针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法技术

本发明专利技术属于饮用水处理领域，公开一种基于响应面法的针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法。针对无机高分子絮凝剂“后絮凝”现象，通过Box‑Behnken试验设计法，对各个试验点进行混凝‑膜过滤操作工艺因素的三水平实验，并根据实验数据计算建立响应面模型，从而对饮用水处理中混凝‑膜过滤操作参数进行优化。本发明专利技术提出的优化方法，有着较高的准确度，且点试验数量少，能够很好地针对“后絮凝”现象对混凝‑膜过滤工艺进行优化，确定最佳操作参数。

Optimization method of coagulation membrane filtration process for \post flocculation\

【技术实现步骤摘要】
针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法
本专利技术属于饮用水处理领域，特别涉及一种基于响应面法的针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法。
技术介绍
“后絮凝”是指在混凝-膜过滤工艺中，由于混凝阶段水力停留时间过短导致进入膜过滤阶段的处理水中混凝剂未反应完全，部分混凝剂穿过膜孔在过膜后再次引起絮凝现象发生，该现象被称为“后絮凝”。在饮用水处理领域中，水厂主要选用PAC、PCAF为主的铝系与铁系的无机混凝剂，并且由于混凝-膜过滤工艺处理流程短，致使混凝过程停留时间不足，抑制了絮体的生长，混凝剂浓度、搅拌方式、搅拌强度等因素也会对絮体及混凝性能造成影响，不但造成膜污染，还导致一部分混凝剂金属离子存在于上清液中由于膜材料自身对铝、铁等金属离子并没有明显的截留作用，一部分金属离子会进入产水中，产生“后絮凝”现象，并严重影响了水质。因此，有必要研究一种对混凝-膜过滤工艺中混凝剂投加量、pH值、搅拌强度、搅拌时间等工艺操作参数的方法，以减少“后絮凝”现象与膜污染，提高出水水质。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于响应面法的针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法，该方法通过响应面模型，分析混凝-膜过滤工艺操作参数与“后絮凝”现象间的关系，并得到优操作条件。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于响应面法的针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法，包括如下步骤：1)混凝-膜过滤超滤实验装置的搭建：装置包括压力系统：精密调压阀、高压氮气瓶；死端超滤系统：超滤杯、磁力搅拌器、超滤膜；测量系统：电子天平，计算机；2)根据Box-Behnken试验设计法，对各个试验点进行混凝-膜过滤操作工艺因素实验；3)根据实验数据计算建立响应面模型，对模型进行最优化求解，确定最佳操作条件。本专利技术具有如下优点：1)本专利技术的优化方法是针对给水处理混凝-膜过滤环节中，混凝剂的后絮凝现象提出，目前相关方法研究较少，因此本专利技术具有环境安全意义和实际应用价值。2)本专利技术的优化方法所需的实验次数少、试验周期短，响应面模型对函数关系拟合程度较高，可以连续地对多个操作参数的各个水平进行分析优化，更加直观明了。附图说明图1是实验装置简要示意图。图2至图5为该实施例下模型的响应面图。具体实施方式下面通过附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明。本专利技术的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本专利技术，并不对本专利技术作任何的限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1：本专利技术以投加聚合氯化铝铁(PAFC)混凝剂过滤实验原水为案例，该方法的具体步骤如下：1)实验原水与混凝剂的配置：原水组分为腐殖酸+牛血清蛋白+海藻酸钠各50mg/L，由储备液稀释得到；PAFC混凝剂采用慢速滴碱法制得。2)根据Box-Behnken试验设计法，对慢搅速率、慢搅时间、pH值、混凝剂投加量在内的四个因素进行三水平实验，并收集滤后水样。3)对滤后水样的TOC与Fe、Al离子浓度进行测定，并计算得到膜污染的比阻力，将数据输入模型，得到各因素与响应值间的响应曲线。4)对模型进行最优化求解，确定以PAFC为混凝剂过滤实验原水的最佳操作条件。首先，需要完成混凝-膜过滤试验的平台搭建，如图1所示，主要装置包括压力系统：精密调压阀、高压氮气瓶；超滤系统：超滤杯、磁力搅拌器、超滤膜。其次，需要完成试验原水与PAFC混凝剂的配置。实验原水：分别称取50ml的腐殖酸、海藻酸钠、牛血清蛋白储备液(1g/L)于容量瓶中，定容至1L后，调至预定pH值待用。PAFC混凝剂配置：采用慢速滴碱法进行配置，Fe：Al＝5:5，碱化度B＝1.5。然后，是基于Box-Behnken试验设计法响应面法的试验。传统的混凝-膜过滤工艺中操作工艺优化主要是以单因素试验与正交试验为主,单因素试验每次仅观测单一因素,无法解释在多因素影响下的共同作用，正交实验得到的试验数据为离散的，无法连续地对涉及变量的各个水平进行分析。本专利技术采用响应面法对混凝-膜过滤工艺中操作参数与出水水质间的关系进行拟合，该方法具有实验次数少、试验周期短与高精度的特点，可以连续地对操作参数的各个水平进行分析，并且可以通过响应面曲线图与等高线更为直观地分析。响应面法的基本思想是通过有限次确定性试验的试验结果，求得响应值的曲面函数，来反应真实状态曲面。假设实验共有n个设计变量，则有n维向量x＝(x1,…,xn)T，则对于该x与其响应值y与存在函数关系y＝y(x)。y(x)可能不能被一个准确的表达，但对于每一个给定的样本点xi，可以通过实验得到它的响应值yi。在足够次数的真实实验后，利用待定系数法，我们可以得到y＝y(x)的近似函数。本方法采用二次多项式的形式进行拟合，分别表示如下：为了确定所有的待定系数，我们需进行次独立试验，其中m≥(n+1)(n+2)/2。将这m个样品点x(k)(k＝0，…，m-1)代入式(3)，则可以响应面函数值为而响应面函数为真实函数的近似函数，故根据式(2)所计算得到的响应值与实际响应值y(x)间存在误差值ε，有为找到误差最小的响应面函数，我们可以通过最小二乘法求解，即通过使得残差平方和最小化的方式，对二次型进行求解，最小二乘法可以表示为：通过最小二乘法求解，最终得到所有的待定系数，确立响应面函数模型。在本实施例中，根据Box-Behnken中心组合设计原理，以混凝剂投加量(A)、pH值(B)、慢搅速率(C)、慢搅时间(D)四个因素作为自变量，残余铝浓度(Y1)、残余铁浓度(Y2)、TOC去除率(Y3)及过滤150ml水样的膜污染比阻力(Y4)作为响应变量，设计四因素三水平实验，设两个中心点，总共有26个响应点的响应面分析试验，各因素水平与实验结果见表1、表2：表1表2最终得到各响应值与各因素变量的响应面二次方程模型分别为：Y1＝0.3241+0.1593A+0.2682B－0.0215C－0.0066D－0.0445AB+0.0161AC－0.0646AD+0.0078BC+0.0572BD－0.0743CD－0.0188A2+0.1461B2－0.0342C2+0.0197D2Y2＝0.1439+0.0232A－0.0719B+0.0150C－0.0044D+0.0013AB－0.0009AC－0.0100AD+0.0041BC+0.0024BD－0.0386CD－0.0126A2－0.0003B2+0.0004C2+0.0195D2Y3＝82.06+0.13A－0.88B－0.042C+0.043D－0.58AB－1.95AC－0.059AD+0.16BC－0.22BD－2.91CD+0.07本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)混凝-膜过滤超滤实验装置的搭建；/n2)根据Box-Behnken试验设计法，对各个试验点进行混凝-膜过滤操作工艺因素实验；/n3)根据实验数据计算建立响应面模型，对模型进行最优化求解，确定最佳操作条件。/n

【技术特征摘要】
1.针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)混凝-膜过滤超滤实验装置的搭建；
2)根据Box-Behnken试验设计法，对各个试验点进行混凝-膜过滤操作工艺因素实验；
3)根据实验数据计算建立响应面模型，对模型进行最优化求解，确定最佳操作条件。


2.根据权利要求1所述的针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法，其特征在于，所述步骤2)包括：试验原水与混凝剂的配置。


3.根据权利要求2所述的针对“后絮凝”现象的混凝膜过滤工艺优化方法，其特征在于，投加聚合氯化铝铁(PAFC)混凝剂过滤实验原水配置如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：张宏伟，张睿思，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12