響應面法優化污泥生物炭制備工藝*

李玲玉

(福建省環境監測中心站，福建 福州 350003)

長期以來，我國市政污水處理過程中存在“重水輕泥”現象，市政污泥處理問題十分嚴峻。截至2016年9月底，全國共建有污水處理廠3976個，污水處理能力約為1.7億m3/d，污泥產率以1.5噸/萬噸計，我國城市污泥產生量達到4590萬噸/年[1]。據報道，我國污泥年產生量已超過歐洲年產生量的1/2，超過美國的2/3[2]。市政污泥含有多種重金屬和致病菌，是一種具有潛在危險的固體廢物，如果處理不當，可能會對環境造成二次污染[3]。同時，污泥富含有機質是一種可以利用的資源。近年來，污泥資源化利用成為研究熱點，使用污泥碳化作為吸附劑引起越來越多的關注[4]。將污泥制備成低成本生物炭，實現污泥的資源化、無害化和減量化，符合“以廢治廢”的理念，并且有利于建設技術創新型、資源節約型和環境友好型社會。

本文主要探討改性工藝對吸附性能的影響，以期得到最佳改性工藝條件，為污泥生物炭在吸附方面的工業化應用提供進一步的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

①材料：污泥來源于福州市某市政污水廠的剩余污泥；磷酸為分析純；十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)為化學純。

②主要設備：OTF-1200X-S型真空小管式爐，THZ-320型臺式恒溫振蕩箱，YP1201N型電子天平。

1.2 實驗方法

1.2.1 污泥生物炭的制備

主要制備步驟：將福州市某市政污水處理廠的剩余污泥在自然條件下風干，然后于105℃下烘干，將烘干的污泥進行粉碎，研磨放入瓷舟內，再將其送入真空管式電阻爐中，在氮氣保護氣氛(N2流量300 mL/min)下，以15℃/min的升溫速率升溫至炭化溫度550℃，恒溫60 min后得到污泥生物炭(sludge biochar)，命名為SB。

1.2.2 碘吸附值的測定

根據《木質活性炭試驗方法：碘吸附值的測定方法》(GB/T 12496.8—1999)測定污泥生物炭的碘吸附值[5]。

1.2.3 響應曲面法實驗設計

利用Box-Behnken中心組合原理，選擇碘吸附值為響應值，設計四因素三水平實驗，對改性劑改性污泥生物炭的工藝條件進行優化。實驗因素和水平見表1。

表1 響應面實驗因素與水平編碼表

2 結果與分析

2.1 響應面實驗結果

根據不同水平四個因素的排列進行實驗，并在表中填寫每組實驗中獲得的碘吸附值(Y)，如表2所示。

表2 實驗結果

2.2 模型的建立及分析

通過使用響應面專業分析軟件Design-Expert對上述實驗數據進行多元回歸分析，得到了碘吸附值(Y)的回歸方程：

Y=340.35+23.62×A-0.73×B+15.22×C-21.49×D-0.67×A×B-12.05×A×C+19.73×A×D+7.88×B×C+5.31×B×D+17.46×C×D-23.53×A2-11.32×B2-41.79×C2-38.03×D2

從表3可知，Model的P值<0.0001，說明此模型高度顯著，Model失擬項的P值為0.0953，大于0.05，表明失擬項不顯著，說明此模型顯著。對模型中各項進行顯著性分析可以發現，H3PO4溶液質量分數(A)、固液比(C)和CTMAB(B)的P值均小于0.05，說明這三個因素對乙酸乙酯吸附量的影響顯著。浸漬溫度(D)的P值大于0.05，說明其對乙酸乙酯吸附量的影響不顯著。

表3 回歸方程的方差分析

由表4可知，多元相關系數R2=0.9817，表示方程擬合較好，表明實測值和預測值具有高度的相關性。模型調整后的R2=0.9634，表明這個響應面法統計分析96.34%的數據變異性可以用該模型解釋。模型變異系數為9.28%，說明這個響應面法統計分析的可信度高，有良好的穩定性。精密度為6.854，說明模型建立合理。

表4 Y回歸方差的可信度分析

2.3 響應曲面分析

碘吸附值為響應值的曲面圖與等高線圖。

從圖1可以看出，該圖的等高線曲線圖是圓形的，表明H3PO4質量分數與CTMAB之間的相互作用不顯著。圖2的等高曲線是橢圓形的，表明H3PO4質量分數與固液比之間的相互作用最顯著。從雙因素坐標軸和等高線之間的交叉點數量可以看出，這兩個因素中的哪一個占主導地位。交叉點數量多的因素是主要因素，交叉點數量少的是次要因素。從圖1到圖6，可以得出結論，H3PO4質量分數對碘吸附值的影響最大，浸漬溫度對其影響最小，這與表4方差分析的結果一致。

圖1 H3PO4質量分數和CTMAB質量對碘吸附值影響的三維曲面圖和等高曲線圖

圖2 H3PO4質量分數和固液比對碘吸附值影響的三維曲面圖和等高曲線圖

圖3 H3PO4質量分數和浸漬溫度對碘吸附值影響的三維曲面圖和等高曲線圖

圖4 CTMAB質量和固液比對碘吸附值影響的三維曲面圖和等高曲線圖

圖5 CTMAB質量和浸漬溫度對碘吸附值影響的三維曲面圖和等高曲線圖

圖6 固液比和浸漬溫度對碘吸附值影響的三維曲面圖和等高曲線圖

2.4 最佳改性條件的確定

通過軟件分析可以得到響應值為最大值時的四個最佳改性條件。當H3PO4質量分數為40%，CTMAB質量為0.30 g，固液比為1.0∶3.5，浸漬溫度為50℃，此時碘吸附值達到最大，碘吸附值從88.52 mg/g增加到443.08 mg/g。

3 結論與討論

市政污水處理廠的剩余污泥富含有機質，以其為原料制備污泥生物炭，用CTMAB與H3PO4復合活化劑對污泥生物炭進行改性，探究了H3PO4質量分數、CTMAB質量、固液比和浸漬溫度對污泥生物炭碘吸附值的影響。利用響應面法建立了改性污泥生物炭對碘吸附值的二次回歸模型，對回歸模型進行了方差分析，并確定了最佳改性條件。實驗結果表明，最佳改性條件為：污泥生物炭10.00 g、質量分數為40%的H3PO440.0 mL、CTMAB質量為0.35 g、浸漬溫度為50℃，污泥生物炭經CTMAB-H3PO4改性后對碘吸附值達到最大，碘吸附值從改性前的88.52 mg/g增加到改性后的443.08mg/g，吸附性能優越。