第28卷第3期 2012年5月 后勤工程学院学报 Vo1.28No.3 Mav 2012 JOURNAL 0F LOGISTICAL ENGINEERING UNIVERSITY 文章编号:1672—7843(2012)03—0047—07 doi:10.3969 ̄.issn.1672—7843.2012.03.010 多级膜水处理流量稳定性建模及仿真研究 王长海 ,宛西原 ,姚吉伦 ,陈志龙 ,何世彬 ,漆 磊 (1.后勤工程学院后勤信息工程系,重, ̄401311;2.后勤工程学院营房管理与环境工程系,重庆401311) 摘要多级膜水净化装置通过膜的过滤作用产生净水,而净水流量稳定性是该装置 的性能评价要素之一。建立单级膜净水流量稳足}生数学模型 并-将模型推广至多级膜,在Simulink 环境下对多级膜模型进行仿真。结果表明,原水浊度越大,浓水阀门开度变化率越大、膜污 染指数越小,净水流量越不稳定。实际净水实验表明仿真结论与实验结果相一致。通过调 节浓水阀门开度对净水流量稳定性进行了控制分析,结果表明,浓水阀门开度以阶梯信号 方式输入,可控制流量稳定系数在【--l,1】变化,从而提高多级膜水净化装置的工作效率。 关键词多级膜;净水流量;稳定性;Simulink 文献标志码:A 中图分类号:TU991.2 Modeling&Simulation of the Output Stability of Clear Water Filtered by Multi—membrane WANG Chang—hai ,WAN Xi—yuan ,YAO Ji—lun ,CHEN Zhi—long。,HE Shi—bin2,QI Lei (1.Dept.of Logistical Information Engineering,LEU,Chongqing 401 3 1 1,China;2.Dept.of Barracks’ Management&Environmental Engineering,LEU,Chongqing 40 1 3 1 1,China) Abstract Pure water is produced by the membrane in water ifltering device,and the stability of pure water output is an important parameter to value the device.Stability model of pure water output of single membrane is set up and magniifed to multi—membrane,and simulated in Simulink environment.The conclusion shows that pure water will be unsteady when raw water turbidity rises,changing speed of valve opening increases and pollu— tion index declines.The simulation result is equal to the experiment result.The valve opening inputting by re— peating sequence stair mgnal can control the pure water stability coeficient betfween一1 and 1.This method is simple to come true. Keywords multi—membrane;pure water output;stability;Simulink 移动式水净化设备是一种能在室外使用,满足供水需要,将受到污染的原水处理成为生活饮用水的 净水装置,它通过微滤膜、超滤膜两级膜的净化作用对原水进行处理。微滤(MF)技术法是以筛孔原理为 主的薄膜过滤技术,在外给压力下,溶剂、水、盐类及大分子物质均能透过膜,仅微细颗粒和超大分子物质 被截留,从而达到分离净化的目的n1。超滤(uF)技术法所用的膜孔径比微滤技术法的更小,能更精细地分 离出料液溶质 1。目前,采用膜法进行水处理已为人们所接受,膜技术也极为普遍地应用于众多水处理工 艺中p1。对于膜数学模型的研究,许多学者从膜的阻力分析、原水中的污染颗粒分析两个方面进行 ,还 收稿日期:2011-12—28 基金项目:重庆市科技攻关计划资助项目(CSTC,2008AA7012) 作者简介:王长海,男,硕士生,主要从事计算机模拟与仿真研究。 48 后勤工程学院学报 2012年 有学者从实际应用角度出发,将膜技术应用于过滤废水、生酱油等工艺过程中[8-9]而对于如何保持流量稳 定性则鲜有提及。净水流量稳定性直接影响工艺效果。本文主要目的就是通过建立净水流量稳定性数 学模型并进行仿真,利用其结论,采取合理调节措施提高净水流量稳定性。 1 净水流量稳定性概述 移动式多级膜水净化系统的主要工作原理是:通过多级膜,利用微滤法与超滤法组合方法,从原水中 分离出来净水。分离出的净水经过多层过滤、消毒、去除异味等过程,达到国家卫生标准。多级膜水处理 的简要流程如图1所示。 A,和A 是2个潜水泵,H为自动控制阀门。Q 表示原水流量, 为浓水流量, 为净水流量。Al泵将待 处理的原水抽送至MF膜进行过滤,将浓水分离出来,产品水通过A 泵抽送至uF膜继续净化并进行分离处 理。净水流量稳定性是指()3在一段时间内数值大小的变化。Q3变化越小,稳定性越高;Q3变化越大,稳定性 悃丁亍 lj~ 越低。通过对Q 的稳定性建立数学模型并进行仿真,根据仿真结果调节系统参数,可以提高Q,的稳定性。 H I 图l净水简要流程 Fig.1 Process of water iltfration 图2净水节点简图 Fig.2 Nodes of water ifltration 2净水流量稳定性模型的建立 2.1 影响净水流量稳定性的因素 引起净水流量不稳定的因素很多,主要包括以下3个方面:1)原水浊度。原水浊度高时,出水流量波 动较大,净水流量越不稳定;原水浊度低时,出水流量波动较小,净水流量越稳定n 。2)浓水阀门开度。浓 水阀门开度的变化率越大,净水流量越不稳定。3)膜污染指数。膜污染指数可以表征膜元件受污染的程 度。影响膜元件污染的因素包括膜本身特性、污染水质和运行参数3个方面 】。 2 2单级膜净水流量稳定性模型 就净水流量稳定性建模,需要建立主要影响因素同稳定性之间的函数关系。由于净水流量稳定性模 型描述的是~段时间t内净水流量的变化趋势,所以采用与时间有关的模型对Q,进行描述。为研究方便, 以MF膜单膜的情况为例进行讨论。将图1简化为节点图,如图2所示。 由不可压缩流体的连续性方程可知,流经节点1的流量相等: Q1 t)=Q2(t)+Q3 t)。 浓水阀门采朋普通节流阀,其开度 定义如下: At= , (1) (2) 式中:,4。为节流阀口的面积;A 表示t时刻节流阀口的通流面积。/3=0时,表示阀门处于关闭状态; =1时, 表示阀门处:] 最大开启状态。 阀门处的浓水流量类似于液位控制系统,结合式(2),根据流体力学有: 9 ( )= A。 婀, (3) 第3期 王长海等 多级膜水处理流量稳定性建模及仿真研究 49 式中: 为节流阀口流量系数,它与阀门节流VI形式、开启度和雷诺数有关; “)为t时刻膜管内的水位高 度,其值可以通过液位传感器测出。 根据质量守恒原理,在t时间段内通过MF膜组件的原水质量流量相等: NQ1 +pQlt=NJop Q2(£)d£+ptQ3(t), (4) 式中:N为原水浊度;p为原水密度;p,为浓水密度; )表示膜只_在污染条件下的净水流量。 对于Q。(f)的计算,SCHAFER等” 针对膜的净水过程给出了一个典型模型,能较好地描述膜净化原 水过程中几个重要阶段的特点。但由于其表达式过于简单,只能适用于不同阶段膜分离的过滤过程,不 能对整个膜分离的过滤过程进行完整描述。TANSEI 等 在典型模型研究基础之上,将过滤的阻力分为 随时间t变化和不随时间t变化两部分,并假设在任意t时间段内膜的污染速率同已经发生的污染成正比 例关系,提出了适用于整个膜分离的过滤过程的数学模型: q3( )= 1, (5) 式中: , 为表征膜污染程度的常数;沩膜污染指数,表示整个膜系统从开始运行至膜通量下降为初始 通量的60%所用的时间,可以根据实验进行测定。在实际操作中,膜污染指数 由3个因素共同决定:一是 膜组件本身的性能,如孔隙率、孔径大小等;二是原水中的悬浮物及胶体物质含量的高低;三是操作参数. 如膜组件进、出口压力等。一般来说,膜的孔隙率和孔径等参数越小,膜污染指数越小;悬浮物及胶体含 量越高,膜污染指数越小;操作压力越大,膜污染指数越小u 。采用TANSEL等的模型,避开了膜不同污染 阶段的时间划分,可以对整个膜分离的过滤过程进行完整描述。 根据式(3)一(5),整理得出:(N+p)Q = c A。lf 2 ̄(t)dt+ 。 (6) 联立式(1)和(6),最终可以得到净水流量Q ( 1的数学模型: Q3( l-CdAolf婀。 (7) 可以看到,Q )与原水浊度Ⅳ、膜污染指数极浓水阀门开度卢有关。 膜净化系统也可看做动态系统,根据高等数学理论,Q,(£)的一阶导数表示净水流量的变化率,将其 记为 lPI越大,净水流量变化越快;IPI越小,净水流量变化越慢。为了描述净水流量的稳定性,本文 引入一个稳定系数 ,它等于尸的一阶导数,即“变化率的变化率”,其大小可以直接反映净水流量的稳定 程度。I l越大,净水流量越不稳定;IMI越小,净水流量越稳定。l I一0时,净水流量称为渐进稳定 的。净水流量稳定性的概念是相对的,只能通过控制手段保证净水流量渐进稳定。实际情况下,受膜污 染使膜通量及过滤性能等发生改变 或其他因素影响, 在任何时间内都不可能稳定处于0,因此只需控 制 腋一个很小的范围内变化就可以了。 对式(7)两端求二阶导数,即: r, 、 南 4。厕警一 。瓣 。 ㈦ 由式(8)可以计算得到净水流量稳定性的数学模型,可以得出稳定系数 不仅与原水浊度Ⅳ有关,还 与膜污染指数r,浓水阀门开度 及开度的一阶导数、二阶导数有关。 ( )通过传感器采样测定,浓水阀门 开度变化时,理论上 (£)也应该变化;但实际情况下,膜管内时刻都有原水O流人,其变化时间太短,在 整个过程中可以近似看做常数,其值等于膜管长度三。 2.3 多级膜净水流量稳定性模型 如图1所示,原水经过MF膜、uF膜等多级膜过滤,最终生产出符合标准的直接饮用水。本节主要利 50 后勤工程学院学报 2012年 用2.2 ̄-单级膜的分析结论,推导出多级膜净水流量稳定性模型。为了方便起见,先考虑MF膜、uF膜两 级膜的情况。 MF膜净化出的净水作为新的原水引至uF膜,经过同样的过滤过程生产直接饮用水。与单级膜不同 之处在于,引至uF膜的原水流量是变化且不稳定的。同样,由流体的连续性方程可知: Q3(t)=Q t)+Q t)。 (9) 式中:Q (£),Q ( )分别为uF膜处的浓水流量和直接饮用水流量。 对于Q (£)有: Q (£)=c A。 √2 (£), (10) 式中: 为uF膜浓水阀门的开度。 联立式(7)、(9)和(1O),得出: =南 'CdAo ̄2gh一(t)dt+ d -CaAo卢痢-CdAoT网。(11) 对式(11)两端求二阶导数,再结合式(8),可以得到两级膜净水流量稳定性模型: = —c A。厕 。 (12) 进一步推广至k级膜的情况,可以得到:Mk=M—C A。 ∑ 。 (13) 3仿真研究 3.1 单级膜净水流量稳定性仿真 对净水流量稳定性进行仿真,需要分别对原水浊度、浓水阀门开度及膜污染指数3个因素分别进行分 析讨论。在Simulink环境中建立如图3所示的仿真框图。图中输入端1,2,3分别对应原水浊度J7v、浓水阀 门开度 及膜污染指数 ,输出端为稳定系数 。 图3单级膜净水流量稳定性仿真框图 Fig.3 Simulative chart for output stabilization of pure water by single membrane 3.1.1 原水浊度Ⅳ变化对稳定系数 的影响 Ⅳ变化,卢和 不变时,取卢=0.8,P’=1.12,Ao=0.009 7, ̄-=60,A=I.25X10 ̄ ̄,B=2.OXIO ,Cd=85.307 8,L=0.45。 原水浊度Ⅳ以正弦信号输入,其频率设为1/600,幅值为400,仿真时间为300 S,响应结果如图4所示。 从图4可以得到以下结论:1)M大小与原水浊度J7\,有关。2)原水浊度Ⅳ以正弦信号输入,前1/4周期 呈上升趋势,对应于响应曲线的前150 s。在这个时间段内,Ⅳ增大 增大;后1/4周期Ⅳ减小, 也相应减 52 后勤工程学院学报 表1实验参数 Tab.1 Parameters in experiments 在上述实验条件下运行净化系统,结果如图8所示。 实验分别围绕原水浊度、浓水阀门开度和膜污染指数进行。从图中可以看出:原水浊度越大,净水流 量越不稳定;浓水阀门开度变化率越大,净水流量越不稳定;膜性能越好,即膜污染指数越大,净水流量越 稳定。这一结论与实验结果基本吻合,表明仿真结论与实验结果一致。 毒 潮 谯 《 甚 时刻 时刻 时刻 (a)1型微滤膜2h实验 (b)1型微滤膜1 rain实验 (c)l,2型微滤膜2 h实验 图8水净化系统实验数据 Fig.8 Data of water filtration experiments 4.2净水流量稳定性控制分析 膜的净水流量影响因素众多,且大都不可预知或不可控。在水净化系统的实际操作过程中,原水浊度 不可控;一旦膜材料选定,膜污染指数也成为一个定值,同样不可控,即使改变操作参数,也只能对其进行局 部调整,膜污染指数改变不大。基于以上原因,净水流量稳定性只能通过调节浓水阀门开度进行控制。 为了模拟真实的净水过程,假设膜参数不变,操作参数不变,即膜污染指数一定;原水浊度按照区间 【100,400]的随机数方式产生;调节浓水阀门开度的仿真框图如图9所示。 以正弦、阶跃、斜坡、阶梯4种方式分别输人浓水阀门开度的控制信号。通过比较发现:阶跃、斜坡信号 产生的响应幅值和频率比正弦、阶梯信号都要大,效果不够理想;而正弦信号控制在实际操作过程中难以手 动实现。所以采取阶梯方式输人浓水阀门开度的控制信号,其控制矩阵为『0.50.60.70.80.90.80.70.60.5]T, 结果如图l0所示。从图中可以看出, 在[.1,1】不断变化,幅值较小,反应速度快,控制效果较好。 U Constant I,s 图9阀门控制仿真框图 图10阀门控制仿真 曲线 Fig.9 Simulative chart of valves controlling Fig.10 Mcurve of valves controlling simulation 5 结 语 本文建立了单级膜水净化装置的净水流量稳定性数学模型并推广至多级膜水净化装置。仿真结果 第3期 王长海等 多级膜水处理流量稳定性建模及仿真研究 53 表明:原水浊度越大,净水流量越不稳定;浓水阀门开度变化率越大,净水流量越不稳定;膜性能越好,即 膜污染指数越大,净水流量越稳定。该结论与实际净水实验结果相一致。通过调节浓水阀门开度,使其 控制信号为阶梯矩阵[O.5 0.6 0.7 O~0.9 0.8 0.7 0.6 0.5] ,可使净水流量保持相对稳定,同时可以缩短净水 流量从初始时刻达到稳定状态的时间,提高了多级膜水净化装置的工作效率。 参考文献 [1】谭平华,林金清,肖春妹,等.膜技术在废水处理中的应用[J].江西化工,2003(4):33—38. TAN Ping・hua,LIN Jin—qing,XIAO Chun—mei,et a1.Application of membrane technology in waste water treatment[J].Jiangxi Chemical Industry。 2003(4):33—38. 【2】Ll C,CHEN Y.Fouling ofUF membrane by humic substance:Effects ofmolecular weight and tmwer—activated carbon(PAC)pra—treatment[J]. Desalination,2004,170(1):59—67. f3】张葆宗.反渗透水处理应用技术[M].北京:中国电力出版社,2004:4—13. [4]李碧仙,陈文梅,褚良银,等.SiO:悬浮液膜微滤过程的数学模型的建立[J].过滤与分离,2006,16(1):l一3,38. LI Bi・xian,CHEN Wen—mei,CHU Liang—yin,et a1.Establishment of mathematic model for micro—filtration process of SiO2 suspension[J].Journal ofFiltration&Separation,2006,16(1):1-3,38. [5】黄福昌,詹健.超滤膜的过滤性能影响及其应用研究进展[J].江西化工,2009(4):23—26. HUANG Fu・chang,ZHAN Jian.Effect ofperformance ofultra—filtration and the progress ofits application[J].Jiangxi Chemical Industyr,2009(4): 23—26. [6】许振良,李鲜日,周颖.超滤一微滤膜过滤传质理论的研究进展[J].膜科学与技术,2008,28(4):1-8. XU Zhen—liang,LI Xian—ri,ZHOU Ying.Research progress of ultra-filtration—microfiltration membrane ifltration theory[J].Membrane Science and Technology,2008,28(4):1-8. [7]曹占平,张景丽,张宏伟.微滤膜过滤阻力机理及模型研究【J].膜科学与技术,2010,30(1):l8—23. CAO Zhan—ping,ZHANG Jing・li,ZHANG Hang—wei.Study on mechanism nad model of micro-filtration membrane ifltration ersistance[J].Membrane Science andTechnology,2010,30(1):18—23. [8]李炜,李方,陈季华.多孔陶瓷微滤膜处理印染废水的研究【J].水处理技术,2009,35(2):84—86,96. LIWei,LIFang,CHEN Ji—hua.Dyeingwastewatertreatmentbyporous ceramicmembraneinmicrofiltration[J].TechnologyofWaterTreatment,2009, 35(2):84—86。96. 【9】谭佩毅,黄秀锦.陶瓷微滤膜过滤生酱油的污染阻力研究[J】.中国调味品,2008(10):60—64. TAN Pei・yi,HUANG Xiu-jin.Study on the fouling resistance of ceramic microfiltration membrane ifltered by raw soy sauce[J].China Condiment, 2008(10):60—64. 【1 o】姚吉伦,江世永,宛西原,等.应急净水系统作业性能试验研究【J】.后勤工程学院学报,2010,26(2):63—65. YAO ji—lun,JIANG Shi—yong,WAN Xi—yuan,et a1.Study on work performance for the emergency response water puriifcation system[J].Journal ofLogisticalEngineeringUniversity,2010,26(2):63-65. 【11】张耀宗,王启山,丁莎莎,等.超滤膜处理地表水过程中膜污染的研究进展[J】.水处理技术,2009,35(11):12-16. ZHANG Yao—zong,WANG Qi—shan,DING Sha—sha,et a1.The evolution ofresearch on super・filtering membrane to dispose the earth’S surface water[J】.Technology ofWaterTreatment,2009,35(11):12-16. 【12】SCHAFER A,SCHWICRER U,FISCHER N.Microfihration ofcolloids and natural organic matter[J】.Journal ofMembrane Science,2000,175(2): 151-172. 【13】TANSEL B,BAO W Y,TANSEL N.Characterization offouling kinetics in ultra—filtration systems by resistances in series model[J].Desalination, 2000,129(1):7—14. 【14]郁凯元.控制工程基础[M].北京:清华大学出版社,2009:164—165. 【15】张博丰,马世虎.超,微滤膜的膜污染与膜清洗研究【J].供水技术,2009,3(6):13-16. ZHANG Bo.feng.MA Shi—hu.Fouling and cleaning on ultra—filtration and microfiltration membranes[J].WaterTechnology。2009,3(6):13—16. (编辑周 聂)