CN112703045A - 用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统，所述饮用水分配网络包括具有入水口和出水口在内的水质量流量计，所述水质量流量计位于客户处，其中，过滤设备放置在所述水质量流量计的上游，所述过滤设备设置有前置压力传感器和后置压力传感器。

Description

用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统

技术领域

本发明涉及一种用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统，该系统包括具有入水口和出水口的水质量流量计，该水质量流量计位于客户处。这种系统不仅与监测相关，而且还集中在研究检测到的结垢问题的原因。此外，本发明涉及一种用于监测结垢问题并弄清楚导致水表堵塞问题的原因的方法。

背景技术

饮用水分配网络中的监测系统是众所周知的。例如，根据NL1028474已知一种用于在过滤过程期间在线监测膜结垢的设备，该设备包括膜，该膜的边缘被夹持在顶板和底板之间。用于在过滤过程期间在线监测膜结垢的这种设备包括具有进给流入口、产物流出口和进给流出口的膜组件。该膜组件包括边缘被夹持在顶板和底板之间的膜。

根据US 2009/045144已知饮用水分配网络中的另一监测系统。该美国公开公开了一种监测系统和方法，用于监测RO单元中的反渗透(RO)膜，即，检测RO膜的表面上的无机盐晶体的形成。其中公开的监测系统包括耦接到RO单元的反渗透监测单元，以便接收从到RO单元的进给流或来自RO单元的浓缩流中取得的样本流。该单元(cell)具有视觉可观察的RO膜，该RO膜对于成像系统可见，该成像系统创建并收集该视觉可观察的RO膜的图像，并将图像数据信号传送到数据处理系统，该数据处理系统可操作用于将图像数据信号转换为用于显示的视觉图像，并将图像数据信号中的数据与RO单元中RO膜上的缩放条件相关联。

EP 1 791 616涉及一种表征要过滤的流体和过滤介质的结垢状态和其中的变化的方法。过滤流体以去除污染物是本领域中通常已知的。当过滤流体以去除污染物时，将使用过滤器，一部分污染物以滤饼的形式沉积在该过滤器上。取决于滤出的材料的性质，该滤饼可以变化很大，例如，它可以是可压缩的、不可压缩的或可压实的滤饼。而且，滤出的材料可能会或多或少地阻塞过滤器的孔，或者例如会吸附到过滤器材料上。

Gang Liu等人的标题为“供水质量变化对饮用水分配的潜在影响：综述”，水研究，2017年6月1日，第116卷，第135-148页的文章，公开了一种情况，其中水质可能由于诸如管道材料的释放、生物膜的形成和分离、疏松沉积物的积累和再悬浮等过程，在其通过管道网络分配期间受到影响。供水质量中的不规则变化可能会导致已经建立了数十年的分配系统中管道材料、生物膜和疏松沉积物的物理化学和微生物失稳，并可能窝藏导致健康或美学问题的成分(棕色水)。该文章回顾了水分配系统中产生的污染物及其特性、以及在处理水质切换期间由于失稳和管道材料和污染物释放到水中而可能的过渡效应和后续风险。例如，生物膜基质问题，即生物化学和微生物失稳，可能导致细胞释放、颗粒生成、水表堵塞和变色。

国际申请WO 2014/171400涉及一种用于实时监测水系统的粘液粘附状态的方法和设备。从水系统中采样的水(原水)使用错流方法穿过中空纤维膜，并基于原水流入侧和渗透水流出侧之间的压力差的变化来监测中空纤维膜组件的粘液粘附状态。使用错流(cross-flow)方法，基于由粘液粘附在中空纤维膜表面上导致的膜前后的压力变化，连续地计量粘液粘附状态的变化。此外，该系统还可以测量渗透水相对于原水的溶解氧(DO浓度)中的变化。据此，可以确认膜压差的变化是否是除粘液之外的因素。

生物膜是表面/界面上微生物的聚集体，并被细胞外聚合物基质结合。在该上下文中，WO 2016/153428公开了一种分析生物膜形成的方法，该方法包括在流式细胞仪中量化生物膜的形成，该流式细胞仪包括具有凹进通道板的表面中的通道和凹进通道板的表面中的凹槽在内的通道板，该凹槽被配置为围绕通道并且优选地沿着通道的边界。

饮用水分配网络是密封且加压的系统，由于长期运行，该系统附着了许多生物膜和微生物。在可预见的将来，饮用水供应商可能会采用反渗透(RO)来处理饮用水，并且因此饮用水中的营养物(可生物降解的化合物)将很少。在这种情况下，用于附着在管线上的生物膜可能会死亡并从管道上分离，并且这部分生物膜可能会堵塞消费者的水表。

本申请人聚焦于向消费者提供更安全得多的水，并且其结果是引入了一步式反渗透(一步式RO)以代替常规处理。一步式RO是使地下水直接穿过RO膜，并且几乎只有水可以穿过RO膜。因此，来自处理厂的饮用水几乎是纯净水。一方面，使用RO水可以显著改进饮用水质，并且还可以控制在分配过程期间的微生物生长，因为生物学上稳定的水可以通过控制食物来源来限制任何种类的细菌的生长。另一方面，由于RO水是如此纯净且营养物浓度几乎为零，在过去的几十年中，由于缺少足够的食物，许多附着在管线上的生物膜和微生物可能会死亡并且从管线上脱离。这些脱离的生物膜和微生物分片地存在于水中，并可能堵塞水表。

饮用水分配系统是将安全且高质量的饮用水输送给客户的最后且必不可少的步骤。这种系统的功能之一是防止细菌入侵。然而，可能会发生一些生物过程，例如生物膜的形成和分离、大量的水中的微生物生长以及疏松沉积物的形成。这些过程将导致分配过程期间的水质的恶化。在一些极端情况下，病原体可能会再生长并导致对消费者的健康风险。

因此，有必要开发一种有效的方法来监测分配过程期间的水质。

此外，为了避免潜在的水表堵塞问题，需要一种监测方法来监测分配过程期间的结垢问题。

本发明的另一方面涉及通过测量系统的若干过程参数来调查发生若干问题(即，水表的堵塞、水质的变化)的原因。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统，该饮用水分配网络包括具有入水口和出水口在内的水质量流量计，该水质量流量计位于客户处，其特征在于，在水质量流量计的上游放置过滤设备，该过滤设备设置有前置压力传感器和后压力传感器。

基于这种系统，将实现本发明的一个或多个目的。本发明人发现，压降是检测结垢问题的关键因素，并且识别了两种设备——过滤堵塞可能性(FCP)和错流堵塞可能性(CCP)——以短期地和长期地监测结垢问题。根据本发明，用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统不仅可以测量水流量，还可以通过检测压降增大来监测堵塞的可能性，并可以充当预警系统，其使饮用水供应商在消费者投诉之前就知道并处理堵塞问题。因此，用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统可以通过监测压降增大来检测结垢问题。实际上，本系统既可以用于监测常规运行水质变化，也可以用于监测由升级处理(RO或其他水处理、纳滤(NF)、活性炭等)或切换源水导致的分配系统中水质恶化的特殊场合(例如，水表堵塞和水变色)。本发明人发现，通过这种过滤设备的存在，现在可以通过测量压降并表征造成压降的原因来研究水表堵塞、水质变化发生的原因。

在本系统的实施例中，过滤设备设置有可更换的过滤袋，该过滤袋适用于分析饮用水分配网络中存在的沉积物。

这种过滤袋被包含在过滤器壳体中。如果在过滤袋前后单独安装的两个压力传感器监测到不常见的压差，则将打开过滤设备，并从过滤设备中取出过滤袋。可以针对存在于过滤袋中的沉积物对过滤袋进行分析。可以通过由新的过滤袋更换旧的过滤袋来继续分配饮用水。因此，饮用水的输送不会长时间中断。

在本系统的实施例中，温度传感器被放置在水质量流量计的上游。对于监测系统，本系统因此与常规水表、温度传感器、单独安装在过滤袋前后的两个压力传感器以及包含在过滤器壳体中的过滤袋组装在一起。优选地，还包括三个阀，用于采样、过滤袋更换和维护。

在本系统的实施例中，前置压力传感器和后压力传感器生成信号，其中，因此生成的信号被发送到监测器盒。在监测器盒中，收集并处理数据。监测器盒包括用于收集、处理和显示数据的微处理器。监测器盒的示例是计算机，可以经由计算机编程指示该计算机自动执行一系列算术或逻辑运算。这种计算机具有遵循称为程序的广义运算集的能力。这些程序使计算机能够执行极其广泛的任务。包括所需要的并用于完全操作的硬件、操作系统(主软件)和外围设备的监测器盒的示例在此称为计算机系统。该术语也可以用于连接在一起并且一起工作的一组计算机，特别是计算机网络或计算机集群。

在本系统的实施例中，温度传感器生成信号，其中，因此生成的信号被发送到监测器盒。在监测器盒中，收集并处理数据。

在本系统的实施例中，质量流量计生成信号，其中，因此生成的信号被发送到监测器盒。在监测器盒中，收集并处理数据。

如上所述的信号传输可以经由互连的计算机网络(例如，互联网)进行。因此，存在一种在线更新系统。根据该系统，现在可以精确地记录数据，例如每8秒一次，并且一旦访问了客户的可用互联网(例如，Wi-Fi)，它就可以将记录的数据连续更新到在线数据池并通过网站将其可视化，以实现24/7监测，而不会打扰客户。

在实施例中，该系统设置有用于取得水样的一个或多个阀。在实施例中，用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统还可以包括一个或多个绕过管线，例如，绕过过滤设备以继续向客户分配水的管线。当中断跨过滤设备的水的分配时，例如在更换过滤袋时，这种情况是优选的。

本发明还涉及一种用于如上所述的系统中监测饮用水分配网络中的结垢问题的方法，该方法包括以下步骤：

i)向客户提供饮用水，

ii)使用前置压力传感器测量压力，

iii)使用后压力传感器测量压力，

iv)基于由ii)和iii)生成的数据计算所述过滤设备上的压力差，

v)将由iv)生成的数据与参考数据进行比较，并且如果步骤v)的结果高于阈值，则执行以下步骤：

vi)从过滤设备中取回过滤袋，分析存在于过滤袋上的沉积物并更换过滤袋。

因此，这种方法涉及监测分配过程期间的水质和结垢问题，其中，现在可以调查导致压降/过滤器阻力增大的原因。并且现在也可以分析这些问题的特性。在将过滤袋更换为新的过滤袋之后，重新建立通过过滤设备的水的流量。在这种过滤袋的更换期间，可以通过绕过过滤设备而继续向消费者分配水。一旦更换了过滤袋，可以终止绕过情况。在本方法的实施例中，前置压力传感器位于过滤设备的上游。在本方法的实施例中，后压力传感器位于过滤设备的下游。参考数据是指其中过滤设备中不存在沉积物的情况。因此，与参考数据的任何偏差都是对异常的指示。例如，压降/过滤器阻力的增大可以指示过滤设备中颗粒的存在。可以针对温度的影响来校正参考数据和由此处提到的任何一个或多个传感器测量的数据。

根据本方法的另一实施例，步骤ii)和iii)还包括将所测量的压力值传输到监测器盒，其中，信号的传输经由互联网进行。

根据另一实施例，本方法还包括以下步骤：测量温度并特别是经由互联网将所测量的温度值传输到监测器盒。

还可以测量通过质量流量计的水的流量，并特别是经由互联网将所测量的流量值传输到监测器盒。

因此，本发明涉及一种用于监测结垢问题并弄清楚导致水表堵塞问题的原因的方法。本发明的另一方面是分析导致压降/过滤器阻力增大的原因。这是为了弄清楚导致潜在结垢问题的因素，特别是物理部分、化学部分和生物部分。物理部分重在对从压降和过滤器阻力进行解释。化学部分专注于确定结垢的化学化合物，并且生物部分则集中于ATP浓度。可以从来自这三个方面的分析的组合中，获得更好和全面的结果。在物理部分中，可以使用显微镜和颗粒计数器来计算总堵塞颗粒数。在化学部分中，可以使用ICP-MS来检测化学物质的浓度。

具体实施方式

下文将讨论本发明。

唯一的图示出了用于监测饮用水分配网络3中的结垢问题的系统1。饮用水经由前置压力传感器2被发送到过滤设备5。入口流13进入过滤设备5，并且出口流12通过后置压力传感器6。来自后置压力传感器6的出口流11被发送到水质量流量计7。来自水质量流量计7的出口流10通过温度传感器8，并且流9被发送给客户。前置压力传感器2生成信号14，后置压力传感器6生成信号15，水质量流量计7生成信号16，以及温度传感器8生成信号17。附加的温度传感器(未示出)也可以位于水质量流量计7的上游。温度传感器也可以存在于过滤设备5的入口处或存在于过滤设备5的出口处。所有信号14、15、16和17——例如，示出为组合信号18——被发送到监测盒4，即计算机系统。过滤设备5包括壳体，过滤袋被放置在该壳体中。入口流13通过过滤袋，并作为出口流12离开过滤设备。过滤袋可以很容易地从过滤设备5中取回。存在于过滤袋上的沉积物可以在实验室中进行分析。用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统还包括用于取得水样的一个或多个阀(未显示)。尽管唯一的图示出了流13仅连接到过滤设备5，但流13的一部分可以“绕过”过滤设备5。当过滤设备5不适用于通过大量水时，这种情况是优选的。因此，在这种实施例(未示出)中，入口流13被部分地发送到设备5的入口，并且部分地被发送到出口流12。

信号14、15、16和17到监测盒4的传输可以经由互连的计算机网络(例如，互联网)进行。因此，存在一种在线更新系统。根据该系统，现在可以精确地记录数据，例如每8秒一次，并且一旦访问了客户的可用互联网(例如，Wi-Fi)，它就可以将所记录的数据连续更新到在线数据池并通过网站将其可视化，以实现24/7监测，而不会打扰客户。监测盒优选地位于饮用水分配网络的管理员或所有者处，并且因此向管理员或所有者通知饮用水分配网络中可能的结垢问题的状态。如果在监测盒中处理的数据指示饮用水分配网络中确实存在结垢问题，则管理员或所有者将被通知该问题并可以进行适当的测量。

用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统还可以包括一个或多个绕过管线，例如，绕过过滤设备以继续向客户分配水的管线。尽管唯一的图示出了其中一个水质量流量计连接到过滤设备的情况，但是也可以将若干水质量流量计连接到同一过滤设备。因此，这种过滤设备可以被若干个客户使用，例如在住宅区或地区中。

Claims (16)

1.一种用于监测饮用水分配网络中的结垢问题的系统，所述饮用水分配网络包括具有入水口和出水口在内的水质量流量计，所述水质量流量计位于客户处，其特征在于，过滤设备放置在所述水质量流量计的上游，所述过滤设备设置有前置压力传感器和后置压力传感器。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过滤设备设置有可更换的过滤袋，所述过滤袋适用于分析存在于所述饮用水分配网络中的沉积物。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的系统，其中，温度传感器放置在所述水质量流量计的上游和/或下游。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述前置压力传感器和所述后置压力传感器生成信号，所述信号被发送到监测盒，以用于收集所述信号并分析所述信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述温度传感器生成信号，所述信号被发送到监测盒，以用于收集所述信号并分析所述信号。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述质量流量计生成信号，所述信号被发送到监测盒，以用于收集所述信号并分析所述信号。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的系统，其中，所述信号的传输经由互联网进行。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统设置有用于取得水样的一个或多个阀。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统设置有绕过所述过滤设备的一个或多个管线，以用于继续向所述客户分配水。

10.一种用于在根据前述权利要求中任一项或多项所述的系统中监测饮用水分配网络中的结垢问题的方法，所述方法包括以下步骤：

i)向客户提供饮用水，

ii)使用前置压力传感器测量过滤设备的入口之前的位置处的压力，

iii)使用后置压力传感器测量所述过滤设备的出口处的位置处的压力，

iv)基于由ii)和iii)生成的数据计算所述过滤设备上的压力差，

v)将由iv)生成的数据与参考数据进行比较，并且如果步骤v)的结果高于阈值，则执行以下步骤：

vi)从所述过滤设备取回所述过滤袋，分析存在于所述过滤袋上的沉积物并更换所述过滤袋。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，步骤ii)和iii)还包括向监测盒传输所测量的压力值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述传输经由互联网进行。

13.根据权利要求10至12中任一项或多项所述的方法，还包括：测量所述温度，并且特别是经由互联网向监测盒传输所测量的温度值。

14.根据权利要求10至13中任一项或多项所述的方法，还包括：测量通过所述质量流量计的水的流量，并且特别是经由互联网向监测盒传输所测量的流量值。

15.根据权利要求10至14中任一项或多项所述的方法，还包括：针对特定的时间间隔，记录从具有前置压力传感器、后置压力传感器、温度传感器、质量流量计的组中选择的一个或多个信号，并且将记录的数据更新到在线数据池。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：通过网站可视化所述在线数据池，以实现24/7全天候监测，而不会打扰所述客户。

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