反渗透工程技术的研究与系统优化设计

1、 面临的问题  
    与RO工程项目形成的波澜壮阔的浪潮相比，国内RO工程技术的研究相对薄弱与滞后，存在着许多亟待解决的问题。重要问题之一是要有国内知识产权的包括预处理在内的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。业内人事所关心的另一个重要问题是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。
2、 系统优化设计  
    研制这一优化设计方案谱系的工作量虽然很大，但通过笔者及合作人员的初期尝试，证明这一设想是可行的。这里仅给出该设想的基本构架，供有志于此方向者参考。

    一个完整的RO纯水制备系统可划分为预处理系统与膜系统两大部分，每部分又可划分为设计、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。这里的每一项均是针对特定局部系统的特定内容，以特定费用最低为目标的最优化问题。

    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。
预处理工艺结构优化模型可定性地表示为：
    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、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。该优化结果为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。
膜系统工艺结构优化模型可定性地表示为：
    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、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、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。该优化结果为以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。
    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。

 3、结束语
    本文前面的部分是笔者几年从事反渗透纯水设备制造行业的所知所见及自身的一些感受，希望达到与同业间交流之目的。关于反渗透技术研究方面提出的观点，既是从业的体会，也是近年来从事教学与科研的成果。但所列数学模型尚属定性描述，具体的研究工作正在逐步展开，本文旨在与业内人士就此方向进行讨论。