CN113477097B - 一种预测反渗透膜污堵的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测反渗透膜污堵的装置与方法，包括：控制反渗透膜修正后的产水通量J不变，测定水样在初始时刻的操作压力ΔP₀，以及在t时刻的操作压力ΔP，计算t时刻的标准化压力

计算标准化压力

不同时刻的时间变化率；将t时刻的标准化压力

用膜污堵模型进行拟合，具体过程为：如果标准化压力

的时间变化率随过滤时间t增加而增加时，采用模型一：

其中，t为过滤时间；ΔP为t时刻的操作压力，ΔP₀为初始时刻的操作压力，

为标准化压力；j为无量纲通量；Δπ_N是由初始操作压力标准化的渗透压；α为补偿系数；k为阻力增加系数；b为与过滤初始阻力有关的模型参数。本发明能够准确模拟和预测标准化压力随运行时间的变化，拟合优度高。

Description

一种预测反渗透膜污堵的装置与方法

技术领域

本发明涉及反渗透系统领域，尤其涉及一种预测反渗透膜污堵的装置与方法。

背景技术

反渗透(RO)工艺由于产水水质好、占地面积小、运行稳定，被越来越多地用于高标准工业纯水的生产。反渗透膜理论上可以截留水中绝大多数污染物，从而保障良好的产水水质，但是，部分被截留的污染物会附着于反渗透膜面，导致膜通量下降、产水水质下降，这是限制反渗透工艺稳定运行的核心难题。在实际工程运行过程中，为保证产水水量稳定，通常采用恒通量变压力的运行方式。发生膜污堵后，需要提高运行压力以保障产水水量稳定。因此，运行压力的变化直接反映了反渗透膜的污堵程度。掌握和预测反渗透系统运行压力随时间的变化规律，对于控制膜污堵、维持系统的稳定运行具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种预测反渗透膜污堵的装置与方法，在控制反渗透膜污堵、维持系统稳定运行方面具有重要意义。

第一方面，本发明提供一种预测反渗透膜污堵的方法，包括如下步骤：

S1：控制反渗透膜修正后的产水通量J不变，测定水样在初始时刻的操作压力ΔP₀，以及在t时刻的操作压力ΔP，计算t时刻的标准化压力

S2：计算标准化压力

不同时刻的时间变化率；

S3：将t时刻的标准化压力

用膜污堵模型进行拟合，具体过程为：

如果标准化压力

的时间变化率随过滤时间t增加而增加时，则采用如下模型一，其表达式如下：

其中，t为过滤时间；ΔP为t时刻的操作压力，ΔP₀为初始时刻的操作压力，

为标准化压力；j为无量纲通量；Δπ_N是由初始操作压力标准化的渗透压；α为补偿系数；k为阻力增加系数；b为与过滤初始阻力有关的模型参数；采用上述模型一拟合后，计算得出模型参数j，Δπ_N，α，k和b；

如果标准化压力

的时间变化率随过滤时间t增加而而减小时，则采用如下模型二，其表达式如下：

其中，t，

j，Δπ_N，α的定义与模型一中相同；a为压力增长系数；m为初期增长系数；采用模型二拟合后，计算得出模型参数j，Δπ_N，α，a，和m；

根据模型一或模型二即可对该反渗透膜污堵进行预测和评估。

进一步地，所述模型一拟合包括一次拟合和二次拟合，一次拟合后，确定j，Δπ_N数值后，进行二次拟合，计算α，k和b数值。

进一步地，S1中，所述修正后的产水通量J的计算方法，包括如下步骤：

步骤一：计算t时刻产水流量

假设产水为纯水，密度为1g/mL，每隔10min记录一次数据，则该装置在t时刻的产水流量为：

其中，Q为t时刻产水流量，单位为mL·min^-1；V₁为t-10时刻的产水总体积，单位为mL；V₂为t+10时刻的产水总体积，单位为mL；

步骤二：计算反渗透膜在t时刻的通量

反渗透膜在t时刻的通量由下式计算：

其中，J_t为t时刻膜片的通量，单位为mL·min^-1·mm^-2；Q为t时刻产水流量，单位为mL·min^-1；R为反渗透膜过水面积的半径；

步骤三：计算修正后的产水通量

修正后的产水通量由下式计算：

J＝J_t×1.024^25-T (式3)

其中，J为修正后的产水通量(mL·min^-1·mm^-2)；T为t时刻计算机记录的进水温度，单位为℃。

第二方面，本发明还提供了一种预测反渗透膜污堵的装置，该装置利用所述的预测方法预测反渗透膜污堵，所述装置包括反渗透平膜单元以及分别通过进水管、浓水管和产水管与反渗透平膜单元连接的进水箱、浓水箱和产水箱；进水箱内侧底部安装有用于实时监测进水温度的温度监测仪，进水管上安装有进水泵和压力表，浓水管上安装有浓水阀门，产水箱底部设有用于实时记录产水质量的电子天平；所述装置还包括计算机，计算机分别与温度监测仪、压力表、浓水阀门和电子天平相连接。

所述装置的使用方法为：

(Ⅰ)将计算机内预设所述预测反渗透膜污堵的方法；

(Ⅱ)先打开浓水阀门，再启动进水泵，在计算机内设置修正后的产水通量，检测初始时刻的操作压力ΔP₀以及t时刻的操作压力ΔP，计算t时刻的标准化压力

(Ⅲ)由计算机将t时刻的标准化压力

与模型一或模型二拟合。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

(1)本申请的预测反渗透膜污堵的装置，通过电子天平检测产水质量随时间变化数据，采用式1-式3计算修正后的产水通量，在通过计算机控制修正后的产水通量不变，得到标准化压力随时间变化的数据；

(2)本申请的预测反渗透膜污堵方法，通过模型一或模型二与标准化压力随时间变化数据进行拟合，得到模型参数，能够预测后续渗透膜的标准化压力变化，对于预测反渗透膜污堵具有重要意义；

(3)本申请的预测反渗透膜污堵方法，发明模型一和模型二，且模型一和模型二的拟合优度高，预测效果好，准确率高。

附图说明

图1为本发明提供的预测反渗透膜污堵的装置的结构示意图；

图2为采用模型一对某水厂实际运行RO系统压力-时间曲线的拟合示意图；

图3为采用模型二对小试实验RO系统中MBR出水和自配水的压力-时间曲线的拟合示意图；

图4为采用模型二对中试实验RO系统中UF印染废水的压力-时间曲线的拟合示意图；

图5为采用模型二对中试实验RO系统中MF地下水的压力-时间曲线的拟合示意图。

其中，1、温度监测仪；2、进水箱；3、进水泵；4、压力表；5、反渗透平膜单元；6、浓水阀门；7、浓水箱；8、产水箱；9、电子天平；10、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种预测反渗透膜污堵的装置，如图1所示。

该装置包括反渗透平膜单元5以及分别通过进水管、浓水管和产水管与反渗透平膜单元5连接的进水箱2、浓水箱7和产水箱8；进水箱2内侧底部安装有用于实时监测进水温度的温度监测仪1，进水管上安装有进水泵3和压力表4，浓水管上安装有浓水阀门6，产水箱8底部设有用于实时记录产水质量的电子天平9；所述装置还包括计算机10，计算机10分别与温度监测仪1、压力表4、浓水阀门6和电子天平9相连接。

开始测试时，将测试水样置于进水箱2中，用温度监测仪1实时监测进水的温度，并将温度数据传输并存储于计算机10中，用于后期的数据修正。通过进水泵3向反渗透(RO)平膜单元5供水，通过浓水阀门6调节操作压力，压力表4监测压力数据并传输到计算机10中。测试水样进入反渗透(RO)平膜单元5后，部分水样在操作压力下通过反渗透(RO)平膜单元5中的反渗透膜，成为系统产水并被收集于产水箱8中，剩余的浓水则收集于浓水箱7中。电子天平9实时检测产水的重量，将产水重量数据传输并存储于计算机10，计算机10还可以用于记录时间，进而得到产水质量及操作压力随时间变化数据。

根据电子天平9检测产水质量数据变化，可计算产水通量的变化，当发生反渗透膜污堵时，则产水通量下降，计算机10将控制浓水阀门6的开度，从而提高进水压力，以维持产水通量稳定。

该装置的使用方法为：

(Ⅰ)将计算机(10)内预设预测反渗透膜污堵的方法，用于按照该评价方法对进水温度及产水质量进行处理；

(Ⅱ)先打开浓水阀门，再启动进水泵，在计算机(10)内设置修正后的产水通量，检测初始时刻的操作压力ΔP₀以及t时刻的操作压力ΔP，计算t时刻的标准化压力

(Ⅲ)计算

变化率随时间的变化，进而由计算机将t时刻的标准化压力

与模型一或模型二拟合。

现有技术中，在恒定压力下，通过过水通量的变化来体现膜污堵潜势的系统，仅限于实验室使用，在实际工程中通常不会采用这样的操作方式。本申请中，直接按照实际工程中恒定通量(即保持修正后的产水通量不变)、变化压力的操作方式进行了系统设计，使改进后的系统能够较好的模拟实际工程的运行情况，并通过操作压力的变化来体现膜污堵潜势的大小。

修正后的产水通量J的计算方法，具体包括如下步骤：

步骤一：计算t时刻产水流量

通过预测反渗透膜污堵的装置得到产水质量随时间变化的数据，由于反渗透膜能够截留水中绝大多数的污染物与离子，故可假设产水即为纯水，密度为1g/mL，由此可将产水质量转化为产水体积V(mL)。测试时，每10min记录一次数据，测试该装置在t时刻的产水流量可由下式计算：

其中，Q为t(min)时刻产水流量，单位为mL·min^-1；V₁为t-10时刻的产水总体积，单位为mL；V₂为t+10时刻的产水总体积，单位为mL。

步骤二：计算反渗透膜在t时刻的通量

反渗透膜在t时刻的通量由下式计算：

其中，J_t为t时刻膜片的通量，单位为mL·min^-1·mm^-2；Q为t(min)时刻产水流量，单位为mL·min^-1；R为平膜装置安装完毕后反渗透膜过水面积的半径。

步骤三：计算修正后的产水通量

由于水样的温度波动会影响反渗透膜的过水通量，需结合检测的温度数据对步骤二中的通量进行修正。具体计算公式如下：

J＝J_t×1.024^25-T (式3)

其中，J为修正后的产水通量(mL·min^-1·mm^-2)；T为t时刻电脑记录的进水温度，单位为℃。

通过上述数据处理，即可得到修正后的产水通量。

该装置运行过程中，根据产水通量的变化，计算机自动调节浓水阀门的开度，以维持运行通量稳定不变，并记录相应的运行压力变化。运行一段时间后，由于反渗透膜污堵，运行通量会逐渐减小。

在实际工程应用中，为了保证单位时间产水量不变，需要维持通量稳定，计算机将自动控制浓水阀门，进而提高进水压力，并记录操作压力随时间的变化，最终得到：在通量不变的情况下，操作压力随时间变化曲线。

根据上述式1-3，可以计算修正后的产水通量J，在计算机10上设置实际产水通量为修正后的产水通量J，且保持实际产水通量稳定不变，则计算机采集操作压力ΔP随时间变化的数据，以及初始压力ΔP₀，然后计算标准化压力

随时间变化的数据。

实施例2

一种预测反渗透膜污堵的方法，包括如下步骤：

S1：控制反渗透膜修正后的产水通量J不变，测定水样在初始时刻的操作压力ΔP₀，以及在t时刻的操作压力ΔP，计算t时刻的标准化压力

S2：计算标准化压力

不同时刻的时间变化率；

S3：将t时刻的标准化压力

用膜污堵模型进行拟合，具体过程为：

如果标准化压力

的时间变化率随过滤时间t增加而增加时，则采用如下模型一，其表达式如下：

其中，t为过滤时间；ΔP为t时刻的操作压力，ΔP₀为初始时刻的操作压力，

为标准化压力；j为无量纲通量；Δπ_N是由初始操作压力标准化的渗透压；α为补偿系数；k为阻力增加系数；b为与过滤初始阻力有关的模型参数；采用上述模型一拟合后，计算得出模型参数j，Δπ_N，α，k和b；

如果标准化压力

的时间变化率随过滤时间t增加而而减小时，则采用如下模型二，其表达式如下：

其中，t，

j，Δπ_N，α的定义与模型一中相同；a为压力增长系数；m为初期增长系数；采用模型二拟合后，计算得出模型参数j，Δπ_N，α，a，和m；

根据模型一或模型二即可对该反渗透膜污堵进行预测和评估。

需要说明的是，本发明提出的模型是以Kim等人提出的微生物-EPS球形扩散单元模型为基础。微生物-EPS球形扩散单元模型的表达式如下式4所示。

其中，j为无量纲产水通量(j＝v_w/k*，其中v_w为渗透速率，单位为m/s，k*为传质系数，单位为m/s)；

Δπ为主体溶液渗透压，Mpa，Δπ＝RTΔC_b；ΔC_b为膜两侧溶液主体浓度差，mg/L；R_f为总过滤阻力，m^-1；k*为传质系数，m/s；Δp为跨膜压差，Mpa。

因微生物-EPS球形扩散单元模型参数中不含过滤时间且模型参数较为复杂，本发明将其进行近似展开并整合模型参数、化简改良。令其中的总过滤阻力R_f为关于时间的函数f(t)，从而向模型中引入了过滤时间t，得到式5。

其中，ΔP为过滤操作压力。

具体的，如果标准化压力

的时间变化率随过滤时间t增加而增加时，尝试多种不同的函数，发明人最终发现当f(t)为二次函数时，模型形式简洁且拟合效果好。此时膜污堵模型的表达式如式6所示，称之为模型一。

其中，t为过滤时间，单位为h或d；ΔP为t时刻的操作压力，单位为MPa，ΔP₀为初始时刻的操作压力单位为MPa，

为标准化运行压力，无量纲；j为无量纲通量(j＝v_w/k*，其中v_w为渗透速率，m/s，k*为传质系数,，m/s)；Δπ_N是由初始操作压力标准化的渗透压，无量纲；α为补偿系数，无量纲；k为阻力增加系数，单位为h^-2或d^-2；b为与过滤初始阻力有关的模型参数，无量纲，当k或b增大，压力随时间的增加速率加快。

需要说明的是，模型一中的参数没有常量，但是，在同一个工程的过滤过程中，j和Δπ_N是固定值，即这两个值数量不变。

具体实验时，采用计算机记录压力表读数，并依次计算不同过滤时间对应的标准化压力

将采集到的标准化压力-时间数据采用模型一进行拟合后，即可得出模型参数j，Δπ_N，α，k和b，其中k主要影响后期压力增长速率，b主要影响初期压力增长速率。这些模型参数共同表征了水样对反渗透膜的污堵潜力。

结合实验数据，得到标准化压力随时间的变化曲线，以及模型一的拟合结果，即可对水样的反渗透膜污堵潜力进行系统评价。

如果标准化压力

的时间变化率随过滤时间t增加而而减小时，经多次尝试发现令f(t)为Langmuir函数时，膜污堵模型的表达式如式7所示，称之为模型二。

其中，t，

j，Δπ_N，α的定义与式4中相同；a为压力增长系数，无量纲；m为初期增长系数，表征压力初期增长速率，单位为h^-1或d^-1。

实施例3

将模型一用于拟合实验室及实际运行RO系统标准化压力-时间变化数据，拟合结果如图2所示，采用模型一模拟某实际再生水厂的RO系统操作压力变化。该水厂使用微滤-反渗透(MF-RO)双膜法工艺净化城市污水处理厂的二级出水，以生产工业用再生水和补充饮用水源，根据式1-3，计算该系统中反渗透RO膜修正后的产水通量为17LMH，在计算机中设置RO膜的通量J为17LMH。

拟合过程为：向Origin 2018中输入标准化压力(ΔP/ΔP₀)-时间数据以及模型一的表达式。Origin 2018采用最小二乘法对压力-时间曲线进行拟合，经过多次迭代得到拟合曲线及模型参数值，即为与测定值差值最小的模拟值及相应参数。其得出的原始拟合优度R₀ ²为回归平方和与总离差平方和的比值，在此基础上，计算调整后的拟合优度R²＝1-[(n-1)/(n-p)]·(1-R₀ ²)，其中，n为数据点个数，即输入的标准化压力(ΔP/ΔP₀)-时间数据个数；p为模型参数个数，模型一中的模型参数为5个。调整后的拟合优度也称为最终拟合优度R²。

具体的，拟合过程包括一次拟合和二次拟合。一次拟合过程为：不固定模型参数，利用Origin 2018对标准化压力(ΔP/ΔP₀)-时间数据以及模型一进行初步拟合。通过一次拟合，得出j与Δπ_N的分布数据，由于该工程中通量与渗透压保持一致，根据初步拟合结果，即j与Δπ_N的分布数据，固定参数j为1，Δπ为10^-4，再进行第二次拟合，得到的模型参数与拟合优度R²如表1所示。图2展示了该RO系统在6个月内的运行压力变化与模型拟合曲线，图2中16条曲线与表1中16条曲线的模型参数一一对应。在拟合的16组数据中，有11组的最终拟合优度R²在0.90以上。

表1 模型一拟合某水厂实际运行RO系统压力-时间曲线模型参数

需要说明的是，反渗透膜使用一段时间后，部分被截留的污染物会附着于反渗透膜面，造成反渗透膜污堵，则需要进行反冲洗，去除反渗透膜表面的污堵物。图2中为16次拟合曲线，相邻2次拟合曲线之间的间隔即为进行一次反冲洗操作。

为了便于在图2中显示16条曲线的拟合结果，图2的纵坐标为运行压力，也就是操作压力ΔP。

通过对标准化压力

时的数据进行模型拟合，可实现对后续压力(即

)随时间变化的数值进行预测，定义每条曲线末端的操作压力为ΔP_final，其预测的最终压力ΔP_final偏差如表2所示。

由于第一和第十六条曲线的最终压力ΔP_final较小，不存在

的情况，故选用第2-15条曲线进行预测，在这14组数据中，有10组的压力预测偏差在10％以内，13组的偏差在20％以内。仅有一组的预测相对误差较大(曲线round 13)，其原因是该曲线的压力实测值变化趋势有一个明显的突变，突变后压力增长明显减缓导致预测值显著偏高。

表2 模型一对最终压力的预测值及相对误差

注：表中实际及预测最终压力均为标准化压力(ΔP/ΔP₀)。

实施例4

将模型二用于拟合表3中7组小试或中试RO系统标准化压力-时间变化数据，拟合结果如图3-5所示，得到7条拟合曲线，每条曲线代表一组恒通量RO过滤实验。其中，小试实验可通过实施例1中的装置进行。

具体的，利用Origin 2018对数据进行拟合，输入标准化压力-时间的实际数值，不固定模型参数，得到如图3所示的拟合曲线。各实验的基本情况、拟合所得模型参数与拟合优度R²如表3所示。由拟合曲线与R²可知，模型二的拟合效果良好。

表3 模型二拟合曲线的基本情况与模型参数

需要说明的是，表3中编号与图3-5中的编号一一对应，表3中”MBR”指膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor)；“MF”指微滤(Microfiltration)；“UF”指超滤(Ultrafiltration)。

以上所述实施方式仅表达了本发明的多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种预测反渗透膜污堵的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：控制反渗透膜修正后的产水通量J不变，测定水样在初始时刻的操作压力ΔP₀，以及在t时刻的操作压力ΔP，计算t时刻的标准化压力

S2：计算标准化压力

不同时刻的时间变化率；

S3：将t时刻的标准化压力

用膜污堵模型进行拟合，过程为：

如果标准化压力

的时间变化率随过滤时间t增加而增加时，则采用如下模型一，其表达式如下：

其中，t为过滤时间，单位为h或d；ΔP为t时刻的操作压力，单位为MPa；ΔP₀为初始时刻的操作压力，单位为MPa；

为标准化压力，无量纲；j为无量纲通量；Δπ_N是由初始操作压力标准化的渗透压，无量纲；α为补偿系数，无量纲；k为阻力增加系数，单位为h^-2或d^-2；b为与过滤初始阻力有关的模型参数，无量纲；采用上述模型一拟合后，计算得出模型参数j，Δπ_N，α，k和b；

如果标准化压力

的时间变化率随过滤时间t增加而减小时，则采用如下模型二，其表达式如下：

其中，t，

j，Δπ_N，α的定义与模型一中相同；a为压力增长系数，无量纲；m为初期增长系数，单位为h^-1或d^-1；采用模型二拟合后，计算得出模型参数j，Δπ_N，α，a，和m；

根据模型一或模型二即可对该反渗透膜污堵进行预测和评估；

S1中，所述修正后的产水通量J的计算方法，包括如下步骤：

步骤一：计算t时刻产水流量

假设产水为纯水，密度为1g/mL，每隔10min记录一次数据，则装置在t时刻的产水流量为：

其中，Q为t时刻产水流量，单位为mL·min^-1；V₁为t-10时刻的产水总体积，单位为mL；V₂为t+10时刻的产水总体积，单位为mL；

步骤二：计算反渗透膜在t时刻的通量

反渗透膜在t时刻的通量由下式计算：

其中，J_t为t时刻膜片的通量，单位为mL·min^-1·mm^-2；Q为t时刻产水流量，单位为mL·min^-1；R为反渗透膜过水面积的半径；

步骤三：计算修正后的产水通量

修正后的产水通量由下式计算：

J＝J_t×1.024^25-T (式3)

其中，J为修正后的产水通量，单位为mL·min^-1·mm^-2；T为t时刻计算机记录的进水温度，单位为℃；

S2中，所述模型一拟合包括一次拟合和二次拟合，由一次拟合确定j，Δπ_N数值后，进行二次拟合，得到α，k和b数值。

2.根据权利要求1所述的预测反渗透膜污堵的方法，其特征在于，所述方法采用的装置包括反渗透平膜单元(5)以及分别通过进水管、浓水管和产水管与反渗透平膜单元(5)连接的进水箱(2)、浓水箱(7)和产水箱(8)；进水箱(2)内侧底部安装有用于实时监测进水温度的温度监测仪(1)，进水管上安装有进水泵(3)和压力表(4)，浓水管上安装有浓水阀门(6)，产水箱(8)底部设有用于实时记录产水质量的电子天平(9)；所述装置还包括计算机(10)，计算机分别与温度监测仪(1)、压力表(4)、浓水阀门(6)和电子天平(9)相连接。

3.根据权利要求2所述的预测反渗透膜污堵的方法，其特征在于，所述装置的使用方法为：

(Ⅰ)将计算机(10)内预设权利要求1所述的预测反渗透膜污堵的方法；

(Ⅱ)先打开浓水阀门(6)，再启动进水泵(3)，在计算机(10)内设置修正后的产水通量，检测初始时刻的操作压力ΔP₀以及t时刻的操作压力ΔP，计算t时刻的标准化压力

(Ⅲ)由计算机将t时刻的标准化压力

与模型一或模型二拟合。

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