反滲透工程技術(shù)的研究與系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、 面臨的問題  
    與RO工程項(xiàng)目形成的波瀾壯闊的浪潮相比，國內(nèi)RO工程技術(shù)的研究相對(duì)薄弱與滯后，存在著許多亟待解決的問題。重要問題之一是要有國內(nèi)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的包括預(yù)處理在內(nèi)的RO系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，從而使關(guān)于RO應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)。業(yè)內(nèi)人事所關(guān)心的另一個(gè)重要問題是RO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化。對(duì)這樣一個(gè)基本問題的深入分析與討論，并用于工程設(shè)計(jì)與系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)踐，可提高反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行水平，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
    目前，RO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多依賴于國外膜廠商提供的設(shè)計(jì)軟件，這些軟件對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)給予了很大幫助，但實(shí)質(zhì)上僅是一種膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的運(yùn)行模擬環(huán)境，不能夠自動(dòng)提供可行設(shè)計(jì)方案，更不具備優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力，也未涉及至關(guān)重要的預(yù)處理系統(tǒng)。對(duì)于廣大中小RO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員而言，系統(tǒng)地掌握優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)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R(shí)O系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案譜系。中小系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員僅需根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在該譜系中查找相應(yīng)的優(yōu)化方案，并在其基礎(chǔ)上根據(jù)具體情況，用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行有限地修正與驗(yàn)算，則可迅速得到實(shí)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
2、 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)  
    研制這一優(yōu)化設(shè)計(jì)方案譜系的工作量雖然很大，但通過筆者及合作人員的初期嘗試，證明這一設(shè)想是可行的。這里僅給出該設(shè)想的基本構(gòu)架，供有志于此方向者參考。

    一個(gè)完整的RO純水制備系統(tǒng)可劃分為預(yù)處理系統(tǒng)與膜系統(tǒng)兩大部分，每部分又可劃分為設(shè)計(jì)、運(yùn)行、清洗三大內(nèi)容。因此完整意義的系統(tǒng)優(yōu)化包括：
    預(yù)處理工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 預(yù)處理運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化。 預(yù)處理清洗工藝優(yōu)化。
    膜系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 膜系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化。 膜系統(tǒng)清洗工藝優(yōu)化。
    各部分優(yōu)化模塊的關(guān)系見圖1。這里的每一項(xiàng)均是針對(duì)特定局部系統(tǒng)的特定內(nèi)容，以特定費(fèi)用最低為目標(biāo)的最優(yōu)化問題。

    膜系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化與預(yù)處理運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，旨在模擬各種可選的預(yù)處理與膜系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)的運(yùn)行工況，以求得各工況對(duì)應(yīng)的最低運(yùn)行費(fèi)用，其結(jié)果應(yīng)分別是一族對(duì)應(yīng)不同工藝結(jié)構(gòu)的最低運(yùn)行費(fèi)用曲線。預(yù)處理清洗工藝優(yōu)化與膜系統(tǒng)清洗工藝優(yōu)化，旨在模擬預(yù)處理與膜系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)膜及各濾材的不同污染或結(jié)垢深度的清洗工藝，以求得各工藝對(duì)應(yīng)的膜及各濾材更換與清洗的最低費(fèi)用，其結(jié)果應(yīng)分別是一族對(duì)應(yīng)不同污染或結(jié)垢深度的更換與清洗的最低費(fèi)用曲線。
預(yù)處理工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可定性地表示為：
    優(yōu)化目標(biāo)：預(yù)處理系統(tǒng)投資、運(yùn)行費(fèi)。材料更換費(fèi)、清洗費(fèi)、水費(fèi)之和的總費(fèi)用最低。
    優(yōu)化約束：膜系統(tǒng)給水流量、膜系統(tǒng)給水污染指數(shù)、有機(jī)物、微生物含量等水質(zhì)指標(biāo)。
    優(yōu)化求解：預(yù)處理系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)。
    水質(zhì)條件：反滲透系統(tǒng)原水的污染指數(shù)、無機(jī)鹽、有機(jī)物、微生物等水質(zhì)指標(biāo)。
    設(shè)定數(shù)值：預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)、材料更換及清洗費(fèi)、原水水價(jià)。
模型中的預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)、材料更換及清洗費(fèi)分別由預(yù)處理運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化和預(yù)處理清洗工藝優(yōu)化兩模型給出。該優(yōu)化結(jié)果為以膜系統(tǒng)給水流量為自變量的預(yù)處理系統(tǒng)最低費(fèi)用曲線，且附加以膜系統(tǒng)給水水質(zhì)水平為自變量的修正系數(shù)曲線。
膜系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可定性地表示為：
    優(yōu)化目標(biāo)：膜系統(tǒng)投資、運(yùn)行費(fèi)、膜更換費(fèi)、清洗費(fèi)、給水水費(fèi)之和的總費(fèi)用最低。
    優(yōu)化約束：系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的膜系統(tǒng)產(chǎn)水量及產(chǎn)水水質(zhì)指標(biāo)。
    優(yōu)化求解：膜系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)。膜系統(tǒng)回收率。
    水質(zhì)條件：膜系統(tǒng)給水污染指數(shù)、有機(jī)物、微生物含量等水質(zhì)指標(biāo)。
    設(shè)定數(shù)值：膜系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)、膜更換及清洗費(fèi)、系統(tǒng)給水水價(jià).
    模型中的膜系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)、膜更換及清洗費(fèi)分別由膜系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化及膜系統(tǒng)清洗工藝優(yōu)化兩模型給出；給水中污染指數(shù)、有機(jī)物、微生物含量等指標(biāo)由預(yù)處理工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型給出；預(yù)處理工藝中如配置軟水器、錳砂濾器等去離子設(shè)備，則膜系統(tǒng)給水無機(jī)鹽分布還受預(yù)處理工藝配置的影響。該優(yōu)化結(jié)果為以RO系統(tǒng)產(chǎn)水流量為自變量的膜系統(tǒng)最低費(fèi)用曲線，且附加以膜系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)水平為自變量的修正系數(shù)曲線。
    如以膜系統(tǒng)給水污染指數(shù)（SDI）代表膜系統(tǒng)給水的非無機(jī)鹽水質(zhì)指標(biāo)，則對(duì)應(yīng)特定的RO系統(tǒng)產(chǎn)水流量要求與特定的RO系統(tǒng)原水無機(jī)鹽水質(zhì)條件，膜系統(tǒng)總費(fèi)用是SDI指標(biāo)的單調(diào)增函數(shù)，預(yù)處理系統(tǒng)總費(fèi)用是SDI指標(biāo)的單調(diào)減函數(shù)。合成兩個(gè)單調(diào)函數(shù)曲線，則形成特定工程的RO系統(tǒng)總費(fèi)用曲線。合成曲線的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的最低投資、運(yùn)行、耗材、清洗總費(fèi)用；該點(diǎn)也同時(shí)對(duì)應(yīng)著預(yù)處理與膜系統(tǒng)的最優(yōu)工藝結(jié)構(gòu)、最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)、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(tǒng)總體優(yōu)化部分的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。

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