正交法優化污水混凝實驗的研究

張春玲，許新兵，任小娜

(酒泉職業技術學院 化工學院，甘肅 酒泉 735000)

1 引言

天然水體中存在著大量懸浮物，懸浮物的形態是不同的，有些大顆粒懸浮物可以在自身重力作用下沉降，而另一種是膠體顆粒，它是使水產生渾濁的一個重要原因，膠體顆粒靠自然沉降是不能去除的[1]。而混凝階段的處理主要針對難以去除的膠體顆粒及少量不能自然沉降的懸浮物。混凝沉淀實驗工藝是給水和廢水處理中被廣泛的應用，是重要的水處理技術之一[2]。通過混凝沉淀實驗，可以確定最佳混凝工藝條件，混凝劑的種類較多，主要分為無機混凝劑(以鐵系和鋁系為主)，有機混凝劑(包括人工合成和天然高分子混凝劑)，不同水體適合的混凝劑有所不同，而且還要確定混凝劑的合理投加量，此外還要注意水體pH值、溫度、濁度、水流速度以及混凝沉淀時間等條件[3]，由于實驗室條件有限，本實驗僅研究絮凝劑的種類、絮凝劑及助凝劑的投加量、pH值、攪拌速度等對混凝沉淀效果的影響。

2 材料與方法

2.1 實驗污水的制備

在不斷攪拌下向水中加入純牛奶進行24 h穩定，制得濁度為196NTU的實驗污水。

2.2 主要試劑與儀器

試劑：40 g/LPAC、40 g/LPFS、1 g/LPAM。

儀器：六聯攪拌器、濁度儀、pH計、溫度計。

2.3 實驗方法及測定

2.3.1 單因素實驗

2.3.1.1 最佳絮凝劑的確定

在轉速為300 r/min快速攪拌1 min，150 r/min中速攪拌2 min，50 r/min慢速攪拌10 min的條件下向1000 mL污水水樣中加入絮凝劑，靜置15 min后測定上清液的濁度，測定結果見表1。

由表1可知，在相同投加量的情況下，PAC的污水濁度去除率明顯高于PFS，從而確定最佳絮凝劑為PAC。

表1 PFS/PAC濁度去除率對比結果

2.3.1.2 絮凝劑最佳投加量的確定

在pH值為7；轉速為300 r/min快速攪拌1 min，150 r/min中速攪拌2 min，50 r/min慢速攪拌10 min的條件下向1000 mL污水水樣中加入不同體積的PAC溶液后靜置15 min后測定上清液的濁度，測定結果見表2。

表2 PAC濁度去除率結果

由表1可知，在當PAC的加入量為9 mL時，處理后的污水濁度去除率最高，從而確定PAC最佳投加量為0.36 g/L。

2.3.1.3 助絮凝劑最佳投加量的確定

在pH值為7的條件下向1000 mL污水水樣中加入9 mL的PAC溶液后快速攪拌1 min(300 r/min)，中速攪拌2 min(150 r/min)，然后加入不同體積的PAM溶液慢速攪拌10 min(50 r/min)后靜置15 min后測定上清液的濁度，測定結果見表3。

表3 PAM對濁度去除率的影響

由表3可知，在當PAM的加入量為3 mL時，對污水濁度去除率最大，從而確定了PAM最佳投加量為0.003 g/L。

2.3.1.4 最佳投加量pH值的確定

在不同pH值下向1000 mL污水水樣中加入9 mL的PAC溶液后快速攪拌1 min(300 r/min)，中速攪拌2 min(150 r/min)，然后加入3 mL PAM溶液慢速攪拌10 min(50 r/min)后靜置15 min后測定上清液的濁度，測定結果見表4。

表4 pH值對濁度去除率的影響

由表4可知，在pH值為9時，污水的濁度去除率最高，從而確定混凝時的最佳pH值為9。

2.3.1.5 最佳轉速確定

本實驗只研究快速轉速，中速(150 r/min)和慢速(50 r/min)不做研究。具體實驗方法為在pH值為9、下向1000 mL污水水樣中加入9 mL的PAC溶液后快速攪拌1 min，中速攪拌2 min(150 r/min)，然后加入3 mL PAM溶液慢速攪拌10 min(50 r/min)后靜置15 min后測定上清液的濁度，測定結果見表5。

表5 轉速對濁度去除率的影響

由表5可知，當快速轉速為400 r/min時，污水的濁度去除率最高，從而確定混凝時的最佳快速轉速為400 r/min。

2.3.2 正交實驗

上述實驗確定了PAC的最佳加入量為9 mL；PAM的最佳加入量為3 mL；最佳pH值為9；最佳快速轉速為400 r/min；在此基礎上采用四因素三水平的正交實驗確定最佳混凝條件[3]，因素水平表見表6，實驗結果見表7。

表6 因素水平表

由表6、7可知，當PAC投加量為9 mL、PAM投加量為2 mL、pH值為10、快速轉速為 r/min時，污水的濁度去除率最高，為87.8%；由極差值可以看出，對于本實驗中的混凝條件影響因素來說，pH值>PAC投加量>PAM投加量>快速轉速。

表7 混凝正交實驗結果

2.3.3 六平行驗證實驗

當PAC投加量為9 mL、PAM投加量為2 mL、pH值為9、快速轉速為450 r/min時進行六平行實驗，實驗結果見表8。

表8 六平行實驗結果

3 結論

通過實驗研究了混凝劑和助凝劑對實驗室模擬的污水(濁度為196NTU)濁度去除率的影響條件確定了絮凝劑最佳投加量、助凝劑最佳投加量、pH值和快速轉速,并通過正交試驗對實驗的四個因素進行了優化研究，以此得到最佳混凝條件[4]。

(1)當PAC投加量為0.36 g/L、PAM投加量為0.002 g/L、pH值為9、快速轉速為450 r/min時，污水的濁度去除率最高，為99.2%。

(2)本實驗中的混凝條件影響因素來說，pH值>PAC投加量>PAM投加量>快速轉速。

(3)本實驗混凝最優條件有較好的重現性，其中混凝攪拌的中速、慢速及混凝溫度可進一步研究進行優化。