低COD污水絮凝工藝模型

YuriObst

(1.澳大利亞藍(lán)棋環(huán)境科技有限公司，云南 昆明 650000;2.昆明市土壤肥料工作站，云南 昆明 650000;3.澳大利亞貝林微濾有限公司,云南 昆明 650000 )

1 介紹

水資源污染已成為世界范圍內(nèi)最迫切需解決的問題之一。水環(huán)境的污染源包括生活排污、工業(yè)排污、農(nóng)業(yè)面源污染等，主要污染物為含氮、含磷有機(jī)物及無機(jī)污染物。在國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，與有機(jī)污染物直接相關(guān)的指標(biāo)包括化學(xué)需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)及總碳(TC)、總氮(TN)、總磷(NP)，與無機(jī)污染物相關(guān)的指標(biāo)有氨氮(NH4-N)及重金屬[1]。目前，水環(huán)境保護(hù)措施主要分為提升排污標(biāo)準(zhǔn)及水體修復(fù)能力兩方面。為最大限度降低水循環(huán)各環(huán)節(jié)中污染物的含量，在水處理過程中絮凝劑的使用變得不可或缺。絮凝劑可以使微小顆粒污染物發(fā)生電荷中和或橋連，使膠體脫穩(wěn)、沉降，再經(jīng)過濾，被去除[2、3]。目前，常見安全高效的絮凝劑有聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)。不容忽視的是PAC和PAM的大量應(yīng)用會(huì)增加污水處理產(chǎn)生污泥的含水量，增加污泥脫水成本。 此外，PAM用量不當(dāng)，會(huì)造成其降解產(chǎn)物中有害物的富集，對(duì)環(huán)境造成二次污染增加安全隱患[4、5]。因此，本文將對(duì)低COD污水處理絮凝環(huán)節(jié)中不同影響因素進(jìn)行分析，構(gòu)建模型。該模型將準(zhǔn)確指導(dǎo)PAC、PAM的投加并對(duì)有機(jī)污染物的去除率進(jìn)行可靠估計(jì)。

2 模型的建立

2.1 構(gòu)建思路

源數(shù)據(jù)收集了2002—2017年生活污水[6-10]、自來水水源處理、污染水體修復(fù)等項(xiàng)目中絮凝試驗(yàn)數(shù)據(jù)149組[11-18]。用excel和SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定對(duì)絮凝過程影響顯著的因素，明確各因素與COD去除率的關(guān)系，確定自變量及模型描述方式?；貧w分析明確自變量的相關(guān)系數(shù)，獲得理論模型方程，并對(duì)方程的擬合度、變量影響顯著性、變量間的共線性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 因素分析

污水成分極其復(fù)雜，不同因素對(duì)COD去除率的影響僅在一定范圍內(nèi)存在相關(guān)性[19]。因此在綜合過往試驗(yàn)結(jié)果后，確定模型的適用范圍(表1)。

影響絮凝過程的因素主要包括絮凝劑種類、添加量、純度及分子量、絮凝時(shí)間、攪拌速度、pH值、溫度、待處理污水組成等[20-21]。對(duì)以上各因素與COD去除率的相關(guān)性進(jìn)行分析(表2)可知，除溫度外其他各因素均與COD去除率存在良好線性相關(guān)性(皮爾遜相關(guān)系數(shù)|P|趨近于1)，可選擇線性回歸方程對(duì)模型進(jìn)行描述。分析各因素影響COD去除率的顯著性可知，PAC投加量、PAM投加量、pH值和COD初始值對(duì)COD去除率的影響顯著(P<0.05)，可作為回歸方程的自變量。

表1 因素變化范圍

表2 各影響因素與COD去除率相關(guān)性分析

注: 基于單一因素試驗(yàn)的各自變量與因變量的相關(guān)性分析結(jié)果，其中皮爾遜相關(guān)系數(shù)為絕對(duì)值。

2.3 模型結(jié)果

步進(jìn)回歸，得到自變量回歸系數(shù)，見表3。

表3 回歸系數(shù) (mg/L)

各自變量與因變量在線性回歸上高度擬合(DW接近于2)，各因素影響均顯著(p<0.05)，且自變量不存在線性相關(guān)性(VIF<5)。曲線可表示為：

Y= 11.648·X1+ 0.263·X2+ 4.014·X3- 0.051·X4+ 28.110

式中：因變量Y為COD去除率；四個(gè)自變量X1、X2、X3、X4分別為PAM添加量、PAC添加量、pH值和COD初始值。其中，PAC添加量、PAM添加量和pH值與COD去除率呈正相關(guān)，COD初始值與COD去除率呈負(fù)相關(guān)。

3 模型統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)[22]

3.1 擬合優(yōu)度

對(duì)模型擬合度進(jìn)行分析(表4)可知，模型擬合度良好(R2= 0.770)。對(duì)殘差項(xiàng)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明方程的各自變量間不存在自相關(guān)的可能性，即方程并非偽回歸。

表4 模型擬合優(yōu)度

3.2 方差分析

對(duì)模型中自變量對(duì)因變量的解釋關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證(表5)可知，自變量整體上對(duì)因變量影響顯著。

表5 ANOVA檢驗(yàn)

3.3 殘差分析

由殘差圖分析(圖2)可知，數(shù)據(jù)沿對(duì)角線方向分布，模型隨機(jī)誤差基本服從正態(tài)性假設(shè)。說明模型假設(shè)具有合理性，源數(shù)據(jù)可靠。

4 模型模擬分析

對(duì)比模型預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果 (圖3)，可以看出模型預(yù)測(cè)PAC和PAM投加量對(duì)COD去除率的影響與實(shí)際結(jié)果一致。

通過對(duì)污水處理絮凝工藝過程中各自變量的影響進(jìn)行分析，并結(jié)合目前絮凝作用的理論研究可知，當(dāng)絮凝未達(dá)到飽和時(shí)，PAC可以通過電中和使系統(tǒng)中溶質(zhì)、膠體、懸濁物顆粒脫穩(wěn)沉淀下來，且隨著添加量的增加沉淀下來的有機(jī)物的量也隨之增大。在低COD污水處理過程中，PAM的添加對(duì)PAC絮凝情況影響較大。在PAC添加量恒定的情況下，PAM的添加可以在溶質(zhì)、膠體或懸濁顆粒之間產(chǎn)生架橋作用，并在沉淀過程中產(chǎn)生卷掃作用。因此PAM添加量的增加，某種程度上可以彌補(bǔ)PAC絮體細(xì)小松散的缺陷，進(jìn)而提升系統(tǒng)絮凝和沉降性能。在絮凝反應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)，有機(jī)污染物的絮凝沉降量隨時(shí)間的增加而積累。但在高COD污水中，絮凝劑似乎對(duì)有機(jī)污染物的去除作用并不穩(wěn)定。因此在高濃度COD污水中可以采用生化法替代現(xiàn)有的物化法，以實(shí)現(xiàn)污水中COD的有效去除。