CN111573782A - 水处理设备膜污染控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水处理设备膜污染控制方法和装置，其包括膜污染控制设备，该膜污染控制设备用于在水处理设备罐体内通过搅拌以及气液混合增强水体的扰动，降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积；并且通过增大膜过滤部件内外压差强化透过性，降低沉积效应；同时提供了反冲洗和震荡机械清洗功能。本发明一方面在水处理设备罐体内通过搅拌以及气液混合增强水体的扰动，降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积，并且通过增大膜过滤部件内外压差强化透过性，同时提供了反冲洗和震荡机械清洗功能；另一方面，本发明建立膜污染智能评估方法，支持对膜透过性的量化监测和智能预测，从而对膜污染处理功能的执行进行智能控制。

Description

水处理设备膜污染控制方法和装置
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种水处理设备膜污染控制方法和装置。
背景技术
目前，水处理设备中越来越多地采取微滤膜、超滤膜、反渗透膜等膜过滤部件，实现对水体中杂质颗粒、细菌、胶体、盐分的过滤。这些膜过滤部件是内部具有微米级至纳米级孔洞的有机或者无机材料，能够使水分子从孔洞中透过而截留住水体中的杂质颗粒、细菌、胶体、盐分等成分。
然而，在具有膜过滤部件的水处理设备中，膜污染是一个难以解决的问题。膜污染是水体中的杂质颗粒、细菌、胶体、盐分等在膜结构的表面或者其孔洞内部沉积和贴附，从而造成膜过滤部件的透过性明显降低，过滤效果明显变差，且膜过滤部件的使用寿命也会受到显著影响。
目前解决膜污染的技术手段主要包括等压冲洗、反冲洗、机械刮除、化学清洗以及电清洗等清洗手段。所谓等压冲洗是关闭滤液出口并增加原水进入速率，此时膜结构的中空纤维组件内压力随之升高，直至达到中空纤维外侧腔体操作压力相等，即膜两侧压差为0，这样滞留于膜表面的溶质分子悬浮于溶液中并随浓缩液排出。反冲洗是从膜的透过侧通过液体冲洗，将膜面污染物除去的方法。机械刮除是以泡沫塑料球、海绵球反复经过膜表面，对污染物进行械性的去除，该法适用于以有机胶体为污染成分的膜表面的清洗。化学清洗是以碱性清洗剂、酸性清洗剂、酶清洗剂或者表面活性剂对膜进行浸泡和清洗，可以有效去除膜内部的沉积物。电清洗是在膜上施加电场，促使带电粒子或分子将沿电场方向移动，通过在一定时间间隔内施加电场，在膜界面上除去粒子或分子。
然而，以上解决膜污染的方式主要着眼于对已经沉积贴附在膜表面或者其孔洞内表面的污染物进行去除，属于补救性的举措。作为更有效的手段，希望能够降低杂质颗粒、细菌、胶体、盐分等污染物在膜表面及其孔洞内部的沉积，从而预防性地避免对膜过滤部件透过性的影响，增长使用寿命。另外，目前对水处理设备膜污染的处理都是依据维护人员的主观经验来进行，或者基于累计投入使用时间等简单的指标来估测，缺乏可靠、量化的评估和控制方式。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于：提供一种水处理设备膜污染控制方法和装置，本发明一方面在水处理设备罐体内通过搅拌以及气液混合增强水体的扰动，降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积，并且通过增大膜过滤部件内外压差强化透过性，同时提供了反冲洗和震荡机械清洗功能；另一方面，本发明建立膜污染智能评估方法，支持对膜透过性的量化监测和智能预测，从而对膜污染处理功能的执行进行智能控制。
本发明提供了一种水处理设备膜污染控制装置，其特征在于，所述水处理设备包括外壳、水处理罐体，水处理罐体安置在外壳的内部空间；入水口通过管道从外壳延伸至与水处理罐体的内部连通；且入水口处设置加压泵体以便提升供水压力；所述水处理罐体的壁面开设置有若干过水孔，且水处理罐体的内壁面贴附设置有膜过滤部件，膜过滤部件从内部封闭所述过水孔；待净化的原水由入水口进入水处理罐体，在压力差驱动下水体透过膜过滤部件进行过滤，净水由过水孔流入外壳与水处理罐体之间的容水空间，然后从位于外壳下部的净水出口流出；
所述水处理设备还包括：膜污染控制设备，该膜污染控制设备用于在水处理设备罐体内通过搅拌以及气液混合增强水体的扰动，降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积；并且通过增大膜过滤部件内外压差强化透过性，降低沉积效应；同时提供了反冲洗和震荡机械清洗功能。
优选的是，所述膜污染控制设备包括中空导管、电机以及搅拌螺旋杆；所述中空导管由所述外壳延伸至所述水处理罐体以内；中空导管的导管壁开设一定数量的通孔，且中空导管的横截面由上至下直径逐步增大；在中空导管的上部连接供气管路以及气泵，以及排水管路以及排水泵；所述电机固定在外壳顶部，且电机的电机轴固定联接搅拌螺旋杆；搅拌螺旋杆安置在中空导管内部空间，且其螺旋片与中空导管的内壁面贴合。
优选的是，在正常的水处理过程中，电机的正向旋转带动搅拌螺旋杆的正向转动，同时气泵通过供气管路向中空导管内部进行供气，气泵的加压使得供应的气体具有一定的气压，从而使气体从中空导管的导管壁通孔中喷出。
优选的是，当需要执行污染物处理时，电机反转，并且通过搅拌螺旋杆在中空导管内的反转作用，在中空导管形成负压效果，且通过所述中空导管横截面直径由上至下逐步增大的形状，使负压产生更大的吸引效果，在负压的驱动下形成从外壳至水处理罐体再到中空导管内部的反向水体流动，从而对膜过滤部件形成反冲洗的效果，使贴附在过滤膜表面或者内部孔洞的污染物在反向水流的冲洗下被剥离，进而从水处理罐体反向进入中空导管，并且在搅拌螺旋杆的带动下以及排水泵的抽吸下，经排水管路被排出，从而提升了过滤膜的透过性。
优选的是，所述搅拌螺旋杆的末端连接搅拌扇叶，搅拌扇叶位于中空导管的外部，在水处理罐体的罐内直接进行搅拌，从而在正常的水处理过程中提高原水在水处理罐体中的扰动。
优选的是，所述水处理罐体的底部设置有震荡发生装置，在反冲洗启动的同时，由震荡发生装置进行震荡。
优选的是，所述水处理罐体通过减震支撑件固定在外壳的内壁；所述减震支撑件包括支撑夹板、弹簧模组、胶垫以及接点；两块所述支撑夹板通过胶垫的贴合而夹持安置所述水处理罐体，并且支撑夹板连接弹簧模组，每个弹簧模组包括多根并排的弹簧构件，且每个弹簧构件经接点焊接固定在外壳的内壁之上。
优选的是，所述水处理罐体的内部散置一些清洁用的橡胶球，所述的橡胶球在水体搅动以及震荡作用下，与水处理罐体内壁的过滤膜进行摩擦接触，从而可以机械清洁一些贴附在膜内表面的污染物颗粒。
本发明提供了一种水处理设备膜污染控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在正常的水处理过程中，在水处理设备罐体内通过搅拌以及气液混合，增强水体的扰动，降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积；并且通过增大膜过滤部件内外压差强化透过性，降低沉积效应；以及
当需要执行污染物处理时，通过搅拌螺旋杆在中空导管内的反转作用，在中空导管形成负压效果，且通过所述中空导管横截面直径由上至下逐步增大的形状，使负压产生更大的吸引效果，在负压的驱动下形成从外壳至水处理罐体再到中空导管内部的反向水体流动，从而对膜过滤部件形成反冲洗的效果，使贴附在过滤膜表面或者内部孔洞的污染物在反向水流的冲洗下被剥离，进而从水处理罐体反向进入中空导管，并且在搅拌螺旋杆的带动下以及排水泵的抽吸下，经排水管路被排出，从而提升了过滤膜的透过性。
优选的是，通过设置在水处理设备的传感器测量运行过程数据，采集的运行过程数据包括：出水压力、出水浊度、出水流量；将运行过程数据执行数据预处理，将处理后的出水压力、出水浊度、出水流量作为输入变量，进行膜过滤部件透水率的预测，并且根据预测透水率决定水处理设备执行正常水处理功能还是清洗功能；以及，在正常水处理功能中，根据预测透水率决定搅拌速度以及气泵的供气压力，从而通过调节水体扰动程度以及内外压差，保持膜的通过性；并且，当预测透水率低于允许的透水率指标，则切换为清洗功能，执行反冲洗和震荡清洁。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：首先，本发明在水处理设备的正常处理过程中，通过增强水体的扰动，以及增大膜过滤部件内外压差，能够显著降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积，强化透过性；其次，本发明提供了反冲洗和震荡机械清洗功能，能够综合采用多种手段消除过滤膜的污染物沉积；第三，本发明建立膜污染智能评估方法，支持对膜透过性的量化监测和智能预测，从而对膜污染处理功能的执行进行智能控制，提高了膜清洗的科学性和预测性。
附图说明
图1A-1B为本发明实施例中水处理设备膜污染控制装置结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1A-1B为本发明实施例中水处理设备膜污染控制装置结构图。水处理设备包括外壳1、水处理罐体2，水处理罐体2安置在外壳1的内部空间。入水口11通过管道从外壳1延伸至与水处理罐体2的内部连通，入水口11通过管道接头与原水供水管路接通，且入水口11处设置加压泵体41以便提升供水压力。如图1B所示，所述水处理罐体2的壁面开设置有若干过水孔21，且水处理罐体2的内壁面贴附设置有膜过滤部件22，所述膜过滤部件22采用富有微米级至纳米级孔洞结构的过滤膜，膜过滤部件22从内部封闭所述过水孔21。这样，待净化的原水由入水口11进入水处理罐体2，在供水压力的作用下，原水在水处理罐体2内聚集从而在水处理罐体2的内外形成压力差，在压力差驱动下水体透过膜过滤部件22进行过滤，水体中的杂质颗粒、细菌、胶体、盐分等在膜结构的表面或者其孔洞内部被滤除，净水由过水孔21流入外壳1与水处理罐体2之间的容水空间，然后从位于外壳1下部的净水出口18流出。
本发明在水处理设备上加装了膜污染控制设备，该控制设备在水处理设备罐体内通过搅拌以及气液混合增强水体的扰动，降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积；并且通过增大膜过滤部件内外压差强化透过性，降低沉积效应；同时提供了反冲洗和震荡机械清洗功能。所述膜污染控制设备包括中空导管31、电机32以及搅拌螺旋杆33。所述中空导管31由外壳1延伸至水处理罐体2以内，中空导管31的导管壁开设一定数量的通孔34，实现中空导管31内部空间与水处理罐体2罐内的联通，且中空导管31的横截面由上至下直径逐步增大。在中空导管31的上部连接供气管路12以及气泵42，以及排水管路13以及排水泵43。所述电机32固定在外壳1顶部，且电机32的电机轴固定联接搅拌螺旋杆33。搅拌螺旋杆33安置在中空导管31内部空间，且其螺旋片与中空导管31的内壁面贴合。在搅拌螺旋杆33的末端连接搅拌扇叶35，搅拌扇叶35位于中空导管31的外部，可以在水处理罐体2的罐内直接进行搅拌。
在正常的水处理过程中，电机32的正向旋转带动搅拌螺旋杆33和搅拌扇叶35的正向转动，同时气泵42通过供气管路12向中空导管31内部进行供气，气泵42的加压使得供应的气体具有一定的气压，从而使气体从中空导管31的导管壁通孔34中喷出。搅拌扇叶35的转动以及喷出气体的冲激作用，提高了原水在水处理罐体2中的扰动，降低了污染物在膜过滤部件22的沉积作用，并且由于搅拌螺旋杆33在中空导管31内的搅动以及气体的压力，进一步增大了水处理罐体2内外的压力差，提高了过滤膜的通过性。
随着使用时间的增长，膜过滤部件表面及其过滤膜的内部孔洞中不可避免逐渐产生污染物的沉积，导致透过性的降低以及过滤效果的减弱，仍然需要进行必要的处理。本发明的膜污染控制设备同时提供了反冲洗和震荡机械清洗功能。当需要执行污染物处理时，电机32反转，搅拌扇叶35带动水处理罐体2内的水体充分扰动，并且通过搅拌螺旋杆33在中空导管31内的反转作用，在中空导管31形成负压效果，且通过所述中空导管31横截面直径由上至下逐步增大的形状，使负压产生更大的吸引效果，在负压的驱动下形成从外壳1至水处理罐体2再到中空导管31内部的反向水体流动，从而对膜过滤部件22形成反冲洗的效果，使贴附在过滤膜表面或者内部孔洞的污染物在反向水流的冲洗下被剥离，进而从水处理罐体2反向进入中空导管31，并且在搅拌螺旋杆33的带动下以及排水泵43的抽吸下，经排水管路13被排出，从而提升了过滤膜的透过性。
所述水处理罐体2的底部设置有震荡发生装置10，在反冲洗启动的同时，由震荡发生装置10进行震荡，进一步促使过滤膜沉积的杂质脱离，提高清洁效果。所述水处理罐体2通过减震支撑件固定在外壳1的内壁。所述减震支撑件包括支撑夹板14、弹簧模组15，胶垫16以及接点17。两块所述支撑夹板14通过胶垫16的贴合而夹持安置所述水处理罐体2，并且支撑夹板14连接弹簧模组15，每个弹簧模组15包括多根并排的弹簧构件，且每个弹簧构件经接点17焊接固定在外壳1的内壁之上。在震荡发生装置10的震荡作用中，通过减震支撑件中弹簧模组15的作用，实现缓冲减震，避免内部震动传导到外壳1。且水处理罐体2的内部散置一些清洁用的橡胶球23，所述的橡胶球23在水体搅动以及震荡作用下，与水处理罐体2内壁的过滤膜进行摩擦接触，从而可以机械清洁一些贴附在膜内表面的污染物颗粒。
本发明还具有智能控制设备，所述电机32、加压泵体41、气泵42、排水泵43以及震荡发生装置10均电连接该智能控制设备并在智能控制设备的控制下工作。该智能控制系统监测水处理设备的运行过程数据，对其中膜过滤组件的透过性参数进行定量预测，并且根据透过性的预测执行正常水处理状态和反冲洗状态的切换以及控制。智能控制设备通过设置在水处理设备的传感器测量运行过程数据采集，采集的运行过程数据包括：出水压力、出水浊度、出水流量；将运行过程数据传输给智能控制设备的可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器执行数据预处理，将处理后的出水压力、出水浊度、出水流量作为输入变量输入到膜污染评估模块。膜污染评估模块根据出水压力、出水浊度、出水流量，进行膜过滤部件透水率的预测，并且将预测透水率输出给智能控制设备的控制接口模块。控制接口模块根据预测透水率所代表的过滤膜的污染物沉积程度，决定水处理设备执行正常水处理功能还是清洗功能；以及，在正常水处理功能中，控制接口模块根据预测透水率决定搅拌螺旋杆33的搅拌速度以及气泵的供气压力，从而通过调节水体扰动程度以及内外压差，保持膜的通过性；并且，当预测透水率低于允许的透水率指标，则控制接口模块切换为清洗功能，控制电机进行反转，并且通过排水泵以及震荡发生装置执行反冲洗和震荡清洁。
所述膜污染评估模块采用DBN深度置信神经网络，以出水压力、出水浊度、出水流量作为DBN深度置信神经网络的输入变量，以预测透水率作为输出变量。该DBN深度置信神经网络包含1个输入层，2个隐含层，1个输出层构成。输入层的神经元为3个，每个隐含层神经元为M个，M大于2小于等于20，输出层神经元为1个。事先经过测试，将N组出水压力、出水浊度、出水流量数值以及对应每一组的膜透过率作为训练样本，代入DBN网络，训练DBN网络达到预定的偏差范围之内，则该DBN网络可以实际用于对膜透水率的预测。经过训练后，将t时刻水处理设备的出水压力、出水浊度、出水流量数值整合为输入变量输入至DBN网络，x(t)＝[x1(t)，x2(t)，x3(t)]，其中x1(t)表示出水压力，x2(t)表示出水浊度，x3(t)表示出水流量；DBN网络进行预测透水率计算的方式为：
输入层
h0(t)＝x(t)
第一隐含层
Figure BDA0002507713980000061
第二隐含层
Figure BDA0002507713980000071
输出层
Figure BDA0002507713980000072
其中h0(t)表示t时刻输入层的输出向量，h1(t)表示t时刻第一隐含层的输出向量，h2(t)表示t时刻第二隐含层的输出向量，w0，1(t)表示t时刻输入层与第一隐含层之间的权值，w1，2(t)表示t时刻第一与第二隐含层之间的权值，w2，3(t)表示t时刻第二隐含层与输出层之间的权值，b1(t)表示t时刻第一隐含层的偏置向量，b2(t)表示t时刻第二隐含层的偏置向量，y(t)表示DBN网络的实际输出，即膜过滤部件的预测透水率，将预测透水率输出给智能控制设备的控制接口模块，实现对水处理设备执行正常水处理功能还是清洗功能的切换，以及对工作参数的控制。
可见，本发明在水处理设备的正常处理过程中，通过增强水体的扰动，以及增大膜过滤部件内外压差，能够显著降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积，强化透过性；其次，本发明提供了反冲洗和震荡机械清洗功能，能够综合采用多种手段消除过滤膜的污染物沉积；第三，本发明建立膜污染智能评估方法，支持对膜透过性的量化监测和智能预测，从而对膜污染处理功能的执行进行智能控制，提高了膜清洗的科学性和预测性。

Claims (10)

1.一种水处理设备膜污染控制装置，其特征在于，所述水处理设备包括外壳、水处理罐体，水处理罐体安置在外壳的内部空间；入水口通过管道从外壳延伸至与水处理罐体的内部连通；且入水口处设置加压泵体以便提升供水压力；所述水处理罐体的壁面开设置有若干过水孔，且水处理罐体的内壁面贴附设置有膜过滤部件，膜过滤部件从内部封闭所述过水孔；待净化的原水由入水口进入水处理罐体，在压力差驱动下水体透过膜过滤部件进行过滤，净水由过水孔流入外壳与水处理罐体之间的容水空间，然后从位于外壳下部的净水出口流出；
所述水处理设备还包括：膜污染控制设备，该膜污染控制设备用于在水处理设备罐体内通过搅拌以及气液混合增强水体的扰动，降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积；并且通过增大膜过滤部件内外压差强化透过性，降低沉积效应；同时提供了反冲洗和震荡机械清洗功能。
2.根据权利要求1所述的水处理设备膜污染控制装置，其特征在于，所述膜污染控制设备包括中空导管、电机以及搅拌螺旋杆；所述中空导管由所述外壳延伸至所述水处理罐体以内；中空导管的导管壁开设一定数量的通孔，且中空导管的横截面由上至下直径逐步增大；在中空导管的上部连接供气管路以及气泵，以及排水管路以及排水泵；所述电机固定在外壳顶部，且电机的电机轴固定联接搅拌螺旋杆；搅拌螺旋杆安置在中空导管内部空间，且其螺旋片与中空导管的内壁面贴合。
3.根据权利要求2所述的水处理设备膜污染控制装置，其特征在于，在正常的水处理过程中，电机的正向旋转带动搅拌螺旋杆的正向转动，同时气泵通过供气管路向中空导管内部进行供气，气泵的加压使得供应的气体具有一定的气压，从而使气体从中空导管的导管壁通孔中喷出。
4.根据权利要求3所述的水处理设备膜污染控制装置，其特征在于，当需要执行污染物处理时，电机反转，并且通过搅拌螺旋杆在中空导管内的反转作用，在中空导管形成负压效果，且通过所述中空导管横截面直径由上至下逐步增大的形状，使负压产生更大的吸引效果，在负压的驱动下形成从外壳至水处理罐体再到中空导管内部的反向水体流动，从而对膜过滤部件形成反冲洗的效果，使贴附在过滤膜表面或者内部孔洞的污染物在反向水流的冲洗下被剥离，进而从水处理罐体反向进入中空导管，并且在搅拌螺旋杆的带动下以及排水泵的抽吸下，经排水管路被排出，从而提升了过滤膜的透过性。
5.根据权利要求4所述的水处理设备膜污染控制装置，其特征在于，所述搅拌螺旋杆的末端连接搅拌扇叶，搅拌扇叶位于中空导管的外部，在水处理罐体的罐内直接进行搅拌，从而在正常的水处理过程中提高原水在水处理罐体中的扰动。
6.根据权利要求5所述的水处理设备膜污染控制装置，其特征在于，所述水处理罐体的底部设置有震荡发生装置，在反冲洗启动的同时，由震荡发生装置进行震荡。
7.根据权利要求6所述的水处理设备膜污染控制装置，其特征在于，所述水处理罐体通过减震支撑件固定在外壳的内壁；所述减震支撑件包括支撑夹板、弹簧模组、胶垫以及接点；两块所述支撑夹板通过胶垫的贴合而夹持安置所述水处理罐体，并且支撑夹板连接弹簧模组，每个弹簧模组包括多根并排的弹簧构件，且每个弹簧构件经接点焊接固定在外壳的内壁之上。
8.根据权利要求7所述的水处理设备膜污染控制装置，其特征在于，所述水处理罐体的内部散置一些清洁用的橡胶球，所述的橡胶球在水体搅动以及震荡作用下，与水处理罐体内壁的过滤膜进行摩擦接触，从而可以机械清洁一些贴附在膜内表面的污染物颗粒。
9.一种水处理设备膜污染控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在正常的水处理过程中，在水处理设备罐体内通过搅拌以及气液混合，增强水体的扰动，降低污染物在罐体膜过滤部件表面及内部孔洞的吸附沉积；并且通过增大膜过滤部件内外压差强化透过性，降低沉积效应；以及
当需要执行污染物处理时，通过搅拌螺旋杆在中空导管内的反转作用，在中空导管形成负压效果，且通过所述中空导管横截面直径由上至下逐步增大的形状，使负压产生更大的吸引效果，在负压的驱动下形成从外壳至水处理罐体再到中空导管内部的反向水体流动，从而对膜过滤部件形成反冲洗的效果，使贴附在过滤膜表面或者内部孔洞的污染物在反向水流的冲洗下被剥离，进而从水处理罐体反向进入中空导管，并且在搅拌螺旋杆的带动下以及排水泵的抽吸下，经排水管路被排出，从而提升了过滤膜的透过性。
10.根据权利要求9所述的水处理设备膜污染控制方法，其特征在于，通过设置在水处理设备的传感器测量运行过程数据，采集的运行过程数据包括：出水压力、出水浊度、出水流量；将运行过程数据执行数据预处理，将处理后的出水压力、出水浊度、出水流量作为输入变量，进行膜过滤部件透水率的预测，并且根据预测透水率决定水处理设备执行正常水处理功能还是清洗功能；以及，在正常水处理功能中，根据预测透水率决定搅拌速度以及气泵的供气压力，从而通过调节水体扰动程度以及内外压差，保持膜的通过性；并且，当预测透水率低于允许的透水率指标，则切换为清洗功能，执行反冲洗和震荡清洁。
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