滲透+后處理（消毒），本文通過對直飲水工藝的闡述，總結(jié)了傳統(tǒng)直飲水工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，隨后提出了三套工藝改造措施，并進(jìn)行了簡單的成本核算，得出最適合實(shí)際改造的方案。以期待未來在工程設(shè)計(jì)中提供借鑒作用。

關(guān)鍵詞：高層建筑直飲水；直飲水工藝；直飲水；工藝改造；反滲透；

（ Environment & Municipal Engineering College of Xi'an University Of Architecture And Technology， Xi'an 710055 Shanxi ）

Abstract： high-rise building direct drinking water technology generally adopt pretreatment （ sand filter and carbon filter + softening ） + reverse osmosis + after treatment （ disinfection ）， based on the direct drinking water the elaboration process， summed up the advantages and disadvantages of traditional direct drinking water， then put forward three technological transformation measures， and the simple cost accounting， the most suitable to the actual transformation plan. To look forward to the future in engineering design reference.

Key words： high-rise building direct drinking water； water process； drinking water； technological transformation； reverse osmosis

1.引言

高層建筑管道直飲水原水一般采用城市自來水，經(jīng)過預(yù)處理、膜處理和后處理。預(yù)處理主要是為了減輕后續(xù)膜的結(jié)垢、堵塞和污染，以避免膜在短期內(nèi)損壞，保證膜工藝系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。膜處理，是利用膜分離原理來將水中微小顆粒的物質(zhì)，如細(xì)菌、病毒等膠體物質(zhì)通過一定大小的膜孔徑來去除。工程實(shí)際上主要采用反滲透處理工藝。后處理是指在膜處理后的保質(zhì)或水質(zhì)調(diào)整措施，主要是為了保證管道直飲水水質(zhì)的長期穩(wěn)定性，通常采用消毒，常用方法：臭氧、紫外線、二氧化氯或氯等。工程中常采用臭氧和紫外線殺菌消毒。

直飲水的應(yīng)用在歐美等發(fā)達(dá)國家已有較長的歷史，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是飲用水水質(zhì)有保證，健康、經(jīng)濟(jì)、方便。在我國，上海于1996年率先在住宅小區(qū)試驗(yàn)建設(shè)第一個管道直飲水系統(tǒng)，由于其相對傳統(tǒng)燒開水的飲用習(xí)慣和桶裝水換水、等水、長時間不飲用還易滋生細(xì)菌的無與倫比的優(yōu)勢，立即受到用戶的追捧，帶來了極高的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益[1]。

將管道直飲水引入住宅小區(qū)，是提高住宅品質(zhì)的表現(xiàn)，許多房地產(chǎn)開發(fā)商為增加商品房的賣點(diǎn)，已成為房地產(chǎn)開發(fā)商們重點(diǎn)用來吸引購買者的亮點(diǎn)之一，國內(nèi)多個城市，尤其是沿海大中型城市都已在住宅小區(qū)推廣建設(shè)管道直飲水。城市公共直飲水系統(tǒng)的發(fā)展也很快，深圳、珠海、海口、桂林等不少城市都安裝了街頭飲水機(jī)。深圳等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市已計(jì)劃全面改造城市供水系統(tǒng)，提升自來水水質(zhì)，最終使自來水可以直接飲用[1]。

但是，我國管道直飲水的發(fā)展仍處于起步階段。其主要應(yīng)用集中在北京、上海、廣州等大城市。對于當(dāng)前主要制約直飲水發(fā)展的原因一下幾個方面：

（1）直飲水管路中易滋生細(xì)菌。

（2）直飲水管網(wǎng)中死水情況。

（3）工藝設(shè)備以及管材的選用，經(jīng)濟(jì)成本很高。主要是膜組件的成本。

（4）當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)主管部門缺乏對直飲水行業(yè)監(jiān)管，對個別相關(guān)工程項(xiàng)目只提出少量建設(shè)性意見。

高層建筑直飲水系統(tǒng)，屬于建筑給排水飲水供應(yīng)的部分。建筑給排水飲水供應(yīng)主要有開水供應(yīng)系統(tǒng)和冷飲水供應(yīng)系統(tǒng)。所謂直飲水，指的就是冷水供應(yīng)系統(tǒng)。對于直飲水系統(tǒng)，最為關(guān)鍵的一環(huán)應(yīng)該是直飲水工藝部分。因此，對于直飲水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對其工藝的選擇與設(shè)計(jì)會變得非常重要。本文主要闡述了整個傳統(tǒng)直飲水工藝的主要流程，并分析其主要的缺陷與不足，以期待來指導(dǎo)未來在高層建筑直飲水方向上的設(shè)計(jì)。

2. 高層建筑直飲水傳統(tǒng)處理工藝

2.1高層建筑直飲水傳統(tǒng)處理工藝基本介紹

高層建筑傳統(tǒng)直飲水工藝處理流程，根據(jù)原水水質(zhì)的特點(diǎn)和出水水質(zhì)要求，大致分為三個階段：預(yù)處理、膜處理和后處理。

預(yù)處理一般為：過濾（一般可以采用多介質(zhì)過濾、活性炭過濾、精密過濾、KDF處理等方法）、軟化[7]。

反滲透RO處理工藝是整個傳統(tǒng)處理工藝的核心。它包括反滲透膜元件，以及壓力容器、高壓泵、計(jì)量泵、保安過濾器、各種儀表、閥門等一系列附件組成。反滲透是與自然滲透過程相反的膜分離過程。它是借助于半透膜對溶液中溶質(zhì)的截留作用，在高于溶液滲透壓的壓差推動下，使溶劑滲透通過半透膜，達(dá)到溶液脫鹽的目的。滲透和反滲透是通過半透膜來完成的。在濃溶液一側(cè)施加比自然滲透壓更高的壓力。迫使?jié)馊芤褐械娜軇┓聪蛲高^膜，流向稀溶液一側(cè)，從而達(dá)到分離提純目的。滲透壓的大小與溶液性質(zhì)有關(guān)而與膜無關(guān)。反滲透的物質(zhì)遷移過程常用氫鍵理論、優(yōu)先吸附一毛細(xì)管流動理論、溶解擴(kuò)散理論來解釋。反滲透膜的材料一般為醋酸纖維素（CA）、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑（PBI）、聚苯醚（PPO）、聚乙烯醇縮丁醛（PVB）。反滲透膜組件是由膜、支撐物、和容器按一定技術(shù)要求制成的組合構(gòu)件。膜組件一般分為板式、管式、卷式以及中空纖維式。其中主要用于飲用水、純水領(lǐng)域的是中空纖維式。板式主要用于污水處理MBR領(lǐng)域。目前膜工業(yè)上把反滲透膜分為三類：高壓反滲透膜（5.6-10.5MPa，用于海水淡化）、低壓反滲透膜（1.4-4.2MPa，用于苦咸水的脫鹽）、和超低壓反滲透膜（0.5-1.4MPa，用于自來水脫鹽）[6]。

在膜處理后的后處理，常用方法還有：臭氧、紫外線、二氧化氯或氯等。工程中常采用臭氧和紫外線殺菌消毒[4]。下圖為傳統(tǒng)直飲水工藝流程圖。

其中砂濾器采用多介質(zhì)過濾器（又稱壓力式機(jī)械過濾器）其主要作用是去除粒度大于20?m的機(jī)械雜質(zhì)，經(jīng)過混凝的小分子有機(jī)物和膠體，前加絮凝劑；炭濾器采用活性炭過濾器，其主要功能是除臭、除色、除有機(jī)物、除氯、除重金屬；軟化器一般采用鈉離子交換器，或采用一些化學(xué)處理方法，例如：pH調(diào)節(jié)、投加阻垢劑、氧化等，這樣做，筆者認(rèn)為，這樣做可以在一定程度上，節(jié)約設(shè)計(jì)構(gòu)筑物的成本（對于環(huán)保公司）和節(jié)約設(shè)備選型的成本（對于一般設(shè)計(jì)院）。對于軟化，主要是為了防止鈣、鎂鹽在后續(xù)的膜組件表面產(chǎn)生結(jié)垢。通常情況下，一般各大環(huán)保公司在設(shè)計(jì)時，主要針對實(shí)際的工程條件中所告知的水質(zhì)條件，來對工藝進(jìn)行優(yōu)化選擇。對于北方大部分地區(qū)，水質(zhì)偏硬，需要采取前面所述的有效措施，防止后續(xù)的反滲透膜表面結(jié)垢，進(jìn)而導(dǎo)致的最后出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的情況；而對于南方或其他特點(diǎn)地區(qū)水質(zhì)較好的情況下，可以取消這一步。從而達(dá)到節(jié)約工藝設(shè)計(jì)成本和設(shè)備選型的成本；精密過濾，又稱保安過濾器。是放置于整個反滲透裝置的進(jìn)口，其目的是為了進(jìn)一步去除預(yù)處理進(jìn)水中可能攜帶的顆粒性雜質(zhì)。通常采用5?m的濾芯，濾芯材質(zhì)一般為聚乙烯或丙綸。在反滲透系統(tǒng)中采用的濾芯一般有蜂房式線繞濾芯和熔噴濾芯，以及更高效的折疊式濾芯。還有，關(guān)于反滲透裝置的濃水的處理，工程上常對濃水進(jìn)行直接排放至城市污水管網(wǎng)，或作澆花、洗車和澆灑道路及綠地之用。

2.2 高層建筑直飲水傳統(tǒng)處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

如上文所述，高層建筑直飲水傳統(tǒng)工藝是以反滲透工藝為核心的處理工藝。對于反滲透處理工藝，筆者認(rèn)為之所以現(xiàn)在大部分環(huán)保公司采用這套工藝，有以下幾點(diǎn)原因：

（ 1） 反滲透膜是膜孔徑小于1 nm的膜，它基本上將水中的細(xì)菌、病毒等有害物質(zhì)去除。處理效果好。保證了供水的安全可靠性。

（ 2 ） 制取反滲透膜工藝技術(shù)的成熟。反滲透膜廠家很多，例如：美國海德能、美國陶氏以及日本東麗。

但是，該工藝存在以下幾點(diǎn)問題：

（ 1 ）關(guān)于反滲透膜的清洗以及更換周期的問題；

對于反滲透膜的清洗，主要是由于反滲透膜在長時間的運(yùn)行過程中，隨時有可能被無機(jī)物垢、膠體、微生物、金屬氧化物等污染。從而導(dǎo)致裝置出水水質(zhì)降低，脫鹽率降低，產(chǎn)水量降低以及多種反應(yīng)反滲透膜性能的指標(biāo)下降。

（ 2 ） 反滲透工藝濃水處理問題；

在反滲透工藝處理的過程中，會產(chǎn)生濃水。對于濃水的處置問題，長久以來，都是一個很讓大多數(shù)設(shè)計(jì)者頭痛的問題。反滲透工藝濃水中的污染物主要有：溶解性有機(jī)物（DOM）和總?cè)芙庑怨腆w（TDS）。

（ 3 ）反滲透出水水質(zhì)問題；

反滲透膜有將將水中有益于健康的無機(jī)離子去除的可能。如何保持水中的礦物質(zhì)將會變得異常關(guān)鍵。其次，怎樣使水保持一個弱堿性的pH值，也會變得異常關(guān)鍵。

3. 高層建筑直飲水工藝的優(yōu)化

對于砂濾+炭濾+軟化+RO（膜技術(shù)）+消毒這套常規(guī)制取直飲水的工藝，其中軟化工藝，向上文所述，已經(jīng)可以針對特定水質(zhì)來考慮其工藝的取舍。這里無需考慮其優(yōu)化改造問題。重點(diǎn)是應(yīng)基于對其核心處理工藝——膜工藝的改造。由于近年來，陸續(xù)爆發(fā)飲用水水源地受到有機(jī)污染物污染的事件。為了防止因由于突發(fā)的水污染事件，而導(dǎo)致的供水安全的問題。工程上采用RO為其工藝流程的核心處理工藝。其主要目的是保證整個處理工藝的供水安全性。RO足以保證其處理流程的供水安全。因?yàn)榉礉B透用膜的孔徑是最小的，一般小于1nm，可將水中大部分雜質(zhì)、及一些有機(jī)污染物去除?？梢娤卤硭荆?/p>

所以，對于此。估計(jì)改造的可能性也較小。因此需從如何保證水能保證人體健康飲用，以及最大限度地去除有機(jī)污染物才是關(guān)鍵。

關(guān)于反滲透工藝清洗系統(tǒng)，工程上發(fā)現(xiàn)，對于膜的清洗，一般設(shè)計(jì)的有自動清洗系統(tǒng)。并且每隔半年或一年清洗系統(tǒng)一次，該系統(tǒng)為自動化控制。對于這一部分，設(shè)計(jì)人員需強(qiáng)調(diào)這一部分設(shè)計(jì)，以及在運(yùn)行過程中的重要性。

關(guān)于反滲透濃水排放問題，反滲透產(chǎn)水較低，為了提高產(chǎn)水率，工程上都采用二級反滲透，來提高反滲透裝置的產(chǎn)水率。當(dāng)然，也可以將濃水回用到整個工藝流程前段，重走一遍工藝流程。當(dāng)然，在一開始對整個直飲水傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)時，就必須考慮到這一部分的水量。從而提高濃水的利用率。減少設(shè)備的排水。

3.1 直飲水處理優(yōu)化方案

下面列舉了三種工藝改造方法，并與傳統(tǒng)處理工藝進(jìn)行了比較；

傳統(tǒng)工藝：預(yù)處理+RO裝置+紫外線殺菌；

方案1：預(yù)處理+NF裝置+紫外線殺菌；

方案2：預(yù)處理+UF裝置+紫外線殺菌；

方案3：預(yù)處理+RO裝置+紫外線殺菌+電解裝置；

方案1，是利用膜技術(shù)中的納濾手段進(jìn)行處理。納濾膜是目前優(yōu)質(zhì)直飲水的最佳技術(shù)之一，其可以有效去除三鹵甲烷的前驅(qū)物、細(xì)菌、病毒、溶解性有機(jī)物等污染物質(zhì)，并且適度脫鹽，保證水中對人體有益的無機(jī)離子。

方案2，是對于直飲水原水水質(zhì)較好的情況下采用的技術(shù)。該技術(shù)的成功推廣在2010年上海世博會中使用。

方案3，在傳統(tǒng)反滲透處理工藝的基礎(chǔ)上，加上一個對水質(zhì)改良的措施，維持水體pH的弱堿性。

注：三種方案均增加濃水回用系統(tǒng)。

3.2 優(yōu)化方案與傳統(tǒng)工藝的比較

假設(shè)某建筑直飲水設(shè)備產(chǎn)水量為1m3/h，采用海德能4寸ESPAI-4040型反滲透膜組件，一支為1380元，共采用8支。一支納濾膜1750元，壓力容器采用無縫連接不銹鋼材質(zhì)，一支350元。一支浙江求是膜FUF8040型PVDF材質(zhì)超濾膜組件（包括壓力容器）為4500元，高壓泵，兩臺，一用一備，一臺為1150元。保安過濾器為2800元。紫外線殺菌器為350元一臺，預(yù)計(jì)采用一用一備，共兩臺。電解設(shè)備預(yù)計(jì)為500元一臺，采用一用一備，共計(jì)兩臺。

膜組件的費(fèi)用=膜元件的價錢+壓力容器+高壓泵+保安過濾器+閥門儀表（按前四項(xiàng)的總和的20% 計(jì)算）

不銹鋼容器的費(fèi)用及除反滲透裝置以外的管路管材費(fèi)用 =膜組件費(fèi)用的20%+紫外線殺菌器的價錢；

各容器中填料、以及藥劑的費(fèi)用=膜組件的費(fèi)用的20%。

具體計(jì)算結(jié)果見下表：

4.結(jié)論

（1）傳統(tǒng)直飲水處理工藝主要缺陷反映在： a.反滲透出水水質(zhì)問題上，反滲透不僅去除了細(xì)菌、病毒等有毒有害物質(zhì)，而且還去除了對人體有益的無機(jī)離子。b.反滲透膜的濃水排放問題；反滲透水利用率不高。會產(chǎn)生大量的濃水。濃水的排放需要設(shè)計(jì)者引起重視。c.反滲透膜膜污染問題；一般環(huán)保公司會對工程運(yùn)行后，要求建設(shè)方在設(shè)備運(yùn)行了差不多每半年或一年后開啟系統(tǒng)自帶的清洗系統(tǒng)，對反滲透膜進(jìn)行清洗。所以，對于清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及膜材料的選用需要在設(shè)計(jì)時引起足夠多的重視。

（2）從上文的成本損耗對比中可以得出結(jié)論：

方案2的預(yù)算成本最少，大約比傳統(tǒng)方案便宜了將近18000元的成本損耗。方案3僅僅比傳統(tǒng)工藝貴了1000元左右。而方案1比傳統(tǒng)工藝貴了近4000元左右。對于濃水回用部分僅在工藝基礎(chǔ)上增加管材費(fèi)用。

1）雖然納濾膜的處理效果是最好的。但納濾膜組件的成本明顯比傳統(tǒng)工藝的反滲透膜組件要貴許多。且到目前為止，納濾膜仍處于研發(fā)與中試階段。

2） 對于原水水質(zhì)較好的情況下，可以采用超濾膜組件進(jìn)