反滲透工程技術(shù)的研究與系統優(yōu)化設計

1、 面臨的問(wèn)題  
    與RO工程項目形成的波瀾壯闊的浪潮相比，國內RO工程技術(shù)的研究相對薄弱與滯后，存在著(zhù)許多亟待解決的問(wèn)題。重要問(wèn)題之一是要有國內知識產(chǎn)權的包括預處理在內的RO系統設計軟件，從而使關(guān)于RO應用技術(shù)的分散研究成果形成產(chǎn)品，并直接服務(wù)于系統設計。業(yè)內人事所關(guān)心的另一個(gè)重要問(wèn)題是RO系統的設計與運行優(yōu)化。對這樣一個(gè)基本問(wèn)題的深入分析與討論，并用于工程設計與系統運行實(shí)踐，可提高反滲透系統的設計與運行水平，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
    目前，RO系統的設計大多依賴(lài)于國外膜廠(chǎng)商提供的設計軟件，這些軟件對系統設計給予了很大幫助，但實(shí)質(zhì)上僅是一種膜系統設計方案的運行模擬環(huán)境，不能夠自動(dòng)提供可行設計方案，更不具備優(yōu)化設計的能力，也未涉及至關(guān)重要的預處理系統。對于廣大中小RO系統的設計人員而言，系統地掌握優(yōu)化設計的思想及其技術(shù)的難度很大。一種較為實(shí)用的方法是，針對不同的原水水質(zhì)條件、產(chǎn)水流量與產(chǎn)水水質(zhì)等要求，研制出一整套RO系統設計優(yōu)化方案譜系。中小系統設計人員僅需根據設計要求，在該譜系中查找相應的優(yōu)化方案，并在其基礎上根據具體情況，用現有的設計軟件進(jìn)行有限地修正與驗算，則可迅速得到實(shí)用的優(yōu)化設計方案。
2、 系統優(yōu)化設計  
    研制這一優(yōu)化設計方案譜系的工作量雖然很大，但通過(guò)筆者及合作人員的初期嘗試，證明這一設想是可行的。這里僅給出該設想的基本構架，供有志于此方向者參考。

    一個(gè)完整的RO純水制備系統可劃分為預處理系統與膜系統兩大部分，每部分又可劃分為設計、運行、清洗三大內容。因此完整意義的系統優(yōu)化包括：
    預處理工藝結構優(yōu)化。 預處理運行參數優(yōu)化。 預處理清洗工藝優(yōu)化。
    膜系統工藝結構優(yōu)化。 膜系統運行參數優(yōu)化。 膜系統清洗工藝優(yōu)化。
    各部分優(yōu)化模塊的關(guān)系見(jiàn)圖1。這里的每一項均是針對特定局部系統的特定內容，以特定費用最低為目標的最優(yōu)化問(wèn)題。

    膜系統運行參數優(yōu)化與預處理運行參數優(yōu)化，旨在模擬各種可選的預處理與膜系統工藝結構的運行工況，以求得各工況對應的最低運行費用，其結果應分別是一族對應不同工藝結構的最低運行費用曲線(xiàn)。預處理清洗工藝優(yōu)化與膜系統清洗工藝優(yōu)化，旨在模擬預處理與膜系統中對應膜及各濾材的不同污染或結垢深度的清洗工藝，以求得各工藝對應的膜及各濾材更換與清洗的最低費用，其結果應分別是一族對應不同污染或結垢深度的更換與清洗的最低費用曲線(xiàn)。
預處理工藝結構優(yōu)化模型可定性地表示為：
    優(yōu)化目標：預處理系統投資、運行費。材料更換費、清洗費、水費之和的總費用最低。
    優(yōu)化約束：膜系統給水流量、膜系統給水污染指數、有機物、微生物含量等水質(zhì)指標。
    優(yōu)化求解：預處理系統工藝結構。
    水質(zhì)條件：反滲透系統原水的污染指數、無(wú)機鹽、有機物、微生物等水質(zhì)指標。
    設定數值：預處理系統運行費、材料更換及清洗費、原水水價(jià)。
模型中的預處理系統運行費、材料更換及清洗費分別由預處理運行參數優(yōu)化和預處理清洗工藝優(yōu)化兩模型給出。該優(yōu)化結果為以膜系統給水流量為自變量的預處理系統最低費用曲線(xiàn)，且附加以膜系統給水水質(zhì)水平為自變量的修正系數曲線(xiàn)。
膜系統工藝結構優(yōu)化模型可定性地表示為：
    優(yōu)化目標：膜系統投資、運行費、膜更換費、清洗費、給水水費之和的總費用最低。
    優(yōu)化約束：系統設計要求的膜系統產(chǎn)水量及產(chǎn)水水質(zhì)指標。
    優(yōu)化求解：膜系統工藝結構。膜系統回收率。
    水質(zhì)條件：膜系統給水污染指數、有機物、微生物含量等水質(zhì)指標。
    設定數值：膜系統運行費、膜更換及清洗費、系統給水水價(jià).
    模型中的膜系統運行費、膜更換及清洗費分別由膜系統運行參數優(yōu)化及膜系統清洗工藝優(yōu)化兩模型給出；給水中污染指數、有機物、微生物含量等指標由預處理工藝結構優(yōu)化模型給出；預處理工藝中如配置軟水器、錳砂濾器等去離子設備，則膜系統給水無(wú)機鹽分布還受預處理工藝配置的影響。該優(yōu)化結果為以RO系統產(chǎn)水流量為自變量的膜系統最低費用曲線(xiàn)，且附加以膜系統產(chǎn)水水質(zhì)水平為自變量的修正系數曲線(xiàn)。
    如以膜系統給水污染指數（SDI）代表膜系統給水的非無(wú)機鹽水質(zhì)指標，則對應特定的RO系統產(chǎn)水流量要求與特定的RO系統原水無(wú)機鹽水質(zhì)條件，膜系統總費用是SDI指標的單調增函數，預處理系統總費用是SDI指標的單調減函數。合成兩個(gè)單調函數曲線(xiàn)，則形成特定工程的RO系統總費用曲線(xiàn)。合成曲線(xiàn)的最低點(diǎn)對應系統的最低投資、運行、耗材、清洗總費用；該點(diǎn)也同時(shí)對應著(zhù)預處理與膜系統的最優(yōu)工藝結構、最優(yōu)運行參數、最優(yōu)耗材更換期、最優(yōu)清洗工藝。這就是圖1中反滲透系統總體優(yōu)化部分的實(shí)質(zhì)內容。

 3、結束語(yǔ)
    本文前面的部分是筆者幾年從事反滲透純水設備制造行業(yè)的所知所見(jiàn)及自身的一些感受，希望達到與同業(yè)間交流之目的。關(guān)于反滲透技術(shù)研究方面提出的觀(guān)點(diǎn)，既是從業(yè)的體會(huì )，也是近年來(lái)從事教學(xué)與科研的成果。但所列數學(xué)模型尚屬定性描述，具體的研究工作正在逐步展開(kāi)，本文旨在與業(yè)內人士就此方向進(jìn)行討論。