专利名称：控制膜过滤器结垢的方法
技术领域：
本发明涉及控制或管理位于一个或多个膜池14中的膜过滤器30的结垢或结块。 通常地，在膜生物反应器系统10中，例如如附图
l所示，渗透泵20循环开闭。在所示的例 子中，渗透物由渗透泵20驱使通过膜过滤器30。但是，应当注意的是，由于可以使用重力 系统，在所有的应用中，渗透泵都不是必须的。在重力系统的情况中，渗透-弛豫循环可以 通过致动一个或多个控制阀来开启、改变和停止。附图4用图表显示了两个渗透-弛豫循 环。每个循环包括弛豫阶段，之后为渗透阶段，或反之亦然。循环的周期可以改变。例如， 循环可以持续10分钟，并且包括1分钟的弛豫阶段和9分钟的渗透阶段。在渗透阶段，渗 透泵20开启，废水被弓I入各个膜过滤器30的内部30C，产生渗透物，所述渗透物从膜过滤器 30中泵出。关闭渗透泵20使得开始进入弛豫阶段。在弛豫阶段，来自空气冲刷系统40的 空气向上起泡通过膜过滤器30的外部，产生横向流动，该横向流动趋于去除在膜过滤器30 的外表面上沉积的结垢材料和饼层。 存在多个可以被控制的过程控制变量，并可以用于管理膜结垢和结块。例如，空气 冲刷的流速(V)可以改变。通常，空气冲刷流速越高，空气冲刷去除膜结垢和结块的效果越 好。另一个影响结垢的过程控制变量是渗透通量(F)。渗透通量是流过膜过滤器30的渗透 物的流量的测量，以每单位时间内膜过滤器的单位面积的体积表示。例如，渗透通量可以表 示成每日膜表面的每平方英尺面积的加仑数(GFD)。通常，减少渗透通量将降低结垢速率。类似的，调整弛豫阶段(TR)或渗透阶段(TP)的时间可以影响膜结垢，并且提供改善废水处 理工艺的整体效率的条件。TP是渗透一弛豫循环的一部分，其中废水被引入膜过滤器，产生 渗透物。TR是渗透-弛豫循环的一部分，其中废水不被引入膜过滤器，并且不产生渗透物。 参见附图4，其中显示了TP和TR。例如，增加一个或多个后续循环的弛豫阶段的时间，可以 减少结垢。更具体地，增加弛豫阶段的时间为空气冲刷系统提供了更多的时间来清洁膜过 滤器30的外表面，而没有渗透物被引入膜过滤器的内部30C。 因此，根据以下公开的内容可以明了，过程控制变量的各种组合用来在动态的基 础上控制和管理膜结垢和结块。这里采用的动态控制含义为系统和工艺逐个循环地调整或 改变这些过程控制变量的部分或全部。这不必然意味着在每个循环中至少有一个过程控制 变量发生改变。而是系统和工艺将监视某些其他的过程变量，并且在过程中随时调整一个 或多个过程控制变量。在一个实施例中，某些过程变量在每个或选择的循环中被感测或监 视，并且系统或工艺可以在下一个后续循环或之后的循环，选择调整一个或多个过程控制 变量。在一些示例性例子中，工艺被设计成考虑在每个渗透-弛豫循环中执行控制输入。但 是，工艺还可以设计成在过程中的任何选定时间动态地考虑执行控制输入。例如，控制逻辑 可以编写成每三个循环考虑某些过程变量，并且基于这些过程变量在第二、第三或第四个 后续的循环执行控制功能。 存在多种改变和调整这些过程控制变量的方法。通常地，选择的过程变量(控制 变量之外的变量)被感测和监视，并且一个或多个过程控制变量据此改变。在这里显示的 过程实施例中，使用的一个过程变量为跨膜压力(TMP)。跨膜压力(TMP)是经过膜过滤器 30的表面的压力差的测量。S卩，对于一个单独的膜过滤器30，跨膜压力(TMP)是膜过滤器 外的一点和膜过滤器内部30C的一点之间的压力差的测量，该压力差可以用磅每平方英寸 (psi)表示。本领域技术人员可以想到，跨膜压力(FMP)可以直接测量或根据某些变量计 算。在许多情况下，跨膜压力(TMP)可以根据膜池14中的压头和膜过滤器30中的压力计 算。如附图2所示，典型的膜生物反应器系统10包括多个膜池14。这里公开的控制方法目 标是逐池地(ona tank by tank basis)控制膜结垢和结块，因为每个膜池14通常包括多 个膜模块16，而每个膜模块16具有多个膜过滤器30。经过池中所有的或选择数量的膜模 块16的平均跨膜压力(TMP)可以被计算出。 除了跨膜压力(TMP)以外，这里公开的一个控制过程测量并监视每个膜池14中的 水位(L)。感测的或监视的水位L可以与水位设定点、最大水位(Lmax)和最小水位(Lmin)相 比较。例如，在废水处理工艺中，膜池14中的液位L在每个渗透-弛豫循环中被测量。根 据控制逻辑，测得的液位L与Lmax和/或Lmin比较，在某些情况下，根据比较的结果，渗透通 量F可以被改变。 回到关于跨膜压力(TMP)的讨论，这里公开的控制过程目标是在循环中保持基本 恒定的跨膜压力(TMP)。这样，仅仅在任何点在任何渗透阶段监视跨膜压力(TMP)，并且动 态调整一个或多个过程控制变量，例如空气冲刷流速，将为膜结垢控制提供一些手段。但 是，存在比其他的跨膜压力(TMP)更适合的特定的跨膜压力(TMP)测量。例如，一种方法是 在任何选择的时间周期(ATMP)观察TMP的简单变化。这里存在多种方法。首先，控制过 程能够在单个渗透阶段中的任何两个点或在跨越两个或多个渗透阶段的任何两个点确定 ATMP。由此得到在选定时间段中的ATMP。理想的，从控制的观点来看，期望ATMP最小化或相对平缓。在没有控制输入的情况下，跨膜压力(TMP)的固有趋向是逐个循环地或随时间逐渐增加。在任何情况下，当已经对任何选定的时间段确定ATMP后，控制过程可以选择并引起一个或多个过程控制变量响应ATMP而动作。 如上所述，某些跨膜压力(TMP)的变化比其他的更重要。附图5显示的A TMP由在两个连续的渗透阶段中的两个对应的点确定。在该实施例中，过程测量在每个渗透阶段中的起始或开始跨膜压力TMP (TMPS)，并且持续地计算相继的TMPS的差值。该差值用A TMPS表示。A7M^ = ;TM/T1 - M《'在每个渗透阶段中的TMPS在选择的渗透通量设定点处或如附图5所示在渗透通量达到稳定状态时测量。 另外一个在控制过程中的重要TMP变量是TMP在特定渗透阶段的变化。这由A TMPP简单表示。参见附图5 。
A TMPP = TMPe_TMPs 在一个控制过程中，设置等级次序，其中一些过程控制变量比其他过程控制变量优先。在一个特定的过程中，所使用的控制逻辑首先专注于执行空气冲刷流速V的改变。即，在某些条件下，空气冲刷流速V被增加或减少选择的量，并且控制逻辑返回到初始点。但是，如果某些条件不满足并且改变空气冲刷流速V是不合适的，那么控制逻辑下降到较低的级别或循环，并且确定一个或多个其他的过程控制变量是否可以按顺序改变，以执行合适的控制措施。在一个过程控制实施例中，空气冲刷流速V的优先级比弛豫阶段TR的时间或渗透阶段TP的时间高。以类似的方式，TR和TP之间也存在等级次序。在一种过程控制中，TR比TP优先级高。而且，两个或多个过程控制变量可以包括在相同的控制逻辑级别或循环中。例如，在空气冲刷流速V位于控制逻辑循环的上层位置的情况中，渗透通量F也可以包括在相同的控制逻辑循环中，但是级别低于或次于空气冲刷流速V。以附图6为例。在这样的情况下，工艺条件不允许空气冲刷流速V被调整，但是可能根据某些过程变量允许渗透通量F改变，而不使得控制逻辑循环或移动到下一个最高控制次序。
参见附图7，这里显示了一个控制逻辑方案，总体上以数字50表示。控制逻辑方案50是等级方案，包括一系列级别或循环。在这里公开的一种特别的控制逻辑方案的情况下，提供有初始空气冲刷循环(如方框52所述)，其优先级比弛豫阶段循环54高。在弛豫阶段循环54下面是渗透阶段循环56。在执行控制过程并改变过程控制变量(例如，V、TR、TP和F)的过程中，这些过程控制变量的变化被设定为增量变化，其中每个改变都是预定的量。即，例如，每次改变空气冲刷流速V，增加或者减少的变化幅度都是相同的。但是，应当明了 ，该过程和系统可以被控制而改变任何过程控制变量的变化幅度。即，基于被感测的过
程变量，例如^^'-，空气冲刷流速V可以基于-A^^的幅度逐个循环地改变。用另一种
方式表示，V的逐个循环的改变可以根据感测的过程变量(例如^^)的幅度而改变。 在附图6所示的示例性控制过程中，某些过程控制变量具有最大值和最小值。例如，在空气冲刷流速、弛豫阶段时间和渗透阶段时间的情况中，每个变量都具有编程的最大值和最小值。 而且，在附图6所示的示例性过程的情况中，控制过程继续监视并确定TMP的变
A 7 MP A TMP
化，在所示的例子中，监视"7^和ATMPs。在整个控制过程中，"^;二和ATM&与一系列
A/ A
设定点或控制点Cl、 C2、 C3和C4相比较。设定点Cl-C4根据试验或经验数据选择，并编程
9到控制逻辑中。这些设定点可以随时改变。 在附图6中所示的控制逻辑设计成运行在一个渗透_弛豫循环接着一个渗透_弛豫循环的基础上。即，在每个循环中选择的过程变量被感测并确定。基于感测、测量或计算的过程变量，在下一个相继的渗透_弛豫循环时进行控制。但是，应当明了 ，控制逻辑可以关于渗透-弛豫循环以各种方式来设计。例如，不必每个循环都对过程变量进行感测。过程变量可以在各种循环间隔处感测或监视。以类似的方式，控制逻辑不必在每个渗透_弛豫循环都执行或考虑进行控制输入。而是，控制逻辑可以或者考虑相对于过程控制变量中的一个在选择的渗透_弛豫循环执行控制输入。 参见附图6，在每个渗透_弛豫循环中，""^被确定。如果~^小于Cl并且
a/ a/
V不是最小值，那么控制逻辑在接下来的渗透_弛豫循环将空气冲刷流速V减小选择的量。
在接下来的渗透-弛豫循环没有其他的控制输入。但是，如果v为最小值，那么控制逻辑向
下移动到第二级别或控制循环54。另一方面，如果^t^大于C2，并且V不是最大值，那
么控制逻辑在接下来的渗透-弛豫循环将V增加选择的量。但是，如果V已经为最大值，那么控制逻辑查看膜池14中的水位L。如果L不是最大值，那么控制逻辑在下一个渗透一弛豫循环将渗透通量F减小设定值。但是，如果L是最大值，那么控制逻辑前进到第二控制次序，即控制逻辑框54。 在一些情况下，^^可能在Cl和C2之间。如附图6所示，在该情况下，控制逻辑向下移动到第二控制次序或控制循环54中的控制方案。 系统和过程设计成感测或确定A TMPS。在第二控制次序中，如果A TMPS小于C3，并且如果TR不是最小值，那么控制逻辑在下一个渗透_弛豫循环将TR减小设定值。但是，如果TR是最小值，那么控制逻辑向下循环到第三控制次序或模块56中的控制方案。另一方面，如果A TMPS大于C4，并且TR不是最大值，那么控制逻辑在接下来的渗透_弛豫循环将TR增加选择的量。但是，如果TR为最大值，那么控制逻辑查看L，如果L不是最大值，那么控制逻辑在下一个渗透_弛豫循环将F减小选择的量。如果L是最大值，那么控制逻辑编程为前进到第三控制次序，或者模块56中的控制方案。而且，ATMPS还可能在C3和C4之间。在该情况下，控制逻辑也编程为前进第三控制次序或模块56中的控制逻辑。
—旦控制逻辑到达模块56中的控制单元，控制逻辑查看L，如果L小于最大值且不是最小值，在接下来的渗透_弛豫循环没有控制输入。但是，如果L为最小值并且TP不是最小值，控制逻辑在下一个循环将TP减小选择值。但是，如果TP为最小值，那么控制逻辑在接下来的渗透_弛豫循环将F减小。另一方面，如果L大于最大值并且TP不是最大值，控制逻辑在接下来的循环中将TP增加设定值。但是，如果TP是最大值，那么控制逻辑在接下来的渗透_弛豫循环将F增加。 在控制逻辑方案中可以以各种方法监视、测量和执行各种过程变量。例如，在附图6的实施例中，------^与ATM&可以互换，并且C1-C4被相适应地调整。而且，控制的等级
△r
次序可以改变。例如，TR或TP可以分配高于V的级别。而且，TP可以分配高于TR的级别。而且，附图6中所示的示例性逻辑控制使用2种形式的TMP，即ATMPp和ATMPS。可以采用其他形式的TMP，例如TMP^或者简单地在跨越两个或多个渗透周期的两个选择点之间的TMP的变化。 可以采用各种形式的控制系统来动态地感测某些过程变量，并且基于感测的或监视的控制变量执行控制功能。附图7显示了控制系统的一个示例性实施例，总体上以数字100表示。控制系统100包括控制器102和存储器104，存储器104具有与之相关联的控制软件106。代表各种过程变量的信号被引导至控制器102。在一个特定的控制过程中，在每个渗透_弛豫循环中，一个或多个形式的TMP，以及每个膜池14的液位L，被监视并测量(或计算)。控制器102接收这些数据或信息，并基于控制软件106且特别是控制逻辑(例如附图7中所示的)命令控制执行各种过程控制变量，例如V、 TR、 TP和F。每个膜池设置渗透泵20。在重力操作系统的情况下，设置控制阀，以改变渗透流量和进行调整。通过改变各个阀门或渗透泵20的开闭时间，控制器102调整并改变TR和TP，以及有效地改变渗透-弛豫循环的时间。而且，在使用渗透泵20的情况下，或者泵为可变流量类型或者每个膜池14包括一系列泵，以便控制器102可以改变渗透通量F。类似的，如图7所示，控制器102控制一个或多个与每个膜池14相关联的通风装置或风机40。通风装置40为可变流量类型，或者每个膜池包括一系列通风装置，以便控制器可以有效地改变每个膜池14的空气冲刷流速V。 当然，在不背离本发明的基本特点的前提下，本发明可以以不同于这里具体介绍的其他方式实现。本发明的实施例用于解释本发明的内容，而不构成对于本发明的限制，所有属于权利要求的含义和等同方式的范围内的变形形式都包含在本发明之内。
1权利要求
一种在生物废水处理工艺中控制膜过滤器结垢的方法，包括引导废水流入一个或多个反应器并处理废水；引导废水进入并通过一个或多个膜池，所述膜池中具有一个或多个膜过滤器；通过引导废水通过膜过滤器并产生渗透物来过滤废水；用空气冲刷清洁膜过滤器；测量跨膜压力和在至少一个膜池中的液位；执行多个控制循环，以控制冲刷空气流速、通量、渗透阶段时间和弛豫阶段时间；在至少一个控制循环中，任选地，根据测量的跨膜压力和测量的膜池中的液位，调整冲刷空气流速和通量中的每个；在至少一个控制循环中，任选地，根据测量的跨膜压力和测量的膜池中的液位，调整弛豫阶段时间和通量中的每个；以及在至少一个控制循环中，任选地，根据测量的膜池中的液位，调整通量和渗透阶段时间中的每个。
2. 根据权利要求1所述的方法，包括 在渗透阶段中的第一点测量跨膜压力； 在渗透阶段中的第二点测量跨膜压力；计算在渗透阶段中的第一点测量的跨膜压力与在渗透阶段中的第二点测量的跨膜压 力之间的差值，并且确定经过选定时间段的跨膜压力的变化率；以及根据跨膜压力的变化率和测量的膜池中的液位，调整冲刷空气流速或者通量。
3. 根据权利要求2所述的方法，包括选择一对设定点值，使得一个设定点值大于另一个设定点值；在跨膜压力的变化率在该对选择的设定点值之间的情况下，响应所述差值，对于冲刷 空气流速和通量均不作调整；在跨膜压力的变化率小于选择的设定点值中较小的一个的情况下，如果流速不是最大 的允许流速值，则减小冲刷空气流速；以及在跨膜压力的变化率大于选择的设定点值中较大的一个的情况下，如果冲刷空气流速 不是最大的允许流速值，则增大冲刷空气流速；或者，如果测量的液位不是最大的允许液位 值，则减小通量。
4. 根据权利要求1所述的方法，包括在第一渗透阶段中的第一点测量跨膜压力，并且在第二渗透阶段中的第二点测量跨膜 压力；确定在第一点测量的跨膜压力和第二点测量的跨膜压力之间的差值；以及 根据跨膜压力差值和测量的膜池中的液位，调整弛豫阶段时间或者通量。
5. 根据权利要求4所述的方法，包括选择一对设定点值，使得一个设定点值大于另一个设定点值；在所述跨膜压力差值在该对选择的设定点值之间的情况下，响应所述差值，对于弛豫 阶段时间和通量均不作调整；在所述跨膜压力差值小于选择的设定点值中较小的一个的情况下，如果弛豫阶段时间 不是最小的允许弛豫阶段时间值，则减小弛豫阶段时间；以及在所述跨膜压力差值大于选择的设定点值中较大的一个的情况下，如果弛豫阶段时间 不是最大的允许弛豫阶段时间值，则增大弛豫阶段时间；或者，如果测量的液位不是最大的 允许液位值，则减小通量。
6. 根据权利要求1所述的方法，包括在测量的膜池中的液位不是最小的允许液位值的情况下，响应测量的液位，对于渗透 阶段时间和通量均不作调整；在测量的膜池中的液位是最小的允许液位值的情况下，如果渗透阶段时间不是最小的 允许渗透阶段时间值，则减小渗透阶段时间；或者，如果渗透阶段时间是最小的允许阶段时 间值，则减小通量；以及在测量的膜池中的液位超过最大的允许液位值的情况下，如果渗透阶段时间不是最大 的允许阶段时间，则增加渗透阶段时间；或者，如果渗透阶段时间是最大的允许渗透阶段时 间，则增加通量。
7. —种在生物废水处理工艺中控制膜过滤器结垢的方法，包括 引导废水流入一个或多个反应器并处理废水；引导废水进入并通过一个或多个膜池，所述膜池中具有一个或多个膜过滤器； 通过引导废水通过膜过滤器并产生渗透物来过滤废水； 用空气冲刷清洁膜过滤器； 测量膜池中的液位；执行一个或多个控制循环，以控制一个或多个控制变量；以及在至少一个控制循环中，根据测量的液位，调整从包括以下控制变量的组中选择的一 个控制变量冲刷空气流速、通量、渗透阶段时间和弛豫阶段时间。
8. —种在生物废水处理工艺中控制膜过滤器结垢的方法，包括 引导废水流入一个或多个反应器并处理废水；引导废水进入并通过一个或多个膜池，所述膜池中具有一个或多个膜过滤器； 通过引导废水通过膜过滤器并产生渗透物来过滤废水； 用空气冲刷清洁膜过滤器；在渗透阶段测量跨膜压力的第一变化，从第一渗透阶段的起始处到第二渗透阶段的起 始处测量跨膜压力的第二变化，以及测量膜池中的液位；执行控制循环的控制等级，以控制一个或多个控制变量；在第一控制循环中，根据测量的跨膜压力的第一变化和测量的液位，调整从包括冲刷 空气流速和通量的组中选择的控制变量；在第二控制循环中，根据测量的跨膜压力的第二变化和测量的液位，调整从包括弛豫 阶段时间和通量的组中选择的控制变量；以及在第三控制循环中，根据测量的液位，调整从包括渗透阶段时间和通量的组中选择的 拉制变量。
9. 一种在生物废水处理工艺中控制膜过滤器结垢的方法，包括 引导废水流入一个或多个反应器并处理废水；引导废水进入并通过一个或多个膜池，所述膜池中具有一个或多个膜过滤器； 通过引导废水通过膜过滤器并产生渗透物来过滤废水；用空气冲刷清洁膜过滤器；执行一系列过滤循环，每个过滤循环包括渗透阶段和弛豫阶段，其中，膜过滤器在渗透 阶段经历渗透过程，之后在弛豫阶段经历弛豫过程；在第一过滤循环的渗透阶段中的第一点测量第一跨膜压力； 在第二过滤循环的渗透阶段中的第二点测量第二跨膜压力； 在第二过滤循环的渗透阶段中的第三点测量第三跨膜压力； 测量膜池中的液位；执行包括控制级别等级的控制逻辑，以任选地调整第三过滤循环的冲刷空气流速、通 量、渗透阶段时间和弛豫阶段时间；在第一控制级别中，任选地，根据测量的第一跨膜压力、测量的第二跨膜压力和测量的 膜池中的液位，调整冲刷空气流速和通量中的每个；在第二控制级别中，任选地，根据测量的第二跨膜压力、测量的第三跨膜压力和测量的 膜池中的液位，调整弛豫阶段时间和通量中的每个；在第三控制级别中，任选地，根据测量的膜池中的液位，调整通量和渗透阶段时间中的 每个。
全文摘要
一种膜生物反应器系统，包括一个或多个生物反应器，以及一个或多个膜池，其中每个膜池具有一个或多个膜过滤器。为了控制膜结垢，采用了各种过程控制变量。首先，膜过滤器由空气冲刷工艺进行清洁，其中气泡靠近膜过滤器向上移动，并且在该工艺中对膜过滤器进行清洁。为了控制膜结垢，采用根据跨膜压力(TMP)动态改变空气冲刷流速(V)的工艺。此外，该工艺允许渗透的开始和停止，这形成一系列循环，其中，每个循环包括渗透阶段和弛豫阶段。
文档编号C02F1/44GK101754934SQ200880023824
公开日2010年6月23日 申请日期2008年5月7日 优先权日2007年5月7日
发明者H·W·赵, R·W·迪马西莫, S·洪 申请人:I·克鲁格公司