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Prediction of MBR Membrane Lifetime by Annual Decay of Industrial Permeability—Taking Xi’an Siyuan University’s More than Ten Years Operation Data as an Example
DOI: 10.12677/WPT.2022.103018, PDF , HTML, XML, 下载: 216  浏览: 554  科研立项经费支持

Abstract: Defining “industrial permeability VMD” as the m3 permeable volume of 1000 m2 membrane area at 1 day and 1 kPa cross-membrane pressure difference. The VMD is directly calculated by using the daily water yield and cross-membrane pressure difference of 3520 days of Xi’an Siyuan A2/O-MBR system. After excluding five anomalies, 71% to 78% of effective industrial permeability was obtained. Each 25 effective industrial permeability was artificially divided into a group unit by the membrane pool, calculating the VMD arithmetic average of the unit. A linear regressive equation can be got through the VMD arithmetic mean and the group unit. Because it indicates that the arithmetic mean value of VMD is more divergent from the group unit, the group unit is reduced into the annual unit. A power equation is fitted the annual VMD arithmetic mean and the annual unit. The industrial permeability in the following year is predicted by the previous attenuation equation, and the industrial permeability in the following year is measured by the current decay equation. The error ratio is defined as the relative size of the predicted and measured values. Calculating the annual industrial permeability attenuation is straightforward, simple, and convenient. The results can not only predict the membrane life, but also continuously optimize self-learning. It also shows that the prediction period should not be less than three years, so it is best to choose four to five years.

1. 引言

MBR膜的寿命预测和预防性维护是A2/O-MBR (Anaerobic-Anoxic-Aerobic Membrane Bio-Reactor)系统设备全生命周期管理中的重要内容 [1] [2] [3]。对于一种结合活性污泥法和一体化浸没式膜分离的污水深度处理技术来说，随着现代控制系统自动化程度的提高，其核心部件MBR膜(简称膜)的可靠性、安全性和经济性受到越来越多的关注。膜寿命的预测和预防性维护等智能诊断、决策已逐渐成为设备全生命周期管理和追求效益最重要的途径。A2/O-MBR膜系统从运转一开始，经过了在确定的工作环境、选型设计、安装施工、运行管理和膜产品性能等现实条件下的调试磨合后就达到最佳水平。随着运转时间逐年增加，膜池的产水量会逐渐下降 [4] - [10]。这种产水量的下降说明膜在运转过程中不可避免地发生有形无形磨损，直至更换新膜。膜与其它系统内的固定资产(如机械设备、建筑物)是不同。膜有资产原值，但却没有资产残值(residual value)。如果膜寿命到了，就必须花一大笔钱购买新膜后将旧膜更换下来。所以膜寿命预测涉及最佳更换时间、资金和系统所必须的污水处理量下限等几种关系的平衡，既是技术问题更是经济问题。同时，膜寿命预测和智能诊断及决策一样是以实际生产过程中产生的海量数据为基础的。当然目前已有几种膜寿命预测方法，但从这几种膜寿命预测方法的样品量、方法的合理性、和方法的实用性等方面存在一定不足，最为关键的是没有实际的例子证明这些膜寿命预测方法的有效性 [11] [12] [13] [14] [15]。为此本文以西安思源学院(简称思源)超十年A2/O-MBR膜系统安全运转为例，提出一种全新的膜寿命预测方法，并与现存的其它几种膜寿命预测方法进行的合理性和实用性比较，为如何预测膜寿命的判定方法提供借鉴。

2. 思源A2/O-MBR工艺及变化

2.1. A2/O-MBR现工艺和数据采集

Figure 1. A2/O-MBR process flow of Siyuan reclaimed water plant

2.2. 膜寿命研究的时间

2.3. 运转中的优化历史

① 增加气浮池。2020年11月，思源再生水厂在调节池和转鼓式格栅之间，加入两台气浮池。气浮池内加入PAM聚丙烯酰胺和PAC聚合氯化铝。现仍在使用。

② 优化维护性清洗(EFM)工艺。

③ 优化膜组件进行化学在线清洗(CIP)的顺序。

④ 人工物理维护清理毛发。

3. 膜寿命的预测

3.1. 已有膜寿命预测方法

① 化学在线清洗前与后的透水率数据来预测膜寿命 [4] [5] [7]；Fenu等人以及王晓爽和许颖都是应用该方法。该方法的不足是数据量少，且透水率的计算和温度校准与工厂的实际数据之间有复杂的换算。根据这种方法的要求，只有化学在线清洗前与后的透水率可以用于预测膜寿命，而化学在线清洗前与后之间所有透水率不可以用于预测膜寿命。

② 膜供应商通常会用膜的最大累积氯接触值来衡量在膜使用期限内膜能够承受的累积氯接触量。Memcor公司就B30R膜组件给出的最大累积氯接触值为1百万ppm∙h。实际操作中，膜清洗只是影响膜寿命的一个重要因素，但却不是唯一的因素。用膜最大累积氯接触值来成功预测膜寿命的例子几乎没有。

③ 膜性能检测是对膜所处状态进行量化的手段，能够最直接表征膜的优劣，进而根据膜性能判断其是否能够继续使用。膜性能检测主要受到样品检测量(几根到几十根)和取样代表性的影响以及膜性能(纯水通量、机械强度、表面形态)并没有具体的标准规定其在应用中的限值，所以仅能作为评估膜寿命的一种辅助手段。这类方法的不足主要是取样的数量很少且是离线测量而非在线测量。

④ 国家标准也规定了中空纤维使用寿命评价办法 [15]。该方法主要受到样品检测量和取样代表性的影响，加上温度校准、实验室操作等要求，特别是测试条件为恒压测量与膜系统是在恒通量操作属于两种不同的方式，所以仅能作为理论评估膜寿命的手段。

3.2. 工业透水率

① 适合大工业规模的计算；每个思源膜池里的膜面积是1800 m2。所以思源每个膜组的VMD就是将该膜组的每天产水量除以膜压差后再除以1.8可得。VMD比透水率还有“无需温度校准”的巨大优势。

② 可以从控制室的计算机上直接获取全过程(9.644年)与实际操作有密切关联性的两个重要记录量(产水量、跨膜压差)的数据。

③ 实际操作的有密切关联性。在膜运行中，有两个外界的因素是在一年中因时因地会发生变化。第一个是室外温度，第二个是降雨量。如果年与年地比较膜运转状态，这两个外界的因素的影响会因为系统误差而抵消。

3.3. 有效工业透水率

Table 1. Data of three membrane tanks in phase I

3.4. 计算单元划分与统计计算

$VMD算术平均值=\frac{{\sum }_{i=1}^{25}{x}_{i}}{25}$ (1)

3.5. 年单元划分与统计计算

$VMD年单元算术平均值=\frac{{\sum }_{i=1}^{n}{x}_{i}}{n}$ (2)

1#膜池不同运转年数的VMD年算术平均值和组单元数列于表2

Table 2. Different operation years for annual arithmetic mean value of VMD and number of group units of 1# membrane tank

Figure 2. Relationship between VMD arithmetic mean and operating years

$VMD算术平均值=q\ast 运转年{数}^{r}$ (3)

q为第一年VMD算术平均值；

r为幂，从图1中的拟合方程可以看出幂为负值，也就是说，VMD年算术平均值随着运转年数的增加而减少。所以可以定义为工业透水率年衰减方程。

3.6. 预测与实测

Figure 3. Relationship between VMD arithmetic mean and 3 years of operation

Figure 4. Relationship between VMD arithmetic mean and 4 years of operation

Figure 5. Relationship between VMD arithmetic mean and 5 years of operation

$误差比=|\frac{预测值-实测值}{实测值}|×100%$ (4)

Table 3. Power attenuation equation and related calculation for different operating years

3.7. 工业透水率与产水量的关系

4. 结语

1) 因为膜寿命的预测和预防性维护等智能诊断、决策是再生水厂设备全生命周期管理和追求效益最重要的途径，直接采用3520天A2/O-MBR系统每日运转的日产水量和膜压差大数据依序计算VMD，从而保证回归数据的量、数据来源的合理性以及实用性。

2) 剔除五类异常点后得到有效VMD天数，1#膜池2474天，2#膜池2725天，3#膜池2652天。有效VMD的总天数约占VMD的总天数71%~78%。按膜池人为地将每25个有效VMD划分为一个组单元，计算单元的VMD算术平均值。回归VMD算术平均值与组单元得直线型工业透水率衰减方程。其截距表示刚刚开始启动时的VMD，负斜率意味着VMD是随着操作时间的延长而不断衰减。

3) 因为实测的VMD有近十年，所以可以用前期的衰减方程预测后一年的VMD，用当期的衰减方程实测后一年的VMD。定义误差比为预测值与实测值的相对大小，误差比越小的时段，就代表预测值越接近实测值，即选择预测时段越合适。并得出预测时段不应小于三年，应该选择四到五年为宜的结论。

4) 因为VMD算术平均值与组单元的散点图比较发散，所以按“年”为划分界限进行第二次降维得10个“年单元”，并计算年单元的VMD算术平均值。回归VMD算术平均值与年单元得幂型VMD衰减方程。同样可以用幂型VMD衰减方程计算预测值和实测值，如何预测值与实测值的相对大小以决定合适的预测时段。也得出与直线衰减方程相同的结论。

5) 计算年工业透水率衰减是直接、简单且方便。所得结果既可以预测膜寿命，又可以自我学习不断优化，还得出预测时段不应小于三年，最好选择四到五年为宜。

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