基于析因實驗設計的有機廢水處理工藝參數優化分析

薛 娟 楊 婧 趙曉輝

（ 11..靈寶市環境保護局，河南 三門峽 47722550000； 22..鄭州財經技師學院，河南 鄭州 45500000077； 33..華北電力大學，北京 10022220066）

精細化工有機廢水具有污染物濃度高、成分復雜且不穩定等特點，易對水環境質量及水資源利用產生較大危害。自從20世紀六十年代加拿大學者首次使用芬頓試劑處理苯酚廢水和烷基廢水成功后，芬頓氧化法在有機廢水處理的研究和應用日益受到國內外的關注［1］。芬頓氧化法對有機物的去除具有反應速度快、條件溫和等優點，處理精細化工有機廢水具有很大的應用潛力。

1 芬頓氧化法在有機廢水處理中的應用

芬頓氧化法處理有機廢水的機理是在Fe2+離子的催化下，H2O2的分解活化能較低，分解產生具有較高氧化還原電位的羥基自由基（·OH），使有機物結構中的部分化學鍵發生斷裂，由大分子氧化成小分子，或進一步礦化為CO2、H2O小分子，從而提高廢水B/C比，常布置在生化處理單元之前用來改善廢水的可生化性，另外也用于系統末端對生化單元未充分降解的有機物進行深度處理。

針對精細化工行業的高濃度有機廢水，芬頓氧化法的工藝參數主要為催化劑用量、氧化劑用量、體系初始pH值、反應溫度、反應時間，參數水平需要根據廢水污染物的組分及其降解率、廢水處理量等因素綜合研究。一般情況下，工藝參數的優化研究是在廢水污染物組分和廢水處理量確定的情況下開展的，重點考察不同水平的工藝參數對降解率的影響。

徐穎等［2］、李曉燕等［3］、魏日出等［4］分別采用單因子法考察了催化劑用量、氧化劑用量、體系初始pH值、反應溫度、反應時間等參數對有機污染物降解率的影響。有機污染物的氧化分解過程除受到藥劑用量、體系酸堿度、反應時間和溫度等重要因素的單一控制外，還受到上述多重因素的共同影響，存在多因素的協同效應或拮抗效應。單一考察某一因素的影響很難對降解機理進行全面認識和深刻分析，也就難以得到較為科學可行的工藝參數組合。

2 析因實驗設計的基本方法

析因實驗是一種多因素的交叉分組實驗，在這類實驗的每一次完全實驗或每一次重復中，這些因素的所有可能的水平組合都被研究到［5］。李魚等［6］在環境污染物遷移轉化研究中采用析因實驗設計對多種環境因子對沉積物吸附阿特拉津的影響規律開展了深入研究，分析得到了各環境因子的共同效應。采用該方法能夠有效對各因子對結果影響的共同效應進行分析。首先需要根據前期的反應機理分析和工藝參數篩選確定研究因子，其次需要設定各個研究因子的取值水平，如果是高、低兩個水平，即為二水平析因實驗，一般稱為2k析因實驗；同理每個因子取三個水平值時，即為三水平析因實驗，一般稱為3k析因實驗。通常采取先開展二水平多因子實驗篩選出起主要作用的2～3個顯著因子和交互項，然后再針對起主要作用的2～3個顯著因子開展三水平或更高水平的實驗。

3 析因實驗設計方案及應用

3.1 儀器和實驗方法

取某精細化工企業的有機廢水測定COD濃度，然后注入燒瓶，并分別加入固態催化劑FeSO4、30%H2O2溶液，用硫酸控制pH值，開始計時，反應結束后立即測定體系COD濃度，根據反應前后COD濃度得到每次實驗的降解率，通過監測水相中COD濃度變化的研究體系氧化劑H2O2用量、催化劑FeSO4用量、初始pH和反應時間等4種因子共同作用對芬頓氧化降解有機物的規律。實驗設計采用4因子2水平的完全析因實驗設計，通過氧化劑H2O2用量、催化劑FeSO4用量、初始pH和反應時間篩選因子高低兩個水平。

3.2 數據處理與分析

由于4種工藝參數因子的水平均可控，即均為固定因子，因此可以利用固定效應模型對4種因子主效應和二階交互效應進行效應估計，并對每個主效應和二階交互效應進行F檢驗，選用的固定效應模型結構為：

其中：τi，βj和（τβ）ij分別表示因子A和B的主效應及二階交互效應，i和j分別表示因子A和B的水平；εijk為模型中的隨機誤差成分；yijk為COD去除率的實驗測試值。

實驗設計與統計分析采用Minitab軟件包中的實驗設計模塊．先對各因子濃度主效應和高階交互效應進行方差分析，判斷其對COD去除率的影響，再用固定效應模型計算4種工藝參數因子的主效應和高階交互效應的估計值，定量分析4種工藝參數因子主效應和高階交互效應對有機廢水COD去除率的影響規律。

3.3 固定效應模型的適合性檢驗

檢驗標準如下：

①若正太概率圖和直方圖中沒有出現偏離正太分布的異常點，由于方差分析對于正態性假設是穩健的，則模型滿足正態性假設要求。

②若依時間序列的殘差圖中沒有正殘差和負殘差的趨勢，說明殘差與時間序之間沒有相關性，則模型滿足誤差獨立性假設；

③若殘差與擬合值的關系圖中未發現彼此之間有任何明顯的模式或規律，則模型滿足方差齊性假設。

4 結論

采用析因實驗設計對芬頓氧化處理有機廢水工藝參數優化的方法克服了傳統單因子法不能有效分析多個工藝參數對COD去除率共同作用的局限性，可得到以下結論：

①根據效應估計值的正負性，可判斷工藝參數因子主效應對COD去除率具有促進或抑制作用，絕對值的大小表明了影響強度。

②根據高階交互效應估計值的正負性，可判斷其相應的若干因子對COD去除率所起共同作用的性質，絕對值的大小表明了影響強度。

③根據工藝參數因子主效應及高階交互效應對COD去除率所起作用的性質和強度，可反溯給出相應的因子水平，從而給出較為優化的工藝參數組合。

［1］蔡建國，李愛民，張全興.濕式催化氧化技術的研究進展［J］河北大學學報，2004，24（3）：326-331.

［2］徐穎，陳磊，周俊曉.Fenton氧化-生化組合工藝處理染料中間體廢水［J］.環境工程學報，2007，1（4）：57-60.

［3］李曉燕，胡紅偉，陳松濤，等.濕式催化氧化處理染料廢水的試驗研究［J］.工業安全與環保，2013，39（4）：13-15.

［4］魏日出，陳洪林，張小明.濕式催化氧化法處理含高濃度甲醛的草甘膦廢水［J］.分子催化，2013，27（4）：323-332.

［5］Montgomery D.C.著，傅鈺生，張健，王振宇譯.實驗設計與分析（第6版）.［M］.北京：人民郵電出版社.

［6］李魚，王志增，王檬，等.多種環境因子交互作用對沉積物吸附阿特拉津的影響［J］.吉林大學學報（理學版），2013，51（2）：334-339.