基于響應(yīng)面的混凝沉淀法處理印染廢水工藝優(yōu)化

舒服華

（武漢理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，湖北武漢 430070）

印染是紡織品生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，色調(diào)單一的坯布通過(guò)印染工藝處理可得到五顏六色的布料，滿(mǎn)足人們對(duì)服裝、裝飾材料等的美感要求。眾所周知，印染行業(yè)污染大，染料成分復(fù)雜，其中大部分具有較強(qiáng)的毒性［1］。印染廢水中殘存有較多的染料及其反應(yīng)生成物，如果不經(jīng)處理直接排入地下，勢(shì)必給水體及自然環(huán)境造成極大的污染，因此，廢水的治理是印染生產(chǎn)的重要組成部分。印染廢水處理方法較多，常見(jiàn)的有膜分離法、萃取法、微波輻射法、氧化法、混凝沉淀法、生物法、吸附法等［2-3］。其中，混凝沉淀法工藝簡(jiǎn)單、效果良好，處理效率可達(dá)95%以上，且投資少，運(yùn)行管理成本低，與其他污水處理方法相比，混凝沉淀法經(jīng)濟(jì)效益具有明顯優(yōu)勢(shì)，是使用最普遍的一種印染廢水處理方法?；炷恋矸ㄍㄟ^(guò)在印染廢水中加入無(wú)機(jī)或有機(jī)高分子混凝劑，使殘存在廢水中的染料以膠體或懸浮狀態(tài)沉淀，主要包括混凝沉淀法、混凝氣浮法［4］?；炷恋矸ǖ墓に噮?shù)對(duì)水處理效果十分關(guān)鍵，工藝參數(shù)優(yōu)化是工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制的核心，本研究運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化混凝沉淀法工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

印染廢水：BOD5=487 mg/L，CODCr=858 mg/L，懸浮物631 mg/L，pH=9。

試劑：聚合氯化鋁（PAC，混凝劑，堿化度50%～70%）、聚丙烯酰胺（PAM，助凝劑，水溶液有效物質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%）、氯化鐵（FeCl3，水溶液有效物質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）（荊門(mén)浩天化工污水材料有限公司）。

1.2 儀器

MY3000 混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)，GZ-WXJ-Ⅲ型微波閉式消解儀，PHSJ-3F型實(shí)驗(yàn)室pH 計(jì)。

1.3 混凝沉淀法處理工藝［1］

采用靜態(tài)燒杯法處理：取1 L 水樣置于混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)上，加入氯化鐵溶液調(diào)節(jié)pH，以100 r/min 攪拌1 min 使水樣混勻，投入PAC，以300 r/min 快速攪拌1 min，投入PAM，以300 r/min 快速攪拌2 min，之后30 r/min 慢速攪拌5 min，靜置30 min，取上層清液測(cè)色度、濁度和COD。

2 結(jié)果與討論

2.1 中心組合實(shí)驗(yàn)

以pH（A）、PAC 用量（B）、PAM 用量（C）為混凝沉淀法優(yōu)化工藝參數(shù)，色度去除率（Y1）、濁度去除率（Y2）、COD 去除率（Y3）為綜合優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3 因素5 水平二次回歸正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及編碼見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 混凝沉淀法中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 混凝沉淀法中心組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 二次回歸方程

根據(jù)表2 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行二次回歸擬合，3 因素的二次回歸線(xiàn)性方程為［5-6］：Yi=βi+ai1A+ai2B+ai3C+bi1AB+bi2AC+bi3BC+ci1A2+ci2B2+ci3C2，其中，Yi為各工藝目標(biāo)的響應(yīng)值，βi為截距，aij為線(xiàn)性系數(shù)，bij為交互項(xiàng)系數(shù)，cij為二次項(xiàng)系數(shù)，i，j=1、2、3。利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具可得到Y(jié)1、Y2、Y3的響應(yīng)方程各系數(shù)，結(jié)果如表3。

根據(jù)表3 中響應(yīng)方程一次項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值的大小可以判斷各工藝參數(shù)對(duì)不同工藝目標(biāo)的影響程度。對(duì)色度去除率影響由大到小的工藝參數(shù)為助凝劑用量、混凝劑用量、pH；對(duì)濁度去除率影響由大到小的工藝參數(shù)為助凝劑用量、混凝劑用量、pH；對(duì)COD 去除率影響由大到小的工藝參數(shù)為助凝劑用量、pH；混凝劑用量。這主要是因?yàn)镻AM 具有良好的絮凝性，可以促進(jìn)污水中顆粒聚結(jié)長(zhǎng)大，提高沉降分離效率；PAM 能通過(guò)減緩污水的流動(dòng)性使部分顆粒較大的雜質(zhì)沉淀下來(lái)，而PAM 表面所具有的吸附性還能夠吸附細(xì)小的顆粒雜質(zhì)，從而有效地保證污水較低的顆粒量。由此可見(jiàn)，PAM 對(duì)水質(zhì)的適應(yīng)性較好，對(duì)含有各類(lèi)不同成分的污水都能發(fā)揮效果，因此對(duì)印染廢水各指標(biāo)影響較大。

表3 優(yōu)化目標(biāo)響應(yīng)值方程系數(shù)

續(xù)表3

2.3 方差分析

方差分析主要是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合精度。方差分析常用的指標(biāo)有模型檢驗(yàn)值F、失擬項(xiàng)檢驗(yàn)值F′、模型概率P、失擬項(xiàng)概率P′、相關(guān)系數(shù)R2、修正相關(guān)系數(shù)R2Adj、信噪比Ps等。F 越大、P 越小、Ps越大，模型的擬合精度越高；F′越小、P′越大，模型的擬合精度越高；R2越大，模型的擬合精度越高。但R2隨著自變量的個(gè)數(shù)增加而增大，為全面考察擬合程度，引進(jìn)R2Adj。當(dāng)R2Adj與R2接近時(shí)，擬合程度較好；當(dāng)R2Adj與R2相差較大時(shí)，說(shuō)明近似模型中存在不重要的參數(shù)，可以通過(guò)回歸分析刪除冗余參數(shù)。

利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具對(duì)擬合模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)于Y1，F(xiàn)=74.40，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于F0.01(9,3)=6.42，P 小于0.000 1，屬于極其顯著水平，F(xiàn)′=1.50，小于F0.05(9,3)=4.26，P′=0.333 9（大于0.05），屬于不顯著水平，R2Adj=0.991 7，接近1，表明有較好的擬合精度，Ps=33.720，遠(yuǎn)大于合格水平4.0，擬合平均誤差為0.67%。綜上所述，模型對(duì)色度去除率有較高的擬合精度。同理可證明模型對(duì)Y2、Y3也有較高的擬合精度。因此，模型可以用于優(yōu)化工藝參數(shù)［5］。

表4 方差分析結(jié)果

2.4 工藝優(yōu)化

2.4.1 優(yōu)化方法

利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具，以色度去除率、濁度去除率、COD 去除率為綜合優(yōu)化目標(biāo)（均最大），對(duì)混凝沉淀工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。綜合工藝目標(biāo)為單工藝目標(biāo)的線(xiàn)性組合，由于各單工藝目標(biāo)對(duì)綜合工藝目標(biāo)的影響程度不同，即重要性不同，這種差異需要用權(quán)重加以體現(xiàn)，故綜合工藝優(yōu)化目標(biāo)［6］可以表示為：

式（1）中，ω1、ω2、ω3為各單工藝目標(biāo)的權(quán)重。

采用變異系數(shù)法確定各單工藝目標(biāo)的權(quán)重。變異系數(shù)法直接利用各項(xiàng)指標(biāo)所包含的信息確定其權(quán)重的客觀(guān)賦權(quán)，取值差異越大的指標(biāo)，越能反映指標(biāo)的差距，被賦予的權(quán)重越大［6］。指標(biāo)的變異系數(shù)為：

式（2）中，Vi為第i 個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)為第i 個(gè)指標(biāo)的平均值；σi為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。指標(biāo)的權(quán)重為：

式（3）中，ωi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具直接給出了單工藝目標(biāo)的變異系數(shù)（C.V.）。由表4 可知，混凝沉淀法3 個(gè)單工藝目標(biāo)的變異系數(shù)分別為0.41、0.37、0.58，因此權(quán)重分別為0.301 47、0.272 1、0.429 5。

利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具對(duì)式（1）進(jìn)行優(yōu)化求解，得到混凝沉淀法多工藝目標(biāo)綜合優(yōu)化結(jié)果為：pH=8.0、混凝劑用量6.90 mg/L，助凝劑用量0.94 mg/L。此時(shí)，Y1=81.512 2%，Y2=83.599 7%，Y3=54.001 7%，并可得到優(yōu)化結(jié)果的可信度為0.802，可信概率較大，說(shuō)明優(yōu)化結(jié)果可靠度較高。

2.4.2 交互項(xiàng)影響分析

利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具作模型交互項(xiàng)的3D 圖和等高線(xiàn)圖，圖1～3 為3 個(gè)因素中一個(gè)因素取0水平，另兩個(gè)因素對(duì)工藝目標(biāo)交互作用的響應(yīng)面。

圖1 pH、混凝劑用量、助凝劑用量對(duì)色度去除率的交互影響

圖1 為混凝沉淀法工藝參數(shù)對(duì)色度去除率的影響。前兩個(gè)響應(yīng)面幾乎為平面，說(shuō)明pH 和混凝劑用量、pH 和助凝劑用量對(duì)色度去除率影響不大，最后一個(gè)響應(yīng)面為凸曲面，表明混凝劑用量和助凝劑用量靠近中間值時(shí)對(duì)色度去除率比較有利。

圖2 pH、混凝劑用量、助凝劑用量對(duì)濁度去除率的交互影響

圖2 為混凝沉淀法工藝參數(shù)對(duì)濁度去除率的影響。3 個(gè)響應(yīng)面均為凸曲面，說(shuō)明工藝參數(shù)適中時(shí)對(duì)濁度去除率有利，混凝劑、助凝劑用量對(duì)濁度去除率影響較大。

圖3 pH、混凝劑用量、助凝劑用量對(duì)COD 去除率的交互影響

圖3 為混凝沉淀法工藝參數(shù)對(duì)COD 去除率的影響。前一個(gè)為斜面平面，說(shuō)明pH 和混凝劑用量越大，COD 去除率越高，另兩個(gè)為凸曲面，說(shuō)明pH、混凝劑用量和助凝劑用量取中間值時(shí)，COD 去除率越高。

響應(yīng)面底部為等高線(xiàn)，表明為交互項(xiàng)對(duì)工藝目標(biāo)的影響程度。等高線(xiàn)為圓形時(shí)，交互因素對(duì)工藝目標(biāo)影響最大，橢圓次之，再次是封閉曲線(xiàn)，非封閉曲線(xiàn)的影響最小。對(duì)于色度去除率，交互項(xiàng)影響從大到小依次為AB、AC、BC。對(duì)于濁度去除率，交互項(xiàng)影響從大到小依次為AB、AC、BC。對(duì)于COD 去除率，交互項(xiàng)影響的從大到小依次為AB、BC、AC。

沉淀物處理：將0.1%～0.5%的絮凝劑加入沉淀物中混合均勻，通過(guò)壓濾機(jī)濾去水分，得到含水率為60%～75%的泥團(tuán)，在泥團(tuán)中加入1.0%～1.5%的生石灰混合均勻，送入成型機(jī)保壓脫水，得到污泥泥塊，可以作為肥料或者工業(yè)燃料，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)再利用。

3 結(jié)語(yǔ)

響應(yīng)面優(yōu)化混凝沉淀法工藝為：pH=8.0，混凝劑用量6.90 mg/L，助凝劑用量0.94 mg/L。此時(shí)，色度去除率為81.512 2%，濁度去除率為83.599 7%，COD 去除率為54.001 7%。