一种基于孔口堵塞演化的膜污染反冲洗方法及相关装置

本发明涉及环境工程，尤其涉及一种基于孔口堵塞演化的膜污染反冲洗方法及相关装置。

背景技术：

1、膜分离技术已广泛应用于饮用水净化、工业废水处理、再生水回用、食品医药分离、海水淡化预处理、膜生物反应器及电子工业超纯水制备等场景。膜系统在连续运行过程中不可避免发生污染，污染物会在膜孔内部、膜孔口以及膜表面形成沉积、桥接、封堵和滤饼层结构，造成通量下降、跨膜压差升高、能耗增加和膜寿命缩短。反冲洗是工业膜系统中最常用、最关键的在线清洗方式之一，其介入时机直接决定膜通量恢复效果、运行周期长度、清洗水耗、能耗以及膜组件使用寿命。

2、现有技术中，反冲洗时机大多依赖固定运行时间、固定产水量、固定跨膜压差阈值或固定通量下降比例。这类经验主义控制方式虽然便于实施，但存在明显局限，一方面，固定周期反冲洗可能在污染尚未充分发展时提前清洗，造成反冲洗水耗和能耗增加；另一方面，单纯等待通量或跨膜压差达到阈值，可能已经错过污染由可逆状态向不可逆状态转变的最佳清洗窗口，导致反冲洗恢复率降低。尤其在复杂工业水体中，进水有机物、胶体、蛋白、多糖、油类和无机颗粒组成变化较大，污染物性质和污染演化过程具有明显差异，单一经验阈值难以适应不同污染过程。

3、由此可见，现有技术对过滤膜的反冲洗不够智能，无法实现更加精准、稳定和可推广的膜清洗时机决策。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种基于孔口堵塞演化的膜污染反冲洗方法及相关装置，用以解决现有技术对过滤膜的反冲洗不够智能，无法实现更加精准、稳定和可推广的膜清洗时机决策的问题。

2、为了解决上述问题，第一方面，本发明提供一种基于孔口堵塞演化的膜污染反冲洗方法，包括：

3、获取过滤膜的初始通量，并采集过滤膜过滤过程中的实时过滤运行数据；

4、基于初始通量和实时过滤运行数据计算过滤膜处于预设的四种膜污染状态的阶段占比，其中，四种膜污染状态包括标准堵塞、完全堵塞、中间堵塞和滤饼堵塞；

5、基于过滤膜的实时通量和初始通量计算过滤膜的通量下降值，基于阶段占比计算过滤膜的孔口堵塞演化状态，当通量下降值大于或等于预设的下降阈值，或孔口堵塞演化状态达到预设的反冲洗条件时，对过滤膜进行反冲洗。

6、在一种可能的实现方式中，获取过滤膜的初始通量，包括：

7、将过滤膜首次使用或执行反冲洗后初始预设时长的平均通量作为过滤膜的初始通量；

8、或将过滤膜首次使用或执行反冲洗后初始预设数量各通量采集点的通量中位数作为过滤膜的初始通量；

9、或将过滤膜首次使用或执行反冲洗后首个达到稳定状态的时间窗口内的平均通量作为过滤膜的初始通量。

10、在一种可能的实现方式中，过滤膜过滤过程中的实时过滤运行数据包括实时通量、过滤时长、跨膜压差、进水水质参数、膜组件运行状态以及反冲洗状态。

11、在一种可能的实现方式中，四种膜污染状态的阶段占比的计算公式为：

12、

13、

14、

15、其中，为标准堵塞状态的阶段占比，为完全堵塞状态的阶段占比，为中间堵塞的阶段占比，为滤饼堵塞的阶段占比，标准堵塞状态的累计效应，为完全堵塞状态的累计效应，为中间堵塞的累计效应，为滤饼堵塞的累计效应，为四种堵塞状态的累计总效应，和为当前周期的其实时刻和终止时刻，为过滤膜的初始通量，为标准堵塞状态的动力学常数，为完全堵塞状态的动力学常数，为中间堵塞的动力学常数，为滤饼堵塞的动力学常数，

a为标准堵塞与滤饼堵塞之间的权重调节参数；

b为完全堵塞与中间堵塞之间的权重调节参数。

16、在一种可能的实现方式中，过滤膜的孔口堵塞演化状态包括中间堵塞状态衰减率、中间堵塞状态持续时长占比、完全堵塞状态阶段占比与中间堵塞状态阶段占比的比值，其中，中间堵塞状态衰减率的计算公式为：

17、

18、其中，为中间堵塞状态衰减率，为当前过滤周期的中间堵塞基准值，为当前过滤周期的中间堵塞状态的阶段占比；

19、中间堵塞状态持续时长占比的计算公式为：

20、

21、其中，为中间堵塞状态持续时长占比，为观察时间内中间堵塞状态的阶段占比达到有效识别阈值的累计时长，为观察时间窗口长度；

22、完全堵塞状态阶段占比与中间堵塞状态阶段占比的比值的计算公式为：

23、

24、其中，为完全堵塞状态阶段占比与中间堵塞状态阶段占比的比值，为当前过滤周期的完全堵塞状态的阶段占比，为安全常数。

25、在一种可能的实现方式中，预设的冲洗条件包括以下至少一个：

26、中间堵塞状态衰减率大于或等于预设的衰减率阈值；

27、中间堵塞状态持续时长占比大于或等于预设的累计时长阈值；

28、完全堵塞状态阶段占比与中间堵塞状态阶段占比的比值大于预设比值阈值。

29、在一种可能的实现方式中，对过滤膜进行反冲洗后，包括：

30、基于反冲洗前的稳定通量和反冲洗后的稳定通量计算过滤膜的通量恢复率；

31、当连续多次反冲洗后的通量恢复率低于预设通量恢复率阈值时，调整反冲洗触发阈值，其中，反冲洗触发阈值包括衰减率阈值、累计时长阈值、比值阈值、通量下降值阈值、观察时间窗口长度。

32、第二方面，本发明还提供一种基于孔口堵塞演化的膜污染反冲洗装置，包括：

33、状态采集模块，用于获取过滤膜的初始通量，并采集过滤膜过滤过程中的实时过滤运行数据；

34、堵塞状态识别模块，用于基于初始通量和实时过滤运行数据计算过滤膜处于预设的四种膜污染状态的阶段占比，其中，四种膜污染状态包括标准堵塞、完全堵塞、中间堵塞和滤饼堵塞；

35、反冲洗模块，用于基于过滤膜的实时通量和初始通量计算过滤膜的通量下降值，基于阶段占比计算过滤膜的孔口堵塞演化状态，当通量下降值大于或等于预设的下降阈值，或孔口堵塞演化状态达到预设的反冲洗条件时，对过滤膜进行反冲洗。

36、第三方面，本发明还提供一种基于孔口堵塞演化的膜污染反冲洗设备，包括数据采集器、存储器、处理器和反冲洗执行机构，其中，

37、数据采集器用于采集过滤膜过滤过程中的实时过滤运行数据；

38、存储器，用于存储程序；

39、处理器，与存储器耦合，用于执行存储器中存储的程序，以实现上述任一实现方式的基于孔口堵塞演化的膜污染反冲洗方法中的步骤，生成反冲洗控制指令；

40、反冲洗执行结构，用于响应反冲洗控制指令，对过滤膜进行反冲洗。

41、第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机可读取的程序或指令，程序或指令被处理器执行时能够实现上述任一实现方式的基于孔口堵塞演化的膜污染反冲洗方法中的步骤。

42、本发明的有益效果是：本发明提供的基于孔口堵塞演化的膜污染反冲洗方法，通过获取过滤膜的初始通量，并采集过滤膜过滤过程中的实时过滤运行数据，为后续膜污染状态的确定提供数据基础，基于初始通量和实时过滤运行数据计算过滤膜处于预设的四种膜污染状态的阶段占比，其中，四种膜污染状态包括标准堵塞、完全堵塞、中间堵塞和滤饼堵塞；填补现有膜系统反冲洗主要依赖固定时间、固定通量、固定跨膜压差或其他经验规则进行清洗介入的不足，基于过滤膜的实时通量和初始通量计算过滤膜的通量下降值，基于阶段占比计算过滤膜的孔口堵塞演化状态，当通量下降值大于或等于预设的下降阈值，或孔口堵塞演化状态达到预设的反冲洗条件时，对过滤膜进行反冲洗。膜孔口堵塞结构演化信息引入反冲洗决策，能够识别污染由可逆状态向不可逆状态转变的关键窗口，通过多条件先满足先触发的决策规则，兼顾了污染机制变化和宏观通量安全边界，可减少过早反冲洗造成的水耗和能耗，也可以避免过晚反冲洗导致的不可逆污染累积，保证反冲洗时机的正确性，提高反冲洗效率。