響應面法優化高原夏菜尾菜廢水活性炭脫色工藝的研究

慕鈺文，馮毓琴，李長亮，李翠紅

（甘肅省農業科學院農產品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070）

響應面法優化高原夏菜尾菜廢水活性炭脫色工藝的研究

慕鈺文，馮毓琴*，李長亮，李翠紅

（甘肅省農業科學院農產品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070）

為了有效解決高原夏菜尾菜加工處理過程中廢水色度大、不能達標排放的難題，本文以脫色率為評價指標，在單因素實驗的基礎上，利用響應面法研究活性炭對高原夏菜尾菜廢水的脫色條件。得到最佳脫色條件為：活性炭添加量為1.85%，pH為6.1，脫色時間為66min，高原夏菜尾菜廢水的脫色率達到85.04%。

高原夏菜，尾菜廢水，活性炭，響應面法，脫色

蘭州高原夏菜品質優異、品種豐富、上市檔期良好，已成為當地的戰略主導產業之一［1］。近年來，隨著蔬菜總產量的增加和凈菜上市的消費需求，夏菜在生產和凈菜加工過程中產生的大量的外葉、根盤等蔬菜廢棄物（俗稱尾菜）。尾菜產生的時間集中、量大，因此尾菜無害化利用已成為夏菜產業發展的重大課題［2-3］，目前，已通過工業化生產蔬菜粉、蔬菜復合飼料、有機肥、加工泡菜等手段進行尾菜的資源化利用［4-8］。蔬菜水分含量高，達90%以上，在加工利用過程中將產生大量的有色廢水，易造成嚴重的二次污染。活性炭作為最常用的吸附劑，可有效吸附廢水中的色素，廣泛應用于工業廢水處理中［9-10］，但是目前關于活性炭吸附法應用于尾菜廢水處理的研究很少。本文采用活性炭吸附法，以高原夏菜尾菜廢水色度為評價指標，考察活性炭對高原夏菜尾菜廢水脫色效果的影響，并利用響應面方法對其進行工藝優化，為尾菜高值化利用過程中尾菜廢水的脫色提供新的途徑。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

高原夏菜尾菜蘭州市榆中縣三角城蘭州介實農產品有限公司蔬菜保鮮庫；活性炭天津市津北精細化工廠；其他試劑均為分析純。

PB-10型pH計、BSA223S型電子天平賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；螺旋x型榨汁機科盛機械有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1脫色高原夏菜尾菜廢水的制備將高原夏菜尾菜進行切分，通過螺旋榨汁機進行破碎榨汁處理，然后通過8層紗布過濾，收集濾液，添加1%的變性淀粉（w/v，%），振蕩10min，靜置1h后，取上清液即為需要脫色的高原夏菜尾菜廢水。

1.2.2色度及脫色率的測定色度測定利用稀釋倍數法，取1mL水樣于三角瓶中，用移液管計量吸取光學純水，第一次吸取4mL，之后每次吸取5mL，將水樣稀釋至剛好與光學純水無法區別為止，記下此時的稀釋倍數值［11］。

脫色率（%）=（脫色前稀釋倍數-脫色后稀釋倍數）/脫色前稀釋倍數×100

1.2.3單因素實驗

1.2.3.1活性炭添加量對脫色效果的影響取200mL水樣（pH6.5，溫度30℃），分別加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%（w/v，%）的活性炭，振蕩5min，靜置60min后過濾，取濾液測定色度，比較不同添加量對廢水脫色結果的影響。

1.2.3.2廢水pH對脫色效果的影響取200mL水樣（pH6.5，溫度30℃），分別調節水樣pH為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0，添加1%的活性炭，振蕩5min，靜置60min后過濾，取濾液測定色度，比較不同pH對廢水脫色結果的影響。

1.2.3.3脫色溫度對脫色效果的影響取200mL水樣（pH6.5），分別調節水樣溫度為20、30、40、50、60、70、80℃，添加1%的活性炭，振蕩5min，靜置60min后過濾，取濾液測定色度，比較不同溫度對廢水脫色結果的影響。

1.2.3.4脫色時間對脫色效果的影響取200mL水樣（pH6.5，溫度30℃），添加1%的活性炭，振蕩5min，分別靜置20、40、60、80、100、120min后過濾，取濾液測定色度，比較脫色時間對廢水脫色結果的影響。

1.2.4脫色條件優化實驗根據單因素實驗的結果，利用Design-Expert 8.0統計分析軟件進行響應面優化實驗的設計，對實驗結果進行分析，得到最佳脫色條件［12］。各因素水平的取值如表1所示。

表1　Box-Behnken實驗設計因素與水平Table 1　Factors and levels in Box-Behnken design

1.2.5數據處理應用 Design Expert 8.0統計分析軟件、SAS 9.2統計分析軟件進行實驗數據統計分析。

2　結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1活性炭添加量對脫色效果的影響活性炭添加量對脫色效果的影響如圖1所示，隨著活性炭添加量的逐漸增加，廢水脫色率也隨之增加，當活性炭添加量為1.5%時，脫色率大于80%，廢水的色度有著明顯的改善。當添加量為2.5%時，脫色率達到最大值，但是由于活性炭為粉末狀，導致廢水中的活性炭去除困難。綜合考慮活性炭添加量對廢水脫色效果和廢水中活性炭的去除因素，選擇添加量為1.5%為宜。

圖1　活性炭添加量對脫色效果的影響Fig.1　Effect of activated carbon dosage on decolorization rate

2.1.2廢水pH對脫色效果的影響pH對脫色效果的影響如圖2所示，在pH4～6時，隨著pH的逐漸增大，活性炭的脫色效果逐漸增加，在pH為6時，脫色率達到最大值。當pH大于7時，活性炭的脫色效果隨著pH的增大明顯下降。實驗表明，活性炭對廢水的脫色作用在酸性條件下較好，在中性和堿性條件下效果較差。因此，為獲得較好的脫色效果，選擇pH6為較適宜pH。

圖2　pH對脫色效果的影響Fig.2　Effect of the pH of solution on decolorization rate

圖3　溫度對脫色效果的影響Fig.3　Effect of decolorization temperature on decolorization rate

2.1.3脫色溫度對脫色效果的影響溫度對廢水脫色有促進作用，隨著脫色溫度的升高，脫色率逐漸提高（如圖3所示），當溫度達到30℃時，脫色率達80%，在溫度為80℃時脫色率達到最高值，達到約86%。在工業化廢水處理過程中，要使廢水的溫度達到80℃將大大增加處理成本。同時，蘭州高原夏菜尾菜處理在時間上十分集中，主要集中在7～9月，這段時間蘭州市日均溫度為28℃左右，在該處理溫度下，活性炭對于尾菜廢水的脫色率已達80%，可以滿足脫色需求。因此，結合實際生產要求和條件，在常溫條件下對廢水進行脫色較宜。

2.1.4脫色時間對脫色效果的影響由圖4可以看出，隨著脫色時間的延長，脫色率逐漸增大，后趨于緩慢。這是因為在吸附過程中，色素與活性炭顆粒需要一定的接觸時間來提高脫色率。活性炭對色素吸附較強，當達到60min時色素吸附接近飽和，脫色率達到82.5%。所以最佳脫色時間選擇60min。

圖4　脫色時間對脫色效果的影響Fig.4　Effect of decolorization time on decolorization rate

2.2響應面優化實驗

2.2.1響應面實驗設計與結果通過單因素實驗設計，結合實際生產要求和條件，綜合分析選擇限制脫色的主要因素：活性炭添加量、水樣pH、脫色時間。將這3個因素分別作為X1、X2、X3，根據Box-Behnken中心組合設計原理，設計三因素三水平共17個實驗點的響應面分析實驗，其中12個是析因點，5個零點重復，用以估計實驗誤差。脫色效果實驗設計和結果如表2所示。

表2　響應面實驗設計及結果表Table 2　Experimental design for response surface analysis and corresponding experimental data

表3　脫色率為響應值回歸模型方差分析表Table 3　Analysis of variance table

2.2.2回歸模型的建立及方差分析以高原夏菜尾菜廢水脫色率（Y）為因變量，活性炭添加量（X1）、水樣pH（X2）、脫色時間（X3）為自變量，利用軟件進行回歸分析及回歸擬合，得到脫色率對編碼自變量的二元多次回歸方程，回歸方程為：

Y=84.25+1.88X1+0.83X2+1.04X3+0.83X1X2+ 0.83X1X3+0.00X2X3-1.71X12-2.54X22-2.54X32

為了說明回歸方程的有效性及各因素對廢水脫色率的影響程度，對回歸方程進行了方差分析（表3）。回歸模型的p＜0.01，極顯著；模型失擬項p＞0.05，不顯著；模型的決定系數R2=97.67%＞90%，說明回歸方程的擬合程度較好，模型可以真實地擬合和預測實際情況。CV（Y的變異系數）表示實驗的精確度，CV值越高，實驗的可靠性越低，本設計實驗中CV=0.79%，較低，說明實驗操作可信。

2.2.3響應面最優值的獲取及驗證為了進一步研究相關變量之間的交互作用以及確定最優點，通過軟件繪制響應面曲線圖進行可視化的分析，結果見圖5～圖7。響應曲面圖可以直觀地反映出各因素交互作用對響應值的影響，響應曲面坡度相對平緩，表明其可以忍受處理條件的變異，不影響到響應值的大小；反之，響應曲面坡度異常陡峭，表明響應值對于處理條件的改變非常敏感。由圖可以看出活性炭添加量分別和脫色時間、水樣pH的交互作用顯著，而脫色時間和水樣pH間的交互作用則相對較小。在實驗考察范圍內，各因素對尾菜廢水脫色率的影響由大到小依次為：活性炭添加量（X1）＞脫色時間（X3）＞水樣pH（X2），結果與方差分析相似。

結合回歸方程，利用軟件進行最大值分析，得到最大估計值為85.18%，最優工藝條件為X1=1.85，X2= 6.14，X3=66.36，即活性炭添加量為1.85%，pH為6.1，脫色時間為66min。在響應面優化的最優條件下進行三次平行驗證實驗，結果表明，高原夏菜尾菜廢水的脫色率為85.04%，與模型估計值85.18%較接近，說明該方程優化的工藝參數能夠指導實際生產。

圖5　Y=f（X1、X2）響應面立體分析圖Fig.5　Response surface plot of the function Y=f（X1、X2）

圖6　Y=f（X1、X3）響應面立體分析圖Fig.6　Response surface plot of the function Y=f（X1、X3）

圖7　Y=f（X2、X3）響應面立體分析圖Fig.7　Response surface plot of the function Y=f（X2、X3）

3　結論

高原夏菜尾菜廢水脫色與活性炭添加量、pH、脫色時間有著直接的關系，采用響應面法對脫色工藝進行優化，最佳脫色工藝為：活性炭用量1.85%，pH為6.1，脫色時間66min，在此條件下廢水的脫色率為85.04%。本文利用活性炭對高原夏菜尾菜廢水進行脫色處理，降低了廢水色度，達到了排放的要求。

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Study on optimization of active carbon discoloration of pleateu summer vegetable processing wastewater by response surface analysis

MU Yu-wen，FENG Yu-qin*，LI Chang-liang，LI Cui-hong
（Agricultural Product Storage and Processing Research Institute，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China）

In order to solve the discharge problem of pleateu summer vegetable processing wastewater due to high chroma，decolorization rate was taken as indexes to evaluate the effect of decolorization in this study，and the conditions of the active carbon decoloring process were optimizated by response surface analysis.And then optimal decoloration conditions were as follows：activated carbon dosage was 1.85%，decoloration pH was 6.1，decoloration time was 66min.In further verified experiment the decolorization rate was 85.04%under the optimal conditions.

pleateu summer vegetable；processing wastewater；activated carbon；response surface analysis；decoloration

TS255.3

B

1002-0306（2015）14-0271-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.047

2014－10－08

慕鈺文（1987-），男，碩士研究生，研究實習員，研究方向：農產品貯藏加工。

馮毓琴（1968-），女，博士，副研究員，研究方向：蔬菜栽培與貯藏保鮮。

國家星火計劃項目（2013GA860001）；果蔬貯藏保鮮與精深加工項目（2014GAAS03）；甘肅省農科院農業科技創新項目（2012GAAS07-5）。