Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化電絮凝工藝處理初期雨水研究

楊海燕，付凱，師路遠，譚軼男

(1.北京建筑大學(xué) 北京應(yīng)對氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地，北京 100044；2.北京城市排水集團科技研發(fā)中心，北京 100044)

初期雨水通常是指從降雨形成地面徑流開始前12.5 mm降雨形成的徑流量[1-2]。初期雨水具有較高的污染負荷，SS、COD等指標接近甚至高于典型城市生活污水的濃度[3-4]。電絮凝工藝不僅對SS、COD和TP均有較好的去除效果并且具有不需要額外添加任何化學(xué)藥劑、自動化程度高、占地面積小等優(yōu)點[5]，更適合作為一種分散式初期雨水快速處理設(shè)施。本研究首先對電絮凝進行單因素實驗，對影響較大的3個因素設(shè)計Box-Behnken響應(yīng)實驗，探究各個參數(shù)對目標污染物去除的交互作用關(guān)系，獲取最優(yōu)工藝參數(shù)，為電絮凝工藝應(yīng)用于初期雨水治理工程提供技術(shù)支撐。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

高嶺土(600目)、NaCl、鹽酸、COD預(yù)制試劑(0～150 mg/L)、TP預(yù)制試劑(0～1.6 mg/L)均為分析純。

SN-JJ-1數(shù)顯電動攪拌器；DIKANG Tech DAR-500多參數(shù)水質(zhì)分析儀；DDS-307數(shù)顯電導(dǎo)率儀。

1.2 模擬雨水配制

初期雨水的水質(zhì)受不同地區(qū)地理條件、降雨特點以及交通狀況等多種復(fù)雜因素的影響，水質(zhì)變化較大。通過調(diào)研近年來相關(guān)研究人員對初期雨水水質(zhì)的檢測結(jié)果確定初期雨水中各污染物濃度變化范圍：SS濃度為100～600 mg/L，以300 mg/L為主；COD濃度為50～500 mg/L，以200 mg/L為主；TP為1～10 mg/L，以5 mg/L為主[3，6-7]。由于實際初期雨水存取較為困難，且實驗需水量較大，因此本次實驗采用模擬配水方式進行實驗。

本次實驗采用北京市某污水廠初沉池出水作為實驗水源，其水質(zhì)條件為SS 150 mg/L左右、COD 200 mg/L左右、TP 5 mg/L左右。首先取一定量污水廠初沉池出水測定其SS濃度，然后根據(jù)與目標濃度的差值，通過投加適量高嶺土，使其SS濃度達到 300 mg/L，并投加適量NaCl使水源電導(dǎo)率穩(wěn)定在1 400～1 500 μS/cm之間。實驗用水中各污染物濃度為SS濃度300～310 mg/L，COD 190～210 mg/L，TP 5～6 mg/L。

1.3 實驗方法

實驗裝置見圖1，裝置尺寸為25 cm×20 cm×20 cm，總體積為10 L，金屬極板厚度為2 mm，數(shù)量可根據(jù)實驗需求在4～8塊內(nèi)進行調(diào)節(jié)，極板間距可以根據(jù)實驗需求在10～50 mm之間調(diào)整；所采用的電源為穩(wěn)壓直流電源，電流可調(diào)節(jié)范圍為0～10 A，電壓可調(diào)節(jié)范圍為0～30 V。

圖1 電絮凝反應(yīng)器平面圖Fig.1 Plan view of static electric flocculation reactor1.有機玻璃容器；2.極板架桿；3.陽極線；4.陰極線；5.電動攪拌器；6.直流電源

每次實驗，在實驗容器中加入7 L模擬雨水，將金屬極板插入實驗容器中并進行固定，通過電源線與直流電源連接，金屬極板在使用前均用400目砂紙進行打磨并用0.1 mol/L的稀鹽酸進行清洗。實驗中分別對極板材料、電解時間、靜沉時間、電極連接方式、極板間距、電流密度和極板數(shù)量逐一進行單因素實驗，各參數(shù)取值范圍見表1。實驗完成后接取水樣，對SS、COD和TP濃度進行測定。

表1 實驗參數(shù)取值范圍Table 1 Value range of experimental parameters

1.4 分析方法

SS濃度采用重量法進行測定；COD、TP濃度采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 極板材料及組合對污染物去除效果的影響 目前電絮凝研究中多采用Fe-Fe和Al-Al的極板材料組合形式，本研究在此基礎(chǔ)之上選取鐵(Fe)、鋁(Al)、鋁鎂合金Al(Mg)、鋁鋅合金Al(Zn)進行兩兩組合，組成Fe-Fe、Fe-Al、Al-Al、Al-Fe、Al(Mg)-Al、Al(Zn)-Al共計6種極板組合進行實驗。電解時間為30 min，靜沉時間為30 min，極板間距2 cm，極板數(shù)量為4塊，電流密度為60 A/m2，實驗結(jié)果見表2。

表2 極板組合對電絮凝各污染物去除率的影響Table 2 Effect of plate combinations on removal rate of various pollutants by electro-flocculation

由表2可知，以SS去除率作為依據(jù)，各極板板材下SS去除率從高到低為Fe-Al>Fe-Fe>Al(Zn)-Al>Al(Mg)-Al>Al-Al>Al-Fe，在Fe-Al組合下電絮凝工藝取得了最佳的污染物去除效果，SS、COD和TP去除率分別為91.50%，74.71%和 99.73%。這是因為不同電極組合在電解過程中金屬水解產(chǎn)物分布不同，陽極析出的金屬離子在絮凝過程中會經(jīng)歷單核絡(luò)合物、低聚態(tài)多核聚合物、高多核聚合物等多種形態(tài)。在Fe-Al組合下，金屬離子以低聚態(tài)多核聚合物為主，如Fe(H2O)5(OH)2+、Fe(H2O)4(OH)2+等，其通過產(chǎn)生一系列網(wǎng)狀聚合體不斷吸附污染物，是最有效的絮凝劑成分[8]。并且鋁作為陰極時的析氫反應(yīng)強于鐵陰極，大量微小氣泡在上升過程中有助于水體和絮體的充分接觸，加速極板間物質(zhì)的傳輸[9]。但鐵作為陽極的電絮凝工藝也存在明顯的缺點，即出水色度問題，需增加后續(xù)處理工藝。

當以鋁合金作為陽極材料時，相比于純鋁而言，污染物的去除效果有所提升。以SS去除率為例，Al(Mg)-Al和Al(Zn)-Al組合與Al-Al相比，分別提高了5.89%和7.85%，其中在Al(Zn)-Al下各污染物去除率分別為SS 86.93%，COD 71.65%和TP 99.21%。這是因為，鋁合金材料與純鋁相比，含有的少量鎂、鋅等金屬元素使得鋁合金的活化程度遠遠高于純鋁，并且這些金屬元素溶解度更低，從而使得鋁合金極板表面會在反應(yīng)過程中形成數(shù)量眾多且孔徑更小、深度更淺的凹坑，使得金屬離子的溶解擴散更為均勻，更有利于多種形態(tài)的絮凝體形成[10-11]。綜上所述，本實驗后續(xù)采用Al(Zn)-Al作為板材組合形式。

2.1.2 電解時間對污染物去除效果的影響 極板組合為Al(Zn)-Al，極板間距2 cm，極板數(shù)量4塊，電流密度60 A/m2。電解時間對污染物去除效果的影響見圖2。

圖2 電解時間對電絮凝各污染物去除的影響Fig.2 Effect of electrolysis time on removal of various pollutants by electro-flocculation

就TP去除率而言，在第10 min時便達到了 98.64%，即電絮凝工藝可在短時間內(nèi)對水中的磷進行有效去除。這與大部分研究者結(jié)果相似[12]。這是因為水中的磷酸鹽除可以通過吸附、絡(luò)合在金屬絮凝體表面得到去除外，還可以直接與水中的Al3+進行反應(yīng)，生成AlPO4后沉淀去除，在兩種去除機制的共同作用下去除效率較高[13]。綜合考慮，選取30 min為后續(xù)電解時間。

2.1.3 靜沉時間對污染物去除效果的影響 極板組合為Al(Zn)-Al，電解時間30 min，極板間距設(shè)置為 2 cm，極板數(shù)量為4塊，電流密度設(shè)置為60 A/m2。靜沉時間對污染物去除效果的影響見圖3。

圖3 靜沉時間對各污染物去除的影響Fig.3 Effect of dead time on removal of various pollutants

由圖3可知，SS、COD和TP在靜沉10 min時，處理率分別達到了70.51%，67.71%和99.38%，在此之后，各污染物的去除率逐漸變緩。這是因為電解30 min后，析出的大部分金屬陽離子大都經(jīng)過水解、聚合形成較大的金屬絮凝體，并與水中的污染物進行了充分的接觸反應(yīng)，變的質(zhì)密且重。而剩余的一些尚未反應(yīng)完全的金屬絮凝體所需的沉淀時間相比成熟絮凝體時間更久，無法在短時間內(nèi)得到有效去除。盡管靜沉時間越長越有利于污染物的去除，但沉淀裝置的占地面積也會更大。綜合處理效果和經(jīng)濟成本，靜沉時間選擇30 min。

2.1.4 電極連接方式對污染物去除效果的影響 當極板數(shù)量較多時，則需要考慮不同的電極連接方式對污染物去除效果、能耗以及日常運行維護難度的影響。目前已知的電極連接方式有三種：單極并聯(lián)連接(MP-P)、單極串聯(lián)連接(MP-S)、雙極串聯(lián)連接(BP-S)，見圖4。

圖4 三種電極連接方式Fig.4 Three electrode connection methods

實驗條件：極板組合形式為Al(Zn)-Al，極板間距設(shè)置為2 cm，極板數(shù)量為4塊，電流密度為 20 A/m2，電解時間為30 min、靜沉時間為30 min。電極連接方式對污物去除效果的影響見表3。

表3 電極連接方式對電絮凝各污染物去除率的影響Table 3 Effects of electrode connection modes on removal rate of various pollutants by electro-flocculation

由表3可知，三種電極連接方式下，電絮凝工藝對污染物去除效果差別不大，其中在雙極連接模式(BP-S)下，電絮凝工藝對SS、COD等污染物的去除率達到了最高，分別為SS 73.00%、COD 66.00%和TP 97.32%。這是因為在BP-S模式下，裝置內(nèi)部每塊極板都由一面陽極一面陰極組成，使得金屬離子擴散更為均勻，強化了金屬絮凝體與污染物接觸沉淀的效果。但就運行能耗而言，當總電流大小相同時，電壓大小決定了電絮凝的運行能耗，MP-P下的平均電壓僅為4.29 V，但MP-S的平均電壓上升至17.40 V，BP-S的平均電壓更是達到了21.90 V，分別是MP-P的4倍和5倍。

綜上所述，單極并聯(lián)連接(MP-P)污染物去除率較好地同時運行電壓遠遠低于其他模式。因此，本研究采用單極并聯(lián)連接(MP-P)的電極連接方式。

2.1.5 極板間距對污染物去除效果的影響研究[14]極板組合為Al(Zn)-Al，電解時間為30 min，靜沉時間為30 min，電極連接方式為MP-P，極板數(shù)量為4塊，電流密度為60 A/m2。極板間距對污物去除效果的影響見圖5。

圖5 極板間距對電絮凝各污染物去除的影響Fig.5 Effects of electrode plate spacing on removal of various pollutants by electro-flocculation

由圖5所知，當極板間距為1 cm時，SS和COD去除率較低，分別為77.71%和68.82%，這是因為極板間距過小，導(dǎo)致陽極析出的金屬陽離子積聚在極板表面不易擴散，不僅影響其進一步反應(yīng)生成金屬絮凝體，也會造成極板電壓上升，運行能耗增加。當極板間距為2 cm時，SS、COD和TP去除率均達到了最高值，分別為86.62%，71.29%和99.27%，這是因為合適的極板間距可以有效提高溶液的混合程度，避免金屬離子和其絮凝體在極板之間大量積聚，提高了對污染物的處理效率。隨著極板間距的繼續(xù)增加，各污染物去除率逐漸降低。這是因為，極板間距越大，水體中各物質(zhì)的傳質(zhì)距離也越長，擴散速率也隨之降低，造成對污染物的去除效果變差，并且極板間距越大，極板電壓越高，在間距2 cm時運行電壓為10.09 V，間距增加到4 cm時，電壓升高近2倍，經(jīng)濟成本也相應(yīng)提升。綜合考慮，極板間距選擇2 cm。

2.1.6 電流密度和極板數(shù)量 極板組合為 Al(Zn)-Al，極板間距設(shè)置為2 cm，運行時間為 30 min，靜沉時間為30 min。極板數(shù)量分別為4塊、6塊、8塊，每個系列分別選取電流密度為20，40，60，80，100 A/m2。實驗結(jié)果見圖6。

圖6 極板數(shù)量和電流密度對電絮凝各污染物去除率的影響Fig.6 Effects of number of plates and current density on removal rate of various pollutants by electro-flocculationa.4塊極板；b.6塊極板；c.8塊極板

由圖6可知，在4塊極板的條件下，隨著電流密度的提高，各污染物去除率均呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，電流密度>40 A/m2時，上升幅度逐漸變緩。在6塊極板的條件下，SS和COD的去除率隨電流密度的變化情況與4塊極板條件相比有所不同，呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，電流密度為60 A/m2時各污染物的去除率達到最優(yōu)值，分別為SS 90.67%，COD 82.66%和TP 99.77%。這是因為當電流密度較低時，隨著電流密度的持續(xù)增加，污染物的去除率會隨金屬絮凝體的增加得到有效提升，但是當電流密度的大小超過一定范圍時，單位時間內(nèi)析出的金屬離子量過多使得已經(jīng)脫穩(wěn)的膠體出現(xiàn)“再穩(wěn)”現(xiàn)象，造成被吸附絡(luò)合的污染物重新分散至水體中。在8塊極板的條件下，SS、COD和TP一直保持較高的去除率，SS去除率隨電流密度呈現(xiàn)先上升后輕微下降的變化趨勢，在電流密度為60 A/m2時，各污染物的去除率達到最優(yōu)值，分別為SS 91.67%，COD 85.72%和TP 99.72%。

由表4可知，在總電流大小不變的情況下，在多極板低電流密度的條件下取得的污染物去除率高于少極板高電流密度條件下的污染物去除率。這是因為，極板數(shù)量適度增加，雖然降低了單極板的電流密度，但是增加了極板與水體的有效接觸面積，析出的金屬離子擴散更為快速、均勻，在析出的金屬離子總量不變的情況下有效提高金屬離子的利用率。電流大小不變的情況下，運行電壓低意味著運行能耗低，節(jié)約了經(jīng)濟成本。綜上所述，極板數(shù)量選擇8塊，電流密度選擇40 A/m2。

表4 電流大小相同極板數(shù)量不同時污染物的去除率

綜上所述可知，電解時間、極板間距和電流密度對污染物去除效果影響較大。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化電絮凝工藝

2.2.1 響應(yīng)面法優(yōu)化電絮凝工藝實驗結(jié)果 由 2.1節(jié)電絮凝單因素實驗可知，電解時間、極板間距和電流密度對污染物去除效果影響較大，因此選取電解時間、電流密度和極板間距作為響應(yīng)變量，以SS去除率作為實驗的響應(yīng)值。Box-Behnken響應(yīng)面因素和水平見表5，實驗結(jié)果見表6。

表5 Box-Behnken實驗因素與水平

表6 Box-Behnken實驗結(jié)果

采用Design Expert 12對表6中的實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到SS去除率的二次多項回歸模型方程Y=89.47+2.08A+1.15B+0.63C+0.16AB+0.28AC-0.26BC-1.04A2+0.066B2+0.48C2，方差分析結(jié)果見表7。

表7 Box-Behnken方差分析結(jié)果

由表7可知，本次Box-Behnken實驗?zāi)Ｐ蚉=0.000 2<0.01，表明本次回歸擬合模型差異性極顯著；失擬項P=0.161 7>0.05，即失擬誤差不顯著，說明本次回歸方程模型和實際實驗結(jié)果之間誤差較小，可信度較高。模型的相關(guān)系數(shù)(R2)=0.966 7，說明本回歸擬合模型可以解釋反應(yīng)時間、電流密度和極板間距3個實驗因素96.67%的變異性。

3個因素中對SS去除率的影響呈極顯著的電解時間和電流密度，而極板間距對SS去除率影響呈顯著。3個因素對SS去除率的影響順序依次為：反應(yīng)時間>電流密度>極板間距。

2.2.2 兩兩因素交互作用分析 為考察反應(yīng)時間、電流密度、極板間距等因素交互作用對污染物去除的影響，利用Design Expert 12進行分析，得到響應(yīng)面圖見圖7。

a.反應(yīng)時間和電流密度的交互作用 b.反應(yīng)時間和極板間距的交互作用 c.電流密度和極板間距的交互作用 圖7 不同因素之間的交互作用響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface diagram of interaction between different factors

由圖7a可知，SS去除率隨著反應(yīng)時間的延長和電流密度的提高呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。這是因為，反應(yīng)時間的長短和電流密度的大小都會影響金屬陽極板析出金屬離子的總量，從而影響金屬絮凝體的形成與絮凝效果。反應(yīng)時間越長，且電流密度越高時，析出至水體中的金屬離子越多，所產(chǎn)生的金屬絮凝體更易與水中的污染物進行接觸，達到吸附去除的目的。

由圖7b可知，隨著反應(yīng)時間的延長和極板間距的增加SS去除率有一定提升。這是因為極板間距過小時，使得析出的金屬離子難以在水體中進行有效擴散，容易在極板間發(fā)生積聚，隨著極板間距的適度增加，隨反應(yīng)時間增加而大量析出的金屬離子可以得到有效擴散，更好的發(fā)揮金屬絮凝體的吸附去除作用，從而使得污染物的去除率得到提升。

由圖7c可知，隨著電流密度的提高和極板間距的增加，SS去除率有一定增加。這是因為電流密度的大小關(guān)系著單位時間內(nèi)析出的金屬離子量的多少，隨著電流密度的不斷提高，單位時間內(nèi)析出至水體的金屬離子量也越多，此時若極板間距過窄，則會使得大量金屬離子積聚在極板之間而不能有效向四周擴散。因此，隨著電流密度的提高和極板間距的適度增加，水體中的金屬離子量不僅增多而且也可得到有效擴散，提高對污染物的絮凝去除效果。

2.2.3 模型預(yù)測與實際驗證 運用Design Expert 12軟件對SS去除率進行實驗參數(shù)優(yōu)化分析，得到反應(yīng)時間、電流密度和極板間距三者的最佳組合值以及SS預(yù)測去除率。將模型預(yù)測的參數(shù)組合值進行實際實驗，結(jié)果見表8。

表8 實際值與預(yù)測最優(yōu)值的比較Table 8 Comparison of actual value and predicted optimal value

由表8可知，兩次實驗的SS去除率平均值為92.46%，與理論值92.81%僅相差0.35個百分點，誤差較小，說明模型預(yù)測的結(jié)果準確可靠。在最優(yōu)條件下，SS、COD和TP去除率分別為92.46%，85.46% 和99.70%，此時噸水電耗為1.68 kW·h。

3 結(jié)論

(1)電絮凝工藝可有效去除初期雨水中的SS、COD和TP。在極板材料為Al(Zn)-Al，極板數(shù)量 8塊，采用單極并聯(lián)連接(MP-P)的電極連接方式，極板間距3 cm，電流密度40 A/m2，反應(yīng)時間 30 min，靜沉時間30 min條件下，SS、COD和TP去除率分別達到了92.46%，85.46%和99.70%，噸水電耗為1.68 kW·h。

(2)反應(yīng)時間和電流密度對污染物去除率影響呈極顯著，可作為實際工程設(shè)計與運行中的主要調(diào)控參數(shù)。