基于响应面法优化预涂动态膜...镇污水厂二级出水工艺的研究 杨东豫.pdf

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工业水处理
IndustrialWaterTreatment
ISSN1005-829X,CN12-1087/TQ
《工业水处理》网络首发论文
题目:基于响应面法优化预涂动态膜处理城镇污水厂二级出水工艺的研究
作者:杨东豫,李济源
DOI:.-0741
收稿日期:2022-09-22
网络首发日期:2022-10-06
引用格式:杨东豫,
艺的研究[J/OL].:///-0741
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DOI:.-0741
基于响应面法优化预涂动态膜处理城镇污水厂二级出水工艺的研究
杨东豫1,李济源2
(,河南郑州450053;
,安徽芜湖241000)
[摘要]为优化预涂动态膜工艺处理城镇污水厂二级出水减缓膜污染的主要运行条件,
首先通过单因素试验研究了硅藻土平均粒径、跨膜压差及涂膜液浓度对动态膜形成过程膜通
量的影响规律;其次采用Box-BehnkenDesign二阶模型优化设计多因素试验,通过回归模
型建立及方差分析,得出优化条件及模型预测值;最后验证在该运行条件下模型的可靠性。
结果表明,硅藻土平均粒径与跨膜压差之间的交互作用显著,各因素对膜平均通量的影响大
小依次为:跨膜压差>硅藻土平均粒径>涂膜液浓度,根据模型方程得出优化运行条件为硅
、、,
L/(m2·h),%。因此,采用响应面法优化预涂动态膜工艺处理二级
出水是切实可行的。
[关键词]预涂动态膜;响应面法;优化;二级出水
[中国分类号][文献标识码]A
Optimizationexperimentofprecoateddynamicmembraneforsecondaryeffluentfrom
municipalwastewatertreatmentplantbasedonresponsesurfacemethodology
YangDongyu1,LiJiyuan2
(,Zhengzhou
450053,China;,
Wuhu241000,China)
Abstract:Thispaperaimtoachievethemitigationofmembranepollutioninsecondaryeffluentof
municipalwastewatertreatmentplants,byoptimizingthemainoperatingconditionsofprecoating
,theeffectsofaverageparticlesizeofdiatomite,
transmembranepressureandcoatingsolutionconcentrationonmembranefluxduringdynamic
membraneformationwereconductedbysinglefactorexperiment,,the
Box-BehnkenDesignsecond-ordermodelwasusedtooptimizethedesignofmulti-factor
experiments,andtheoptimalconditionsandmodelpredictivevalueswereobtainedbyregression
,thereliabilityofthemodelunderthis:.


variousfactorsontheaveragefluxwereasfollows:transmembranepressure,averageparticlesize
,theoptimal
operatingconditionswere:
,,
L/().%.Therefore,itis
feasibletooptimizetheprecoateddynamicmembraneprocessforsecondaryeffluenttreatmentby
responsesurfacemethodology.
Keywords:precoateddynamicmembrane;responsesurfacemethod;optimization;secondary
effluent
膜分离技术在水处理领域因具有出水水质好、自动化程度高、运行压力低等优点而受到
〔1-4〕
广泛的关注。然而,膜污染问题会导致膜通量快速衰减、增加反洗频率、增大维护成本,
极大地限制了膜技术的规模化应用。动态膜正是在这一现实背景下应运而生的。
预涂动态膜是将人工配制的悬浮液在一定压差下预先涂覆在基膜表面形成一层具有分
离性能的动态膜。与传统膜技术相比,预涂动态膜技术具有抗污染力强、制备成本低、稳定
性强、反洗简便等优势〔5-6〕。近年来,研究学者对预涂动态膜的运行工艺、处理效果等开展
〔7-8〕
了越来越多的研究,由于废水成分的复杂性及污染物的多样性,尚缺乏统一的理论用于
解释动态膜的形成过程及对膜污染的影响作用。此外,现有研究主要集中于单因素工艺条件
对运行效果的影响分析,对于多因素工艺条件之间的交互影响关系的文献报道较少,开展多
因素变量的相互关系对于预涂动态膜在工程中的工艺设计选择、反应条件优化具有重要的应
用价值和现实意义。
本研究拟以超滤膜为基膜,以硅藻土悬浊液作为涂膜剂制备硅藻土预涂动态膜,研究硅
藻土预涂动态膜处理城镇污水厂二级出水过程中减缓膜污染的机理及作用效果,系统分析硅
藻土平均粒径、跨膜压差、涂膜液浓度等因素对膜通量的影响,在考察单因素的基础上,采
用Design-Expert软件进行实验设计,利用响应曲面法优化整体运行工艺,建立二阶回归模
型,通过方差分析得出各因素对膜通量的交互影响,并验证模型预测的精确度,以期为预涂
动态膜工艺在工程应用中的优化设计提供新思路。
1材料与方法
:.
ME2002E电子天平,瑞士梅特勒公司;8400型超滤杯,美国密理博公司;纤维素超滤
膜,美国密理博公司,截留分子质量为10ku;硅藻土,嵊州市华力硅藻土制品有限公司,
、。
实验水样采用郑州市某污水厂的二级出水,水质指标为:CODCr=~,
TN=~,浊度=~,pH=~。


实验包括预涂、过滤2个阶段。预涂阶段,在超滤杯中循环过滤含硅藻土颗粒的悬浊液,
直至在超滤平板膜表面形成稳定的动态膜;过滤阶段,在相同运行条件下过滤城镇污水厂二
级出水。实验过程中的压力由氮气瓶提供并控制,膜通量由电子天平实时记录过滤出水量并
计算得出,膜平均通量通过测定3h的过滤累积出水量计算得出。预涂动态膜装置实验见图
1。
超滤杯
烧杯气瓶
动态膜
电脑电子天平
图1预涂动态膜装置实验示意


以硅藻土为涂膜液,、跨膜
、。在基本运行参数设定下,分别考察硅藻土平均粒
径(、、)、跨膜压差(、、)、涂膜液质量浓度(、、
)3个因素对膜通量的影响。

采用Design--BehnkenDesign二阶模型优化设计运行条件,以
膜平均通量为响应值,以硅藻土平均粒径、跨膜压差、涂膜液浓度为3个因素,分别设置低
(-1)、中(0)、高(1)三个水平,进行3因素3水平的实验设计(表1),评测各因素之:.
40
30
)
-1
.h)
2
20
J/(L.(m
10



0
0100200300400
t/min
间的交互作用及其对响应值的影响作用。
表1Box-Behnken实验设计的因素与水平
Table1FactorsandlevelsofBox-Behnkenexperimentaldesign
因素
水平硅藻土平均粒径/μm跨膜压差/MPa涂膜液质量浓度/(g·L-1)
X1X2X3
-


2结果与讨论


、,不同硅藻土平均粒径
对膜通量的影响。
图2硅藻土平均粒径对膜通量的影响

硅藻土预涂动态膜主要通过硅藻土对污染物的吸附和动态膜的截留作用达到延缓膜通
量下降的目的。在运行初期,小尺寸污染物进入超滤膜内部并堵塞膜孔,造成膜过滤阻力快
速增大,膜通量迅速下降;随着运行时间的延长,大尺寸污染物在超滤膜表面不断被拦截,:.
40
30
)
-1
.h)
2
20
J/(L.(m
10



0
0100200300400
t/min
逐渐形成滤饼层,并根据反应条件和运行时间的不同形成动态膜结构,此时膜过滤阻力变小,
膜通量的衰减速度逐渐变缓。由图2可知,,较大粒径的硅
藻土在运行初期对膜孔的堵塞程度较弱,因此其初始膜通量也较大,形成动态膜所需的时间
也较短;,较小粒径的硅藻土对膜孔的堵塞较为严重,初始
膜通量较小,并且形成的滤饼层较为紧实,渗透性能较差,过滤阻力较大,因此膜通量的衰
减速度也较快。

跨膜压差是决定动态膜结构及运行周期的重要因素,主要通过提供压力驱动力使水样透
过超滤膜,并压缩动态膜滤饼层致其紧实。、涂膜液质量浓
,不同跨膜压差对膜通量的影响。
图3跨膜压差对膜通量的影响

由图3可知,,膜的出水量明显增大,运行时
间缩短,并且膜通量的衰减速度明显变缓。这是因为跨膜压差的增大,一方面增强了水样透
过膜的传质驱动力,有助于提高膜的出水通量,运行时间也相应地减少;另一方面,跨膜压
差的适量增大有利于提高动态膜对污染物的吸附与截留作用,阻止污染物直接进入超滤膜孔,
从而减缓膜通量的衰减速度。,膜的出水通量明显
减少,并且膜通量的衰减速度也随之增大。这是由于高压驱动力使得动态膜被压缩得更加紧
密,动态膜的孔隙变小,膜的传质阻力变大,此时膜阻力对通量的抑制作用要大于高压驱动
力对通量的促进作用,因此膜的出水量减少,膜通量的衰减速度增大。:.
40
30
)
-1
.h)
2
20
J/(L.(m
10



0
0100200300400
t/min

、,不同涂膜液浓度对膜
通量的影响。
图4涂膜液浓度对膜通量的影响

由图4可知,/L,膜通量随着涂膜液浓度的增
加而增大。原因在于:当涂膜液浓度较低时,其形成的动态膜疏松且轻薄,更容易被水流穿
透,并且对污染物的吸附拦截作用较弱,膜通量较低,运行时间较长;当增加涂膜液浓度时,
高浓度的硅藻土颗粒能够增加与超滤膜之间的碰撞概率,提高其在膜表面的黏附速度,从而
促进动态膜的快速形成;虽然过滤阻力也随着动态膜厚度的增加而相应的增大,但动态膜对
污染物的吸附拦截作用要大于高浓度涂膜液带来的过滤阻力的影响。此外,过厚的动态膜也
不利于膜运行,更容易被快速压实,增大膜的过滤阻力作用,因此需要从膜通量与动态膜稳
定性综合考虑。


采用Design--BehnkenDesign,以上述单因素为
基础,选取硅藻土平均粒径、跨膜压差、涂膜液浓度为因素,以膜平均通量为响应值,进行
3因素3水平的响应面法优化设计,实验结果及方差分析分别如表2和表3所示。
表2响应面模型的实验结果
Table2Theexperimentalresultsofresponsesurfacemodel:.
因素响应值
实验编号
硅藻土平均粒径X1跨膜压差X2涂膜液质量浓度X3膜平均通量/(L·m-2·h-1)
1-
2-10-
310-
40-


70-1-
8-

10-1-

121-



1601-

表3响应面模型的方差分析
Table3Varianceanalysisofresponsesurfacemodel
项目平方和自由度均方F值P值
﹤



:.



40



35



h))
30

2.


25




20


跨膜压差(MPa)

膜平均通量(L/(m

15




10

15
20

25



30
1520253035
35

跨膜压差(MPa)
硅藻土平均粒径(μm)
硅藻土平均粒径(μm)


X12
﹤
X22
﹤

﹤
——
﹤
根据Design-
如式(1)所示。
Y=-++++-----(1)
〔10〕
由表4和拟合方程可知,,说明模型回归极显著;失拟项
,说明模型失拟项不显著,误差极小;,说明模型的拟合程
度高;信噪比大于4,说明模型的精确度较高。综上所述,该模型能够准确的预测预涂动态
膜处理城镇污水厂二级出水的膜平均通量情况。

三维响应面是回归模型的形象体现,能直观反映其他因素选取中间值时,剩余2个因素
对响应结果的交互作用;响应面的坡度越陡,代表着两因素对响应值的影响作用越显著;等
〔11〕
高线图的形状越趋于圆形,则代表着两因素之间的交互作用越不显著。硅藻土平均粒径、
跨膜压差、涂膜液浓度3个因素交互作用的响应曲面图见图5~7。
(a)三维响应面(b)等高线
图5硅藻土平均粒径和跨膜压差的三维响应面与等高线图

pressure:.





40


40




35

35





h))

2.
30

h))
2.


30



25




25




20



20

跨膜压差(MPa)
涂膜液浓度(g/L)
膜平均通量(L/(m


膜平均通量(L/(m




15





10

15

10

20



25






30

1520253035


35

涂膜液浓度(g/L)
硅藻土平均粒径(μm)

跨膜压差(MPa)

涂膜液浓度(g/L)
硅藻土平均粒径(μm)
涂膜液浓度(g/L)
(a)三维响应面(b)等高线
图6硅藻土平均粒径和涂膜液浓度的三维响应面与等高线图

concentration
(a)三维响应面(b)等高线图
图7涂膜液浓度和跨膜压差的三维响应面与等高线图

由图5~7可见,根据响应面的坡度程度和等高线图的形状可知,两两因素之间均对响应
值有一定的影响作用,其中硅藻土平均粒径和涂膜液浓度对膜平均通量的交互影响作用较弱。
结合表3可知,,表明硅藻土平均粒径与跨膜压差之间的
交互作用显著;,表明涂膜液浓度和跨膜压差、硅藻
土平均粒径和涂膜液浓度之间的交互作用不显著;其中,各因素的F值由大到小依次为:
跨膜压差、硅藻土平均粒径、涂膜液浓度,表明各因素对膜平均通量的影响大小排序为:跨
膜压差>硅藻土平均粒径>涂膜液浓度。

〔12〕
模型的最佳运行条件对应的最优值为响应面的顶点,即等高线图的中心位置。根据:.
Box-BehnkenDesign拟合得出的最佳运行条件为:、跨膜压差
、,/(m2·h);在此运
行条件下,进行3次平行试验,/(m2·h),与理论预测值
%,模型的拟合精度较高,说明利用该模型优化动态膜处理城镇污水厂二级出
水工艺条件是可靠的。
3结论
本研究研究了硅藻土预涂动态膜处理城镇污水厂二级出水过程中减缓膜污染的机理及
作用效果,系统分析了硅藻土平均粒径、跨膜压差、涂膜液浓度等运行条件对膜通量的影响,
以单因素实验为基础,采用Box-BehnkenDesign优化设计响应面实验,通过模型建立及方
差分析,得到的结论为:硅藻土平均粒径与跨膜压差之间的交互作用显著,各因素对膜平均
通量的影响大小依次为:跨膜压差>硅藻土平均粒径>涂膜液浓度,拟合获得的最佳运行条
件为:、、,在此运行条件
/(),%,说明采用
响应面法优化预涂动态膜工艺处理城镇污水厂二级出水,是切实可行的。
参考文献
[1]闻豪,[J].工业水处理,2021,41(11):84-88.
WENHao,-flocculationontreatmentofmunicipalwastewaterbyultrafiltration
membrane[J].IndustrialWaterTreatment,2021,41(11):84-88.
[2]罗辉辉,余龙,翟娟,[J].工业水处理,2020,
40(6):51-55.
LUOHuihui,YULong,ZHAIJuan,-ultrafiltrationtechnologyfortreating
oilfieldwastewateranditsapplication[J].IndustrialWaterTreatment,2020,40(6):51-55.
[3]YOOSS,CHUKH,CHOIIH,
drinkingwatertreatmentattributedtochemicalcleaningoptimization[J].JournalofEnvironmentalManagement,
2018,206:1126-1134.
[4]白鹤,林亚凯,李宁宁,
[J].膜科学与技术,2021,41(5):146-154.
BAIHe,LINYakai,LINingning,