響應(yīng)面法優(yōu)化混凝處理夏季高濁度黃河水

謝慧娜，李 杰，朱雪燕，邊云峰

（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅蘭州730070）

蘭州市飲用水水源地屬于河流型水源地，位于黃河蘭州段上游，是蘭州市唯一水源地〔1〕。近兩年來，夏季受強(qiáng)降雨影響，黃河原水高濁度險(xiǎn)情頻繁突發(fā)，且來勢(shì)猛、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、含沙量高。尤其是2018年7—8月份，黃河原水含沙量高達(dá)242 kg/m3，為多年來最嚴(yán)重的一次超高濁度險(xiǎn)情，對(duì)蘭州市供水公司制水系統(tǒng)造成很大沖擊。因此，急需尋求合適的預(yù)處理措施，以降低后續(xù)水處理工藝負(fù)荷，同時(shí)有效應(yīng)對(duì)高濁度黃河水給供水公司帶來的不利影響。

混凝對(duì)水體中顆粒物及其他污染物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化具有良好的促進(jìn)作用〔2〕，在給水處理中普遍應(yīng)用?；炷^程是在混凝劑進(jìn)入水體后發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成的聚合物在靜電力、氫鍵、范德華力等作用下與水中顆粒物發(fā)生吸附架橋，同時(shí)顆粒物之間還存在著差速沉降、布朗運(yùn)動(dòng)、流體剪切等動(dòng)力學(xué)反應(yīng)〔3〕，在多種機(jī)理?xiàng)l件下形成絮體，再通過沉淀使水體中污染物得以去除?；炷羌喾N復(fù)雜的物理化學(xué)作用于一體的綜合反應(yīng)過程，受到多種條件的影響和制約。多年來混凝工藝在給水處理中受到廣泛關(guān)注和研究，但大都集中在混凝劑改性〔4〕、停留時(shí)間〔5〕、投加方式〔6〕等方面，而混凝過程中進(jìn)水量、沉淀表面積等對(duì)顆粒的穩(wěn)定性、碰撞頻率及絮體的形成都會(huì)產(chǎn)生一定影響，目前鮮有研究。

本研究采用混凝工藝對(duì)夏季雨后蘭州段黃河水進(jìn)行處理，探究了混凝劑投加量、沉淀比表面負(fù)荷及沉淀時(shí)間對(duì)處理效果的影響，并通過響應(yīng)面法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)探究了沉淀比表面負(fù)荷與混凝劑投加量、沉淀時(shí)間對(duì)混凝效果的交互影響。

1 材料與方法

1.1 儀器和材料

主要儀器：JJ-4型六聯(lián)同步自動(dòng)升降攪拌機(jī)，2100P型濁度計(jì)，752N型紫外可見分光光度計(jì)。

主要試劑：聚合氯化鋁鐵（PAFC）、高錳酸鉀，均為分析純。

實(shí)驗(yàn)用水采用夏季雨后蘭州段黃河原水，CODMn6.25～20.23 mg/L，pH8.10～8.59，濁度 669～1 188 NTU。

1.2 單因素實(shí)驗(yàn)

取1 L黃河水原水樣，向其中投加一定量的混凝劑，于六聯(lián)攪拌機(jī)上進(jìn)行攪拌反應(yīng)。先快速攪拌（200 r/min）1 min，再慢速攪拌（50 r/min）15 min。 沉淀30 min，取液面下2 cm處水樣進(jìn)行測(cè)定。

1.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

以混凝劑投加量、沉淀比表面負(fù)荷、沉淀時(shí)間為影響因素，以濁度去除率、CODMn去除率為響應(yīng)值，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken Design（BBD）中心組合設(shè)計(jì)原理〔7〕，進(jìn)行 3因素 3水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平和編碼

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)分析

2.1.1 混凝劑投加量對(duì)混凝效果的影響

PAFC含鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，實(shí)驗(yàn)室稀釋10倍，PAFC投加量范圍為210~700 mg/L?；炷齽┩都恿繉?duì)混凝效果的影響如圖1所示。

圖1 混凝劑投加量對(duì)混凝效果的影響

由圖1可知，隨著PAFC投加量的增加，濁度呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，CODMn、UV254、氨氮的去除率均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)PAFC投加量為630mg/L 時(shí)，濁度、CODMn、UV254、氨氮的去除率均達(dá)到最大，分別為99.7%、97.3%、63.6%、82.7%。PAFC水解形成多核絡(luò)合物〔8〕，當(dāng)混凝劑投加量較少時(shí)，多核絡(luò)合物隨之減少，難以形成較大絮體，混凝不充分，使得各污染物去除效果較差?；炷齽┩都恿窟^大，膠粒吸附過多的負(fù)離子達(dá)到飽和，吸附面被覆蓋，膠體分散形成再穩(wěn)定狀態(tài)；同時(shí)過大的投加量會(huì)導(dǎo)致鋁鹽和鐵鹽水解程度降低〔9〕，同樣導(dǎo)致混凝效果較差。

2.1.2 沉淀比表面負(fù)荷對(duì)混凝效果的影響

在PAFC投加量為630 mg/L的條件下進(jìn)行攪拌實(shí)驗(yàn)，然后將水樣分別快速轉(zhuǎn)移到不同表面積的容器中沉淀（即為不同沉淀比表面負(fù)荷）30 min，考察沉淀比表面負(fù)荷對(duì)混凝效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 沉淀比表面負(fù)荷對(duì)混凝效果的影響

由圖2可知，隨著沉淀比表面負(fù)荷的增加，濁度呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，CODMn、UV254、氨氮的去除率均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)沉淀比表面負(fù)荷為 0.08 m3/m2時(shí)，濁度、CODMn、UV254、氨氮的去除率均達(dá)到最大，分別為98.9%、89.7%、77.1%、90.5%。PAFC混凝主要是通過水解、聚合反應(yīng)形成絡(luò)合物，對(duì)水中膠體離子或微小懸浮物進(jìn)行電中和、吸附架橋等作用，使之形成大顆粒絮凝體而去除〔10〕，包括混凝化學(xué)和混凝物理作用。聚合形成的絡(luò)合物吸附水中帶負(fù)電的污染物質(zhì)，產(chǎn)生電性中和作用〔11〕，使顆粒脫穩(wěn)形成絮體。當(dāng)沉淀比表面負(fù)荷較大時(shí)，同電性顆粒間會(huì)相互排斥而重新分散穩(wěn)定，絮體被破壞，混凝效果變差?；炷^程中，顆粒在不同的作用機(jī)制下會(huì)發(fā)生碰撞聚集，但當(dāng)沉淀比表面負(fù)荷較小時(shí)，顆粒間發(fā)生碰撞頻率降低，絮體形成受到抑制，同樣會(huì)導(dǎo)致混凝效果變差。故在夏季黃河水濁度偏高時(shí)，在給水處理過程中可以通過調(diào)節(jié)沉淀比表面負(fù)荷來提高污染物去除率。

2.1.3 沉淀時(shí)間對(duì)混凝效果的影響

在PAFC投加量為630 mg/L，沉淀比表面負(fù)荷為0.08 m3/m2的條件下，考察了沉淀時(shí)間（15~45 min）對(duì)混凝效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉淀時(shí)間由15min增加到45 min時(shí)，濁度、UV254、氨氮的去除率均呈先升高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；而CODMn去除率則呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)檫^長(zhǎng)的沉淀時(shí)間可能會(huì)使膠體發(fā)生再穩(wěn)，從而導(dǎo)致出水CODMn升高。當(dāng)沉淀時(shí)間為 30 min 時(shí)，濁度、CODMn、UV254、氨氮的去除率均達(dá)到最大，分別為99.7%、93.4%、77.1%、89.1%。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化混凝條件

2.2.1 模型擬合與顯著性分析

根據(jù)BBD設(shè)計(jì)方案，共進(jìn)行17組混凝實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用軟件Design Expert對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到以濁度去除率、CODMn去除率為響應(yīng)值建立的二次多項(xiàng)式回歸方程：

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 二次回歸方程的方差分析

由表3可知，在濁度去除率和CODMn去除率模型中，P<0.000 1，說明模型極顯著，模型選擇合理。在2個(gè)模型中A都為顯著性影響因素，即混凝劑投加量在濁度和CODMn去除過程中起決定作用，其次是沉淀比表面負(fù)荷和沉淀時(shí)間。在濁度去除率和CODMn去除率模型中，Adeq Precision分別為40.573和25.069（遠(yuǎn)＞4），表明2個(gè)模型均具有較小的噪音，真實(shí)度高；回歸系數(shù)R2分別為0.995 8和0.989 1（＞0.8），校正系數(shù)Radj2分別為0.990 5和0.975 0，說明其回歸方程對(duì)混凝實(shí)驗(yàn)擬合性良好〔12〕，且模型能夠解釋99.05%和97.5%響應(yīng)值的變化，具有良好的回歸性。因此，可以用此模型進(jìn)行優(yōu)化分析和預(yù)測(cè)。

2.2.2 響應(yīng)面分析

響應(yīng)面等高線圖可以反映出某些特定因素之間交互作用的強(qiáng)弱〔13〕。為進(jìn)一步考察混凝劑投加量、沉淀比表面負(fù)荷、沉淀時(shí)間及其交互作用對(duì)濁度去除率和CODMn去除率的影響，根據(jù)響應(yīng)面原理，固定其中1個(gè)因素，分析其他自變量的影響，得到任意兩因素及其交互作用對(duì)濁度去除率和CODMn去除率影響的三維響應(yīng)面圖和等高線圖，如圖3和圖4所示。

圖3 各因素交互作用對(duì)濁度去除率的三維響應(yīng)面圖和等高線圖

圖4 各因素交互作用對(duì)CODMn去除率的三維響應(yīng)面圖和等高線圖

由圖3、圖4可知，混凝劑投加量是影響濁度去除率及CODMn去除率的關(guān)鍵因素。混凝劑投加量和沉淀比表面負(fù)荷之間有顯著的交互作用，當(dāng)二者同時(shí)增大時(shí)，濁度去除率及CODMn去除率隨之增大，說明二者之間存在正相關(guān)關(guān)系?；炷纬傻慕j(luò)合物通過電中和、吸附架橋等作用去除水中膠體離子或微小懸浮物，顆粒物在這一過程中存在著布朗運(yùn)動(dòng)、流體剪切等動(dòng)力學(xué)機(jī)理，而沉淀比表面負(fù)荷影響著顆粒的碰撞及分散穩(wěn)定。沉淀時(shí)間和沉淀比表面負(fù)荷之間交互作用相對(duì)較弱，但仍隨著二者的同時(shí)增大，濁度去除率及CODMn去除率隨之增大，說明二者之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系。

2.2.3 模型驗(yàn)證

根據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用Design Expert中的參數(shù)優(yōu)化功能，得到模型預(yù)測(cè)最優(yōu)條件。濁度去除：混凝劑投加量642.6 mg/L，沉淀比表面負(fù)荷0.08 m3/m2，沉淀時(shí)間32.40 min，在此條件下濁度去除率為98.99%；CODMn的去除：混凝劑投加量642.6 mg/L，沉淀比表面負(fù)荷0.08 m3/m2，沉淀時(shí)間32.36 min，在此條件下CODMn去除率為98.99%。根據(jù)實(shí)際情況，修正混凝實(shí)驗(yàn)最佳條件：混凝劑投加量640 mg/L，沉淀比表面負(fù)荷0.08 m3/m2，沉淀時(shí)間32 min。在此最優(yōu)條件下進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)，得到濁度和CODMn的平均去除率分別為98.62%、98.14%，與預(yù)測(cè)值相對(duì)偏差分別為0.5%、0.86%，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值擬合性較好。最優(yōu)條件下計(jì)算的處理成本為0.384元/t。

3 結(jié)論

采用聚合氯化鋁鐵混凝處理蘭州夏季超高濁度黃河水，單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沉淀比表面負(fù)荷對(duì)混凝工藝的去除效果影響顯著。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)濁度去除率、CODMn去除率影響的顯著性次序?yàn)榛炷齽┩都恿?沉淀比表面負(fù)荷>沉淀時(shí)間；最佳混凝條件：混凝劑投加量640 mg/L，沉淀比表面負(fù)荷0.08 m3/m2，沉淀時(shí)間32 min。在最佳條件下，實(shí)測(cè)濁度和CODMn的平均去除率分別為98.62%、98.14%，與模型預(yù)測(cè)值相對(duì)偏差分別為0.5%、0.86%。