CN112105444A - 用于实时直接膜表面监控的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种膜表面监控系统(MSM)和膜表面监控单元，用于直接和明确地检测膜表面结污和矿物结垢。该系统包括膜表面监控系统单元、控制阀、滞留物流量计/变送器、和控制器。该MSM单元具有视觉可观察膜、侧光式光导、边缘照明光源、滞留物模块、和渗透模块。加压入口流被供给到该MSM单元中。该供给与膜片接触，从而导致基于膜的分离操作以产生滞留物流和渗透流。该MSM单元集成了表面照明和成像组件以允许实时地对膜表面进行直接实时可视化和光谱成像。这些MSM单元的供给侧的压力约为被监控的膜设备元件的压力，以便设备控制系统可以调节设备操作条件。

Description

用于实时直接膜表面监控的方法和设备
Anditya Rahardianto和Muhammad Bilal
相关申请的交叉引用
无。
联邦政府资助的研究或开发
无。
技术领域
本发明涉及一种膜表面监控(MSM)系统，并且更具体地涉及一种用于直接检测膜表面结污和矿物结垢的MSM系统。
背景技术
膜技术用于过滤各种液体。这种技术对于水和废水处理以及水脱盐特别有用，因为它操作简单，需要使用最少的化学品，并且产生一致且可靠的水质。
一些过滤方法包括使用反渗透(RO)和纳滤(NF)，这两种方法可以通过使用膜来使水脱盐。然而，由于少量水溶性盐的沉淀、以及颗粒、胶体物质和生物污染物的结污，膜的使用受到膜表面上的膜矿物结垢形成的限制。
过滤系统和方法中的一个问题是，随着产品水回收沿着膜模块增加，矿物盐的矿物浓度在膜表面附近和膜通道的供给侧的主体中增加。浓度增加可能会上升到超过存在于给水中的矿物盐的溶解度极限的水平，并因此在主体中沉淀并沉积到膜表面上，和/或直接结晶到膜表面上。
矿物表面结垢导致渗透通量下降，最终会导致膜损坏并且从而降低膜寿命并增加水处理成本。由于颗粒物质、有机和生物污染物(例如，细菌)造成的膜结污也会堵塞膜表面，并且因此降低膜性能。膜矿物结垢和结污两者都会导致通量减少(对于给定的施加压力)或要求增加的施加压力(对于给定的渗透通量)，并且从而导致增加的操作(例如，能量和处理化学品)和维护成本。
已经进行了各种尝试来对抗膜结污和结垢。例如，在矿物结垢的情况下，防垢剂被用于延缓矿物盐成核和生长，并添加额外的添加剂以促进矿物沉淀物在主体溶液中的悬浮。上述方法通常用于减少由于与例如二水合硫酸钙(即石膏)、碳酸钙和二氧化硅相关联的矿物结垢而产生的结垢，二水合硫酸钙、碳酸钙和二氧化硅是使用基于膜的水脱盐装置和方法时出现的三种常见的有问题的矿物结垢。如果膜表面的矿物盐饱和度不超过推荐水平，则防垢剂可用于抑制矿物结垢。值得注意的是，即使使用防垢剂，产品水回收也可能受到限制。此外，设置精确的防垢剂剂量可能是一项挑战，尤其是当水供给质量和所需水生产率存在可变性时。同样地，膜结污受原水供给质量的影响，并且供给预处理用于在基于膜的水处理/脱盐之前调节原给水。
为了有效减轻或防止NF/RO膜上的矿物结垢，早期结垢检测对于触发适当的校正动作至关重要。减轻措施可以包括但不限于调节供给流速和压力、设备产品水回收、防垢剂剂量、和膜清洗。
已经提出了各种方法来实时检测RO膜的矿物结垢和结污。大多数提出的方法依赖于膜结污的总体和间接测量，比如渗透通量下降(对于恒定的跨膜压力操作)或跨膜压力(TMP)增加(对于恒定的渗透通量操作)。这些方法通常不能提供足够的早期检测结垢和结污，并且不能用于确定发生的结垢/结污的类型。其他试图提供矿物结垢和结污的间接检测的系统和方法已经使用了超声波时域反射计(UTDR)和电阻抗光谱学(EIS)。UTDR和EIS信号可以与结垢层的质量或厚度相关。然而，由于上述早期检测方法缺乏敏感性，这些系统和方法没有充分解决行业的需求，因为在进行肯定的结垢检测之前，它们通常需要结垢或污染物沉积物的高表面负荷。上述方法也不能提供膜表面上污染物或结垢的类型的直接识别，也不能对非原位膜单元中的膜表面或直接对RO设备元件进行表面成像。
用于对膜表面进行成像由此将光源引导为垂直于膜表面的方法已经被提出用于低压(例如，微滤和超滤)下的膜水处理，并且其中引入了化学染料，其与表面沉积的细菌相互作用以提供表面细菌的可见对比度或足够的可见度。然而，当流体流处于高压下时，后种方法不适用于膜表面成像。此外，考虑到需要染料注入以提供光学对比度，这种膜表面成像方法对于实时监控是不切实际的。
在授予科恩(Cohen)和乌奇米克(Uchymiak)的名称为“Method and System forMonitoring Reverse Osmosis Membranes(用于监控反渗透膜的方法和系统)”的美国专利第7,910,004号中披露了一种对RO膜上矿物盐晶体的形成进行量化的尝试，该专利通过援引以其全文并入本文，出于所有目的，该专利披露了一种从RO装置(设备)接收滑流的反渗透(RO)流动单元。该单元利用(从膜通道外部)被引导为垂直于流动方向的光源。光被引导到沿着流动通道拐角放置的反射镜(大约45度角)上，这些反射镜然后将入射光反射穿过膜表面。
由于其笨拙性和脆弱性，这种尝试的解决方案没有完全解决行业的需求。例如，使用反射镜的传统系统的一个缺点是制造厚度约为1mm或更小的45度反射镜的技术难度。因此，当创建模仿商业螺旋卷绕RO/NF元件中的那些通道的通道时，使用反射镜是不切实际的，因为这些元件中的通道高度通常小于1mm。传统系统中的流量控制方法是利用流动通道的入口和出口处的可调阀来控制供给流速(从而控制横流速度)和供给侧压力。传统系统需要同时调节两个阀门以实现压力和流量控制。所尝试的解决方案的另一个限制是需要光学窗口，其中需要多个部件将该光学窗口固定到单元的其余部分并避免泄漏。不管上述情况如何，由于在传统系统中使用单元嵌入式反射镜，创建高度小于1mm的单元是不可行的。传统系统的另一个缺点是膜更换需要拆除多个部件并在膜更换后重新定位光源，并且由橡胶板产生的滞留物通道会由于温度随时间的变化和长时间的压缩而老化变形。
由于在现有膜监控系统、单元和方法中至少存在上述缺点，仍然需要改进的膜监控系统、单元和方法。
发明内容
本发明是一种膜表面监控系统，用于在延伸到脱盐设备中的高压的操作条件下直接和明确地检测膜表面结污和矿物结垢。该系统可以用于监控膜水处理和脱盐设备中的任何膜元件。该系统使用可见光、UV光或IR光源来提供膜表面的实时表面图像和反射光谱数据。可以实时分析表面图像和光谱数据以提供关于膜表面上的结污/结垢覆盖的演变、此外污染物和结垢的类别的识别、以及确立在膜设备的操作周期期间操作周期期间结污/结垢的差异的一系列定量度量。然后，可以利用与结污/矿物度量相关的数字或模拟信号的定量输出来指导设备操作员确立用于减轻膜结污/结垢的适当策略。
例如，结污/结垢的早期检测可用于向设备控制系统发送信号(或警告设备操作者)以触发结垢减轻动作，比如淡水冲洗、用合适的清洗溶液清洗膜、调节设备操作压力、在调节或不调节产品水回收的情况下调节供给流速、膜元件的渗透反冲洗以及触发供给流反向模式的设备操作。该系统是完全自动化的并且可以作为设备监控器或以独立模式操作以用于诊断任务(例如，膜表征和对操作条件、防垢剂和膜清洗化学品的效果的评估。本发明提供了一种用于实时膜表面监控的优越方法，该方法生成矿物结垢/结污的类型和严重程度的定量度量来用于设备反馈控制以实现信息膜设备监控和稳健控制。
本发明有利地使用侧光式光导和边缘照明光源而不是反射镜来引导光平行于膜，从而减少来自光源的杂散光以提高由图像捕获设备捕获的图像的质量。通过使用侧光式光导和边缘照明光源而不是反射镜，赋予了许多优点，比如单元随时间的变化被最小化以及膜表面的更精确的视觉和光谱数据分析。
在本发明的一个方面，有一种用于监控膜结垢、颗粒结污和生物结污的膜表面监控单元，其接收供给流并排放浓缩物流。该膜表面监控单元具有视觉可观察膜，该膜在活动供给侧具有第一表面。该膜表面监控单元还具有侧光式光导，该光导具有形成滞留物通道的孔，该滞留物通道可操作以隔离该滞留物通道中的加压流体，该视觉可观察膜邻近该侧光式光导定位并覆盖该孔。该侧光式光导由透明或半透明材料构成以照明该视觉可观察膜的该第一表面，这允许观察者观察该视觉可观察膜的该第一表面上的结垢、颗粒和生物结污。该膜表面监控单元还具有固定到该侧光式光导的边缘照明光源，并且该边缘照明光源可操作以照明该侧光式光导，从而提供基本上平行于该视觉可观察膜的照明。该膜表面监控单元还包括滞留物模块，该滞留物模块具有：滞留物模块支撑块；滞留物模块块内的光学窗口，该光学窗口用于观察该视觉可观察膜；用于供给进入流进入该膜表面监控单元的入口管道；以及用于排出液体浓缩物流的出口管道。该膜表面监控单元还包括渗透模块，该渗透模块具有：渗透模块支撑块；用于接收用于接收已经通过该侧光式光导的该孔和该视觉可观察膜的渗透的渗透收集器；以及用于引导渗透离开该渗透模块的渗透出口管道。在该膜表面监控单元的可操作配置中，该侧光式光导位于该滞留物模块与该渗透模块之间。
在本发明的另一个方面，有一种用于监控过滤装置中的结垢、颗粒结污和生物结污的膜监控系统。该装置包括上文以及实施例的详细描述中所述的膜表面监控单元，并且还包括成像系统，该成像系统相对于该监控系统被配置和定位以便可操作以捕获该视觉可观察膜的表面的图像并且产生指示捕获的图像的图像数据信号。该系统还包括数据处理系统，该数据处理系统可操作地链接到该成像系统以便从其接收图像数据信号。该数据处理系统可操作以分析图像数据和反射光谱信号以便提供该视觉可观察膜上的结垢、颗粒结污和生物结污中的至少一者的程度的指示。该系统还包括控制器，该控制器可操作以控制照明、图像捕获、图像数据管理、图像分析、光谱数据获取和外部数据通信、入口流速、以及活动供给上的压力以使其约为被监控的膜设备元件或设备片段的压力。
在本发明的又一方面，本发明包括一种用于监控膜结垢和结污的方法，该方法包括以下步骤：提供如上文以及实施例的详细描述中所述的膜表面监控单元；使进入流穿过视觉可观察膜的第一表面；以及从视觉可观察膜的第一表面的被照明部分收集成像和光谱数据。收集的数据指示视觉可观察膜的第一表面上结垢和结污的存在和程度。收集的数据将收集的图像和光谱数据传送到数据处理系统。利用数据处理系统来解释收集的数据以确定视觉可观察膜上的结垢和结污的程度和性质，该结垢和结污与过滤装置的膜的结垢和结污相关。
附图说明
图1是膜表面监控系统的过程图解的示意图；
图2a是膜设备高压供给处的表面监控系统部署的实施例的示意图；
图2b是膜设备高压浓缩物处的表面监控系统部署的实施例的示意图；
图2c是独立操作下的表面监控系统部署的实施例的示意图；
图3a是集成到反渗透流中的膜表面监控系统的实施例；
图4a是膜表面监控单元的透视图；
图4b是图4a的膜表面监控单元在x-z平面上的剖视图；
图4c是图4a的膜表面监控单元在y-z平面上的剖视图；
图5是侧光式光导的实施例；
图6是膜表面监控单元的半示意图，示出了光穿过单元的膜的方向；
图7a是沿着膜表面监控单元的y-z平面的分解剖视图。
图7b是沿着膜表面监控单元的x-z平面的分解剖视图。
图8是展示本发明的实施例中的膜表面的图像和光谱分析的步骤的框图；
图9是膜系统监控单元的分解图，示出了该单元夹在夹具之间以将该膜系统监控单元固定在一起。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图对本发明进行更全面的描述，在附图中，示出了本发明的实施例。然而，本发明可以被实施为许多不同的形式并且不应被解释为局限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例从而使得本披露将是详尽且完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。
应当理解，当一个元件被称为“在”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者其间可以存在中间元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列举项目中的一个或多个的任何和所有组合。
应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应该受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件、部件、区域、层和/或部分与另一个元件、部件、区域、层和/或部分。
应当理解，附图中描绘的元件、部件、区域、层和部分不一定按比例绘制。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。应当进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”或者“包括(includes)”和/或“包括(including)”指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
此外，本文可以使用比如“下(lower)”或“底部(bottom)”、“上(upper)”或“顶部(top)”、“左(left)”或“右(right)”、“上(above)”或“下(below)”、“前(front)”或“后(rear)”等相对术语来描述如附图中所描绘的一个元件与另一个元件的关系。应当理解，相对术语旨在包括除了附图中描绘的取向之外的装置的不同取向。
除非另有定义，本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。应当进一步理解，比如常用词典中定义的术语等术语应被解释为具有与其在相关技术和本披露的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文明确定义，否则不会被解释为理想化或过于正式的含义。
本文参考本发明的理想化实施例描述了本发明的示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或公差的原因，图中形状的变化是可以预料的。因此，本发明的实施例不应被解释为局限于本文所展示的区域的特定形状，而是包括例如由制造导致的形状偏差。本文说明性地披露的本发明可以在不存在本文具体披露的任何元件的情况下适当地实施。
转向附图，图1表示膜表面监控(MSM)系统的过程示意图，该系统使得能够在过滤(微滤、超滤和纳滤)或反渗透(RO)期间实时直接监控膜表面。如图1所描绘，MSM系统由MSM单元10、控制阀CV、第一滞留物流量计/变送器FT-1、和控制器12组成。加压入口流14被供给到MSM单元10。在单元MSM单元10中，供给与膜片16接触，导致基于膜的分离操作(即过滤，比如超滤、纳滤或反渗透)以产生滞留物和渗透流。MSM单元10集成了表面照明18和成像部件20(见图4c和图6)以允许实时地对膜16表面的直接实时可视化。过程控制器12控制MSM单元10中的成像和照明操作，包括照明强度控制、图像和光谱数据捕获触发、图像和光谱数据管理、图像和光谱分析、以及外部数据通信100。为了调节通过膜表面监控单元10的入口流速并将MSM单元10的供给侧22上的膜17(见图4c、图6和图7b)的第一表面上的压力保持为约为被监控的膜设备元件或设备片段的压力，在离开MSM单元10的滞留物流上安装控制阀CV。过程控制器12向滞留物流速提供反馈控制输入并基于第一滞留物流量计/变送器FT-1处的测量流量和滞留物流的设定点值来操纵控制阀CV致动器。可选传感器可以安装到膜表面监控系统6，包括供给中的第一压力传感器/变送器PT-1、滞留物流中的第一电导率仪/变送器CT-1、沿渗透流的第二电导率仪/变送器CT-2、滞留物流中的第一温度传感器/变送器(TT-1)、和渗透流中的第二流量计/变送器FT-2。这些可选传感器/变送器可用于实时表征MSM单元10中的浓度极化水平和膜性能(即，水渗透性、盐排斥)。
MSM系统26可以以各种方式实施。图2a和图2b描绘了用于在具有设备膜元件24的膜阵列的膜设备中实时监控膜16结污和/或结垢的MSM系统26的最常见实施方式。在每个实施例中，MSM系统10从膜设备过滤装置24被供给高压侧流30(即，具有足够小的流速以使对膜设备操作的影响最小化)。例如，为了监控膜设备过滤装置24的前部膜元件中的膜结污，向MSM系统26供给来自高压膜设备供给SP1(见图2a)的小侧流30。为了监控膜设备24的尾膜元件中的膜结污/矿物结垢，向MSM系统26供给来自高压膜设备浓缩物(即，来自采样点2SP2，见图2b)的小侧流30。在这两种情况下，MSM系统26相对于膜16结污/矿物结垢的开始向设备控制系统28通知膜设备24的状态。这使得设备控制系统28能够适当地调节设备操作条件(例如，通过设备的泵32和阀门设置、处理化学品的剂量的调节)，从而避免延长的或不受控制的膜16结污/矿物结垢条件的破坏性影响。
除了如图2a和图2b所示与膜设备24连接之外，MSM系统26还可以被配置为与外部供给泵32一起操作的独立系统，如图2c所示。图2c中所示的配置可用于例如评估给定水源水的结污或矿物结垢趋势、评估结污/矿物结垢减轻方法的效果(即，使用防垢剂、供给pH调节等)、评估供给预处理的有效性、并评估膜操作的水回收极限(即，避免结污/矿物结垢)。
本发明的重要方面是使MSM单元10的压力与被监控的膜设备部分24(例如，如图2a至图2b所示，靠近如图2a所示的采样点1的在膜设备的前端的前膜元件或者靠近如图2b所示的采样点2的尾膜元件)的压力尽可能接近的方法，同时使对膜设备操作的影响最小化。通过使压力相匹配，可以通过MSM单元10中的滞留物流速来调节MSM单元10中相对于被监控的设备膜24元件的浓度极化水平。在MSM单元10中的流动通道几何形状(即，通道厚度和通道间隔物设计)与设备中的膜元件24的流动通道几何形状相同的特殊情况下，可以使MSM单元10中的平均滞留物横向流速与被监控的设备膜元件24的平均滞留物横向流速相匹配，以便密切模拟被监控的设备部分中的流体动力学条件。
作为说明，考虑用于监控反渗透(RO)设备的尾部膜元件24的MSM系统26实施方式，如图3所描绘(即，与图2b中的配置相同)。为了使通过MSM系统26的压降最小化，在向MSM单元10供给的侧流管道102中不使用限流器(即，流量控制阀)。然而，MSM系统26的滞留物流配有滞留物流流量控制阀104，以便保持期望的压力并调节进入MSM单元10的流速。第一流量计/变送器也连接到出口流108，并且通过信号线106可操作地连接到控制器12。同样必要的是，通过侧流管道102的流速显著小于膜设备浓缩物(或滞留物)管道36中的总流速，使得膜设备主阀38能够在来自MSM系统26的最小干扰下操作。来自MSM 26的出口流不返回到浓缩物流C，而是根据需要被置于排放口34中或被引导至设备中的适当位置。相比之下，许多现有系统在侧流管道中需要阀，该阀与膜RO设备主阀和监控系统滞留物阀一起使用以调节监控单元中的浓度极化水平。因为使用了侧流管道阀，这可能导致部分减压，需要调节监控单元中的滞留物流，以便保持期望的浓度极化水平。由于监控单元10的压力与设备24的压力相匹配的益处，本发明是有利的。此外，由于本发明可以利用侧流管道102中的低流量来使对设备24操作的影响最小化，本发明也是有利的。注意，在不失一般性的情况下，本发明不仅适用于监控RO设备，还适用于监控纳滤(NF)、超滤和微滤设备。
膜表面监控(MSM)单元
本发明的中心部件是膜表面监控(MSM)单元10，其包含现有膜表面监控系统中不存在的几个有利特征。本发明实施例中的特征包括利用滞留物通道42中的供给通道间隔物40来紧密模拟设备膜系统24中的典型螺旋卷绕膜元件中的滞留物通道几何形状和流动条件的能力。在本发明中，MSM单元10将四个主要模块组合成完全集成的系统(图4a至图4c)：a)表面视觉模块44；b)滞留物模块46；c)渗透模块48；以及d)边缘照明/光源50。如图4a所示，供给流体进入滞留物模块46中的入口管道5。流体被引导至滞留物模块46中的滞留物通道42，并与渗透模块48中的膜16接触。被膜16拒绝的流体通过滞留物出口管道54离开滞留物模块46。流体从活动侧22上的第一表面17穿过膜16到达单元的滞留物侧23上的膜的第二表面19。流体被收集在渗透模块48的渗透收集部分56中并通过渗透出口管道58离开单元10。在滞留物模块46中，独特的透明侧光式光导60既用于形成滞留物通道结构60又使用固定到侧光式光导60的侧边缘61的边缘照明/光源50来实现平行于膜16表面的侧面照明。因为滞留物通道结构60可以制成基本上任何厚度，所以它可以定制成与螺旋卷绕膜元件中通常使用的供给间隔物40的厚度相匹配。典型的供给间隔物可以在大约20至100密耳(大约0.5mm到2.5mm)的范围内，并且优选在大约20-40密耳(大约0.5mm到1mm)之间。这样，使用单独的滞留物通道结构60提供了在滞留物通道中使用(或不使用，即空通道)供给间隔物40的灵活性。滞留物模块46中的透明部分或光学窗口64允许通过滞留物通道42经由表面视觉模块44中的相机-镜头装置64直接观察到膜16表面，该相机-镜头单元具有相机80和镜头82两者。相机可以是通常用于图像捕获的相机类型，并且在优选实施例中是CCD，但是可以使用其他技术，比如但不限于CMOS。原则上，任何足够强度的光源62可以用于边缘照明，范围从可见光LED到各种波长(例如，紫外、红外)的LED。可以使用任何相机-镜头装置66，范围从宏观成像、高放大倍数光学显微镜到光谱成像(例如，紫外、可见、红外)。可以在本发明中使用的各种光源和相机-镜头装置为本领域普通技术人员所熟知和理解。
表面照明
本发明中增强表面成像的主要原理依赖于专门的照明，该照明将光路引导为刚好在膜16表面之上，但是处于或接近(即，低角度)平行取向。使用这种方法，在膜16表面上形成的任何对象85突出到光路中，导致朝向相机的光散射(通过滞留物通道42上方的光学透明部分64观察)，从而可以捕获高对比度(对象85与膜16表面背景之间)图像。这种照明技术通常被称为低角度或暗场照明，通常用于增强对象与背景表面之间的对比度。在将这种照明技术应用于过滤或反渗透操作期间的实时膜表面监控时，主要的技术挑战是如何在加压、过滤或反渗透条件下操作的膜16表面上方提供平行/低角度照明。在本发明中，这一挑战的解决方案是利用透明侧光式光导60，其在图5中单独示出并夹紧在滞留物支撑块68与渗透模块支撑块70之间，该滞留物支撑块和该渗透模块支撑块优选是不透明的。光导60中间的开口或孔72形成滞留物通道42，该滞留物通道可以形成有定制的通道厚度以便容纳通常用于螺旋卷绕膜元件中的公共供给间隔物40。滞留物通道的入口/出口区域的流动干扰可以通过在光导60处围绕孔72构造梯度或锥形表面74来最小化。围绕孔72的锥形表面74可以使用一定范围的角度来构造，以使得流能够平滑地进入膜通道42。透明侧光式光导60的功能包括：a)形成滞留物通道结构以隔离滞留物通道42中的加压流体，并利用多个密封构件76防止泄漏；b)夹紧膜，使其固定在渗透收集器56上方；c)固持不透明滞留物模块支撑块68，该不透明滞留物模块支撑块也用作透明观察部分64的框架；d)容纳可选供给40间隔物，该间隔物可以放置在滞留物通道42内部以紧密模拟典型螺旋卷绕膜元件滞留物通道24中的流体动力学条件；以及e)使得能够使用直接(即，没有镜面反射)边缘照明/光源62有效传输光以照明滞留物流动通道42，该通道可以是空的或者填充有供给间隔物40。光导60与不透明支撑结构68结合，确保光路相对于膜16表面处于或接近平行取向，从而使杂散光最小化并使膜16表面上的对象与背景膜16表面之间的对比度最大化。使未被表面对象覆盖的区域(即，膜的干净区域)中垂直于膜16表面的光路(即，杂散光)最小化对于确保表面对象(尤其是透明对象)与膜16表面之间的增强成像和良好对比度至关重要。同样重要的是，在装配后设置最少的情况下获得均匀照明。应当注意，尽管光导可以由任何透明材料制成，但是由丙烯酸(由分散的光漫射颗粒(比如Lucitelux LGP或Acrylite Endlighten)配制而成)制成的塑料侧光式光导60是优选的，因为它在边缘照明/光源62取向的调节最少的情况下最好地在整个滞留物流动通道42中提供均匀照明。
本发明是有利的，因为常用的表面监控单元使用平行光路，这些光路通过反射来自光源的光产生，这些光源提供相对于膜表面垂直定向的光，这种光需要在位于滞留物流动通道内的侧反射镜处被引导。除了可能引起流动干扰之外，其他系统中使用反射镜来在适当的方向上引导光限制了滞留物通道的可获得厚度，也就是说，滞留物通道越薄，必须使用的反射镜越小。这种小反射镜很难制造和嵌入滞留物流动通道中。此外，当光被导向具有垂直于膜表面而定向的光路的反射镜时，会有杂散光，这会降低表面对象的可见度和对比度。当使用较小的反射镜时，杂散光的问题会恶化。由于使用小反射镜的困难，很难形成可以容纳通常用于设备中使用的螺旋卷绕膜元件中的供给间隔物的薄滞留物流动通道(例如，薄于1mm)。虽然其他系统试图使用完全透明的滞留物模块，但据报告，这些系统相对于膜表面以高角度或垂直取向引入大量杂散光，从而危及表面对象的可见度和对比度。为了克服这些问题，完全透明的滞留物块需要对光源取向进行繁琐的微调以使杂散光最小化，因此延长了设置时间并使滞留物通道的均匀表面平行照明难以实现。本发明通过使用前述光导60而优于使用完全透明的滞留物块的系统，因为本发明使用夹在不透明滞留物模块支撑块68与不透明渗透模块支撑块72之间的薄光导60来代替完全透明的滞留物块。如图9所示，光导60使用块的相对侧上的夹具84夹在块68、72之间。夹具84可以通过比如螺栓等附接构件彼此固定，这些附接构件跨越夹具84、滞留物模块支撑块68、光导60、和渗透模块支撑块70。附接构件或螺栓固定膜单元10。夹具可以由足以将夹层元件保持在一起的任何材料制成。这种材料包括多种金属，优选铝或不锈钢。螺栓通过穿过部件中的一个或多个(比如边缘照明光导72)中的孔来将部件固定在一起。附图中描述和示出的实施例是可以布置部件的一种方式，但是可以设想其他布置而不背离本发明的精神。
单元组装
图7a和图7b示出了集成膜表面监控单元10的实施例的示例，示出了MSM单元10的横截面分解图。在这种配置中，三个独立的模块集成在一起并形成一个完整的装置。MSM单元10是被构建为可移除盒88的装置，该盒可以容易地移除和更换，而不影响照明系统18或表面照明部件20的定位。盒88可以包括任何数量的部件，包括夹具84和夹在夹具84之间的MSM单元10的所有部件。
图像和光谱分析
可以是视频流化和反射光谱数据获取模块的表面视觉模块44与膜监控系统26接口连接以与用于实时膜表面分析的基于web的可视化和存储平台相连接。模块44由其软件部件直接控制，该软件部件使用高级图像和光谱分析软件获取用于对象检测、辨识和量化各种表面度量的高质量数据。遵循如图8所述的工作流程的图像和光谱分析软件利用一系列计算机视觉算法和统计方法基于各种表面特征/度量来检测作为时间的函数的膜表面结垢96和结污98。用于检测表面结垢的存在和类型的特征包括对象大小分布、形状、纹理、强度(在像素级)、区域梯度和几何形状(例如，圆形度、凸度、使用角检测的形状识别)。对于结垢检测，用先前捕获的已知特性的数据来训练(干净)膜90的初始状态。在这个模块中，基于强度、局部像素邻域和梯度来训练一组区域启发式算法以估计背景的统计模型。然后，训练的模型使用其学习的启发式算法周期性地分割结污/结垢发生的区域以确定前景遮罩92作为检测到的变化。使用比如直方图均衡化、图像打开和膨胀等若干形态学和归一化操作来进一步细化检测以去除不想要的噪声并隔离图像中松散连接的分量94。流式数据获取和分析模块与软件的硬件和其他过程控制模块集成在一起。
除了矿物结垢96(例如，如图9所示)和各种类型的表面结污98(例如，颗粒、有机物和生物污染物)的自动检测之外，还嵌入了深度学习引擎，用于使用高级模式辨识技术的在线图像和光谱分析。该引擎使用一大组定制的可学习过滤器进行训练并提供自动产生注释(对象标签)以及它们的置信度得分(即，检测到的对象属于某种类型/类别的污染物/结垢的概率)的能力。使用先进的计算机算法来量化作为时间的函数的表面矿物结垢/结污以及存储对象特性的能力是使用自动定标时间序列数据库系统实现的。上述特性存储在本地和远程数据获取和存储模块中，允许实时分析、对于达到临界结垢/结污阈值的自动触发生成、以及动态系统报告生成。结合结垢检测和深度学习模块，实施了支持上述高级功能的高级在线平台以增强实时监控表面结污/矿物结垢以及自动辨识其类型、大小、几何形状和表面覆盖程度的体验。使用来自动态报告的上述信息和系统规范，决策支持过程可用于确定关键动作以优化过程控制和调节膜设备操作参数。
在整个图1至图9中使用了以下参考数字：
10膜表面监控(MSM)单元
12控制器
14入口流
16膜
17膜的第一表面
18表面照明部件
19膜的第二表面
20成像组件
22MSM单元的供给侧
23MSM单元的滞留物侧
24膜设备/装置
26膜表面监控系统
28设备控制系统
30高压侧流
32泵
34排放口
36浓缩物/滞留物管道
38膜设备的主阀
40通道供给间隔物
42滞留物通道
44表面视觉模块
46滞留物模块
48渗透模块
50边缘照明光源
52入口管道
54滞留物出口管道
56渗透收集部分
58渗透出口管道
60侧光式光导/滞留物通道结构
61侧光式光导的侧边缘
62光源
64透明或光学窗口
66相机-镜头装置
68滞留物模块支撑块
70渗透模块支撑块
72光导孔
74光导的锥形表面
76密封件
78光导凹口
80相机
82镜头
84夹具
85膜上的对象
86边缘照明光导孔
88盒
90背景框架/干净膜
92前景框架/遮罩
94辨识的对象/松散连接分量
96结垢
98结污
100外部数据通信
106信号线
108出口管道
FT-1第一流量计/变送器
FT-2第二流量计/变送器
CV控制阀
PT-1第一压力变送器
CT-1第一电导率仪/变送器
CT-2第二电导率仪/变送器
SP1采样点1
SP2采样点2
F供给
P渗透
C浓缩物流
虽然已经根据示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，已经使用的词语是描述性的，而不是限制性的。如本领域普通技术人员所理解的，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改，权利要求应当被给予其最充分、合理的范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于监控膜结垢、颗粒结污、有机物和生物结污的膜表面监控单元，该膜表面监控单元接收供给流并排放浓缩物流，该膜表面监控单元包括：
a)视觉可观察膜，该视觉可观察膜在活动供给侧具有第一表面；
b)侧光式光导，该侧光式光导具有形成滞留物通道的孔，该滞留物通道可操作以隔离该滞留物通道中的加压流体，该视觉可观察膜邻近该侧光式光导定位并覆盖该孔，其中，该侧光式光导由透明或半透明材料构成以照明该视觉可观察膜的该第一表面，从而允许观察者观察该视觉可观察膜的第一表面上的结垢、颗粒和生物结污；
c)边缘照明光源，固定到该侧光式光导，该边缘照明光源可操作以照明该侧光式光导，从而提供基本上平行于该视觉可观察膜的照明；
d)滞留物模块，该滞留物模块具有：
(i)滞留物模块支撑块，
(ii)该滞留物模块块内的光学窗口，该光学窗口用于观察该视觉可观察膜，
(iii)用于供给进入流进入该膜表面监控单元的入口管道，
(iv)用于排出液体浓缩物流的出口管道；以及，
e)渗透模块，该渗透模块具有：
(i)渗透模块支撑块，
(ii)渗透收集器，用于接收已经通过该侧光式光导的孔和该视觉可观察膜的渗透，
(iii)渗透出口管道，用于引导渗透离开该渗透模块，
其中，当该膜表面监控单元处于其可操作配置时，该侧光式光导位于该滞留物模块与该渗透模块之间。
2.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该视觉可观察膜具有与该第一表面相反的第二表面，该第二表面形成与该活动供给侧相反的渗透侧，该膜表面监控单元进一步包括：
a)邻近该视觉可观察膜的第二表面的多孔膜支撑物
b)该侧光式光导的孔之间的供给间隔物，该供给间隔物的大小适于容纳预定大小的滞留物通道，
c)多个密封构件，其位于(i)该光学窗口与该滞留物模块、(ii)该滞留物模块支撑块与该侧光式光导、以及(iii)该侧光式光导与该渗透模块支撑块中的至少两者之间。
3.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该滞留物模块和该渗透模块是不透明的，从而使由于杂散光导致的图像失真最小化。
4.如权利要求1所述的膜表面监控单元，进一步包括夹具，该夹具用于将该滞留物模块、该侧光式光导和该渗透模块固定在该夹具之间，从而增加对该膜表面监控单元的密封并使高压下的泄漏最小化。
5.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该侧光式光导沿着该滞留物通道具有锥形表面，从而分别使该入口管道和该出口管道的进入-离开区域附近的流动干扰最小化。
6.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该光源被配置成用于沿着基本上平行于该视觉可观察膜的第一表面的方向引导光。
7.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该入口管道和该出口管道分别与该滞留物模块支撑块和该渗透模块支撑块集成。
8.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该滞留物模块的该入口管道和该出口管道基本上垂直于该光学窗口，从而允许成像系统容易地附接在该膜表面监控系统上方。
9.如权利要求8所述的膜表面监控单元，其中，该边缘照明光源沿着该侧光式光导的侧边缘固定，从而将位于该滞留物块上方的成像系统隔离开，从而使进入该光学窗口并且过度曝光该视觉可观察膜的杂散光最小化。
10.一种用于监控具有膜的过滤装置中的膜结垢、颗粒结污、有机物和生物结污的膜表面监控系统，其中，该过滤装置接收供给流并排放浓缩物流，该监控系统包括：
a)膜表面监控单元，该膜表面监控单元具有：
(i)视觉可观察膜，该视觉可观察膜在活动供给侧具有第一表面；
(ii)侧光式光导，该侧光式光导具有形成滞留物通道的孔，该滞留物通道可操作以隔离该滞留物通道中的加压流体，该视觉可观察膜邻近该侧光式光导定位并覆盖该孔，其中，该侧光式光导由透明或半透明材料构成以照明该视觉可观察膜的该第一表面，从而允许观察者观察该视觉可观察膜的第一表面上的结垢、颗粒和生物结污；
(iii)边缘照明光源，固定到该侧光式光导，该边缘照明光源可操作以照明该侧光式光导，从而提供基本上平行于该视觉可观察膜的照明；
(iv)滞留物模块，该滞留物模块具有：
(1)滞留物模块支撑块，
(2)该滞留物模块块内的光学窗口，该光学窗口用于观察该视觉可观察膜，
(3)用于供给进入流进入该膜表面监控单元的入口管道，
(4)用于排出液体浓缩物流的出口管道；以及，
(v)渗透模块，该渗透模块具有：
(1)渗透模块支撑块，
(2)渗透收集器，用于接收已经通过该侧光式光导的孔和该视觉可观察膜的渗透，
(3)渗透出口管道，用于引导渗透离开该渗透模块，
其中，当该膜表面监控单元处于其可操作配置时，该侧光式光导位于该滞留物模块与该渗透模块之间。
b)成像系统，该成像系统相对于该监控系统被配置和定位以便可操作以：
(i)捕获该视觉可观察膜的表面的图像和反射光谱中的至少一者，以及
(ii)创建指示所捕获的图像和该光谱中的至少一者的图像数据信号和光谱成像数据信号中的至少一者；
c)数据处理系统，该数据处理系统可操作地链接到该成像系统以便从其接收该图像数据信号，该数据处理系统可操作以分析该图像数据信号以便提供该视觉可观察膜上的结垢、颗粒结污和生物结污中的至少一者的程度的指示；以及，
d)控制器，其可操作以控制：照明；图像捕获和光谱捕获中的至少一者；图像数据管理；图像分析；和外部数据通信；入口流速、和活动供给上的压力以使其约为被监控的膜设备元件或设备片段的压力。
11.如权利要求10所述的系统，进一步包括：
a)安装在从该膜表面监控单元离开的滞留物流上的滞留物流量计；以及，
b)安装在从该膜表面监控单元离开的该滞留物流上的滞留物流量控制阀，
其中，该滞留物流量计和该滞留物流量控制阀可操作地连接到该控制器，并且该控制器向滞留物流速提供反馈控制输入并基于由该滞留物流量计测量的预定流速测量值来操纵控制阀致动器，并且其中，该滞留物流量计将数据传输到该控制器。
12.如权利要求11所述的系统，进一步包括以下各项中的至少一项：
a)安装在该滞留物流上的电导率仪；
b)安装在该滞留物流上的温度传感器；
c)安装在渗透流上的流量计；以及，
d)安装在入口流上的压力传感器，
其中，该电导率仪、该温度传感器、安装在该渗透流上的流量计和安装在该入口流上的压力传感器可操作地连接到该控制并将数据传输到该控制器，
由此来自该电导率仪、该温度传感器、安装在该渗透流上的流量计和安装在该入口流上的压力计的数据表征浓度极化水平和膜性能，比如该膜系统监控单元的水渗透性和盐排斥。
13.如权利要求11所述的系统，其中，该膜表面监控单元的特征在于可移除盒，由此该可移除盒可以插入该膜表面监控系统和从该膜表面监控系统移除，而不必改变该成像系统的位置。
14.如权利要求10所述的膜监控系统，其中，该成像系统包括CCD或CMOS相机，并且被配置成能够检测UV、可见、红外和近红外波长并且被定位在该滞留物模块上方，并且该CCD或该CMOS相机的镜头被定位在该光学窗口上方以从该视觉可观察膜捕获数据；
由此该膜监控系统能够提供该视觉可观察膜的实时表面图像和实时成像光谱中的至少一者以提供比如结垢覆盖、结污的演变、污染物的类别的识别和结垢的类别的识别等一系列定量度量，以及确立在该膜设备的操作周期期间结污和结垢的差异，并且
由此可以使用与这些结污或矿物度量相关的数字或模拟信号的定量输出来指导设备操作员确立用于减轻膜结污和结垢的适当策略。
15.如权利要求14所述的膜监控系统，
a)其中，该数据处理系统被配置成用于确定该视觉可观察膜的表面区域的(i)结垢、(ii)污染物、和(iii)沉积颗粒中的至少一者的百分比和密度，并且
b)其中，该数据处理系统被配置成用于基于(i)几何形状和大小分析和(ii)由该图像处理系统捕获的图像的光谱分析中的至少一者通过使用光谱分析和模式辨识来识别该视觉可观察膜的表面上的矿物结垢的类型和污染物的类型。
16.如权利要求10所述的系统，其中，该图像和该光谱中的至少一者是该视觉可观察膜的表面的图像和光谱两者；并且其中，图像数据信号和该光谱成像数据信号中的至少一者是该图像数据信号和该光谱成像数据信号两者。
17.一种用于监控膜结垢和结污的方法，该方法包括：
a)提供膜表面监控单元，该膜表面监控单元具有：
i)视觉可观察膜，该视觉可观察膜在活动供给侧具有第一表面；
ii)侧光式光导，该侧光式光导具有形成滞留物通道的孔，该滞留物通道可操作以隔离该滞留物通道中的加压流体，该视觉可观察膜邻近该侧光式光导定位并覆盖该孔，其中，该侧光式光导由透明或半透明材料构成以照明该视觉可观察膜的该第一表面，从而允许观察者观察该视觉可观察膜的第一表面上的结垢、颗粒和生物结污；
iii)边缘照明光源，固定到该侧光式光导，该边缘照明光源可操作以照明该侧光式光导，从而提供基本上平行于该视觉可观察膜的照明；
iv)滞留物模块，该滞留物模块具有：
(1)滞留物模块支撑块，
(2)该滞留物模块块内的光学窗口，该光学窗口用于观察该视觉可观察膜，
(3)用于供给进入流进入该膜表面监控单元的入口管道，
(4)用于排出液体浓缩物流的出口管道；以及
v)渗透模块，该渗透模块具有：
(1)渗透模块支撑块，
(2)渗透收集器，用于接收已经通过该侧光式光导的孔和该视觉可观察膜的渗透，
(3)渗透出口管道，用于引导渗透离开该渗透模块，
其中，当该膜表面监控单元处于其可操作配置时，该侧光式光导位于该滞留物模块与该渗透模块之间。
b)使进入流穿过该视觉可观察膜的第一表面；
c)从该视觉可观察膜的第一表面的被照明部分收集视觉数据，其中，这些收集的数据指示该视觉可观察膜的第一表面上的结垢和结污的存在和程度；
d)将这些收集的视觉数据传送到数据处理系统；以及，
e)利用该数据处理系统来解释这些收集的视觉数据以确定该视觉可观察膜和过滤装置的膜上的结垢和结污的程度。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括响应于该视觉可观察膜上的结垢或结污的程度来控制过滤装置的步骤。
19.如权利要求17所述的方法，其中，解释这些收集的视觉数据的步骤包括：显示该视觉可观察膜的表面的实时图像和显示表面成像光谱中的至少一者；以及使这些收集的视觉数据与过滤装置的膜的结垢或结污状况相关。
20.如权利要求17所述的方法，
其中，解释这些收集的数据是迭代过程，其特征在于，分析对象大小分布、对象形状、对象纹理、对象表面密度和捕获的反射光谱、对象区域梯度、和对象几何形状，
并且其中，解释这些收集的数据包括以下步骤：
读取该视觉可观察膜的背景框架；
读取该视觉可观察膜的前景框架；
匹配这些背景框架和前景框架的直方图；
从前景框架信息中减去背景框架信息；
使用形态学操作和对象检测度量来输出该视觉可观察膜的对象辨识。

Claims (20)

1.一种用于监控膜结垢、颗粒结污和生物结污的膜表面监控单元，该膜表面监控单元接收供给流并排放浓缩物流，该膜表面监控单元包括：
a)视觉可观察膜，该视觉可观察膜在活动供给侧具有第一表面；
b)侧光式光导，该侧光式光导具有形成滞留物通道的孔，该滞留物通道可操作以隔离该滞留物通道中的加压流体，该视觉可观察膜邻近该侧光式光导定位并覆盖该孔，其中，该侧光式光导由透明或半透明材料构成以照明该视觉可观察膜的该第一表面，从而允许观察者观察该视觉可观察膜的第一表面上的结垢、颗粒和生物结污；
c)边缘照明光源，固定到该侧光式光导，该边缘照明光源可操作以照明该侧光式光导，从而提供基本上平行于该视觉可观察膜的照明；
d)滞留物模块，该滞留物模块具有：
(i)滞留物模块支撑块，
(ii)该滞留物模块块内的光学窗口，该光学窗口用于观察该视觉可观察膜，
(iii)用于供给进入流进入该膜表面监控单元的入口管道，
(iv)用于排出液体浓缩物流的出口管道；以及，
e)渗透模块，该渗透模块具有：
(i)渗透模块支撑块，
(ii)渗透收集器，用于接收用于接收已经通过该侧光式光导的孔和该视觉可观察膜的渗透，
(iii)渗透出口管道，用于引导渗透离开该渗透模块，
其中，当该膜表面监控单元处于其可操作配置时，该侧光式光导位于该滞留物模块与该渗透模块之间。
2.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该视觉可观察膜具有与该第一表面相反的第二表面，该第二表面形成与该活动供给侧相反的渗透侧，该膜表面监控单元进一步包括：
a)邻近该视觉可观察膜的第二表面的多孔膜支撑物
b)该侧光式光导的孔之间的供给间隔物，该供给间隔物的大小适于容纳预定大小的滞留物通道，
c)多个密封构件，其位于(i)该光学窗口与该滞留物模块、(ii)该滞留物模块支撑块与该侧光式光导、以及(iii)该侧光式光导与该渗透模块支撑块中的至少两者之间。
3.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该滞留物模块和该渗透模块是不透明的，从而使由于杂散光导致的图像失真最小化。
4.如权利要求1所述的膜表面监控单元，进一步包括夹具，该夹具用于将该滞留物模块、该侧光式光导和该渗透模块固定在该夹具之间，从而增加对该膜表面监控单元的密封并使高压下的泄漏最小化。
5.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该侧光式光导沿着该滞留物通道具有锥形表面，从而分别使该入口管道和该出口管道的进入-离开区域附近的流动干扰最小化。
6.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该光源被配置成用于沿着基本上平行于该视觉可观察膜的第一表面的方向引导光。
7.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该入口管道和该出口管道分别与该滞留物模块支撑块和该渗透模块支撑块集成。
8.如权利要求1所述的膜表面监控单元，其中，该滞留物模块的该入口管道和该出口管道基本上垂直于该光学窗口，从而允许成像系统容易地附接在该膜表面监控系统上方。
9.如权利要求8所述的膜表面监控单元，其中，该边缘照明光源沿着该侧光式光导的侧边缘固定，从而将位于该滞留物块上方的成像系统隔离开，从而使进入该光学窗口并且过度曝光该视觉可观察膜的杂散光最小化。
10.一种用于监控具有膜的过滤装置中的膜结垢、颗粒结污和生物结污的膜表面监控系统，其中，该过滤装置接收供给流并排放浓缩物流，该监控系统包括：
a)膜表面监控单元，该膜表面监控单元具有：
(i)视觉可观察膜，该视觉可观察膜在活动供给侧具有第一表面；
(ii)侧光式光导，该侧光式光导具有形成滞留物通道的孔，该滞留物通道可操作以隔离该滞留物通道中的加压流体，该视觉可观察膜邻近该侧光式光导定位并覆盖该孔，其中，该侧光式光导由透明或半透明材料构成以照明该视觉可观察膜的该第一表面，从而允许观察者观察该视觉可观察膜的第一表面上的结垢、颗粒和生物结污；
(iii)边缘照明光源，固定到该侧光式光导，该边缘照明光源可操作以照明该侧光式光导，从而提供基本上平行于该视觉可观察膜的照明；
(iv)滞留物模块，该滞留物模块具有：
(1)滞留物模块支撑块，
(2)该滞留物模块块内的光学窗口，该光学窗口用于观察该视觉可观察膜，
(3)用于供给进入流进入该膜表面监控单元的入口管道，
(4)用于排出液体浓缩物流的出口管道；以及，
(v)渗透模块，该渗透模块具有：
(1)渗透模块支撑块，
(2)渗透收集器，用于接收用于接收已经通过该侧光式光导的孔和该视觉可观察膜的渗透，
(3)渗透出口管道，用于引导渗透离开该渗透模块，
其中，当该膜表面监控单元处于其可操作配置时，该侧光式光导位于该滞留物模块与该渗透模块之间。
b)成像系统，该成像系统相对于该监控系统被配置和定位以便可操作以：
(i)捕获该视觉可观察膜的表面的图像和反射光谱中的至少一者，以及
(ii)创建指示所捕获的图像和该光谱中的至少一者的图像数据信号和光谱成像数据信号中的至少一者；
c)数据处理系统，该数据处理系统可操作地链接到该成像系统以便从其接收该图像数据信号，该数据处理系统可操作以分析该图像数据信号以便提供该视觉可观察膜上的结垢、颗粒结污和生物结污中的至少一者的程度的指示；以及，
d)控制器，其可操作以控制：照明；图像捕获和光谱捕获中的至少一者；图像数据管理；图像分析；和外部数据通信；入口流速、和活动供给上的压力以使其约为被监控的膜设备元件或设备片段的压力。
11.如权利要求10所述的系统，进一步包括：
a)安装在从该膜表面监控单元离开的滞留物流上的滞留物流量计；以及，
b)安装在从该膜表面监控单元离开的该滞留物流上的滞留物流量控制阀，
其中，该滞留物流量计和该滞留物流量控制阀可操作地连接到该控制器，并且该控制器向滞留物流速提供反馈控制输入并基于由该滞留物流量计测量的预定流速测量值来操纵控制阀致动器，并且其中，该滞留物流量计将数据传输到该控制器。
12.如权利要求11所述的系统，进一步包括以下各项中的至少一项：
a)安装在该滞留物流上的电导率仪；
b)安装在该滞留物流上的温度传感器；
c)安装在渗透流上的流量计；以及，
d)安装在入口流上的压力传感器，
其中，该电导率仪、该温度传感器、安装在该渗透流上的流量计和安装在该入口流上的压力传感器可操作地连接到该控制并将数据传输到该控制器，
由此来自该电导率仪、该温度传感器、安装在该渗透流上的流量计和安装在该入口流上的压力计的数据表征浓度极化水平和膜性能，比如该膜系统监控单元的水渗透性和盐排斥。
13.如权利要求11所述的系统，其中，该膜表面监控单元的特征在于可移除盒，由此该可移除盒可以插入该膜表面监控系统和从该膜表面监控系统移除，而不必改变该成像系统的位置。
14.如权利要求10所述的膜监控系统，其中，该成像系统包括CCD或CMOS相机，并且被配置成能够检测UV、可见、红外和近红外波长并且被定位在该滞留物模块上方，并且该CCD或该CMOS相机的镜头被定位在该光学窗口上方以从该视觉可观察膜捕获数据；
由此该膜监控系统能够提供该视觉可观察膜的实时表面图像和实时成像光谱中的至少一者以提供比如结垢覆盖、结污的演变、污染物的类别的识别和结垢的类别的识别等一系列定量度量，以及确立在该膜设备的操作周期期间结污和结垢的差异，并且
由此可以使用与这些结污或矿物度量相关的数字或模拟信号的定量输出来指导设备操作员确立用于减轻膜结污和结垢的适当策略。
15.如权利要求14所述的膜监控系统，
a)其中，该数据处理系统被配置成用于确定该视觉可观察膜的表面区域的(i)结垢、(ii)污染物、和(iii)沉积颗粒中的至少一者的百分比和密度，并且
b)其中，该数据处理系统被配置成用于基于(i)几何形状分析和(ii)由该图像处理系统捕获的图像的光谱分析中的至少一者通过使用光谱分析和模式辨识来识别该视觉可观察膜的表面上的矿物结垢的类型和污染物的类型。
16.如权利要求10所述的系统，其中，该图像和该光谱中的至少一者是该视觉可观察膜的表面的图像和光谱两者；并且其中，图像数据信号和该光谱成像数据信号中的至少一者是该图像数据信号和该光谱成像数据信号两者。
17.一种用于监控膜结垢和结污的方法，该方法包括：
a)提供膜表面监控单元，该膜表面监控单元具有：
i)视觉可观察膜，该视觉可观察膜在活动供给侧具有第一表面；
ii)侧光式光导，该侧光式光导具有形成滞留物通道的孔，该滞留物通道可操作以隔离该滞留物通道中的加压流体，该视觉可观察膜邻近该侧光式光导定位并覆盖该孔，其中，该侧光式光导由透明或半透明材料构成以照明该视觉可观察膜的该第一表面，从而允许观察者观察该视觉可观察膜的第一表面上的结垢、颗粒和生物结污；
iii)边缘照明光源，固定到该侧光式光导，该边缘照明光源可操作以照明该侧光式光导，从而提供基本上平行于该视觉可观察膜的照明；
iv)滞留物模块，该滞留物模块具有：
(1)滞留物模块支撑块，
(2)该滞留物模块块内的光学窗口，该光学窗口用于观察该视觉可观察膜，
(3)用于供给进入流进入该膜表面监控单元的入口管道，
(4)用于排出液体浓缩物流的出口管道；以及
v)渗透模块，该渗透模块具有：
(1)渗透模块支撑块，
(2)渗透收集器，用于接收用于接收已经通过该侧光式光导的孔和该视觉可观察膜的渗透，
(3)渗透出口管道，用于引导渗透离开该渗透模块，
其中，当该膜表面监控单元处于其可操作配置时，该侧光式光导位于该滞留物模块与该渗透模块之间。
b)使进入流穿过该视觉可观察膜的第一表面；
c)从该视觉可观察膜的第一表面的被照明部分收集视觉数据，其中，这些收集的数据指示该视觉可观察膜的第一表面上的结垢和结污的存在和程度；
d)将这些收集的视觉数据传送到数据处理系统；以及，
e)利用该数据处理系统来解释这些收集的视觉数据以确定该视觉可观察膜和过滤装置的膜上的结垢和结污的程度。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括响应于该视觉可观察膜上的结垢或结污的程度来控制过滤装置的步骤。
19.如权利要求17所述的方法，其中，解释这些收集的视觉数据的步骤包括：显示该视觉可观察膜的表面的实时图像和显示表面成像光谱中的至少一者；以及使这些收集的视觉数据与过滤装置的膜的结垢或结污状况相关。
20.如权利要求17所述的方法，
其中，解释这些收集的数据是迭代过程，其特征在于，分析对象大小分布、对象形状、对象纹理、对象表面密度和捕获的反射光谱、对象区域梯度、和对象几何形状，
并且其中，解释这些收集的数据包括以下步骤：
读取该视觉可观察膜的背景框架；
读取该视觉可观察膜的前景框架；
匹配这些背景框架和前景框架的直方图；
从前景框架信息中减去背景框架信息；
使用形态学操作和对象检测度量来输出该视觉可观察膜的对象辨识。
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