浸没式超滤膜组件运行参数的优化

1、浸没式超滤膜组件运行参数的优化 朱 圆 圆，沈 菊 李，吕 晓 龙 ，左滢，颜 婷 婷，眭彤天津工业大学 生物化工研究所 ，天 津 ；杭州水处理技术研究开发中心 ，杭 州 摘 要 ：曝 气 量 、抽 停 比 、膜 通 量 、反洗水量等工艺参数是影响浸没式 超 滤 膜 污 染 的 主 要 因 素 ，采用正交 试 验的方法 对 这些因素的影响显著性进 行 分 析 ，从 方 差 分 析 的 结 果 可 得 曝 气 量 和 抽 停 比对膜 污 染具有极 为 显著地影响作用 ，反洗水量对膜 污染具有显著影响 ，所 设 定 的 膜 通 量 对 膜污 染 无 显 著 影 响 通过因素水平表对工艺参数 进 行

2、 优 化 ，最 终 优 化 得 到 的 工 艺 参 数 为 ，曝 气 量 为 ，抽 停 比 为 ，反 洗 水 量 为 产 水 量 的 ，膜 通 量 为 膜 组 件在 最 优 的 条 件 下 可 以 稳 定 运 行 ，之后需要进行在线化学清洗 关 键 词 ：浸 没 式 超 滤 ；正 交 试 验 ；工 艺 参 数中 图 分 类 号 ：文 献 标 志 码 ：文 章 编 号 ：浸没式 膜 组 件目前已 被广泛应用于废水处理领 域 ，尤 其 在 处 理 高 浊 度 污 水 方 面 ，浸没式膜过滤越来 越 受 到 重 视 近 几 年来浸没式超滤 是受到国际海水 淡 化 界 广 泛 关 注 的 膜 法 预

3、处 理 技 术 ，该 技 术 克 服 了传 统 预 处 理 工 艺 出 水 水 质 不 稳 定 、胶体和溶解有机 物 去 除效果 差 以 及使用多 种化学试剂等诸多缺点和 不 足 ，具 有 广 阔 的 应 用 前 景 然 而 由 膜 污 染引 起 的 抽 吸 压力上 升 及 膜通量下 降成为其迅速开展的主要 障 碍 ，目 前 所 用 减 缓膜污染的方法 主要是选择有效 的 预 处 理 工 艺 ，优化 操 作条件和方式等运 行 条 件 对 膜 过 滤 系 统 具 有 重 要 作 用，适 合 的 操 作 参 数 可 以 很 好 的 控 制 膜 污 染 ，提 高 整 个 膜系 统 的 过 滤 性 能

4、 、延 长 膜 的 使 用 寿 命 对 于 不 同 的 膜 组 件 材 质 与 膜 组 件 结 构 形 式 ，需要 通过试验得到最 优 的 工 艺 参 数 ，因 此 本实验主要针对抽停比 、曝 气 量 、膜 通 量 、反 洗 水量四个 对膜过滤具有较大影响的 因 素 ，采 用 正 交 试 验，通 过 中 试 试 验 装 置 对 新 型 结 构 的浸没 式 超 滤膜组件 进行工艺参数的分析与优 化 ，旨 在找到 对膜污 染 起主要作用的因素 ，并 对 这 些 因 素 进行优 化 从 而得到新 型浸没式膜组件的最正确运 行 参 数 ，最 大 程 度 的 减 缓 膜 污 染 ，为工程上的大规模 应

5、用提供科学有效的依据 试验装置与方法 新型浸没式膜组件 试验所用超滤膜为杭州水 处 理 技术 研究 开发中 心 有 限 公 司 生 产 的 聚 偏 氟 乙 烯 中 空 纤 维 超滤 膜 ，膜 孔 径 为 ，填 充 面 积 为 ，膜 箱 内 装 有 支 新 型 结 构 的 浸 没 式 膜 组 件 ，膜 组 件 的 结 构 特 点 如 图 所 示 膜 组 件 管 程 上 端 及 下 端 侧 面 均 设 有 产 水 口 ，构成 双 端 产 水 模 式 壳 程 的 下 端 设 有 个 环 形 分 部 的 下 进 液 口 ，上 端 对 称 设 有 个 环 形 分 布 的 上 气 液 排 出 口 ，上 下

6、 设 置 的 个 环 形 口 使 得 膜 丝 壳 程 具 有 气 提 升 作 用 膜 丝 被 填 装 在 膜 壳 之 中 ，不 需 要 导 流 板 即可 将混合液分为升 流 区 与 降 流 区 ，当 压 缩 空 气 从 膜组 件的下部进入膜 丝 壳 程 后 ，膜 壳 内 外 的 混 合 液 产 生 密 度 差 ，在 密 度 差 的 推 动 作 用 下 ，处 理 液 由 下 部 的 进 液口被吸入膜壳 内 部 ，在 膜 丝 表 面 形 成 良 好 的 膜 面 流 速 ，大大减弱浓差极 化 的影 响 ，最 后 由 上 部 的 气 液 排出口排出返回膜箱 ，最 终 形 成 循 环 流 动 ；新 构

7、型 为 封 闭 结 构 ，保证了曝气 过 程中 气体的聚集收拢 ，随收 稿 日 期 ：；修改稿收到日期 ：基 金 项 目 ：国家海洋局海洋公益性行业科研专项工程 第 一 作 者 简 介 ：朱 圆 圆 ，女 ，河 南 人 ，硕 士 生 ，从事膜法水处理技术 通 讯 作 者 ，：第 期朱 圆 圆 等 ：浸没式超滤膜组件运行参数的优化 鼓 风 机 ；进 水 泵 ；曝 气 ；产 水 箱 ；反 应 器 ；回 流 排 放 泵 ；排 泥 ；反 洗 泵 ；加 药 ；电 动 阀 ；至 产 水 箱 ；产 水 箱 进 口 ；气 体 流 量 计 ；液 体 流 量 计 ；膜 组 件 ；压 力 表图 新型浸没式膜组件结构

8、特点 图 中 试 装 置 图 着 气 泡 在 上 升 过 程不断聚合 变大形成活塞流 ，进 一 步 提 高 膜 面 的 紊 流 度 ，产生较大的剪切力 ，尤 其 在 处 理 高 浊 度 污 水 情 况 下 ，可以最大程度的控制膜污染 ， 提 高 膜 通 量 表 进 水 水 质 项 目含 量浊 度实 验 流 程本 试 验 设 备 为 连 续 运 行 ，参 数 设 计 通 过 程 序 控 制 ，具 体 运 行 流 程 如 下 ：过 滤停 抽 ：原 水沉 淀 池 出 水 由 供 水 泵 提 升 至 膜 箱 ，在 产水泵 的 抽吸作用下通过超滤膜 、出 水泵 和 产 水 流 量 计 进 入 产 水 箱

9、 产水 时间与停抽时间 通 过 时 间 继 电 器 控 制 曝 气 ：在 整 个 运 行 过 程 中 ，鼓 风 机 常 开 ，气 体 通 过 气 管 连 接 至 膜 组 件 底 部 的 进 气 口 ，膜 组 件 底部 设 有 布 气 孔 ，对膜 组 件进行均匀布气 反 冲 洗 ：通过 时间继电器控制 ，经 过 个 运 行 周 期 后 ，进 行 一 次 反 冲 洗 产水通过反洗泵 、反 洗 阀 门 、反洗流 量计进 入 膜丝内部进行反冲洗 在 线 化 学 清 洗 ：为 有 效 控 制 膜 污 染 ，阶 段 性降 低 跨 膜 压 差 ，当 跨 膜 压 差 增 大 到 设 定 值 时 ，进 入 在

10、线 化 学 清 洗 过 程 ，由加药泵将定量的清洗 药 剂 随 反 洗 水 一 起 ，经 过反洗管路进入膜丝内部 ，进行 在 线 化 学 清 洗 中 试 装 置 见 图 总 碱 度 总 总 硬 度 电 导 率悬 浮 物试 验 方 法前 期 的 研 究 表 明，抽 停 比 、曝 气 量 、膜 通量 、反洗水量对膜过滤具 有 较大 影响 本 实 验 主 要 对 浸 没式超滤的上述 个 因 素 进 行 正 交 分 析 ，得 出 各个 因素的影响显著 性 大 小 ，然 后 进 行 工 艺 参 数 的 优化 ，每 个 因 素 设 定 个 水 平 ，因 素 水 平 表 如 表 由 于 正交设计方差分 析

11、的 误 差 有 两 种 ，一 是 正 交 表 中的 空 列 ，二 是 重 复 试 验对 于 四 因 素 三 水 平 的 正 交 试 验 选 用 的 正 交 表 时 ，并 没 有 空 白 列 ，因此 就必须进行重复试验 ，为 保 证 试 验 结 果 的 科 学 性 ，重 复 试 验 进 行 次 ，每 次 运 行 表 因 素 水 平 表 试 验 水 质实 验 采 用 的 进水为经过 混凝预处理的海水 ，混 凝 沉 淀 池 中 加 入 三 氯 化 铁 絮 凝 剂 ，由 于 没 有经 过 斜 管 池 的 充 分 沉 淀 作 用 ，因此 进水的浊度与悬 浮 物 浓 度 很 高 ，进 水 水 质 见 表

12、抽 停 比曝 气 量 膜 通 量反 洗 水 量 水 平产 水 量 的 产 水 量 的 产 水 量 的 膜科学与 技 术第 卷多因素综合分析 正 交 试 验 以 增 长 率 为 指 标 ，对 结 果 进 行 方 差 分 析 ，通 过 对 实 验 误 差 的 计 算 ，并 以 实 验 误 差 去 检 验各个因素的显著性 结 果 如 表 正 交 试 验 表结 果 与 讨 论正 交 试 验 结 果正 交 试 验 结 果 列 于 表 表 增 长 率实 验 号合 计，；，表 方 差 分 析 表表 面 的 沉 积 在 本 试 验 条 件 下 ，当 曝 气 量 从增 加 到 时 增 长 率 从降 为 ，表 明

13、 了 曝 气 量 对 膜 污 染 的 控 制 效 果 显 著 加 大 抽 停 比 有 利 于 增 加 膜 的 产 水 量 ，从 而 减 少 膜 组 件 用 量 在 抽 吸 过 程 中 ，混 合 液 中 的 污 染 物由 于膜的截留作用 而 在 膜 表 面 沉 积 形 成 滤 饼 层 ，不断 积 累 ，抽 吸 时 间 越 长 ，滤 饼 层 越 厚 实 ，膜 污 染 越 严 重 ，当 停 止 过 滤 时 ，膜 两 侧 的 压 差 减 小 以 致 消 失 ，附 着 在膜外表的污染物很容易在 气 泡 和上 升流 形成的 气 液两相流的扰动下脱落 ，达 到 清 洗 的 目 的 ，间 歇 时 间 越 长

14、，即 清 洗 时 间 越 长 ，膜 表 面 沉 积 污 泥 脱 落 越多 ，膜 通 量 恢 复 越 好 本 实 验 的 数 据 表 明 ，当 停 抽 时 间 都 为，随着膜抽吸出水时间 由延 长 至 时 ，膜 组 件 的 的 增 长 率 从 增 大 至当 抽 吸 时 间 都 为 ，停 抽 时 间 由 延 长 至 时 ， 增 长 速 率 由 降至，表 明 延 长 停 抽 时 间 ，缩 短 抽 吸 时 间 ，都 可 以 很好的控制膜污染 ，由 此 可 得 ，曝 气 量 与 抽 停 比 是影 响膜污染的显著性因素 气 水 反 冲 洗 过 程 即 在 反 洗 同 时 鼓 入 空 气 ，空 气方 差来

15、源离 均 差平 方 和自 由 度方 差 值 误 差 注 ： 为 组 间 差 异 ，即 种不同的因素对结 果 造 成 的 差 异 ， 为组内差异或实验误差即由于测量因素 等造成的不可防止的误差 由 方 差 分 析 表 可 知 ，四 因 素 中 的 值 比 较 为，直 观 分 析 对 增 长率的影响为曝 气 量 与抽停比对试验 具 有 极 为 显 著 的 影 响 作 用 ，反洗水量对膜污染有显 著 影 响 ，所设 定的膜 通 量对膜污染的影响不显著 曝 气 量 主 要 通过改变膜 外表的水力学条件 ，破 坏 浓 差 极 化 层 来 控 制 膜 污 染 曝 气 量 的 增 加 ，有 助 于 提 高

16、了 膜 组 件 内 的 气 、水 二 相 流 流 速 ，增 大 膜 面 剪 切 力 ，加 速 污 染 物 从 膜 表 面 的 脱 离 ，从而减少了其在膜 第 期朱 圆 圆 等 ：浸没式超滤膜组件运行参数的优化 擦 洗 作用产 生 垂 直方向的 气液两相流在膜面形成剪 切 力 ，有利于 将污染 物 从膜丝外表去除 ，反 冲 洗 是 对 膜 污 染 有 效 的 清 洗 方 式 ，然而为了保证系统的回收 率 ，反 冲洗的 水量与 周 期必须设置合理 ，否 那么 频 繁 的 反 冲 洗虽然 有 利 于控制膜 污染却大大增加了清水的 消 耗 量 ，因 此 ，在 膜 过 滤 过 程 中 ，需 要通过合理的

17、曝 气 量 ，抽 停 比 ，膜 通 量 等 运 行 参 数 ，减缓膜污染速率 ， 延 长 反 冲 洗 周 期 ，经 过 反 冲 洗 作 用 ，膜通量可以得到 较 大 程 度 的 恢 复 ，使得整个运行过 程中的膜污染长 期 保 持 在 低 水 平 范 围 之 内 因 此 ，反冲洗在控制膜污 染 过 程 中 具 有 显 著 的 影 响 作 用 研 究 表 明膜 污 染 速 率 和 膜 通 量 呈 指 数 相 关 ，因 此 ，在 高 通 量 下 操 作 ，膜 污 染 会 很 快 发 生 而 本 实 验 的 分 析 结 果 显 示 ，设定的膜通量 对膜污染并无明 显 影 响 这 种 相 异 的 结

18、果 可 以 从 以 下 个 方 面 进 行 解 释 ：由 于 实 验 设 定 的 膜 通 量 处 于 临 界 膜 通 量之 下 ，当运行 膜通量 在 临界膜通量以下运行时 ，膜 污染 不 发 生 或 者 发 展 非 常 缓 慢 ，临界 通量与水力操作 条 件 、膜 分 离 操 作 模 式 、料 液性质以及膜本身性质都 有 较 大 关 系；有 研 究 表 明，浸 没 式 超 滤 最 高 可 承 受 的 浊 度 为 ，而由浊度引起的 膜 污 染 很 容 易 通 过 机 械 清 洗 而 清 除 本 实 验 原 水 为 海 水 ，海 水 远 低 于 市 政 污 水 ，对污染的造成影 响 的 因 素 主

19、 要 是 浊 度 ，由 于 每 要 进 行 一 次 气 水 双 洗 ，使 得 因 浊 度 造 成 的 膜 污 染 被 清 除 ， 在 每个 运 行 周 期 都 得 到 恢 复 ，因此在整个过程中 ，实 验 所设 定 的 膜 通 量 对 膜 污 染 没 有 显 著 影 响 ；由 于 四 个 影 响 因 素 中 ，抽 停比与曝气量对 膜污染的影响作 用 很 大 ，相 比 之 下 ，膜 通 量 的 影 响 作 用 较 小 ，因 此 在实 验 过程中 并 没 有表达出 膜通量的明显影响 图 因 素 水 平 图 曝 气量越大可能会 导 致 混 合 液 中 粒 径 变 小 ，从 而 增加 了膜孔堵塞的几率

20、进 而 加 速 膜 污 染因 此 本 试验 所优化的曝气量为 抽停比的最优选 择 因 素即抽停比对膜 污染的影 响作用 次之 ，从 指 标 的 折 线 图 可 以 看 出 ，抽 停 比 为 与 时 ， 增 长 速 率 较 为 接 近 ，都 可 以作为最优值进 行 设 定 ；但 从 对 泵 的 使 用 而 言 ，运 行停对 泵 的 损 伤 要 小 于 运 行 停 的 情 况 因 此 ，选 定 为 最 优 抽 停 比 反洗水量与膜通 量 的最 优选择 因 素 即 反 洗 水 量 对 膜 污 染 有 一 定 影 响 但 是由 指 标的折线图可知 ，反 洗 水 量 对 膜 污 染 的 影 响 作 用

21、区 别 并 不 大 ， 的 反 洗 水 量 与 的 反 洗水 量 相 比 ，并 没 有 特 别 明 显 的 变 化 吕 晓 龙研 究发 现 ：当 反 冲 洗 水 量 较 大 时 ，产 生 的 正 洗 空 气 气 泡小 ，中 空 纤 维 膜 摆 动 幅 度 小 ，空 气 振 荡 清 洗 效 果 欠 佳 ，对 膜 孔 道 的 污 染 反 冲 洗 效 果 不 好 ，由 此 可 以 得 出 ，气 水 双 洗 过 程 中 ，水 量 并 不 是 越 大 越 好 ，气 量 起到 了 主 要 作 用 从 经 济 性 考 虑 ，反 洗 水 量 越 小 ，系 统 回 收 率 越 高 ，经 济 性 就 越 好 因

22、此 ， 的 反 洗 水 量为 最优的反洗水量 因 素 即 膜 通 量 对 膜污染并无明显影 响作用 ， 为 提高组件的经济型 ，选 用 设 定 最 大 值 的 膜 通量作为最优膜通量 通 过 对 因 素 水 平 图 的 分 析 ，最 终 选 定 的 工 艺 参数 为 ：曝 气 量 ，抽 停 比 ，反 洗 水量为产水量的 ，膜 通 量 为 因 素 水 平 分 析通 过 方 差 分 析 ，对影响膜污染 的各因素进行了 显 著 性 分 析 ，为得出 各 因素的具体参数值 ，需 要 做 出 该 因 素 条 件 下 水 平 与 指 标 的 关 系 图 ，由 关 系 图 上 点 的 分 布 情 况 对 新

23、 型膜组件的 工艺参数进行优化 图为 各 因 素 条 件 下 水 平 与 指 标 的 关 系 图 曝 气 量 的 最 优 选 择 因 素 即 曝 气量对膜污染的影响 作 用 最 大 ，从 指 标 的 折 线 图 可 以 看 出 ，曝气量越大越有利于控 制 膜 污 染 进 程 的 曝 气 量条件下膜污染 程 度 最 小 ，然 而 曝 气量越大对膜丝 强度的要求就越 为 严 格 ，一般 的膜丝 很 难承受长期的抖动疲劳 ；此 外优化条件下的重复 性 试验 选 用 优 化 的 实 验 条 件 进 行 次 重 复 性 实 验 ，每 次 的 运 行 时 间 为 ，比 较 膜 通 量 与 的 变 化 情

24、况 由 图 可 知 ，在 前 的 运 行 过 程 中 ，膜 组 件 的膜 科 学与 技 术第 卷运 行 很 稳 定 一 直 保 持 在 ，直 到 第 ， 上 升 幅 度 较 大 ，最 大 值 可 以 达 到，虽 然 经 过 汽 水 双 洗 过 程 可 以 下 降 到左 右 ，但 是 的总趋势依旧为上升状态 ，表 明 通过单 纯 的 物理清洗 已经不能将膜外表的污染 物 清 洗 干 净 ，需 要 进 行 化 学 清 洗 目前市场上所使用 的 浸 没 式 超 滤 一 般 操 作 压 力 低 于 ，超 过 时 ，体 现 不 出 浸 没 式 膜 系 统 低 压 运 行 低 能 耗 的 优 势 对 膜

25、组 件 进 行 在 线 化 学 清 洗 ，首先使用浓度为 的 次 氯 酸 钠 进 行 的 在 线 化 学 清 洗 ， 随 后 进 行 大 水 量 反 洗 ，以便清洗膜丝内部的药液 ，之 后 使 用 为 的 盐 酸 进 行 的 酸 洗 ，随 后 大 水 量 反 洗 经 过 在 线 化 学 清 洗 ， 的 恢 复 率 可 以 达 到 ，因 此 ，膜 组 件 在 如 此高浊度原水中 每 运 行 需 要 进 行 一 次 在 线 化 学 清 洗 保 证膜组件在高浊 度 原 水 中 的 长 期 稳 定 运 行 ，需 要每 进 行一次在线化学清洗 参 考 文 献 ： 杨 宗 政 ，顾 平 膜生物反响器运行中

26、的膜 污 染 及 其 控 制 膜 科 学 与 技 术 ，： 张 国 俊 ，刘 忠 洲 膜过程中超滤膜污染机制 的 研 究 及 其 防 治 技 术 进 展 膜 科 学 与 技 术 ，： 曹 国 凭 ，马 浩 ，关 会 玲 超滤技术在地表水处 理 中 的 应 用 和 研 究 进 展 工 业 水 处 理 ，： 孙 丽 华 ，李 星 ，杨 艳 玲 浸没式超滤膜运行中 膜 污 染 控 制 方 法 试 验 研 究 ，哈尔滨商业大学学报 自 然 科 学 版 ，： ， ， ： ，：， ， ， ，： 齐 鲁 ，李 圭 白 ，程荣 运行条件对浸没式超 滤 处 理 地表水膜污染的影响 给 水 排 水 动 态 ，： 何攀 ，何 凤 华 ，王 海 燕 操作条件对浸没式超 滤 膜 污 染影响的中试研究 给 水 排 水 ，： 徐 仲 安 ，王 天 保 ，李 常 英 ，等 正交试验设计方法简介 ，科技情报开发与经济 ，： 董 如 何 ，肖 必 华 ，方 永 水 正 交 试 验的理论设计方法及 应 用 安徽建筑工