中水回用反渗透系统中pH值的控制研究

冯伟杰

【摘要】在市场经济的带动下使得我国国内工业水平较以往有了很大程度的提升，这也使得工业需求资源日益加大，并且在人口压力的双重作用下给资源利用提出了极大的挑战。水资源是居民日常生活及工业生产的重要基础资源，在上述背景下同时也凸显了水资源供求矛盾。为了实现居民生活过程中的能源及资源节约，中水回用技术则发挥了重要作用。本文对中水回用反渗透系统进行了综合性阐述并对pH控制提出了相关观点，供以参考。

【关键词】中水回用；反渗透系统；pH值

引言

水资源是赖以生存的基础，特別是全球经济高速发展的背景下给水资源利用带来了很大的压力。一直以来我国都是一个缺水国家，水资源分布极不平衡，人均占有量低，在环保问题日趋被重视的同时，水资源问题也成为了社会各界的重点关注对象。对于国家发展与社会发展而言水资源起到了重要的支撑作用，其中工业生产对于水资源有着极大的依赖。工业生产促进了市场活跃度并让经济发展明显提速，但其背后却或多或少地付出了环境代价，另外生活用水用量加大也从一定程度上制约了城市的进一步发展[1]。通常情况生活排水必然会带来一定量的污水，而这些污水往往被当作“废物”排除，而这种方式不可避免地带来了浪费。事实上生活用水经过净化处理后依然可以循环使用，这可以有效控制水资源浪费。在社会环保意识日趋加深的情况下水循环利用已经成为了城市发展过程中重点关注对象，这刺激了中水回用技术的发展，使得技术体系不断健全、完善。

1.中水系统概述

通常情况下认为中水水质处于给水与排水之间，因此被称为中水。中水系统主要功能是对建筑或小区中的生活污水进行处理并经过循环作用使其重新用于供水系统当中。在缺水城市或地区中水系统发挥了重要水资源节约功能，从一定程度上降低了水资源应用压力。从作用上来看中水系统可分为建筑中水系统、小区中水系统以及城镇中水系统等，在组成上又分为中水原水系统、处理系统以及供水系统。中水系统产生的再生水对于城市水资源利用具有十分重要的意义。再生水从本质上来看可谓是城市的第二水源，通过中水系统使得城市水资源利用率得以促进并可对水体污染进行控制[2]。对再生水的合理利用同时兼顾了水资源缺失与环境污染问题，这与“可持续发展战略目标”具有高度契合性，在上述背景下无论是对于环境还是对于经济乃至整个社会都将带来效益。中水系统的存在极大程度上让再生水资源得到了开发。相关研究表明正常情况下城市当中80%的供水最后将变成污水，但这些污经过有效处理后所得到的再生水占有率将达到70%，而这些再生水均可循环使用[3]。从水资源持续利用来看再生水承载了重要的经济性特征，近年来无论是我国还是国际发达国家对于水资源管理目标已经有了新的方向，在水资源被利用、开发的过程中对水资源循环使用给予密切关注及重视，从而构建出一个良性的生态水源系统。再生水用途多样，经过中水处理后可以得到大量的再生水，其水质较为稳定，即便是在特殊季节或气候影响下均可保持较为稳定的状态。它不仅可以集中化使用同时也能够分开使用，目前很多欧洲国家将再生水作为农业灌溉用水，甚至部分国家由于其净水技术出色可将再生水直接转变为非饮用水，再生水还可用作环境景观用水。总之由中水回用带来的再生水成为了城市用水资源的重要补充，极大程度上缓解了城市用水压力，为城市深入发展提供了推动力。

2.反渗透系统概述

反渗透技术是当前最为常见的水净化技术之一，在该技术的应用过程中半透膜发挥了重要的作用。半透膜可对盐通过产生明显的显著作用，只允许水通过。溶液在经过半透膜处理后其浓度也将不断稀释，而水朝向浓溶液流动时将会产生一定程度的压力，这种压力将会对水持续流入产生阻断作用并促使渗透保持平衡态并且这种平衡态体现了动态性特征[4]。若对溶液施压及让压力超过渗透压时，水则会从半透膜由高浓度向低浓度方向流动，那么高浓度溶液的浓度将继续升高，从而形成了一个反向渗透过程中。因此可将反渗透视作为以超过渗透压的压力为基础，在它的推动下并结合膜的选择性作用最终实现水体净化。反渗透作用与渗透作用是相互对立的，渗透作用属于自发性过程，而反渗透作用则具备了非自发性，由于反渗透作用主要依托于溶剂通量与溶质通量间的差异化达成，假设膜接近于理想状态，那么就不存在溶质通量这一说，而在这种理想状态下只有水才能通过半透膜，而其他小分子物质无法透过，然而这种理想态显然是不现实的，但通过上述理论依然能够发掘出低溶质通量膜即能够有效达成反渗透作用。对于反渗透作用而言不同类型膜对于进水要求也存在着一定的差异，具体如下表所示：

在反渗透系统中半透膜可谓发挥了核心作用，对于整个系统而言半透膜质量将直接影响到净化效果，对反渗透作用的稳定性有着直接联系。因此半透膜应该具有以下特征，要求水的渗透性大并具有较高的脱盐率，而压密则与之相反，需要保持较低水平，因此可让流量的稳定性得以保持[5]。在上述条件下可形成脱盐薄层，即便是在压力与拉力的双重作用下也不会导致半透膜出现断裂或严重形变。半透膜应该保持均匀的结构，其结构应该保证本身具有大面积，因此可提升污水处理范围，同时膜还应该具备耐温、耐腐蚀、抗氧化等属性。

3.反渗透系统中pH值控制分析

反渗透系统中pH值主要借助于中和反应控制，整个过程实质上就是酸碱反应过程。以工业废水为例处理过程中一般利用中和剂来达到中和目的，最终让水体pH值维持在7.0至9.0区间内。在实际控制过程中会受到相关因素干扰，如废水流量的非均匀性、中和温度、液位波动都可能导致中和系统在时间上产生之后。中和一般借助滴定曲线作为参考工具，但废水量加大时将会导致曲线处出现加大变化[6]。另外中和反应也是一个持续性过程，因此也会出现滞后现象，或者由于搅拌不均或后管流非匀速使得控制回路出现滞留。在某些情况下受到外部环境影响不得不加长中和剂输送管路，此时阀门位置以及搅拌器大小都会带来一定程度的不适影响[6]。在这种滞后影响下将会影响控制器的精确性。温度也是pH控制过程中不容忽视的一个环节，温度扰动波动过大将会使电极精度受到影响，这无疑会对pH测量精密度带来影响。因此在实际pH控制过程中需要对上述影响因素进行针对性处理从而提升pH测量及控制精确度。本研究中所构建的pH控制流程具体如下图所示：

本研究中采取串级控制方案对中水pH进行控制，结合以上系统架构可以看出串级控制系统构成了两个闭合环路，流量调节回路以副回路的方式呈现，可对系统进行粗略调整。pH调节回路作为主回路从而实现细致化调节。通過主副回路共同作用使得pH值满足目标要求。对于整个系统而言主环与副环均具备了自调控功能，控制器算法以PID为基础。系统中承载了两个PID控制器，然而两个控制器却承担了不同对作用。PID控制器在调节时发挥了重要作用，其中流量PID调控器通过对液流量进行检测并控制从而使流量保持相对稳定态，当然实际当中流量PID受到了PhPID调控器的制约，也就是说PHPID调控器发挥了主导性作用，利用这种方式即便中和液出现扰动也能够让pH保持目标水准，而中和液浓度出现的波动在短时间内也可去除。综合来看上述控制系统可快速实施调控作用并降低二次扰动发生频率，通过加大pH值主调节器增益来提升系统工作频率。在副回路作用下增强了系统的适应性，同时基于串级系统控制特征来看也能从一定程度上环节容积滞后状况。

通过调整、完善方案后进行仿真得到上图，从图中可以看出针对pH值控制系统可能会受到中和液浓度波动等干扰因素的影响，在第100s处加一干扰控制可使得pH波动迅速恢复正常。

4.结语

从类型上来看中水回用技术类型繁多，其中反渗透技术是目前应用最广且效果最优的技术之一，而在该技术的实际应用过程中pH控制是极为重要的环节，在pH准确调节下使水质达标，从而得到可循环利用的再生水。

参考文献

[1]张国珍，李娜，武福平，杨公博，杨仕超.电吸附法处理炼化反渗透浓水脱盐研究[J].水处理技术，2012（08）.

[2]胡练伟.石灰+臭氧法处理反渗透浓水COD的研究[J].科技资讯，2012（15）.

[3]郁达伟，郑祥，肖庆聪，许瑞娜，王艳芹.反渗透技术在我国火电行业中的应用分析[J].中国给水排水，2012（02）.

[4]顾平，崔航宇，赵春霞，张光辉.粉末活性炭处理反渗透浓水的吸附模型[J].土木建筑与环境工程.2011（06）.

[5]王庚平，索超，张明霞，张鹏.反渗透浓水处理与利用技术研究概况[J].甘肃科技，2011（22）.

[6]王卫红，高丛辉.反渗透浓水回用的可行性分析[J].石油石化节能，2011（09）.