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反渗透工程技术的研究与系统优化设计

[导读]反渗透纯水技术面临的问题及优化

 面临的问题   国内 RO 工程技术研究的重要问题之一是要有 国内知识产权,包括预处理在内的 RO 系统设计软 件,从而使关于 RO 应用技术的分散研究成果形成 产品,并直接服务于系统设计。另一个重要问题是 RO 系统的设计与运行优化。对这样一个基本问题 的深入分析与讨论,并用于工程设计与系统运行实践,可提高反渗透系统的设计与运行水平,进而产生 巨大的经济效益。   目前,RO 系统的设计大多依赖于国外膜厂商提 供的设计软件,这些软件对系统设计给予了很大帮 助,但实质上仅是一种膜系统设计方案的运行模拟 环境,不能够自动提供可行设计方案,更不具备优化 设计的能力,也未涉及至关重要的预处理系统。对 于广大中小 RO 系统的设计人员而言,系统地掌握 优化设计的思想及其技术的难度很大。一种较为实 用的方法是,针对不同的原水水质条件、产水流量与 产水水质等要求,研制出一整套 RO 系统设计优化 方案谱系。中小系统设计人员仅需根据设计要求, 在该谱系中查找相应的优化方案,并在其基础上根 据具体情况,用现有的设计软件进行有限地修正与 验算,则可迅速得到实用的优化设计方案。

 系统优化设计   

在研制优化设计方案谱系中,可将一个完整的 RO 纯水制备系统划分为预处理系统与膜系统两大 部分,每部分有设计、运行、清洗三大内容。因此完 整意义的系统优化包括: 预处理工艺结构优化、预处 理运行参数优化、预处理清洗工艺优化、膜系统工艺 结构优化、膜系统运行参数优化、膜系统清洗工艺优 化。各部分优化模块的关系见图 1。 膜系统运行参数优化与预处理运行参数优化, 旨在模拟各种可选的预处理与膜系统工艺结构的运 行工况,以求得各工况对应的最低运行费用,其结果 应分别是一族对应不同工艺结构的最低运行费用曲 线。预处理清洗工艺优化与膜系统清洗工艺优化, 旨在模拟预处理与膜系统中对应膜及各滤材的不同 污染或结垢深度的清洗工艺,以求得各工艺对应的 膜及各滤材更换与清洗的最低费用,其结果应分别 是一族对应不同污染或结垢深度的更换与清洗的最 低费用曲线。

 系统优化的定性表示   

( 1)预处理工艺结构的定性表示。优化目标: 预处理系统投资、运行费、材料更换费、清洗费、水费之 和的总费用最低; 优化约束: 膜系统给水流量、膜系 统给水污染指数、有机物含量、微生物含量等水质指 标; 优化求解: 预处理系统工艺结构; 水质条件: 反渗 透系统原水的污染指数、无机盐、有机物、微生物等 水质指标; 设定数值: 预处理系统运行费、材料更换 及清洗费、原水水价。   

模型中的预处理系统运行费、材料更换及清洗 费分别由预处理运行参数优化和预处理清洗工艺优 化两模型给出。该优化结果是以膜系统给水流量为 自变量的预处理系统最低费用曲线,且附加以膜系 统给水水质水平为自变量的修正系数曲线。   

( 2) 膜系统工艺结构的定性表示。优化目标: 膜 系统投资、运行费、膜更换费、清洗费、给水水费之和 的总费用最低; 优化约束: 系统设计要求的膜系统产 水量及产水水质指标; 优化求解: 膜系统工艺结构、 膜系统回收率; 水质条件: 膜系统给水污染指数、有 机物含量、微生物含量等水质指标; 设定数值: 膜系 统运行费、膜更换及清洗费、系统给水水价。  

模型中的膜系统运行费、膜更换及清洗费分别 由膜系统运行参数优化及膜系统清洗工艺优化两模 型给出; 给水中污染指数、有机物含量、微生物含量 等指标由预处理工艺结构优化模型给出; 预处理工 艺中如配置软水器、锰砂滤器等去离子设备,则膜系 统给水无机盐分布还受预处理工艺配置的影响。该 优化结果是以 RO 系统产水流量为自变量的膜系统 最低费用曲线,且附加以膜系统产水水质水平为自 变量的修正系数曲线。   

( 3)总体优化的实质。如以膜系统给水污染指 数( SDI)代表膜系统给水的非无机盐水质指标,则对 应特定的 RO 系统产水流量要求与特定的 RO 系统 原水无机盐水质条件,膜系统总费用是 SDI 指标的 单调增函数,预处理系统总费用是 SDI 指标的单调 减函数。合成两个单调函数曲线,则形成特定工程 的 RO 系统总费用曲线。合成曲线的最低点对应系 统的最低投资、运行、耗材、清洗总费用; 该点也同时 对应着预处理与膜系统的最优工艺结构、最优运行 参数、最优耗材更换期、最优清洗工艺。这就是图 1 中反渗透系统总体优化部分的实质内容。


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