專(zhuān)利名稱(chēng)：調(diào)節(jié)膜過(guò)濾設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及膜過(guò)濾設(shè)備的操作，更具體地說(shuō)，涉及通過(guò)預(yù)測(cè)性模擬阻塞的方法，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)這種設(shè)備。
我們知道近年來(lái)，膜，尤其是超濾膜的使用變得很廣泛，特別是在飲用水或工業(yè)用水的生產(chǎn)領(lǐng)域。因此使用中空纖維膜以達(dá)到所需的水質(zhì)，即使資源將被惡化。
目前，人們進(jìn)行大量的研究，目標(biāo)是改進(jìn)使用這種膜生產(chǎn)生活或工業(yè)用水的設(shè)備的生產(chǎn)率。這種研究基于與不同質(zhì)量的表面水或其它液體的過(guò)濾的相關(guān)的不同因素和現(xiàn)象的知識(shí)。限制通過(guò)膜的生產(chǎn)的第一因素是由顆粒在膜的表面和/或孔隙上的沉積引起的。這種第一因素是一種短期現(xiàn)象。為了去除以涂層或結(jié)塊形式沉積在膜上的這些顆粒，定期地執(zhí)行液壓，氣壓或液壓氣動(dòng)沖洗操作。第二限制因素是有機(jī)物質(zhì)在膜表面上或膜孔隙中的吸附，這種因素形成長(zhǎng)期現(xiàn)象。
可以通過(guò)液壓，氣壓或液壓氣動(dòng)沖洗去除的膜阻塞部分經(jīng)常稱(chēng)為可逆阻塞，反之其它部分稱(chēng)為不可逆阻塞。
許多參數(shù)與水處理中所使用膜的阻塞有關(guān)。一方面，是與被處理的液體的質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)，另一方面，是操作參數(shù)，這兩種參數(shù)相互依賴(lài)。
可以理解，認(rèn)識(shí)如何增加過(guò)濾設(shè)備的生產(chǎn)率的方式之一，在于更好地理解與膜阻塞相關(guān)的現(xiàn)象。為此，一種研究通向模擬膜設(shè)備。盡管已經(jīng)完成大量致力于阻塞的研究，這些生產(chǎn)模型不適用于說(shuō)明經(jīng)天然水之類(lèi)的復(fù)雜液體的膜的阻塞。但是，許多有前途的工具允許開(kāi)發(fā)的模擬模型確實(shí)存在。其中，應(yīng)該提到由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)制成的模型。這種網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功用于預(yù)測(cè)短期性能。并且，人們已經(jīng)設(shè)想開(kāi)發(fā)一種模型，用于預(yù)測(cè)用來(lái)獲得飲用水的設(shè)備的生產(chǎn)率，這種預(yù)測(cè)既依賴(lài)于所處理水的質(zhì)量，又依賴(lài)于長(zhǎng)期操作參數(shù)，考慮參數(shù)的最小值。關(guān)于這點(diǎn)，讀者可以參考N.Delgrange-Vincent等人發(fā)表于2000年Desalination.131第353-362頁(yè)，題為“Neural networks for long termpredition of fouling and backwash efficiency in ultra filtration fordrinking water production”的文章。
現(xiàn)在參照附圖中的

圖1，它示意用于獲得飲用水的試驗(yàn)性超濾設(shè)備。
此圖示意一種中空纖維型的超濾模塊。待處理的水首先預(yù)過(guò)濾，接著使用泵P1注入模塊的循環(huán)回路中，泵P2在回路中循環(huán)它。
與水質(zhì)相關(guān)的因素如下-溫度T；-傳導(dǎo)率；-pH；-溶解的氧(O2)濃度；-TOC(總有機(jī)碳)；-氧化還原電勢(shì)EH；-濁度(Tur)；-UV吸光率(uv)。
設(shè)備操作參數(shù)如下-跨膜壓(transmembrane pressure)，Ptm；-滲透流量，Qp；-循環(huán)流量，Qc；-循環(huán)回路清洗流量，Qpurge；-過(guò)濾時(shí)間，tF；-回流壓力，PBW；-回流時(shí)間，tBW；-液壓回流流量，QBW；-回流水的氯濃度(或另一化學(xué)添加劑的濃度)，[Cl2]BW；-過(guò)濾循環(huán)過(guò)程中控制添加劑注入的特征參數(shù)，目的是增加過(guò)濾性能和/或過(guò)濾出水的質(zhì)量。
此設(shè)備產(chǎn)生恒定的滲透流量Qp，導(dǎo)致壓力在過(guò)濾期間升高。循環(huán)流量Qc代表模塊入口的進(jìn)水速度。使用添加氯的過(guò)濾水定期地液壓沖洗膜。通過(guò)這種方式，降低膜阻塞的水平。超濾模塊的總流體阻力以如下公式表示R＝Ptm/(μ.Qp/A)其中μ為水的與溫度相關(guān)的粘度，Ptm為平均跨膜壓，A為膜面積。
總阻力由膜的阻力，可逆阻塞引起的阻力和不可逆阻塞引起的阻力構(gòu)成。在滲透流量恒定的情況下，阻力在過(guò)濾期間增大，并在回流之后減小，如附圖中的圖2所示。
因此，生產(chǎn)曲線由周期構(gòu)成，每個(gè)周期的特征是過(guò)濾周期結(jié)束時(shí)的阻力(Re)，和下一個(gè)周期開(kāi)始即液壓沖洗之后的阻力(Rs)。因而(Re)和(Rs)周期持續(xù)時(shí)間內(nèi)的變化，足以代表和說(shuō)明過(guò)濾過(guò)程中的變化。
實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備的性能可以表示如下-總產(chǎn)量，也就是說(shuō)模塊出口處的滲透流量；和-凈產(chǎn)量，考慮沖洗操作過(guò)程中的水損失和沖洗期間的產(chǎn)量不足。
在回流的情況下，凈流量通過(guò)以下公式表示Qpnet＝(VF-VBW)/(tF+tBW)其中VF為過(guò)濾體積；VBW為回流體積；tF為過(guò)濾時(shí)間；tBW為回流時(shí)間。
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種調(diào)節(jié)所設(shè)計(jì)膜過(guò)濾設(shè)備的方法，以防止膜的不可逆阻塞，同時(shí)最大化生產(chǎn)率(通過(guò)適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)評(píng)估，例如凈產(chǎn)量)，而不論進(jìn)入系統(tǒng)的液體的質(zhì)量如何。換句話說(shuō)，通過(guò)本發(fā)明必須解決的問(wèn)題在于把過(guò)濾設(shè)備的性能從屬于輸入液體的質(zhì)量；這種從屬直接根據(jù)述設(shè)備阻塞中的變化而定，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)這種變化，以模擬過(guò)濾設(shè)備的長(zhǎng)期操作，此模型允許實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備。
如果我們考慮臨界流量的概念，如在文獻(xiàn)中所解釋的，最好以足夠低的流量操作，以完全避免可逆阻塞。并且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)膜的液壓阻力在周期開(kāi)始處增加時(shí)，不可逆阻塞的數(shù)量隨時(shí)間而增加。這種發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，膜被阻塞的越多，不可逆阻塞的數(shù)量越大。那么就引起一個(gè)問(wèn)題，此問(wèn)題歸因于以下事實(shí)，當(dāng)所處理水的質(zhì)量差時(shí)，生產(chǎn)流量非常低。解決的方法在于發(fā)現(xiàn)每個(gè)周期的操作條件，以使既便發(fā)生阻塞，也可能通過(guò)液壓沖洗去除它，并保證這種阻塞不是不可逆的。
為了實(shí)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)，可能改變多個(gè)上述的操作參數(shù)，可以從如下參數(shù)中選擇-跨膜壓，Ptm；-滲透流量，Qp；-循環(huán)流量，Qc，其可能從再循環(huán)模式切換至橫向模式；-循環(huán)回路清洗流量，Qpurge；-過(guò)濾時(shí)間，tF；-回流壓力，PBW；-回流時(shí)間，tBW；-液壓回流流量，QBW；-回流水的氯濃度(或另一化學(xué)添加劑的濃度)，[Cl2]BW；-過(guò)濾循環(huán)過(guò)程中控制添加劑注入的特征參數(shù)，目的是增加過(guò)濾性能和/或過(guò)濾出水的質(zhì)量。
作為示例，本發(fā)明一方面采用過(guò)濾時(shí)間，另一方面采用滲透流量，用于這種調(diào)節(jié)，應(yīng)該理解在不偏離本發(fā)明領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，也可以使用其它操作參數(shù)的組合。
應(yīng)該可能以最小滲透流量和最小過(guò)濾時(shí)間工作，以選擇對(duì)應(yīng)阻塞現(xiàn)象的最謹(jǐn)慎方法，但是在這種情況下，生產(chǎn)率將太低。按照本發(fā)明，改變生產(chǎn)率參數(shù)，例如滲透流量和過(guò)濾時(shí)間，以發(fā)現(xiàn)在一方面最高水產(chǎn)量和另一方面阻塞數(shù)量間的折衷方案，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為這種折衷方案定量，這種模型根據(jù)待處理的液體的質(zhì)量和給定周期的膜的狀態(tài)，計(jì)算在限定的水平周期內(nèi)，作為時(shí)間的函數(shù)的膜滲透率的變化，在這段水平周期內(nèi)模擬的液體質(zhì)量(常數(shù)或變量)。
一種先驗(yàn)，可以出現(xiàn)兩種情況1)待處理液體的質(zhì)量如下，在預(yù)測(cè)水平周期內(nèi)膜阻塞急劇增加，有可能通過(guò)液壓阻力，滲透率或跨膜壓之類(lèi)的參數(shù)描述膜阻塞狀態(tài)。那么必須降低膜過(guò)濾模塊的性能要求(例如，流量和/或過(guò)濾時(shí)間)，同時(shí)等待所處理液體的質(zhì)量被改進(jìn)。
2)液體的質(zhì)量相對(duì)較高，并且膜阻塞的數(shù)量保持較低。那么可以增加下一周期的產(chǎn)量。
上面提到在給定周期內(nèi)膜的狀態(tài)可以表征為其滲透率，在周期開(kāi)始時(shí)它的液壓阻力或它的跨膜壓。形成本發(fā)明主題的調(diào)節(jié)方法設(shè)定周期開(kāi)始時(shí)的阻塞水平極限，表征為滲透性極限(Lp_c)，并保證設(shè)備以等于或大于此值的滲透率操作。
因此，按照本發(fā)明，在每個(gè)周期k實(shí)驗(yàn)性設(shè)備將1)獲得本模型所需的所有質(zhì)量參數(shù)和操作條件的值；2)把這些值輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它將計(jì)算在一定預(yù)測(cè)水平周期內(nèi)的阻力，從而允許獲得在H周期結(jié)束時(shí)的滲透率，即Lp(k+h)。對(duì)這些計(jì)算而言，認(rèn)為質(zhì)量參數(shù)和模塊操作條件在H周期內(nèi)恒定不變，并等于k周期的相應(yīng)值。也可能取等于進(jìn)行周期k的n個(gè)周期的平均值的常數(shù)值。也可能設(shè)想考慮對(duì)應(yīng)H周期中這些參數(shù)值的變化的圖表。
應(yīng)該考慮兩種情況-情況ALp(k+h)＜Lp_c這意味著膜阻塞在恒定極限之上。因此必須降低指定生產(chǎn)率；-情況BLp(k+h)＞Lp_c這意味著沒(méi)有膜阻塞即刻風(fēng)險(xiǎn)。因此可能通過(guò)改變一個(gè)或更多操作參數(shù)，換句話說(shuō)，在這種非限制例子中，滲透流量和/或過(guò)濾時(shí)間，增加指定于模塊之上的生產(chǎn)率；3)使用這種模型，計(jì)算所有滲透流量Qp-過(guò)濾時(shí)間tF對(duì)在H周期結(jié)束時(shí)的滲透率，即Lp(k+h)，并選擇Lp(k+h)＞Lp_c且生產(chǎn)率最高的對(duì)。也可能使用優(yōu)化凈流量的程序。
還要限制選擇何種參數(shù)，以應(yīng)用這種調(diào)節(jié)。必需選擇如下參數(shù)-預(yù)測(cè)水平周期H；-所允許生產(chǎn)率參數(shù)，例如滲透流量和過(guò)濾時(shí)間的最小值和最大值；-這些參數(shù)的變化幅度；-滲透率極限值Lp_c。
使用實(shí)驗(yàn)性設(shè)備調(diào)節(jié)模擬，做出這種調(diào)節(jié)參數(shù)的選擇。
按照上述策略執(zhí)行這些模擬。為了測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆磻?yīng)，做出六種操作，在此期間模塊的液壓阻力漂移或不漂移。相應(yīng)的水質(zhì)曲線繪制為時(shí)間的函數(shù)。
在每個(gè)周期k，周期開(kāi)始的試驗(yàn)參數(shù)和操作條件作為輸入，以循環(huán)方式被導(dǎo)入計(jì)算模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，水平周期H內(nèi)的液壓阻力由假設(shè)所有的輸入?yún)?shù)在這些周期中恒定不變開(kāi)始。因此獲得H周期后的滲透率Lp_i(k+H)，并計(jì)算凈流量Qp_net_i。
測(cè)驗(yàn)所有可能應(yīng)用于下一周期的(Qp；tF)對(duì)，對(duì)每對(duì)而言，計(jì)算H周期后的滲透率Lp(k+H)-如果Lp_i(k+H)＞Lp_c，保留凈流量大于Qp_net_i的那對(duì)，但是條件是Lp(k+H)＞Lp_c；-如果Lp_i(k+H)＜Lp_c，保留獲得Lp(k+H)＞Lp_c的那對(duì)，如果有可能最大化凈流量。
接下來(lái)，通過(guò)預(yù)先輸入滲透流量Qp和過(guò)濾時(shí)間tF計(jì)算命令，以及新的水質(zhì)和操作條件參數(shù)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬試驗(yàn)設(shè)備對(duì)下一周期k+1的實(shí)際反應(yīng)。此網(wǎng)絡(luò)計(jì)算此周期結(jié)束和下一周期開(kāi)始時(shí)的阻力。
考慮到待處理的液體的質(zhì)量可能會(huì)有較大的變化，有必要選擇足夠長(zhǎng)的水平周期，以說(shuō)明液壓阻力的漂移，但是，如果足夠短的話，有可能認(rèn)為水質(zhì)在水平周期H內(nèi)恒定不變。
也要限定滲透流量和過(guò)濾時(shí)間極限，和為應(yīng)用調(diào)節(jié)所選擇的變化幅度。變化幅度是所測(cè)驗(yàn)的不同流量和時(shí)間值之間的跳變，目的是優(yōu)化凈流量。
最后，測(cè)驗(yàn)滲透率極限值Lp_c的選擇對(duì)控制和滲透率漂移的影響。
使用這些模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的調(diào)節(jié)方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬試驗(yàn)設(shè)備的反應(yīng)。因此有可能證實(shí)滲透率保持特別高的水平，并且凈流量相比沒(méi)有調(diào)節(jié)的傳統(tǒng)操作較高。
那么這種技術(shù)就直接原位對(duì)實(shí)驗(yàn)性超濾設(shè)備生效。
建立調(diào)節(jié)算法。構(gòu)建這種算法所基于策略的基本點(diǎn)如下-過(guò)濾時(shí)間和滲透流量(分別為tF和Qp)的變化控制在恒定最小極限和最大極限之間；-就滲透流量而言，從一個(gè)周期到下一周期的變化限制于5l.h-1.m-2；-對(duì)每個(gè)周期來(lái)說(shuō)，在滿足限制Lp(k+H)＞Lp_c的情況下，尋找產(chǎn)生最高凈流量的對(duì)(tF和Qp)；-如果tF＝tF_min.，Qp＝Qp_min.，并假定Lp(k+H)＜Lp_c，則產(chǎn)生警報(bào)。按照一種實(shí)施方式，警報(bào)觸發(fā)試驗(yàn)設(shè)備的整體關(guān)閉。但是，可以引入更為漸進(jìn)性的行動(dòng)系列，例如一個(gè)閥值，超過(guò)此值在一些周期內(nèi)保持最小控制，另一閥值，超過(guò)此值試驗(yàn)設(shè)備關(guān)閉，或者要求操作者干預(yù)。
圖3表示此算法的流程圖。
此算法中涉及的常量是-滲透率設(shè)定點(diǎn)Lp_c；-長(zhǎng)度，作為預(yù)測(cè)水平周期的數(shù)目H；-Qp和tF變化的最小和最大極限Qp_min，Qp_max，tF_min，tF_max；-在測(cè)驗(yàn)所有(Qp，tF)對(duì)的過(guò)程中Qp和tF的變化幅度ΔQp和ΔtF。
局部變量為-滲透流量Qp和過(guò)濾時(shí)間tF；
-Qp_net0，作為(Qp和tF)對(duì)的性能比較標(biāo)準(zhǔn)的凈流量；-Qp的變化，從一個(gè)周期到另一周期被限制于±5l.h-1.m-2，Qp_low和Qp_high為Qp可以改變的極限；-Qp_i，Qp_net_i和Lp_i分別為初始流量，初始凈流量和初始滲透率；-Lp為通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的滲透率向量；-Qp_net為利用Qp和tF的當(dāng)前值計(jì)算的凈流量；-Qp_c和tF_c為所使用的流量和時(shí)間控制值，它們作為響應(yīng)變量在程序的出口處被傳送；-警報(bào)為布爾型，在程序的出口傳送，它指示是否有臨界操作條件。
響應(yīng)變量是-輸入T，Qp，tF，Qc，Tur，TOC，O2，pH，UV，EH，Xi，PBW，[cl2]BW，tBW，Ptm；-輸出Qp，tF，警報(bào)。
在“初始化”區(qū)段，Qp_c和tF_c分別被初始化為Qp_min和tF_min，警報(bào)初始化為0。
形成本發(fā)明主題的調(diào)節(jié)方法原位生效。經(jīng)過(guò)一周的操作所獲得結(jié)果的例子以圖4a至4c和5a至5c中的曲線表示，其中操作周期的數(shù)目繪制在x軸，水質(zhì)，滲透率，通過(guò)模型預(yù)測(cè)的H周期后的滲透率，滲透流量和過(guò)濾時(shí)間控制等各種測(cè)量參數(shù)繪制在y軸上。
由于本發(fā)明，通過(guò)改變過(guò)濾時(shí)間tF和滲透流量Qp，以限制超濾膜的阻塞量，已經(jīng)可能在幾天內(nèi)把滲透率保持在恒定的極限之上。
當(dāng)然，仍需聲明的是本發(fā)明并不限于上述的實(shí)施方式，相反它包含其所有變體，例如那些采用液壓氣動(dòng)和氣動(dòng)沖洗操作，或者利用不同于滲透流量或過(guò)濾時(shí)間的操作參數(shù)的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.調(diào)節(jié)膜過(guò)濾設(shè)備，特別是用于飲用水生產(chǎn)場(chǎng)所的方法，設(shè)計(jì)目的是防止膜的不可逆阻塞，同時(shí)最大化生產(chǎn)率，而不論進(jìn)入設(shè)備的液體的質(zhì)量如何，這種方法特征在于按照通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的關(guān)于膜阻塞的變化，把設(shè)備的操作參數(shù)從屬于由待處理液體質(zhì)量所導(dǎo)致的性能特征，以模擬膜過(guò)濾設(shè)備的長(zhǎng)期操作，使其成為可能的模型如下-按照給定周期中引入液體的質(zhì)量和膜的狀態(tài)，計(jì)算在限定的水平周期內(nèi)，作為時(shí)間函數(shù)的上述膜的阻塞狀態(tài)的變化，對(duì)引入液體的模擬質(zhì)量執(zhí)行上述計(jì)算，上述質(zhì)量在此水平周期(H)內(nèi)為恒定不變或可變，-監(jiān)測(cè)并調(diào)節(jié)設(shè)備操作參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，設(shè)置一個(gè)阻塞極限水平，并進(jìn)行調(diào)節(jié)以使得設(shè)備以等于或小于該極限水平工作。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，在每個(gè)生產(chǎn)周期-確定設(shè)備上所有質(zhì)量參數(shù)和操作條件的試驗(yàn)值；-把這些參數(shù)作為輸入?yún)?shù)輸入基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的阻塞預(yù)測(cè)模型，它計(jì)算在預(yù)測(cè)水平周期(H)內(nèi)的阻塞變化，從而使H生產(chǎn)周期后的滲透率預(yù)測(cè)成為可能；-當(dāng)H周期后滲透率小于滲透率極限(Lp_c)時(shí)，指定凈流量減??；-當(dāng)H周期后滲透率大于滲透率極限(Lp_c)時(shí)，通過(guò)改變滲透流量和/或過(guò)濾時(shí)間，增加指定凈流量。
4.如權(quán)利要求3的方法，其特征在于以如下方式控制滲透流量-過(guò)濾時(shí)間對(duì)的相應(yīng)值，H周期后滲透率等于或大于滲透率極限(Lp_c)，并且凈流量盡可能高。
5.如權(quán)利要求3的方法，其特征在于控制一個(gè)或多個(gè)以下操作參數(shù)的相應(yīng)值-滲透流量或跨膜壓，根據(jù)生產(chǎn)中以恒定壓力或恒定流量執(zhí)行操作；-過(guò)濾時(shí)間；-循環(huán)流量，其可能從再循環(huán)模式切換至橫向模式；-循環(huán)回路清洗流量；-回流時(shí)間；-回流壓力或回流流量，根據(jù)以恒定壓力或恒定流量執(zhí)行回流操作；-回流水中氯或任何其它添加劑的溶解濃度；-添加劑在過(guò)濾循環(huán)過(guò)程中的注入/定量參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在最大化生產(chǎn)率的同時(shí)防止膜的不可逆阻塞的方法，而不論設(shè)備進(jìn)水口處液體的質(zhì)量如何。該方法在于基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)膜的阻塞發(fā)展進(jìn)行的相關(guān)預(yù)測(cè)，由待處理液體質(zhì)量導(dǎo)致的性能來(lái)自動(dòng)控制設(shè)備的操作參數(shù)，以模擬膜過(guò)濾設(shè)備的長(zhǎng)期操作，該模型使得可以基于給定周期中流動(dòng)液體的質(zhì)量以及膜的狀態(tài)，計(jì)算在指定的水平周期內(nèi)基于時(shí)間的膜阻塞狀態(tài)的發(fā)展，在所述水平周期(H)內(nèi)對(duì)恒定或變化的模擬流動(dòng)質(zhì)量來(lái)進(jìn)行所述計(jì)算，所述計(jì)算控制并調(diào)節(jié)設(shè)備操作參數(shù)。
文檔編號(hào)C02F1/44GK1476348SQ01819280
公開(kāi)日2004年2月18日 申請(qǐng)日期2001年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)明者納斯里·溫森特, 邁克·凱博素德, 考瑞尼·凱博素德, 勞倫斯·都蘭德－保利爾, 簡(jiǎn)－邁克·萊尼, 凱博素德, 都蘭德-保利爾, 凱博素德, 恕だ襯, 納斯里 溫森特 申請(qǐng)人:奧迪奧服務(wù)公司