CN105084520A - 优化的膜生物反应器反冲洗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化的膜生物反应器反冲洗的方法，膜生物反应器以恒通量运行，包括：步骤一、计算一定时间段内膜生物反应器的膜组件的跨膜压差TMP；步骤二、计算该一定时间段内的相似度S：其中一种方法为：首先确定出跨膜压差参考值T_ref，然后利用跨膜压差TMP根据如下公式计算出相似度S，以及，步骤三、比较S值与预设阈值，若S值≥预设阈值，则以在线清洗方式采用不同清洗时间冲洗膜组件，若S值＜预设阈值，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗膜组件。本发明根据膜污染的实际情况，通过低强度、更及时的清洗，将MBR膜的污染消除在刚形成阶段，防止膜污染得不到及时恢复形成协同恶化的效应，节能省时，延长膜组件的使用寿命。

Description

优化的膜生物反应器反冲洗的方法

技术领域

本发明涉及一种优化的膜生物反应器反冲洗的方法。

背景技术

MBR膜生物反应器是将活性污泥法和膜分离技术相结合，以膜分离技术取代传统常规活性污泥法中二沉池的污水处理新方法。与传统活性污泥法相比，其具有出水水质好且稳定，剩余污泥产量少，占地面积小、易于安装，运行操作方便等许多优点。同时，在实际应用过程中，也存在一些问题，如易污染，寿命相对较短，成本高，能耗高等。在水处理过程，悬浮的活性污泥和坏死的微生物容易在MBR膜上结垢污染和堵塞MBR膜，造成MBR膜使用寿命短。MBR膜组件在运行过程中的膜污染导致了膜通量衰减快，所需要的膜面积增加，从而导致投资增加。

目前广泛应用于污水处理领域的MBR清洗方式是定时进行反冲洗(气洗、水洗或气水洗)、药洗。如每月进行一次在线碱洗(碱洗：主要清洗运行过程中污泥等附着在膜片表面的有机物质)，每3个月至半年进行一次酸洗(酸洗：主要清洗无机物质、清洗效果好来恢复膜通量。正常压差为-10kpa以内，当压差达到-15kpa至-20kpa之间需进行清洗恢复膜通量。很多厂家对膜组件的清洗方式都是定时清洗，反冲洗强度、加药量根据膜厂家的建议设定为较大的固定值，以高强度的清洗减缓膜污染。高强度的反冲洗对膜丝有不同程度的损害，酸洗、碱洗也会对膜及膜上生物产生伤害，这些都迫切需要改善清洗方式。目前的清洗方式显得简单而有限，缺乏操作条件变化时的灵活性，且未考虑节能降耗。实际上，清洗是为了控制膜污染、保持膜的通透性，因此清洗方式及强度可以根据膜污染的实际情况进行调整。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种优化的膜生物反应器反冲洗的方法，本发明根据膜污染的实际情况，通过低强度、更及时的清洗，将MBR膜的污染消除在刚形成阶段，防止膜污染得不到及时恢复形成协同恶化的效应。

为此，本发明提供的技术方案为：

一种优化的膜生物反应器反冲洗的方法，所述膜生物反应器以恒通量运行，包括如下步骤：

步骤一、计算一定时间段内膜生物反应器的膜组件两侧的跨膜压差TMP；

步骤二、计算该一定时间段内的相似度S：其中一种计算方法为：首先确定出跨膜压差参考值T_ref，然后利用步骤一中得到的跨膜压差TMP根据如下公式计算出相似度S，

$S\left(T_{ref}\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\Σ}}{e}^{-\left|T_{ref}-{\mathrm{TMP}}_i\right|}}{i};$ 以及，

步骤三、比较步骤二中得到的S值与预设阈值，若S值大于或等于预设阈值，则以在线清洗方式采用不同清洗时间冲洗所述膜组件，若S值小于预设阈值，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

优选的是，所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法中，所述步骤三中，还包括：

设置最长冲洗时间Q_max、中等冲洗时间Q_med和最短冲洗时间Q_min，其中，所述中等冲洗时间Q_med＝Q_min+(1-S)×(Q_max-Q_min)，

且，设置所述预设阈值为0.4，

若0.75≤S≤1，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间的时长冲洗所述膜组件，若0.65≤S＜0.75，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最小冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.5≤S＜0.65，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和中等冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.4≤S＜0.5，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最大冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若S值<0.4，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。。

优选的是，所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法中，所述步骤二中，计算该一定时间段内的相似度S的另一种方法为：

2.1)根据步骤一中得到的跨膜压差值TMP计算该一定时间段内膜生物反应器的膜组件两侧的跨膜压差变化率μ，

$\mathrm{\&mu;}=\frac{dTMP}{dt};$

2.2)设定跨膜压差变化率参考值为：

$T_{{\mathrm{ref}}_i}=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&mu;}}_i}{i}*90\%;$ 以及，

2.3)根据如下公式计算出相似度S，

$S(\mathrm{\&mu;},T_{ref})=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|{\mathrm{\&mu;}}_i-T_{{\mathrm{ref}}_i}\right|}}{i}.$

优选的是，所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法中，在所述步骤二中，根据另一种方法计算该一定时间段内的所述相似度S时，在所述步骤三中，还包括：

设置最长冲洗时间Q_max、中等冲洗时间Q_med和最短冲洗时间Q_min，其中，所述中等冲洗时间Q_med＝Q_min+(9·S-6.65)×(Q_max-Q_min)，

设置所述预设阈值为0.7，

若0.9≤S≤1，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间的时长冲洗所述膜组件，若0.85≤S＜0.9，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最小冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.75≤S＜0.85，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和中等冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.7≤S＜0.75，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最大冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若S值<0.7，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

优选的是，所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法中，所述步骤二中，确定出跨膜压差参考值T_ref的具体方法如下：

利用步骤一中得到的多个一定时间段内的跨膜压差值TMP根据下式计算出该膜组件的跨膜压差均值μ_i，以作为该一定时间段内的跨膜压差参考值T_ref，

${\mathrm{\&mu;}}_i=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_i}{i};$

此时，相似度S的计算公式如下所示：

$S(\mathrm{\&mu;},T_{ref})=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|{\mathrm{\&mu;}}_i-{\mathrm{TMP}}_i\right|}}{i}$

优选的是，所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法中，设定所述一定时间段为一个产水周期，根据如下公式计算所述产水周期内的跨膜压差TMP，

$TMP=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e},$

其中TMP_s为所述产水周期开始时所述膜组件两侧的跨膜压差，TMP_e为所述产水周期结束时的所述膜组件两侧的跨膜压差。

优选的是，所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法中，设定所述一定时间段为一个自然日，每自然日有N个产水周期，根据如下方法计算出每个自然日的跨膜压差TMP：

首先，根据如下公式计算出第n个产水周期的跨膜压差TMP_n，

${\mathrm{TMP}}_n=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e}$

其中TMP_s为每个产水周期开始时所述膜组件两侧的跨膜压差，TMP_e为每个产水周期结束时的所述膜组件两侧的跨膜压差；

然后根据每个产水周期的跨膜压差TMP_n，利用如下公式计算出每自然日的渗透压差TMP_d，

${\mathrm{TMP}}_d=\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_n\right)/N$

即得到跨膜压差TMP。

优选的是，所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法中，在所述步骤二之后还包括：

步骤四、判断是否需要检修或更换膜组件：根据如下公式计算所述一定时间段内跨膜压差变化率与跨膜压差变化率参考值T_ref的比值R，

$R=\left(\frac{dTMP}{dt}\right)/T_{ref}$

若R＜0.6，则需检修或更换所述膜组件。

优选的是，所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法中，在所述步骤一之后还包括：

步骤五、判断是否需要更换膜组件：

5.1)设所述膜组件在多个一定时间段t₁,t₂,...,t_i,…内，所述膜组件的跨膜压差依次为TMP₁,TMP₂,...,TMP_i,…，定义膜组件在该一定时间段内跨膜压差均值为p_i，则

$p_i=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_i}{i}$

5.2)设定所述膜组件的跨膜压差均值稳定值为p₀，令，

$p_0=\frac{\underset{1}{\overset{1000}{\&Sigma;}}{p}_i}{1000}*95\%$

若p_i＞150％*p₀，则判断所述膜组件需要更换。

本发明至少包括以下有益效果：

1)优化反冲洗控制方式，将污染消除在刚形成的阶段；2)减少膜冲洗时间，提升工艺每日产水时间，提高工艺日处理量；3)极大的优化反冲洗时间，提高冲洗水利用率；4)节约反冲洗时间，降低反冲洗设备(反冲洗水泵、空压机等)能耗，实现节能；5)优化膜组件清洗方式，延长膜组件使用寿命，降低成本；6)不需新增硬件设备，安全性高，对系统的正常运行无影响。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中优化的膜生物反应器反冲洗的方法的部分流程图。

图2为本发明其中一个实施例中优化的膜生物反应器反冲洗的方法的部分逻辑计算框图。

图3为本发明其中一个实施例中恒通量运行下，膜组件跨膜压差在一个产水周期中的变化趋势图。

图4为本发明其中一个实施例中优化的膜生物反应器反冲洗的系统的部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

应当知道，本文所涉及的S的预设阈值、跨膜压差变化率、跨膜压差变化率与跨膜压差变化率参考值T_ref的比值R、最大清洗时间、最小清洗时间和中等清洗时间等在本文中的所设阈值或数值仅为参考值，其数值可由使用者自行设定。

MBR工艺多以恒通量运行，随时间的进行跨膜压差逐渐增加，当跨膜压差达到某一临界值或突然骤增时，需要进行反冲洗等清洗工作。本发明提供了一种根据膜的跨膜压差或膜通量的变化趋势作为控制参数以调节膜组件清洗频时间方法及其系统。

如图1～图3所示，本发明提供一种优化的膜生物反应器反冲洗的方法，所述膜生物反应器以恒通量运行，包括如下步骤：

步骤一、计算一定时间段内膜生物反应器的膜组件两侧的跨膜压差TMP；

步骤二、计算该一定时间段内的相似度S：其中一种计算方法为：首先确定出跨膜压差参考值T_ref，然后利用步骤一中得到的跨膜压差TMP根据如下公式计算出相似度S，

$S\left(T_{ref}\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|T_{ref}-{\mathrm{TMP}}_i\right|}}{i};$ 以及，

步骤三、比较步骤二中得到的S值与预设阈值，，若S值大于或等于预设阈值，则以在线清洗方式采用不同清洗时间冲洗所述膜组件，若S值小于预设阈值，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

作为优选，所述步骤三中，还包括：

设置最长冲洗时间Q_max、中等冲洗时间Q_med和最短冲洗时间Q_min，其中，所述中等冲洗时间Q_med＝Q_min+(1-S)×(Q_max-Q_min)，

且，设置所述预设阈值为0.4，

若0.75≤S≤1，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间的时长冲洗所述膜组件，若0.65≤S＜0.75，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最小冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.5≤S＜0.65，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和中等冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.4≤S＜0.5，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最大冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若S值<0.4，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。即若S值落入0.75～1之间，则不需对膜组件清洗过程进行改变、加强，若S值落入0.65～0.75之间，则在原清洗时间的基础上加以最短冲洗时间以加强冲洗所述膜组件，若S值落入0.5～0.65之间，则在原清洗时间的基础上加以中等冲洗时间以加强冲洗所述膜组件，若S值落入0.4～0.5之间，则在原清洗时间的基础上加以最大冲洗时间以加强冲洗所述膜组件，若S值<0.4，则采用在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述步骤二中，计算该一定时间段内的相似度S的另一种方法为：

2.1)根据步骤一中得到的跨膜压差值TMP计算该一定时间段内膜生物反应器的膜组件两侧的跨膜压差变化率μ，

$\mathrm{\&mu;}=\frac{dTMP}{dt};$

2.2)设定跨膜压差变化率参考值为：

$T_{{\mathrm{ref}}_i}=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&mu;}}_i}{i}*90\%;$ 以及，

2.3)根据如下公式计算出相似度S，

$S(\mathrm{\&mu;},T_{ref})=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|{\mathrm{\&mu;}}_i-T_{{\mathrm{ref}}_i}\right|}}{i}.$

在上述实施例中，在所述步骤二中，根据另一种方法计算该一定时间段内的所述相似度S时，作为优选，在所述步骤三中，还包括：

设置最长冲洗时间Q_max、中等冲洗时间Q_med和最短冲洗时间Q_min，其中，所述中等冲洗时间Q_med＝Q_min+(9·S-6.65)×(Q_max-Q_min)，

设置所述预设阈值为0.7，

若0.9≤S≤1，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间的时长冲洗所述膜组件，若0.85≤S＜0.9，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最小冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.75≤S＜0.85，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和中等冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.7≤S＜0.75，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最大冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若S值<0.7，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述步骤二中，确定出跨膜压差参考值T_ref的具体方法如下：

利用步骤一中得到的多个一定时间段内的跨膜压差值TMP根据下式计算出该膜组件的跨膜压差均值μ_i，以作为该一定时间段内的跨膜压差参考值T_ref，

${\mathrm{\&mu;}}_i=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_i}{i};$

此时，相似度S的计算公式如下所示：

$S(\mathrm{\&mu;},T_{ref})=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|{\mathrm{\&mu;}}_i-{\mathrm{TMP}}_i\right|}}{i}$

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，设定所述一定时间段为一个产水周期，根据如下公式计算所述产水周期内的跨膜压差TMP，

$TMP=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e},$

其中TMP_s为所述产水周期开始时所述膜组件两侧的跨膜压差，TMP_e为所述产水周期结束时的所述膜组件两侧的跨膜压差。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，设定所述一定时间段为一个自然日，每自然日有N个产水周期，每个产水周期的时间不定，根据如下方法计算出每个自然日的跨膜压差TMP：

首先，根据如下公式计算出第n个产水周期的跨膜压差TMP_n，

${\mathrm{TMP}}_n=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e}$

其中TMP_s为每个产水周期开始时所述膜组件两侧的跨膜压差，TMP_e为每个产水周期结束时的所述膜组件两侧的跨膜压差；

然后根据每个产水周期的跨膜压差TMP_n，利用如下公式计算出每自然日的渗透压差TMP_d，

${\mathrm{TMP}}_d=\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_n\right)/N$

即得到跨膜压差TMP。

如上所述，本发明可以用于判断膜组件的实时污染情况，随着本发明实施时间的延续，本发明同样可以用于膜组件性能的短期、长期监控。例如，在本发明的其中一个实施例中，作为优选，在所述步骤二之后还包括：

步骤四、判断是否需要检修或更换膜组件：根据如下公式计算所述一定时间段内跨膜压差变化率与跨膜压差变化率参考值T_ref的比值R，

$R=\left(\frac{dTMP}{dt}\right)/T_{ref}$

若R＜0.6，则膜组件可能出现破损，如膜丝断裂出现跨膜压差突然减小的情况，膜组件性能(过滤功能)受到损害，将给出提示，处理厂需根据情况对膜组件进行检修或更换。

又如，在本发明的其中一个实施例中，作为优选，在所述步骤一之后还包括：

步骤五、判断是否需要更换膜组件：

5.1)设所述膜组件在多个一定时间段t₁,t₂,...,t_i,…内，所述膜组件的跨膜压差依次为TMP₁,TMP₂,...,TMP_i,…，定义膜组件在该一定时间段内跨膜压差均值为p_i，则

$p_i=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_i}{i}$

5.2)设定所述膜组件的跨膜压差均值稳定值为p₀，令，

$p_0=\frac{\underset{1}{\overset{1000}{\&Sigma;}}{p}_i}{1000}*95\%$

若p_i＞150％*p₀，则判断所述膜组件需要更换。

在本发明的其中一个实施例中，如图1～图3所示，本发明MBR工艺以恒定产水量运行，进水水质稳定，现以跨膜压差为控制参数进行说明，包括以下步骤：

1.根据实时采集的跨膜压差数据，计算每个产水周期的跨膜压差TMP_n、每天的跨膜压差TMP_d及当前跨膜压差变化率

1)第n个产水周期的跨膜压差：TMP_n，单位bar

${\mathrm{TMP}}_n=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e}$

其中TMP_s为产水期开始时的跨膜压差，TMP_e为产水期结束时的跨膜压差。

2)根据每个产水周期膜的跨膜压差TMP_n计算每日的渗透压差TMP_d

${\mathrm{TMP}}_d=\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_n\right)/N$

N表示每天有N个产水周期

3)计算周期跨膜压差均值

${\mathrm{\&mu;}}_i=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_i}{i}$

2.设定周期跨膜压差参考值T_ref

该参考值的取值参考污水处理厂膜的特性，可根据厂家建议或水厂运行经验对跨膜压差参考值进行设定；或采用上述计算所得周期跨膜压差均值μ_i。

3.计算当前周期跨膜压差与周期跨膜压差参考值T_ref的相似度值

设i个产水周期内跨膜压差依次为(TMP₁,TMP₂,TMP₃,…,TMP_i)，相应跨膜压差参考值，即周期跨膜压差均值为(μ₁,μ₂,μ₃,……,μ_i)，计算当前周期跨膜压差与周期跨膜压差参考值的相似度值S：

$S(\mathrm{\&mu;},T_{ref})=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|{\mathrm{\&mu;}}_i-{\mathrm{TMP}}_i\right|}}{i}$

4.根据当前跨膜压差变化率与跨膜压差参考值的相似度值进行判断以调整清理时间

首先根据历史经验确定冲洗时间最大值Q_max、中等范围Q_med和最小值Q_min；随后根据当前跨膜压差变化率与跨膜压差变化率参考值的相似度值S确定清洗方法。

若S值落入0.75～1之间，则不需对膜组件清洗过程进行改变、加强，若S值落入0.65～0.75之间，则在原清洗时间的基础上加以最短冲洗时间以加强冲洗所述膜组件，若S值落入0.5～0.65之间，则在原清洗时间的基础上加以中等冲洗时间以加强冲洗所述膜组件，若S值落入0.4～0.5之间，则在原清洗时间的基础上加以最大冲洗时间以加强冲洗所述膜组件，若S值<0.4，则采用在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

中等冲洗时间定义如下：

Q_med＝Q_min+(1-S)×(Q_max-Q_min)

中等冲洗时间的定义及S值范围的设定，可由使用者根据自身工艺运行情况进行调节。

此处需说明：1)冲洗时间在尽可能保证原方冲洗方式的条件下调整，如原反冲洗为气洗或水洗，则仅调整气洗或水洗的清洗时间；若原反冲洗方式为气水洗结合，则在保证气水洗时间比例不变的情况下，调整反冲洗整体冲洗时间；2)冲洗时间是动态变化的，随周期内跨膜压差的变化而实时计算变化。

5.膜性能监控

如前所述，本发明可以用于判断膜组件的实时污染情况，随着本方法实施时间的延续，本方法同样可以用于膜组件性能的短期、长期监控，具体如下所述。

1)计算当前周期跨膜压差变化率

跨膜压差变化率

2)计算当前周期跨膜压差变化率与周期跨膜压差变化率参考值T_ref的比值

$R=\left(\frac{dTMP}{dt}\right)/T_{ref}$

若跨膜压差突然减小，如R＜0.6，则膜组件可能出现破损，如膜丝断裂出现跨膜压差突然减小的情况，膜组件性能(过滤功能)受到损害，将给出提示，处理厂需根据情况对膜组件进行检修；

3)计算跨膜压差均值

设膜组件在运行时间(t₁,t₂,...,t_i,…)内，其跨膜压差依次为ui(TMP₁,TMP₂,...,TMP_i,…)，定义膜组件在该时间段内跨膜压差均值为p_i：

$p_i=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_i}{i}---\left(4.2\right)$

设定跨膜压差均值稳定值为p₀，该参考值的设定可以参照产品铭牌跨膜压差值，如铭牌值|TMP|<16kPa，则设定p₀＝14kPa，经验值依计算而定。或根据计算结果设定，如设定当膜组件膜通量均值p_i＞150％*p₀时，建议更换膜组件，此处该方法可用于辅助判断该膜系统长期运行性能的监控。

例如，以某水厂为例，某日处理量9千吨水厂，采用MBR膜工艺，产水周期采用进水7分钟停1分钟的方式运行，以工艺运行2h数据为例进行分析，具体如下。

1.实时数据(表1)

表1MBR工艺实时数据

2.周期跨膜压差

计算结果见表2。

表2周期跨膜压差

3.周期跨膜压差均值

表3周期跨膜压均值μ

4.周期跨膜压差参考值

采用周期跨膜压差均值。

5.相似度计算结果

表5相似度计算结果S

6.清洗时间调节

在本实例中，原设定清洗时间为1min，即产水周期中停止进水的1min。设定最小清洗时间Q_min＝0.5min；中等范围Q_med＝0.5～3min；最大清洗时间Q_max＝3.5min。

在本次计算中0.75<S<1，不需加强清洗，按原设定进水7min、停1min运作即可。

在本发明的又一个实施例中，本发明MBR工艺以恒定产水量运行，进水水质稳定，现以跨膜压差为控制参数进行说明，包括以下步骤：

1.根据实时采集的跨膜压差数据，计算每个产水周期的跨膜压差TMP_n、每天的跨膜压差TMP_d及当前跨膜压差变化率

1)第n个产水周期的跨膜压差：TMP_n，单位bar

${\mathrm{TMP}}_n=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e}$

其中TMP_s为产水期开始时的跨膜压差，TMP_e为产水期结束时的跨膜压差。

2)根据每个产水周期膜的跨膜压差TMP_n计算每日的渗透压差TMP_dN表示每天有N个产水周期

3)计算当前跨膜压差变化率

$\begin{array}{cc}\mathrm{\&mu;}=\frac{dTMP}{dt}& {\mathrm{TMP}}_d=\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_n\right)/N\end{array}$

此处可以采用周期跨膜压差变化率

或采用日跨膜压差变化率

2.设定跨膜压差变化率参考值T_ref

该参考值的取值参考污水处理厂膜的特性，可根据该膜铭牌或厂家建议跨膜压差值进行设定；或依据较长时期的膜跨膜压差变化率取值，具体如下。

设污水厂膜连续运行，该膜跨膜压差变化率为(μ₁,μ₂,...,μ_i,…)，设定跨膜压差变化率参考值为：

$T_{{\mathrm{ref}}_i}=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&mu;}}_i}{i}*90\%---\left(4.2\right)$

3.计算当前跨膜压差变化率与跨膜压差变化率参考值T_ref的相似度值

设i个产水周期内跨膜压差变化率依次为(μ₁,μ₂,μ₃,……,μ_i)，相应跨膜压差变化率参考值为(T_ref1,T_ref2,T_ref3,…,T_refi)，计算当前跨膜压差变化率与跨膜压差变化率参考值的相似度值S：

$S(\mathrm{\&mu;},T_{ref})=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|{\mathrm{\&mu;}}_i-T_{{\mathrm{ref}}_i}\right|}}{i}---\left(4.3\right)$

4.根据当前跨膜压差变化率与跨膜压差参考值的相似度值进行判断以调整清理频次及强度

首先根据历史经验确定冲洗时间最大值Q_max、中等范围Q_med和最小值Q_min；随后根据当前跨膜压差变化率与跨膜压差变化率参考值的相似度值S确定清洗方法。

中等冲洗时间定义如下：

Q_med＝Q_min+(9·S-6.65)×(Q_max-Q_min)

若0.9≤S≤1，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间的时长冲洗所述膜组件，若0.85≤S＜0.9，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最小冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.75≤S＜0.85，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和中等冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.7≤S＜0.75，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最大冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若S值<0.7，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

中等冲洗时间的定义及R值范围的设定，可由使用者根据自身工艺运行情况进行调节。

此处需说明：1)冲洗时间在尽可能保证原方冲洗方式的条件下调整，如原反冲洗为气洗或水洗，则调整气洗或水洗的清洗时间；若原反冲洗方式为气水洗结合，则在保证气水洗时间比例不变的情况下，调整反冲洗整体冲洗时间；2)冲洗时间是动态变化的，随周期内跨膜压差的变化而实时计算变化。

5.膜性能监控

如前所述，本方法可以用于判断膜组件的实时污染情况，随着本方法实施时间的延续，本方法同样可以用于膜组件性能的短期、长期监控，具体如下所述。

1)计算当前跨膜压差变化率

跨膜压差变化率

2)计算当前跨膜压差变化率与跨膜压差变化率参考值T_ref的比值

$R=\left(\frac{dTMP}{dt}\right)/T_{ref}$

若跨膜压差突然减小，如R＜0.6，则膜组件可能出现破损，如膜丝断裂出现跨膜压差突然减小的情况，膜组件性能(过滤功能)受到损害，将给出提示，处理厂需根据情况对膜组件进行检修；

3)计算跨膜压差均值

设膜组件在运行时间(t₁,t₂,...,t_i,…)内，其跨膜压差依次为(TMP₁,TMP₂,...,TMP_i,…)，定义膜组件在该时间段内跨膜压差均值为p_i：

$p_i=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_i}{i}---\left(4.2\right)$

设定膜通量均值稳定值为p₀，当膜组件膜通量均值p_i＞150％*p₀时，建议更换膜组件，此处该方法可用于辅助判断该膜系统长期运行性能的监控。

应用范围

本发明应用跨膜压差变化率调节反冲洗时间，同样鉴于跨膜压差与膜通量的关系，亦可根据膜通量变化情况对反冲洗时间进行调节。如图3中，J_s为产水期开始时的膜通量，J_e为产水期结束时的膜通量。设定膜通量为J，跨膜压差为TMP，则J＝K*TMP，其中，K为膜的渗透压，基本固定，膜异常时有所波动。膜通量高时，膜性能较好，冲洗时间短，膜通量低时，膜污染较重，冲洗时间应加长。

本发明同时还提供一种优化的膜生物反应器反冲洗的系统，如图4所示，包括压力计、流量计、反冲洗流量控制装置、加药量控制装置、变频器、水泵和冲洗管，压力计和流量计与反冲洗流量控制装置相连接，反冲洗流量控制装置依次与加药量控制装置、变频器、水泵、冲洗管相连接；反冲洗流量控制装置根据压力计计算跨膜压差的值，并根据跨膜压差的变化趋势确定清洗方式，确定水泵输出，进而达到控制膜组件清洗时间的目的。

在实施上述方法的系统中，根据压力计读数得到跨膜压差的值，并根据跨膜压差的变化趋势确定清洗方法，以控制清洗时间

与现有技术相比，本发明具有以下优点：主要利用跨膜压差的变化趋势作为控制参数实时调控膜组件所需清洗时间，以达到降低膜组件清洗能耗，并尽可能延长膜组件使用寿命的目的。

这里说明的模块数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的运用跨膜压差或膜通量的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

本发明可以1)优化反冲洗控制方式，将污染消除在刚形成的阶段，尽最大可能保护膜性能；2)极大的优化反冲洗时间，提高处理厂每日用于工艺运行的产水时间，提高厂区日处理量；3)节约反冲洗时间，降低反冲洗设备(反冲洗水泵、空压机等)运行能耗，实现节能降耗；4)优化膜组件清洗方式，延长膜组件使用寿命，降低成本；5)不需新增硬件设备，安全性高，对系统的正常运行基本无影响。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种优化的膜生物反应器反冲洗的方法，所述膜生物反应器以恒通量运行，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、计算一定时间段内膜生物反应器的膜组件两侧的跨膜压差TMP；

步骤二、计算该一定时间段内的相似度S：其中一种计算方法为：首先确定出跨膜压差参考值T_ref，然后利用步骤一中得到的跨膜压差TMP根据如下公式计算出相似度S，

$S\left(T_{ref}\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|T_{ref}-{\mathrm{TMP}}_i\right|}}{i};$ 以及，

步骤三、比较步骤二中得到的S值与预设阈值，若S值大于或等于预设阈值，则以在线清洗方式采用不同清洗时间冲洗所述膜组件，若S值小于预设阈值，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

2.如权利要求1所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法，其特征在于，所述步骤三中，还包括：

设置最长冲洗时间Q_max、中等冲洗时间Q_med和最短冲洗时间Q_min，其中，所述中等冲洗时间Q_med＝Q_min+(1-S)×(Q_max-Q_min)，

且，设置所述预设阈值为0.4，

若0.75≤S≤1，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间的时长冲洗所述膜组件，若0.65≤S＜0.75，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最小冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.5≤S＜0.65，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和中等冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.4≤S＜0.5，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最大冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若S值<0.4，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

3.如权利要求1所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法，其特征在于，所述步骤二中，计算该一定时间段内的相似度S的另一种方法为：

2.1)根据步骤一中得到的跨膜压差值TMP计算该一定时间段内膜生物反应器的膜组件两侧的跨膜压差变化率μ，

$\mathrm{\&mu;}=\frac{dTMP}{dt};$

2.2)设定跨膜压差变化率参考值为：

$T_{{\mathrm{ref}}_i}=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&mu;}}_i}{i}*90\%;$ 以及，

2.3)根据如下公式计算出相似度S，

$S(\mathrm{\&mu;},T_{ref})=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|{\mathrm{\&mu;}}_i-T_{{\mathrm{ref}}_i}\right|}}{i}.$

4.如权利要求3所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法，其特征在于，在所述步骤二中，根据另一种方法计算该一定时间段内的所述相似度S时，在所述步骤三中，还包括：

设置最长冲洗时间Q_max、中等冲洗时间Q_med和最短冲洗时间Q_min，其中，所述中等冲洗时间Q_med＝Q_min+(9·S-6.65)×(Q_max-Q_min)，

设置所述预设阈值为0.7，

若0.9≤S≤1，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间的时长冲洗所述膜组件，若0.85≤S＜0.9，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最小冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.75≤S＜0.85，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和中等冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若0.7≤S＜0.75，则以在线清洗方式依照原设定清洗时间和最大冲洗时间之和的时长冲洗所述膜组件，若S值<0.7，则以在线药洗或离线清洗方式冲洗所述膜组件。

5.如权利要求1所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法，其特征在于，所述步骤二中，确定出跨膜压差参考值T_ref的具体方法如下：

利用步骤一中得到的多个一定时间段内的跨膜压差值TMP根据下式计算出该膜组件的跨膜压差均值μ_i，以作为该一定时间段内的跨膜压差参考值T_ref，

${\mathrm{\&mu;}}_i=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_i}{i};$

此时，相似度S的计算公式如下所示：

$S(\mathrm{\&mu;},T_{ref})=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{e}^{-\left|{\mathrm{\&mu;}}_i-{\mathrm{TMP}}_i\right|}}{i}$

6.如权利要求1所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法，其特征在于，设定所述一定时间段为一个产水周期，根据如下公式计算所述产水周期内的跨膜压差TMP，

$TMP=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e},$

其中TMP_s为所述产水周期开始时所述膜组件两侧的跨膜压差，TMP_e为所述产水周期结束时的所述膜组件两侧的跨膜压差。

7.如权利要求1所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法，其特征在于，设定所述一定时间段为一个自然日，每自然日有N个产水周期，根据如下方法计算出每个自然日的跨膜压差TMP：

首先，根据如下公式计算出第n个产水周期的跨膜压差TMP_n，

${\mathrm{TMP}}_n=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e}$

其中TMP_s为每个产水周期开始时所述膜组件两侧的跨膜压差，TMP_e为每个产水周期结束时的所述膜组件两侧的跨膜压差；

然后根据每个产水周期的跨膜压差TMP_n，利用如下公式计算出每自然日的渗透压差TMP_d，

${\mathrm{TMP}}_d=\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_n\right)/N$

即得到跨膜压差TMP。

8.如权利要求3所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法，其特征在于，在所述步骤二之后还包括：

步骤四、判断是否需要检修或更换膜组件：根据如下公式计算所述一定时间段内跨膜压差变化率与跨膜压差变化率参考值T_ref的比值R，

$R=\left(\frac{dTMP}{dt}\right)/T_{ref}$

若R＜0.6，则需检修或更换所述膜组件。

9.如权利要求1所述的优化的膜生物反应器反冲洗的方法，其特征在于，在所述步骤一之后还包括：

步骤五、判断是否需要更换膜组件：

5.1)设所述膜组件在多个一定时间段t₁,t₂,...,t_i,…内，所述膜组件的跨膜压差依次为TMP₁,TMP₂,...,TMP_i,…，定义膜组件在该一定时间段内跨膜压差均值为p_i，则

$p_i=\frac{\underset{1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{\mathrm{TMP}}_i}{i}$

5.2)设定所述膜组件的跨膜压差均值稳定值为p₀，令，

$p_0=\frac{\underset{1}{\overset{1000}{\&Sigma;}}{p}_i}{1000}*95\%$

若p_i＞150％*p₀，则判断所述膜组件需要更换。