Chinese Journal of Ship Research
基于透析膜的高乳化油污水分离特性试验
王良武，李慧子，谢承利，刘喜元
430064中国舰船研究设计中心，湖北 武汉
摘 要：［目的］超滤技术处理含油废水在工程中得到广泛应用，为了研究基于亲水透析膜的高乳化油污水分离特性，［方法］利用1000号矿油型汽缸油（GB/T 447-1994）及乳化剂等制备高乳化油污水，搭建小型高乳化油污水分离试验装置，利用流量计、油份检测仪等仪器设备测量不同孔径透析膜组件处理不同温度、不同浓度高乳化油污水原液的效能，并按MEPC.107（49）决议研究膜组件的抗污性能，以及膜组件频繁自清洗后处理效能的衰减特性。［结果］试验发现0.1~0.45 μm孔径透析膜随着孔径的增加，其处理能力随之增加；且3种膜具有相似的温度—流量特性，即随着温度的增加处理能力先增后减，其中0.45 μm的透析膜在处理55～60 ℃原液时效
能最佳。［结论］研究中形成的各类特性数据对于高乳化油污分离装置的设计、使用操作具有工程指导意义。关键词：汽缸油；透析膜；高乳化油；乳化油浓度中图分类号：U664.9 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.018
Disposal testing characteristics of highly emulsified oily wastewater based on dialysis membranes
WANG Liangwu，LI Huizi，XIE Chengli，LIU Xiyuan
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
Abstract：Ultrafiltration technology is widely applied in the treatment of ship's oily wastewater. In order to study the disposal testing characteristics of highly emulsified oily wastewater based on hydrophilic dialysis membranes，No.1000 cylinder oil and emulsifier is used to make highly emulsified oily wastewater，and a small oil/waster separating tester is created. The relationships between the temperature，consistency of original highly emulsified oily wastewater and dialysis membrane aperture are tested. Not only is the pollution resistance of the dialysis membrane tested on the basis of resolution MEPC.107（49），but the attenuation characteristic of the dialysis membrane is also tested after self-cleaning each time. All the tests show that for dialysis membranes with in the range 0.1 μm to 0.45 μm，the treatment capability will increase with the aperture；they all show a similar flow vs temperature curve，with the treatment capability first increasing and then decreasing with the increasing temperature；when the aperture of the dialysis membrane reaches 0.45 μm，the separation of highly emulsified oily wastewater is best achieved at 55-60 ℃ . All the data and characteristics of this research will be helpful in the design and operation of highly emulsified oily wastewater disposal equipment. Key words：cylinder oil；dialysis membrane；highly emulsified oil；emulsion concentration
况下也仅是“相对密度极高的油或以乳状液形式出现的混合物［1］”，对于满足规范要求的舱底油污水分离装置均能够进行处理。对于一些基于蒸汽动力的机械运动部件产生的油污水，在高温、高压蒸汽与高含油量冷却水的共同作用下，产生的油污水乳化程度高，呈现出乳白色甚至是豆浆色［2］。在石油、化工等行业里，对乳化油污水的处理研究较多，特别是近年来随着超滤技术在处理乳化油污水方面的不断发展和应用，为舰船高乳化油污水的处理提供了思路。实际上，国内外很多油污水处理设备大多采用重力分离加膜隔离的技术对乳化油进行深化处理，即以膜隔离作为处理核心，例如美国的横流薄膜处DVZ-SERVICES PCM理系统、德国 公司开发的 系列装置等，均取得了很好的效果。然而，膜组件在处理乳化油污水时，一般是利用膜的选择透过性、膜两侧较大的压差来实现对油的截留和水溶液的透过从而实现油、水分离，极易使膜组件逐渐堵塞而降低分离效果甚至失效［3-7］。基于亲水材料的膜组件在油污水分离过程中，是将油污水中的油包水液分子基团以一定压力通过亲水材料制成的超滤膜，当分子基团受到的压力超过其表面张力时，其表面的油膜就会破裂而形成更加细小的油滴，同时水分子被释放出来，达到破乳目的［8］。该超滤膜在油水分离过程中是让液体通过而不是拦截，从而减少膜堵塞的概率。为了研究该类膜处理高乳化油污水的特性，寻求适用于舰船高乳化油污水破乳分离的膜孔径及其特性参数，本文将采用某船用蒸汽设备1000 GB/T447-1994）及使用的 号矿油型汽缸油（乳化剂等制备高乳化油污水来开展试验。
1 试验用高乳化油污水及配置
4种状态［9-11］：按照油滴大小，油在水中呈1）浮油。铺展在污水表面形成油膜或油层， 100 μm，进入水体的油油滴粒径较大，一般大于份通常以浮油形式存在，可采用分离法、吸附法等去除。2）分散油。以油粒形式分散在污水中，油粒10~100 μm，不稳定，经静置一段时间直径一般在可凝聚成较大油粒而转化为浮油，可采用粗粒化方法去除。3）乳化油。由于存在水中表面活性剂，油在0.1～10 μm，表污水中呈乳化状，油粒直径一般在面性质复杂，较稳定，难以分离，是含油污水中产生较多且较难处理的一种，一般采用浮选、混凝和 过滤等方法处理。4 ）溶解油。油以分子态和化学方式分散于水中，形成油—水均相体系，非常稳定，一般质10 mg/L，可采用化学氧化及生化法量浓度低于去除。根据某设备试验情况，其排放的含油污水平2 046 mg/L 2 330×均质量浓度高达 、体积分数达10 0.998 kg/L -6 （常温下水密度约 、润滑油密度约0.878 kg/L），其含油的润滑油为1000号汽缸油，原38 GB/T 447-1994称 号汽缸油（ ），闪点要求大于260 ℃ 100 ℃ ，适合高温， 时对应的运动粘度为38 mm2/s，常温下非常粘［2］。而该设备实际运行中3 80×10-6，200×将产生 类油污水，体积分数分别为10-6 4 000×10-6。乳化油水溶液的颜色跟油的浓和 4 000×度有关，浓度越高越乳白，当体积分数达到10-6时，颜色变黄象浓豆浆。实际上，该类高乳化油污水的处理在文献［2］中已有记载，其采用的方法主要是添加四氯化碳、柠檬酸、明矾和泥土等，但这类方式在舰船上使用极为不便，而关于舰船方面的高乳化油污水分离试验的报道相对较少。为此，试验中将利用表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠盐）在水桶内与一定量D液的清水混合，并充分搅拌至其彻底溶解，制成倒入高乳化油调制组件中（具有加热、搅拌等功4能），制备 组不同浓度的试验用高乳化油污水原液，以考核亲水透析膜在分离高乳化油污水方面的特性。
2 试验模型
为了验证亲水透析膜分离高乳化油污水的特性，根据船舶含油废水处理工艺搭建了基于透析1）。试膜组件的高乳化油污水分离试验装置（图验装置由高乳化油调制组件、油污水输送组件以及透析膜组件等组成。1）高乳化油调制组件。用于存放、制备高乳1.0 m3。化油污水原液，容积为2 ）油污水输送组件。用于将高乳化油污水0.5 m3/h，40 mH2O。输送至透析膜组件，输送能力3 ）透析膜组件。为基于亲水透析膜制成的分离组件，可安装不同孔径的膜组件，试验中分别0.1，0.2 0.45 μm 3采用 和 共 种孔径。0.5 m3/h、出水中额定乳化油污水分离能力按100×10-6油的体积分数小于 为满足设计要求。为2方便试验，设置 套透析膜组件，在需要更换膜组件时，可通过阀门切换实现另一组孔径膜组件接入试验，而不使试验中断。
4 高乳化油污水分离试验结果
5 000 ×试验过程中，分别制备体积分数为10-6，10 000×10-6，15 000×10-6 20 000×10-6 4种和 共0.1，0.2 0.45 μm共3高乳化油污水原液，孔径为 和组亲水透析膜组件（可拆卸更换），试验温度T 为25~80 ℃ 5 ℃）共 12 144 （间隔 个工况，共计 组试验。通过记录不同运行温度和不同浓度原液经过不同孔径透析膜组件后的出水浓度、实际进入透析膜组件的原液流量等数据，分析不同孔径透析膜在各工况下的出水含油量、实际进入透析组件的高乳化油污水原液流量，以及相同工况中流量、出水浓度与原液浓度之间的变化关系。
4.1 温度特性试验
2），3通过试验数据拟合曲线（图 种孔径亲水透析膜的出水含油量随温度的变化趋势基本一致，即随着温度的升高，分离出水含油量不断降50～60 ℃时达到最低值，温度继续升高后，低，到 0.1出水含油量反而增加。此外，图中还反映出 和0.2 μm 0.45 μm的最佳分离温度范围相对 较小， 55～60 ℃ 0.45 μm仅 ，而 的最佳分离温度范围涵45～65 ℃ 75 ℃盖 ，甚至 时含油量也未见明显上0.45 μm升。 各温度范围内出水中油的体积分数100 × 10-6，而 0.1 0.2 μm 30～均小于 和 则需要在80 ℃才能满足出水中油的体积分数小于100×10-6的要求。3此外由图 可知，随着原液浓度的增加，各透0.1析膜在相同温度下的出水浓度也在增加。而0.2 μm 20 000×10-6和 在处理体积分数 原液的试验中，大多数温度条件下均不能满足出水中油的100×10-6 0.1 μm体积分数小于 的要求（孔径 仅原
35～60 ℃，0.2 μm 35～65 ℃满足液温度处于 则为要求，温度过高或过低均不能满足要求。当温度70 ℃时，体积分数超过检测仪200×10-6超过 的量0.45 μm 30～75 ℃程），但是孔径为 则几乎可以在100×10-6原液温度下满足体积分数小于 的要求。
4.2 流量特性试验
4图 所示为流量特性试验结果。随着原液温45~65 ℃达到最度的增加处理流量有所提升，在大值，随后略有降低，这与温度特性试验表现相
似。处理量随温度升高的原因可能是乳化油的粘度随温度升高而略有降低，阻力减小，而当温度达到一定值后处理量反而降低，则可能是浓差极化现象开始出现，凝胶层阻力的产生开始阻碍
透析膜的透水率，使得膜组件的分离效能出现下降［12］。而在 45~65 ℃过程中流量出现波动，也说明了温度升高后原液粘度降低导致阻力减小，以
及膜组件处理能力降低对分离效果的影响出现了叠加效应。
对于每一种膜组件在不同浸水浓度下，其流5），且 4量随温度的变化趋势也基本一致（图 种浓度下各膜组件在同一温度处的处理流量极为接6 60 ℃时，3近。图 为原液温度 种膜组件处理不0.1 μm同浓度的原液时的变化情况，可以看出当膜组件的原液浓度增加时，其处理流量不断减小， 0.2 0.45 μm而 和 膜组件在处理不同浓度原液时，其处理流量基本不变。
4.3 浓度特性试验
在试验过程中，污水实际处理流量不断波动， 0.5 m3/h 3处理量在 上下波动。由于 种膜处理不 同浓度污水时的流量特性、同种膜的流量—温度特性的趋势基本一致，在进行浓度特性分析时，仅25 ℃时的数据进行曲线拟合分析（其他温度下对 7 25 ℃（常温）时，0.1基本一致）。如图 所示，在 和0.2 μm膜组件污水处理量随原液浓度的增加而减0.45 μm少，而 膜组件的处理量却随浓度的增加60 ℃的情况（图6）略有不同，但所而略有增加，与 3 25 ℃时的出测得流量偏差较小。而 种膜组件在 8水含油量均随原液浓度的增加而增加（图 ），只是幅度略有差别（0.45 μm增幅较小）。
4.4 抗污染能力测试
为充分验证亲水透析膜在处理高乳化油污水的效能，尤其是舰船上污水含有一定的杂质， MEPC.107（49）关于舱底油污水处理装置抗参照 100 g污能力的试验项目，将 铁锈加入到体积分10 000×10-6 0.45 μm数为 的原液中，对 亲水透析50 ℃）情况下进行膜组膜在其最佳运行温度（约 1 h件抗污能力测试。试验装置进行 的抗污染能1 h力测试后，运行 内其出水含油量没有出现变9化，处理能力也几乎没有变化（图 ），说明选用的0.45 μm亲水透析膜具有较强的抗污染能力，能够MEPC.107（49）关于舱底油污水处理装置抗满足污能力方面的要求。
4.5 分离效能衰减性试验
试验用的透析膜组件具有自清洗功能（浸没在清洁的自来水中），即按一定的设定时间间隔，在工作间隙进行自清洗。为了解膜组件自清洗后0.45 μm处理效能的变化情况，对 透析膜进行分离效能衰减性试验，即连续向透析膜组件输送体10 000×10-6积分数为 的高乳化油污水原液，直至出水浓度明显升高后进行膜组件的清洗，并记录运行的时间；清洗完成后再次进行持续性运转试2验并记录相应数据，反复冲洗膜组件 次。10试验结果如图 所示，每次累积运行时间增加时，膜组件处理高乳化油污水的浓度略有降低、出水含油量略有增加；而每自清洗一次，这一趋势保持一致，且较上一次的处理能力有所降低，即清洗后处理流量会略微减小，出水含油量会略微增加，但程度不明显。3 32，25次试验中分别达到 和20 h 100×10-6，达后，出水中油的体积分数会超过40 h 200×10-6到 后均超过了检测仪 的量程范围。即便如此，在舰船配置设备时，一般不会让设备24 h运行，因此该亲水透析膜组件可以利用实际使用间隙充分进行自清洗，以满足使用需求。
析膜组件在不同运行温度条件下处理不同含油浓度的高乳化油污水原液，以及对其进行抗污染、分离效能衰减性等方面的试验，得出如下结论： 1）无论是处理后出水的含油量（预先设定要100×10 -6求体积分数小于 ）还是各工况下高乳化0.45 μm油污水处理量，孔径为 的透析膜要优于0.1 0.2 μm孔径为 及 的透析膜。2）高乳化油污水原液温度处于55～60 ℃时，试验平台对原液的分离效果和处理流量均达到最佳状态，即出水含油量最低、处理流量最大。3 ）当试验平台在初始状态下连续运行时间32 h 100×超过 时，排放水含油量体积分数将超过10-6，亲水透析膜组件自净能力的平衡性被打破，实际使用中可适当缩减自清洗周期。
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0引言
随着军事作战系统建设规模越来越庞大，系统跨越的地域和覆盖的技术范围也越来越广阔， System使得系统的设计研制已被纳入体系工程（ of Systems Engineering，SoSE ）范畴［ 1 ］。体系结构指各组成部分的结构、它们之间的关系以及指导［2］它们设计和后续演进的原则与方针 ，是“体系工 ［3］程”集成的“架构”和“蓝图” 。体系内各组件系统的动态行为特性、系统性能评价等需要借助于Agent Agent建模与仿真技术［ 4 ］。基于 建模仿真（ Based Modeling and Simulation，ABMS ）方法被军事仿真界普遍认为是网络中心战环境下军事作战研究的最佳方法［5-6］。任务剖面指产品在完成规定任务这段时间内［7］所经历的事件和环境的时序描述 。作战任务剖
面是指从战斗准备开始到完成典型作战任务这段时间上所经历的事件和环境的总称［8］。目前，对任务剖面的建模多限于可靠性方面［9］，即通过任务剖面的可靠性模型来评估任务的可靠性；有少量文献涉及到任务剖面的仿真，基于其活动和规则的形式化描述，建立任务剖面流程模型进行仿真验证［10］。但一直缺乏对任务剖面中各组件系统之间关系的描述，其对应的仿真模型与静态描述之间未建立明确的关联关系。作战任务剖面包含了作战系统所属各系统（设备）的事件序列活动，其模型应反映各组件系统的结构及关系。因此，作战任务剖面模型可采用体系结构模型描述，从而可理解系统的作战概念、作战任务、活动序列、功能结构，分析系统逻辑数据动态交互，分析系统作战性能以及影响系统性能的诸因素间的相互关系。本文拟提出一种面向体系结构的任务剖面建模与仿真方法，将所建Agent立的体系结构模型转换为可执行模型（ 模型），通过可执行模型的仿真，对系统作战能力以及影响作战能力的各个因素进行分析，确认体系结构设计方案能否达到预期的作战能力，从而可为体系结构设计提供理论方法支撑。
1 任务剖面模型描述 1.1 体系结构模型描述
根据作战任务剖面的含义［7］，从作战任务、任4务时间、事件规划和使用条件 个方面对剖面进DoDAF V1.5行描述。借鉴 体系结构框架标准，作战任务中的任务编成由组织关系图（OV-4）描述，任务通道由作战单元连接（OV-3）描述，任务时间采用时间轴上事件执行划分来描述，事件规划由作战活动模型（OV-5）描述，使用条件由逻辑数据型（OV-7 OV-6a模 ）和作战规则模型（ ）描述。其1对应关系如图 所示。作战系统组织关系阐述人的各种角色、组织、组织类型（作战系统体系结构中的主要参与者）之间的指挥结构或关系，用以清晰地描述存在于组织之间、组织内部的各种关系，包含监督上报、指挥控制、指挥—服从、协作关系。作战单元连接关系图采用“需求线”描述各作战单元之间的信息交换。作战单元之间采用“需求线”连接，用以对信息交换要求进行说明。任务时间轴划分，主要针对任务执行过程中各个时间段所经历的事件进行划分，为作战活动模型的形成提供事件序列。 作战活动模型描述在执行作战使命的过程中正常开展的各种活动，以及各作战活动（或任务）、I/O活动之间的输入与输出（ ）流。它的输入输出是作战单元连接关系图中需求线上的信息类型。逻辑数据模型描述作战系统的数据类型结构，定义任务剖面中的数据类型、数据类型的属性或特征，以及它们之间的相互关系。逻辑数据模型中的数据实体与作战活动相关，反映了作战活动的输入、输出数据信息类型。
1.2 可执行模型描述
任务剖面体系结构模型中的数据模型、规则模型、活动模型等都是对系统作战过程的静态展示，它虽然含有大量描述作战活动的行为信息，但它是不能执行的。为了对作战任务剖面模型结构与提出的想定之间的相互影响作用进行行为分析，必须建立系统的可执行模型。有了可执行模型就可以对系统进行仿真，并对系统的特性和性能进行分析，为任务剖面模型优化提供手段和量化评价标准。ABMS方法在军事仿真界已被普遍认可［ 11］， Anylogic Agent因此，我们采用 软件，基于 的建模思想，从状态图、流程图、事件、函数等多方面建立Agent Agent任务剖面各实体的 模型，实现 之间的Agent状态转换以及消息传递。 中事件执行依赖条件触发，Agent之间的信息交互采用消息传递机制，消息的传递通过消息类的定义、传输完成。Agent中需要的各装备性能参数由人机界面输入，仿真得到的作战效能值直接以数值的形式
显示在人机界面中。事件执行过程采用业务流程Agent图的形式动态显示，在任务执行过程中各 的状态变化以状态转移图形式显示，各种展现形式Agent 2可自由切换。各 的实现方式如图 所示。
2 体系结构模型与可执行模型的转换
依据作战任务剖面体系结构模型以及基于Agent DoDAF的可执行模型要素，可建立任务剖面Agent 1产品组件与 模型之间的对应关系，如表所示。 建立任务剖面可执行模型的步骤如下： 1）根据任务剖面的作战单元确定Agent智能体个数，每个智能体可建立多个装备，再由作战活动模型与装备之间的关联确定各装备在活动事件执行中的状态变化，确定每个智能体的状态转移， 3建立状态图，如图 所示。 2）建立 Agent消息体。将逻辑数据模型的数Agent据实体转换为 模型中的消息体，并确保每个消息体都与所表示数据模型中的实体一致，如图4所示。3 ）定义事件与函数。将作战活动模型中的Agent Agent底层活动对应为 模型中各 的事件，同Agent时将规则模型中的各规则定义为 模型的函5数，该函数即为事件执行的触发函数，如图 和图6所示。4）建立任务剖面的业务流程图。根据Agent的消息、参数变量、事件逻辑以及由事件触发引起的状态变化，建立各事件之间的信息流动模型，即7业务流程图，如图 所示。经过以上步骤的转换建立任务剖面的可执行模型之后，对可执行模型进行仿真，从而可基于仿真输出数据对任务剖面组成中各实体的行为、性能、效能进行相应的分析。
3 作战任务剖面仿真 3.1 任务剖面仿真流程
本文以对空防御任务剖面为例，依据体系结1构建模框架标准，按照图 所示对应关系建立任2务剖面体系结构模型，并根据第 节的方法转换Agent Agent为 可执行模型，基于 模型对任务剖面进行仿真，分析其对应的作战能力。对空防御作战任务剖面包含的作战节点有：搜索雷达、红外警戒设备、跟踪制导雷达、指挥控制系统、中远程舰空导弹、近程舰空导弹、近程反Agent导舰炮和来袭目标，可对应建立各节点的 实
3.2 任务剖面仿真输入参数
对空防御任务剖面的输入参数对应为体系结 Agent体，并由实体的作战活动及时间序列等定义事件及函数，形成对空防御作战任务剖面可执行模型，即仿真模型。在对空防御作战中，由搜索雷达、红外警戒设备等探测器将探测到的来袭目标信息发送给指挥控制系统进行目标融合、威胁判断等处理，再将高威胁等级目标的目标指示发送给相应的武器系统，同时指示跟踪制导雷达对目标进行跟踪，武器系统接收跟踪制导雷达的精确跟踪数据后进行诸元解算，完成对目标的拦截打击。目标的运动轨Agent迹由运动方程模拟，其它节点对应的 状态变8化由事件触发，整体仿真流程如图 所示。 构模型中规则模型所涵盖的条件参数，在进行功Agent能级仿真时，一般涉及到的是各 实体的性能9参数，如图 所示。
3.3 任务剖面仿真输出参数
建立任务剖面可执行模型并进行仿真的目的是观察作战系统运行的性能指标，根据指标值判断系统运行状况，从而对剖面设计效果进行评价。一些典型的性能指标有：单目标成功拦截概率、对目标流的拦截概率、最大拦截目标批数、空中目标平均滞留数、目标平均滞留时间、剖面流程反应时间等。为了分析形成任务剖面各环节的作战能力情况，还可以在仿真模型中设置各个环节对应的输2出指标，如表 所示。在仿真分析时，可通过改变各输入参数获得对应的输出参数值，由输入输出参数变化关系分析对作战能力影响较大的影响因素，以及各个环节对整体作战能力的贡献情况；在对任务剖面模型进行适当改进后，通过改进前后的能力变化也可分析任务剖面设计方案的优劣，从而为作战任务剖面设计提供有力的决策依据。
4结语
DoDAF本文从体系结构建模出发，借鉴 模型中的组织关系图、作战单元连接、作战活动模型、 作战规则模型、逻辑数据模型等，分别表示任务剖面的任务编成、任务通道、事件规划、使用条件，从Agent而对任务剖面进行描述，进而映射到 仿真模型中的事件、函数、消息体等，建立任务剖面体系结构模型与可执行模型。最后，以对空防御作战
Agent任务剖面为例，建立各作战节点的 实体，描述任务剖面仿真流程，分析仿真模型的输入输出关系，从而可基于仿真输出数据对任务剖面组成中各实体的行为、性能、效能进行相应的分析。
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