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摘 要：ZJ系列智能净水设备以超滤膜为过滤介质，配合加药消毒系统，对原水按国家标准进行加药消毒，使出水符合饮用水相关标准，水质更有安全保障。设备以物联网、人工智能为支撑，可通过云平台采集设备运行数据，实时监控设备运行状态，整套设备自动控制系统实现高度集成化和一体化，无人值守，是解决农村和偏远山区饮用水水源净化处理的重要产品。
关键词：智能净水设备;超滤膜;物联网;人工智能;饮用水水源净化
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）08-108-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.054
1 设备研发背景
“民以食为天，食以水为先”，农村供水始终是事关民生的大事，关系着万千家庭的福祉。“绿水青山就是金山银山”，近年来，美化环境、优化水质逐渐成为社会共识，水环境面貌得到了显著改善，农村饮用水也朝着更优的品质持续迈进。笔者愿意尽自己所能，积极响应国家号召，把以人为本落到实处，加强农村饮用水水源保护，做好农村饮用水处理，助力健康中国建设，让农村实现从“喝上水”到“喝好水”的转变。ZJ系列智能净水设备是迦南科技利用多年为制药厂提供纯水设备的技术经验优势，结合超滤膜过滤水处理系统工艺，研发的新型智能净水设备[1]。
2 设备系统描述
ZJ系列智能净水设备（以下简称设备），是以符合GB 3838-2002《地表水环境质量标准》的Ⅰ类和Ⅱ类地表水为原水，通过智能控制单元对原水箱、泵站、加药、净水箱等进行整体控制，使原水经过膜组件超滤及加药消毒后，出水水质符合GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》的要求。
设备是以超滤膜为核心膜块，采用组合成集成装置，膜池自带安全楼梯、基座和操作平台，底部设置排泥底阀，可定期自动清淤排污。成套设备可根据安装厂房的大小合理设计与布局，可留存足够的空间，充分考虑保障设备安装、维护和保养工作。设备具有反冲洗及定期化学反冲洗等功能，自动化程度高，具有低耗净化、高强净化、自动净化三大特点。
设备设计日产水量可根据不同客户的需求设计，使用有机膜或陶瓷超滤膜进行超过滤。根据水质的具体情况，超滤膜设计通量按照客户水质情况设计调整，适当增加减少膜组的使用面积，具有较高的性价比。超滤膜水处理系统的规格可以分为小中型智能净水设备和大型智能净水设备。中小型智能净水设备的组合方式，适合于相对人口较少的乡村饮用水过滤处理。大型智能净水设备的组合方式，适合于相对人口较多的城镇饮用水过滤处理。
智能净水设备由原水箱系统、泵站系统、智能控制系统、加药消毒系统、净水箱系统、楼梯平台等组成。
原水箱系统由原水箱部件、超滤膜过滤组件等组成。原水通过超滤膜过滤组件净化，属于节能环保的物理分离技术，过滤安全有保障。
泵站系统由鼓风机、压力传感、水泵、阀门等组成。通过鼓风机对超滤膜外表面的水进行曝气，实现对膜的清洗;压力传感可以设置超滤膜组正常运行的压力和运行极限压力，同时根据设定值对超滤膜进行反洗工艺，可确保膜过滤系统正常运行;水泵采用变频控制，和流量计联机控制，可以准确控制流量，使膜设计通量和膜过滤总面积符合产水流量要求，确保膜组的稳定运行，延长超滤膜的使用寿命，减少运维成本。
智能控制系统包括可编程控制器、触摸屏、其他电气控制元件等。可编程控制器（PLC）及其软件作为控制系统的主体，是整个智能控制系统的核心，主要完成设备的机械动作、参数控制及故障检测等，对设备的生产过程、质量控制及用户操作界面过程等进行实时控制和管理;触摸屏安装在操作箱上，按键采用触摸图标，可直观提示操作过程及显示设备运行状态，控制系统可根据用户需求设计多级权限，登入界面后可以进行不同参数的设计及修改：产水时间、反洗时间自动控制、系统中阀门、电机等各故障自动报警、用户数据自动采集、客户端远程监控等。
加药消毒系统主要由计量泵、药桶等組成，通过药桶里的药剂对水进行杀菌消毒，并通过计量泵来计量药剂的输出用量，加药准确可靠，保障饮用水安全。
净水箱系统主要由净水箱、排污阀等组成，净水箱用于储存反洗使用的净水，使用净水反洗可以有效清除超滤膜孔及周围的附着物，保障膜组的过滤效率，延长膜组使用寿命。
楼梯、平台等主要用于运维使用，操作安全、方便、可靠。
3 设备工艺流程
净水工艺流程图如图1所示。
4 设备清洗方式
为了解决超滤膜在水质净化过程中有杂质堵塞膜孔径的问题，设备采用了空气清洗、清水反冲洗及药液在线清洗（加药反洗周期较长）的方式来处理，如图2所示。
5 设备材料、工艺、技术特点
ZJ系列智能净水设备浸没式超滤膜采用的有机膜（PVDF）[2]或陶瓷膜，具有良好的机械强度、寿命长、抗污染等特点，净水工艺采用浸没式超滤膜分离（非内压式超滤膜分离）和成品次氯酸钠消毒净水工艺，无需在超滤前端增设多介质过滤或其他保安过滤设备[3]。设备以超滤膜为过滤介质，与膜孔径大小相关的筛分过程，分离范围为0.03μm或0.1μm以上的溶质和微粒的过程，超滤膜表面的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液。而体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的外部，从而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的，超滤是一种物理分离过程，不发生任何相变。超滤可以将原液中的胶体物质、大分子物质、颗粒、细菌、病毒和原生动物等进行截留，通过浓缩液排放、反冲洗和化学清洗去除，彻底解决农村环境雨季供水浑浊及病毒细菌超标问题。设备在原水箱底部设有排污口处理原水浓缩液[4]。
净水工艺采用自吸泵吸的方式进行产水，正常运行压力不大于负0.03MPa;在自吸泵前端配置压力传感对管路压力进行检测保护，保证膜过滤系统正常运行，极限工作压力不大于负0.06MPa;当压力传感压力大于负0.06MPa（根据水质情况和需方要求可以设定）时，系统马上启用净水反洗程序对膜进行反洗，设备设计满足膜安全运行的要求。 设备整体具备定期膜表面强制清洗及膜内清水反洗（物理清洗）、化學清洗工艺，并配备相应的工艺管道和机电设备：采用风机曝气使水翻滚对膜外表面进行擦洗，且不易让有机物和泥土粘在超滤膜表面;设备配置反清洗功能，利用净水箱内的净水使用泵加压进行反清洗，也可以在一定周期时间内使用次氯酸钠或柠檬酸进行化学清洗工艺反清洗。
整套自动控制系统可实现高度集成化和一体化，可实现智能化控制，用户也可在手机上通过云平台实时监控设备运行状态，查看设备报警信息，实现远程启停控制及关键工艺参数设置。另外，出水流量、操作压力、运行故障报警等能通过PLC、触摸屏、远程网关等现代化技术，实现现场可视化监控，实现无人值守及远程监控。
设备配套防雷系统要求，配套防护雷电对电子设备的各种侵害，工程现场接地电阻根据GB 50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》执行设计接地。
日产水量小于等于15m3/h的，采用一组产水工艺流水作业线;日产水量大于15m3/h的，采用2组同（不同）规格、独立控制的产水工艺流水线，以在运维时能保证一组设备能够正常运行，满足短时间的供水需求。
整机采用模块化设计，方便运输，解决交通不便及运输安装困难问题。
6 设备在农村饮用水中的应用
迦南科技ZJ系列智能净水设备，已经在某项目2020年农村饮用水达标提标工程投入使用，原水水源为符合GB 3838-2002《地表水环境质量标准》的Ⅰ、Ⅱ类的地表水，设计日产水标准为：50t/d（即按照2.5t/h）、100t/d（即按照5t/h）、200t/d（即按照10t/h），设计满足当地用水要求。此项目使用过滤精度等级0.03μm的PVDF浸没式超滤膜进行超过滤，膜通量按照小于等于20L/（m2×h）来设计使用。设备整体性能运行稳定可靠，能有效除掉水中的藻类、泥砂、致病菌类，胶体、有机物、细菌、病毒等污染物，水质安全稳定，水质好，优于GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》规定的106项水质指标，其控制管理达到无人值守标准。设备整体耗电低，产水泵采用变频控制，其产水量运行电耗不超过0.2kWh/m3，每吨产水耗电性能情况如表1所示。
该农村饮用水超滤处理项目开创了超滤净水设备的智能控制先例，不仅让当地老百姓喝上了符合国家GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》的自来水，而且整体设备具有配套的智能控制系统，使用现代化的科技技术，实现了无人值守，运维方便，取得了良好的社会效益，为大规模的推广和运用提供了真实可靠的依据。
7 结语
迦南科技ZJ系列智能净水设备在农村饮用水上的应用，从总体方案、超滤膜性能、整体工艺设计、使用性能上都体现了超滤膜净水设备的合规性、可靠性、节能环保、智能等特点，是适合广大农村环境条件下饮用水处理的优质选择。
参考文献
[1] 李攀岳.超滤膜在农村饮水安全工程中的应用[J].中国水利，2009（5）：60.
[2] 汪巡，朱友利，王琳，等.以中空纤维超滤膜技术为核心的组合工艺在水处理中的应用[J].化工新型材料，2012，40（6）：154-157.
[3] 邱立伟，王春根，邵永康.超滤膜技术在环境工程水处理中的应用研究[J].科技创新导报，2017，14（32）：101，103.
[4] 秦钰慧.饮用水卫生与处理技术[M].北京：化学工业出版社，2002.
关键词：智能净水设备;超滤膜;物联网;人工智能;饮用水水源净化
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）08-108-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.054
1 设备研发背景
“民以食为天，食以水为先”，农村供水始终是事关民生的大事，关系着万千家庭的福祉。“绿水青山就是金山银山”，近年来，美化环境、优化水质逐渐成为社会共识，水环境面貌得到了显著改善，农村饮用水也朝着更优的品质持续迈进。笔者愿意尽自己所能，积极响应国家号召，把以人为本落到实处，加强农村饮用水水源保护，做好农村饮用水处理，助力健康中国建设，让农村实现从“喝上水”到“喝好水”的转变。ZJ系列智能净水设备是迦南科技利用多年为制药厂提供纯水设备的技术经验优势，结合超滤膜过滤水处理系统工艺，研发的新型智能净水设备[1]。
2 设备系统描述
ZJ系列智能净水设备（以下简称设备），是以符合GB 3838-2002《地表水环境质量标准》的Ⅰ类和Ⅱ类地表水为原水，通过智能控制单元对原水箱、泵站、加药、净水箱等进行整体控制，使原水经过膜组件超滤及加药消毒后，出水水质符合GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》的要求。
设备是以超滤膜为核心膜块，采用组合成集成装置，膜池自带安全楼梯、基座和操作平台，底部设置排泥底阀，可定期自动清淤排污。成套设备可根据安装厂房的大小合理设计与布局，可留存足够的空间，充分考虑保障设备安装、维护和保养工作。设备具有反冲洗及定期化学反冲洗等功能，自动化程度高，具有低耗净化、高强净化、自动净化三大特点。
设备设计日产水量可根据不同客户的需求设计，使用有机膜或陶瓷超滤膜进行超过滤。根据水质的具体情况，超滤膜设计通量按照客户水质情况设计调整，适当增加减少膜组的使用面积，具有较高的性价比。超滤膜水处理系统的规格可以分为小中型智能净水设备和大型智能净水设备。中小型智能净水设备的组合方式，适合于相对人口较少的乡村饮用水过滤处理。大型智能净水设备的组合方式，适合于相对人口较多的城镇饮用水过滤处理。
智能净水设备由原水箱系统、泵站系统、智能控制系统、加药消毒系统、净水箱系统、楼梯平台等组成。
原水箱系统由原水箱部件、超滤膜过滤组件等组成。原水通过超滤膜过滤组件净化，属于节能环保的物理分离技术，过滤安全有保障。
泵站系统由鼓风机、压力传感、水泵、阀门等组成。通过鼓风机对超滤膜外表面的水进行曝气，实现对膜的清洗;压力传感可以设置超滤膜组正常运行的压力和运行极限压力，同时根据设定值对超滤膜进行反洗工艺，可确保膜过滤系统正常运行;水泵采用变频控制，和流量计联机控制，可以准确控制流量，使膜设计通量和膜过滤总面积符合产水流量要求，确保膜组的稳定运行，延长超滤膜的使用寿命，减少运维成本。
智能控制系统包括可编程控制器、触摸屏、其他电气控制元件等。可编程控制器（PLC）及其软件作为控制系统的主体，是整个智能控制系统的核心，主要完成设备的机械动作、参数控制及故障检测等，对设备的生产过程、质量控制及用户操作界面过程等进行实时控制和管理;触摸屏安装在操作箱上，按键采用触摸图标，可直观提示操作过程及显示设备运行状态，控制系统可根据用户需求设计多级权限，登入界面后可以进行不同参数的设计及修改：产水时间、反洗时间自动控制、系统中阀门、电机等各故障自动报警、用户数据自动采集、客户端远程监控等。
加药消毒系统主要由计量泵、药桶等組成，通过药桶里的药剂对水进行杀菌消毒，并通过计量泵来计量药剂的输出用量，加药准确可靠，保障饮用水安全。
净水箱系统主要由净水箱、排污阀等组成，净水箱用于储存反洗使用的净水，使用净水反洗可以有效清除超滤膜孔及周围的附着物，保障膜组的过滤效率，延长膜组使用寿命。
楼梯、平台等主要用于运维使用，操作安全、方便、可靠。
3 设备工艺流程
净水工艺流程图如图1所示。
4 设备清洗方式
为了解决超滤膜在水质净化过程中有杂质堵塞膜孔径的问题，设备采用了空气清洗、清水反冲洗及药液在线清洗（加药反洗周期较长）的方式来处理，如图2所示。
5 设备材料、工艺、技术特点
ZJ系列智能净水设备浸没式超滤膜采用的有机膜（PVDF）[2]或陶瓷膜，具有良好的机械强度、寿命长、抗污染等特点，净水工艺采用浸没式超滤膜分离（非内压式超滤膜分离）和成品次氯酸钠消毒净水工艺，无需在超滤前端增设多介质过滤或其他保安过滤设备[3]。设备以超滤膜为过滤介质，与膜孔径大小相关的筛分过程，分离范围为0.03μm或0.1μm以上的溶质和微粒的过程，超滤膜表面的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液。而体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的外部，从而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的，超滤是一种物理分离过程，不发生任何相变。超滤可以将原液中的胶体物质、大分子物质、颗粒、细菌、病毒和原生动物等进行截留，通过浓缩液排放、反冲洗和化学清洗去除，彻底解决农村环境雨季供水浑浊及病毒细菌超标问题。设备在原水箱底部设有排污口处理原水浓缩液[4]。
净水工艺采用自吸泵吸的方式进行产水，正常运行压力不大于负0.03MPa;在自吸泵前端配置压力传感对管路压力进行检测保护，保证膜过滤系统正常运行，极限工作压力不大于负0.06MPa;当压力传感压力大于负0.06MPa（根据水质情况和需方要求可以设定）时，系统马上启用净水反洗程序对膜进行反洗，设备设计满足膜安全运行的要求。 设备整体具备定期膜表面强制清洗及膜内清水反洗（物理清洗）、化學清洗工艺，并配备相应的工艺管道和机电设备：采用风机曝气使水翻滚对膜外表面进行擦洗，且不易让有机物和泥土粘在超滤膜表面;设备配置反清洗功能，利用净水箱内的净水使用泵加压进行反清洗，也可以在一定周期时间内使用次氯酸钠或柠檬酸进行化学清洗工艺反清洗。
整套自动控制系统可实现高度集成化和一体化，可实现智能化控制，用户也可在手机上通过云平台实时监控设备运行状态，查看设备报警信息，实现远程启停控制及关键工艺参数设置。另外，出水流量、操作压力、运行故障报警等能通过PLC、触摸屏、远程网关等现代化技术，实现现场可视化监控，实现无人值守及远程监控。
设备配套防雷系统要求，配套防护雷电对电子设备的各种侵害，工程现场接地电阻根据GB 50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》执行设计接地。
日产水量小于等于15m3/h的，采用一组产水工艺流水作业线;日产水量大于15m3/h的，采用2组同（不同）规格、独立控制的产水工艺流水线，以在运维时能保证一组设备能够正常运行，满足短时间的供水需求。
整机采用模块化设计，方便运输，解决交通不便及运输安装困难问题。
6 设备在农村饮用水中的应用
迦南科技ZJ系列智能净水设备，已经在某项目2020年农村饮用水达标提标工程投入使用，原水水源为符合GB 3838-2002《地表水环境质量标准》的Ⅰ、Ⅱ类的地表水，设计日产水标准为：50t/d（即按照2.5t/h）、100t/d（即按照5t/h）、200t/d（即按照10t/h），设计满足当地用水要求。此项目使用过滤精度等级0.03μm的PVDF浸没式超滤膜进行超过滤，膜通量按照小于等于20L/（m2×h）来设计使用。设备整体性能运行稳定可靠，能有效除掉水中的藻类、泥砂、致病菌类，胶体、有机物、细菌、病毒等污染物，水质安全稳定，水质好，优于GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》规定的106项水质指标，其控制管理达到无人值守标准。设备整体耗电低，产水泵采用变频控制，其产水量运行电耗不超过0.2kWh/m3，每吨产水耗电性能情况如表1所示。
该农村饮用水超滤处理项目开创了超滤净水设备的智能控制先例，不仅让当地老百姓喝上了符合国家GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》的自来水，而且整体设备具有配套的智能控制系统，使用现代化的科技技术，实现了无人值守，运维方便，取得了良好的社会效益，为大规模的推广和运用提供了真实可靠的依据。
7 结语
迦南科技ZJ系列智能净水设备在农村饮用水上的应用，从总体方案、超滤膜性能、整体工艺设计、使用性能上都体现了超滤膜净水设备的合规性、可靠性、节能环保、智能等特点，是适合广大农村环境条件下饮用水处理的优质选择。
参考文献
[1] 李攀岳.超滤膜在农村饮水安全工程中的应用[J].中国水利，2009（5）：60.
[2] 汪巡，朱友利，王琳，等.以中空纤维超滤膜技术为核心的组合工艺在水处理中的应用[J].化工新型材料，2012，40（6）：154-157.
[3] 邱立伟，王春根，邵永康.超滤膜技术在环境工程水处理中的应用研究[J].科技创新导报，2017，14（32）：101，103.
[4] 秦钰慧.饮用水卫生与处理技术[M].北京：化学工业出版社，2002.