基于響應面的混凝沉淀法處理印染廢水工藝優化

舒服華

（武漢理工大學繼續教育學院，湖北武漢 430070）

印染是紡織品生產的重要環節，色調單一的坯布通過印染工藝處理可得到五顏六色的布料，滿足人們對服裝、裝飾材料等的美感要求。眾所周知，印染行業污染大，染料成分復雜，其中大部分具有較強的毒性［1］。印染廢水中殘存有較多的染料及其反應生成物，如果不經處理直接排入地下，勢必給水體及自然環境造成極大的污染，因此，廢水的治理是印染生產的重要組成部分。印染廢水處理方法較多，常見的有膜分離法、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，混凝沉淀法工藝簡單、效果良好，處理效率可達95%以上，且投資少，運行管理成本低，與其他污水處理方法相比，混凝沉淀法經濟效益具有明顯優勢，是使用最普遍的一種印染廢水處理方法。混凝沉淀法通過在印染廢水中加入無機或有機高分子混凝劑，使殘存在廢水中的染料以膠體或懸浮狀態沉淀，主要包括混凝沉淀法、混凝氣浮法［4］。混凝沉淀法的工藝參數對水處理效果十分關鍵，工藝參數優化是工藝設計和生產控制的核心，本研究運用響應面法優化混凝沉淀法工藝。

1 實驗

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，水溶液有效物質量分數96%）、氯化鐵（FeCl3，水溶液有效物質量分數98%）（荊門浩天化工污水材料有限公司）。

1.2 儀器

MY3000 混凝試驗攪拌機，GZ-WXJ-Ⅲ型微波閉式消解儀，PHSJ-3F型實驗室pH 計。

1.3 混凝沉淀法處理工藝［1］

采用靜態燒杯法處理：取1 L 水樣置于混凝試驗攪拌機上，加入氯化鐵溶液調節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，取上層清液測色度、濁度和COD。

2 結果與討論

2.1 中心組合實驗

以pH（A）、PAC 用量（B）、PAM 用量（C）為混凝沉淀法優化工藝參數，色度去除率（Y1）、濁度去除率（Y2）、COD 去除率（Y3）為綜合優化目標，根據中心組合實驗設計3 因素5 水平二次回歸正交實驗，實驗設計及編碼見表1，實驗結果見表2。

表1 混凝沉淀法中心組合實驗設計

表2 混凝沉淀法中心組合實驗結果

2.2 二次回歸方程

根據表2 的實驗數據，按照統計學原理進行二次回歸擬合，3 因素的二次回歸線性方程為［5-6］：Yi=βi+ai1A+ai2B+ai3C+bi1AB+bi2AC+bi3BC+ci1A2+ci2B2+ci3C2，其中，Yi為各工藝目標的響應值，βi為截距，aij為線性系數，bij為交互項系數，cij為二次項系數，i，j=1、2、3。利用Design-Expert 8.0.6 優化工具可得到Y1、Y2、Y3的響應方程各系數，結果如表3。

根據表3 中響應方程一次項系數絕對值的大小可以判斷各工藝參數對不同工藝目標的影響程度。對色度去除率影響由大到小的工藝參數為助凝劑用量、混凝劑用量、pH；對濁度去除率影響由大到小的工藝參數為助凝劑用量、混凝劑用量、pH；對COD 去除率影響由大到小的工藝參數為助凝劑用量、pH；混凝劑用量。這主要是因為PAM 具有良好的絮凝性，可以促進污水中顆粒聚結長大，提高沉降分離效率；PAM 能通過減緩污水的流動性使部分顆粒較大的雜質沉淀下來，而PAM 表面所具有的吸附性還能夠吸附細小的顆粒雜質，從而有效地保證污水較低的顆粒量。由此可見，PAM 對水質的適應性較好，對含有各類不同成分的污水都能發揮效果，因此對印染廢水各指標影響較大。

表3 優化目標響應值方程系數

續表3

2.3 方差分析

方差分析主要是檢驗模型的擬合精度。方差分析常用的指標有模型檢驗值F、失擬項檢驗值F′、模型概率P、失擬項概率P′、相關系數R2、修正相關系數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隨著自變量的個數增加而增大，為全面考察擬合程度，引進R2Adj。當R2Adj與R2接近時，擬合程度較好；當R2Adj與R2相差較大時，說明近似模型中存在不重要的參數，可以通過回歸分析刪除冗余參數。

利用Design-Expert 8.0.6 優化工具對擬合模型進行方差分析，結果見表4。對于Y1，F=74.40，遠遠大于F0.01(9,3)=6.42，P 小于0.000 1，屬于極其顯著水平，F′=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，遠大于合格水平4.0，擬合平均誤差為0.67%。綜上所述，模型對色度去除率有較高的擬合精度。同理可證明模型對Y2、Y3也有較高的擬合精度。因此，模型可以用于優化工藝參數［5］。

表4 方差分析結果

2.4 工藝優化

2.4.1 優化方法

利用Design-Expert 8.0.6 優化工具，以色度去除率、濁度去除率、COD 去除率為綜合優化目標（均最大），對混凝沉淀工藝參數進行優化。綜合工藝目標為單工藝目標的線性組合，由于各單工藝目標對綜合工藝目標的影響程度不同，即重要性不同，這種差異需要用權重加以體現，故綜合工藝優化目標［6］可以表示為：

式（1）中，ω1、ω2、ω3為各單工藝目標的權重。

采用變異系數法確定各單工藝目標的權重。變異系數法直接利用各項指標所包含的信息確定其權重的客觀賦權，取值差異越大的指標，越能反映指標的差距，被賦予的權重越大［6］。指標的變異系數為：

式（2）中，Vi為第i 個指標的變異系數為第i 個指標的平均值；σi為第i個指標的標準差。指標的權重為：

式（3）中，ωi為第i個指標的權重。

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

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

2.4.2 交互項影響分析

利用Design-Expert 8.0.6 優化工具作模型交互項的3D 圖和等高線圖，圖1～3 為3 個因素中一個因素取0水平，另兩個因素對工藝目標交互作用的響應面。

圖1 pH、混凝劑用量、助凝劑用量對色度去除率的交互影響

圖1 為混凝沉淀法工藝參數對色度去除率的影響。前兩個響應面幾乎為平面，說明pH 和混凝劑用量、pH 和助凝劑用量對色度去除率影響不大，最后一個響應面為凸曲面，表明混凝劑用量和助凝劑用量靠近中間值時對色度去除率比較有利。

圖2 pH、混凝劑用量、助凝劑用量對濁度去除率的交互影響

圖2 為混凝沉淀法工藝參數對濁度去除率的影響。3 個響應面均為凸曲面，說明工藝參數適中時對濁度去除率有利，混凝劑、助凝劑用量對濁度去除率影響較大。

圖3 pH、混凝劑用量、助凝劑用量對COD 去除率的交互影響

圖3 為混凝沉淀法工藝參數對COD 去除率的影響。前一個為斜面平面，說明pH 和混凝劑用量越大，COD 去除率越高，另兩個為凸曲面，說明pH、混凝劑用量和助凝劑用量取中間值時，COD 去除率越高。

響應面底部為等高線，表明為交互項對工藝目標的影響程度。等高線為圓形時，交互因素對工藝目標影響最大，橢圓次之，再次是封閉曲線，非封閉曲線的影響最小。對于色度去除率，交互項影響從大到小依次為AB、AC、BC。對于濁度去除率，交互項影響從大到小依次為AB、AC、BC。對于COD 去除率，交互項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，通過壓濾機濾去水分，得到含水率為60%～75%的泥團，在泥團中加入1.0%～1.5%的生石灰混合均勻，送入成型機保壓脫水，得到污泥泥塊，可以作為肥料或者工業燃料，變廢為寶，實現資源循環再利用。

3 結語

響應面優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，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%。