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系統識別號 U0002-2707201020023600
中文論文名稱 利用反應曲面分析法(RSM)對於沉浸式MF薄膜處理高濁度原水之研究
英文論文名稱 Application of response surface methodology (RSM) to submerged type MF membrane for treating high turbidity raw water
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 許震洋
研究生英文姓名 Chen-Yang, Hsu
學號 697480118
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-02
論文頁數 92頁
口試委員 指導教授-李奇旺
委員-陳孝行
委員-李柏青
中文關鍵字 高濁度原水  混凝結合薄膜  臨界通量  薄膜阻塞  反應曲面分析法 
英文關鍵字 Turbidity water  coagulation-microfiltration  critical flux  microfiltration block  response surface methodology (RSM) 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 台灣因地形地貌特殊且陡峭,又加上山坡地過度開發,導致集水區水土保持不良。颱風或暴雨季節過後,產生的高濁原水問題長期影響國人飲用水及工業用水使用。現今水廠處理高濁度原水之方式為添加高劑量的混凝劑,但此方法會衍生出大量的污泥餅,使得後續處理污泥成本增加。
本研究為探討沈浸式中空纖維微過濾膜,作為處理高濁度原水之可行性。為確保利用沈浸式中空纖維微過濾膜應用於高原水濁度的可行性,本研究利用實驗設計方法,選擇影響薄膜阻塞的因子如:曝氣強度、混凝劑、停歇時間、洩流濃縮液比率及濁度。依據因子設定並觀察結果臨界通量,篩選出重要因子,接下來利用篩選出之因子做反應曲面法(Response Surface Methodology, RSM)結合中心混層設計(Central Composite Design, CCD)找尋最適點之位置,並製作出反應曲面分析圖,探討減緩薄膜阻塞的可能性。
本研究中,添加混凝劑可增加濁度顆粒尺寸,使得濁度顆粒具有相當良好的沉降性,濁度可大幅減少,但添加多於的混凝劑劑量並不能使所得之臨界通量提高。
經配適二次迴歸模型運算過後可得知最適值位於,固定添加混凝劑之下,當洩流濃縮液之比例為5 % 時,且濁度為5000 NTU及停歇時間3分鐘,曝氣量為5 L min-1時,透過模式可預測出本實驗膜組操作的之臨界通量為112.97 LMH。
英文摘要 Due to steep slope, special geographical features, over-developed hillside, and improper soil water conservation of catchments area, events of high turbid water in drinking water supply are happen frequently during typhoon or rainy season, causing shortage for drinking water and industry water usage. To tackle the situation of high turbid water, a common practice in water treatment plants is to add an elevated dose of coagulant. However, a huge amount of sludge is produced and as a result skyrocketing cost has to be added for sludge handling.
This research is to evaluate the practicability of dealing with high turbidity water using submerged hollow-fiber microfiltration (MF) with factors such as Aeration, Coagulation, Relaxation Time, Bleeding and Turbidity being studied by Factorial Design. Based on critical flux result, the most significant factors are selected. Furthermore, the selected factors are use through Response Surface Methodology (RSM) and Central Composite Design (CCD). At the end, seeking the optimum and making the graph is for researching possibility of lowering microfiltration block.
In this study, coagulant addition can enlarge size of particle size and such particle further makes a great sedimentation. However, adding extra coagulant is not able to raise critical flux result, 3 mg L-1 as Al is the best option in this study.
After adding a certain amount of coagulant and exercising under the condition of 5% bleeding ratio, 5000 NTU turbidity, 3 minute relaxation time and 5 L min-1 aeration, membrane gets critical flux, 112.97 LMH, which is predicted as the critical flux value through this model operation.
論文目次 目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 VI
第一章、 前言 1
1-1、研究緣起 1
1-2、研究目的 2
第二章、 文獻研討 3
2-1、台灣高濁度原水問題來源、影響及處理方式 3
2-1-1、高濁度原水對淨水廠的影響 4
2-1-2、現今台灣高濁度水處理方式 5
2-1-3、濁度原水特性 8
2-2、薄膜分離程序介紹 11
2-2-1、薄膜種類 12
2-2-2、薄膜處理技術所面臨的問題 13
2-2-3、薄膜處理技術的優缺點 17
2-2-4、影響薄膜的操作因素 18
2-2-5、傳統壓縮濾餅阻力模式(COMPRESSIBLE CAKE RESISTANCE MODEL) 19
2-2-6、臨界通量 22
2-3、薄膜在高懸浮固體物的應用 27
2-3-1、MBR程序 27
2-3-2、懸浮性光觸媒程序 28
2-4、比較傳統混凝與混凝結合薄膜程序之最適添加藥量 28
2-4-1、傳統混凝之最佳添加藥量 28
2-4-2、有機物對傳統混凝之影響 32
2-4-3、薄膜結合混凝程序之最佳添加藥量 34
2-4-4、混凝劑劑量對薄膜影響 37
第三章、 材料與方法 39
3-1、實驗材料 39
3-1-1、高濁度原水調配 39
3-1-2、混凝結合薄膜最適參數 41
3-2、實驗試劑及儀器 43
3-2-1、實驗試劑 43
3-2-2、實驗儀器 43
3-3、實驗設備 45
3-3-1、實驗流程 46
3-3-2、中空纖維膜 47
3-3-3、壓力監測系統 47
3-3-4、中空纖維膜清洗 48
3-4、反應曲面分析法(Response Surface Methodology, RSM) 50
3-4-1、高低水準因子設計 50
3-4-2、中心混層設計(CENTRAL COMPOSITE DESIGN,CCD)介紹 51
第四章、 結果與討論 53
4-1、天然高濁度原水添加最佳混凝劑濃度 53
4-1-1、混凝劑量對於臨界通量的影響 55
4-2、因子實驗與選擇結果 57
4-2-1、變異數分析表(ANOVA)判斷五種因子對於統計結果的重要性 57
4-2-2、因子效應影響 64
4-3、篩選因子 72
4-3-1、中心混層設計(CENTRAL COMPOSITE DESIGN,CCD) 74
4-3-2、利用ANOVA判斷篩選過後四種因子對於統計結果的重要性 75
4-3-3、篩選過後之因子主效應與交互作用 80
4-4、反應曲面分析 82
第五章、 結果與建議 85
5-1、結果與討論 85
5-2、建議 86
參考文獻 87
圖目錄
圖 一 2007年五月到十月的濁度曲線圖 4
圖 二 利用循環式的反沖洗來清洗薄膜觀察流動量恢復情形 14
圖 三 薄膜積垢意象圖 14
圖 四 濃度極化趨勢圖 15
圖 五 流通量與時間的關係圖 16
圖 六 以逐步提高薄膜通量紀錄操作壓力變化量測臨界通量 22
圖 七 以平均透膜壓力推估臨界通量 23
圖 八 逐步提高薄膜通量紀錄操作壓力變化量測臨界通量之壓力參數定義。 24
圖 九 通量階梯法 25
圖 十 推論透膜上升速率為10 pa min-1意示圖 26
圖 十一 本實驗利用10 Pa min-1推估之臨界通量意示圖 26
圖 十二 鋁鹽在不同pH值下各種產物的溶解度曲線 31
圖 十三 A到D以南化淨水廠為例依不同原水濁度添加混凝劑及助凝劑 33
圖 十四 不同混凝劑量顆粒或污染物於薄膜上的排列方式 38
圖 十五 高濁度人工原水配置流程 40
圖 十六 不同濁度稀釋下對於懸浮固體意示圖 40
圖 十七 實驗設備圖 45
圖 十八 實驗流程 46
圖 十九 壓力與電流轉換減量線 48
圖 二十 乾淨膜通量 49
圖 二十一 反應曲面進行步驟流程圖 52
圖 二十二 中心混層設計(Central Composite Design,CCD)意示圖 52
圖 二十三 5000 NTU混凝後之濁度去除率與界達電位分布圖 54
圖 二十四 10000 NTU混凝後之濁度去除率與界達電位分布圖 54
圖 二十五 添加混凝劑前後顆粒大小變化 55
圖 二十六 混凝劑劑量對於臨界通量的影響 56
圖 二十七 全因子設計之殘差常態機率圖 64
圖 二十八 混凝劑曝氣強度高低水準對於臨界通量的影響 66
圖 二十九 連續操作下混凝劑對於濁度的影響 66
圖 三十 濁度高低水準對於臨界通量的影響 67
圖 三十一 濃縮液洩流高低水準及濁度高低水準對臨界通量的影響 69
圖 三十二 濃縮液洩流對於槽內原水濁度之影響 69
圖 三十三 停歇時間高低水準對於臨界通量的影響 70
圖 三十四 混凝劑對於停歇時間與洩流濃縮液之高低水準影響 71
圖 三十五 各因子水準對於臨界通量的關聯圖 73
圖 三十六 篩選因子後殘差的常態機率圖 78
圖 三十七 樣本殘差對實驗次序之關係圖 79
圖 三十八 篩選因子過後所得之R2值 79
圖 三十九 篩選過後之因子主要效應 80
圖 四十 篩選因子後之交互作用 81
圖 四十一 反應曲面分析圖 82
圖 四十二 立體方格圖 84
表目錄
表 一 自來水排放標準 3
表 二 一般淨水廠遇到高濁度原水時的因應對策 7
表 三 原水及自來水水質特性 8
表 四 薄膜種類分類及操作方式 12
表 五 薄膜阻塞物及其解決方法 16
表 六 前人所定義之臨界通量之方法限制 27
表 七 常用混凝劑性質 30
表 八 各文獻所使用之混凝劑劑量以及濁度去除率 30
表 九 文獻參考 36
表 十 本實驗薄膜特性 47
表 十一 不同因子所期待之反應 57
表 十二 判斷臨界通量實驗 59
表 十三 變異數分析 61
表 十四 中心混層設計 74
表 十五 篩選因子過後判別臨界通量 75
表 十六 篩選因子過後變異數分析表 76
表 十七 臨界通量試驗配適二階迴歸模型之統計資料彙整 77
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