小型反渗透膜系统广谱优化设计

膜法水处理技术专栏峰天津城市建设学院学报第9卷第2期2003年6月JournalofTianjinInstituteofUrbanConstructionVo1．9No．2Jun．2003小型反渗透膜系统广谱优化设计靖大为，徐腊梅，毕飞，夏罡(天津城市建设学院膜技术研究中心，天津300384)摘要：提出了小型反渗透膜系统优化设计的原始数学模型与经典数学模型，论述了运用现行设计软件进行经典模型的间接求解算法，导出了系统三维设计指标与三维优化解间的映射关系，分解了不同原水难溶盐饱和度下的设计方法，进而提出了“查表一修正”优化设计模式，该模式是对现行“试算一寻优”设计模式的根本性修正，关键词：反渗透系统；最优化设计；优化数学模型中图分类号：TQ028．8文献标识码：A文章编号：1006-6853(2003)02-01l1-061现行系统设计方式及其存在问题近1O年来反渗透技术在国内得到了高速发展，反渗透前处理及膜系统的设计技术与运行技术均得到了快速的提高与广泛的普及．但作为一种高速发展的新技术，仍然存在诸多亟待研究的重大问题．膜系统的设计模式、设计工具及其使用方法就是其中一个典型问题一．反渗透工艺中，膜、壳、泵及附属设备统称为膜系统．多年来进行膜系统设计的工具均为国外各膜厂商提供的专用设计软件．这些设计软件为国内的反渗透技术提供了一个设计平台，有力地推动了该技术的发展．但这类设计软件及其相应的设计模式具有明显的局限性．它们无一例外地采用同一设计模式：根据给定的原水水质、产水量、回收率、膜数量及其排列方式，求解系统工作压力与产水水质，可称为“试算一寻优”设计优化模式．这一设计模式的缺陷为：(1)不能保证每一设计方案均为可行解，更不能保证设计方案为最优解．进行膜系统设计时，需要设计者凭着自身经验，通过大量试算，比较计算结果，最终得到较为满意的设计方案．经验欠缺的设计者面对这一要求往往不得要领，甚至无所适从．(2)设计者面对的原始工程设计问题是一个优化设计问题，即根据特定的原水水质条件、产水水质与产水量要求，求解最佳膜数量及其排列方式、最大回收率及相应的工作压力．这与现行的“试算一寻优”设计模式相差甚远．笔者试图论证一种理论上较为严谨，使用上简易可行的工程设计模式，以提高目前工程企业的设计水平与计算速度．文中讨论的范围仅限于由18支以下4040膜元件组成的小型反渗透膜系统的优化设计问题．2膜系统优化设计的原始数学模型根据系统工程与运筹学理论，反渗透膜系统的优化设计问题具有如下特征．(1)设计方案的优化问题是一个经济技术比较问题．如果将技术指标处理成限制因素，则优化设计的目标就是系统的总费用最低，其中包括三个内容：①投资费最低；②运行费最低；③耗水费最低．(2)反渗透系统作为一个完整的化学物理系统，存在其特有的内在规律，主要表现为系统产水量与膜两侧纯驱动压成正比，系统透盐率与膜两侧盐浓度差成正比等．这些系统参数间内在关系的平衡，表现为某些数学方程式构成了优化模型中的系统约束．(3)系统设计中存在诸多参数值限制，例如系统浓差极化指标最大值限制；难溶盐饱和度最大值限制；防止流通阻力过大的单支膜给水量最大值限制；防收稿日期：2003-03．28作者简介：靖大为(1954一)，男，天津市人，天津城市建设学院膜技术研究中心高级工程师，硕士生导师维普资讯http://www.cqvip.com·112·止膜表面冲刷流量过小的单支膜浓水流量最小值限制．这些限制构成了优化模型的限值约束．浓差极化现象与系统运行共生，其指标上限取值偏高时，系统回收率可提高；但将加剧系统性能下降，加快系统结垢，清洗费用上升，膜更换频繁，系统运行费增高．难溶盐饱和度上限取值是系统设计中另一个敏感问题，直接影响系统回收率与膜排列方式，值得认真讨论．目前工程设计中常做如下处理：浓差极化指标上限取1．2，难溶盐饱和度上限取1OO．(4)优化设计要解决的问题在模型中表现为优化变量．其中包括膜元件的品种、数量、排列方式，膜壳的规格与数量，水泵的吨位与扬程以及系统回收率(即产水量与原水量之比)这一重要系统设计指标．对于某些系统还应考虑浓水回流比(即回流量与浓水量之比)问题．文中关于反渗透工艺流程各径流的名称为：排出膜阵列的系统浓水量是浓水的弃水量与浓水的回流量之和；进入膜阵列的系统给水量是系统的原水量与浓水的回流量之和．(5)原始工程设计问题中原水水质条件、产水水质与产水量要求统称为设计约束．(6)单支膜元件平均产水量设定是系统设计中的敏感问题，该参数取值偏高时，系统用膜数量减少，系统投资费降低；但清洗费用增高，膜更换频繁，系统运行费增高．该值的设定甚至可以构成另一个特定的优化问题．该参数一旦设定，系统中膜数量就仅决定于产水量要求，在讨论中设单支4040膜元件产水量为每小时0．2t，对膜系统