響應曲面法優化混凝-吸附工藝的條件研究

朱曉彥 王麗麗 樊開青

（江蘇農林職業技術學院 江蘇鎮江 212400）

目前，我國多數污水處理廠的常規工藝流程是污水先經過以自然沉淀為主的一級預處理工藝，然后進入以生物處理作為主體的二級處理工藝。二級生物處理是將有機物通過生物氧化降解形成二氧化碳排放，不僅碳排放量大，而且能量損失大、運行費用高。若在一級處理中采用化學強化處理，可以有效減輕后續二級處理工藝的有機負荷。化學強化一級處理（CEPT）工藝是在傳統的城市污水一級處理工藝基礎上通過投加絮凝劑，采用化學絮凝技術進行強化處理；而常規化學混凝技術，通常只投加1 種絮凝劑，因投藥量大、運行費用高而缺乏競爭力。混凝劑聚合氯化鋁（PAC）因具有絮凝體成型好、適應性強、腐蝕性小、操作簡便等優點而廣泛地應用于各大給水處理廠和污水處理廠，但PAC 單獨使用時效果差、投加量大、成本高且易產生二次污染。為提高強化混凝處理效果，PAC 通常與輔助的助凝劑（如氧化劑、吸附劑）聯用進行強化混凝。本文選擇1 種具有多孔結構的礦物質材料硅藻土（DE）作為助凝吸附劑，DE 在強化混凝方面具有一定的應用前景，在處理微污染水的研究已有報道［1-3］，但與PAC 聯用強化一級處理城市污水的研究鮮有報道。

1 材料與方法

1.1 原水水質及分析方法

試驗原水取自江蘇省句容市某污水處理廠進水，污水來源主要以生活污水為主。故選取能表征水質特征的化學需氧量（CODCr）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）等常規指標進行分析監測，經檢測原水的各項指標值及分析方法見表1。

表1 原水水質、分析方法及儀器設備

1.2 試驗方法

PAC 和DE 兩者協同作用強化城市污水一級處理的工藝過程，采用經典的燒杯攪拌實驗模擬，其工藝流程如圖1 所示。

圖1 混凝-吸附組合工藝流程

2 單因素實驗及結果分析

2.1 PAC 最佳投加量的確定

（1）最小投加量的確定：取200 mL 原水置于燒杯中，以1 mg 投加量為起點，依次增加0.5 mg，快速攪拌直至形成礬花，記錄此時PAC 的投加量為6 mg，則1 000 mL 原水最小投加量為30 mg。

（2）最佳投加量的確定：分別取6 份1 000 mL 的試驗原水編號后置于六聯攪拌機上，依次投加30、60、90、120、150、180 mg/L 的PAC，按上述的試驗方法調整轉速進行常規混凝處理，靜沉20 min 后，分別取上清液測定各水樣的CODCr、NH3-N 和TP 值。各項指標的去除率如圖2 所示。

由圖2 可知，隨著PAC 投加量的增加，各項指標的去除率總體上呈現先增后降的趨勢。綜合CODCr、NH3-N和TP 三者去除效果，當PAC 的單獨投加量達120 mg/L時，混凝處理效果最好。此后再增加PAC 的投加量，三者去除率不增反降。這主要是由于水中的膠體雜質粒子吸附了過多的反離子，使原來帶的負電荷轉變為正電荷，排斥力變大，從而發生了再穩定現象［5］。因此，對于本次試驗中所取的某污水處理廠進水水樣PAC 最佳投加量為120 mg/L。

2.2 PAC 和DE 最佳復配比的確定

為克服PAC 單獨投加時效果差、投加量大、成本高等缺點，能夠更加經濟高效地強化城市污水的一級處理效果，在總投加量不變（120 mg/L）的情況下，對PAC 和DE 進行復配投加。通過單因素實驗確定最適宜組合配比，即多因素交互試驗中二者復配投加時復配比的中心值。選取6 種不同PAC 和DE 的復配比：4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，各復配比下CODCr、NH3-N 和TP 各指標的去除效果如圖3 所示。

圖3 不同PAC 和DE 復配比下強化混凝效果

由圖2 和圖3 可知，PAC 和DE 兩者復配投加，協同強化混凝時，各指標的去除效果明顯高于常規混凝，尤其CODCr的去除率增加最為明顯，證明混凝—吸附組合工藝在強化城市污水一級處理時，降碳效果明顯。由圖3 可知，隨DE 投加比的增加，CODCr和NH3-N 去除率呈先增后降的趨勢，TP 的去除率稍有變動但總體上也呈先增后降的趨勢，當兩者的復配比達1∶1 時，各指標的去除率達最大值，此時DE 吸附已達平衡。因此，選擇兩者的復配比1∶1 為多因素交互試驗的中心值，響應面優化的范圍在2∶1～1∶2 之間變動。

3 曲面優化試驗及結果分析

3.1 曲面優化試驗設計

為了解混凝—吸附組合工藝強化城市污水一級處理時，各因素間的交互作用，尋求適合水質的最佳工藝條件，本研究采用響應曲面法，利用Design-expert 軟件中的Miscellaneous 模型設計中2 因素3 水平共13 組試驗組合方案［6-8］，從而確定適合水質的最佳工藝組合。Miscellaneous 模型優化試驗設計因素及水平見表2。

表2 Miscellaneous 模型設計因素及水平表

3.2 曲面優化試驗結果分析

3.2.1 試驗結果及方差分析

按Design-expert 軟件中Miscellaneous 模型開展響應曲面試驗，試驗設計與結果見表3。

表3 響應曲面試驗設計與結果

利用Miscellaneous 模型對表3 中的結果進行回歸擬合及方差分析。PAC 和DE 的復配比及攪拌強度2 個因素對CODCr、NH3－N 和TP 去除率的多元二次回歸模型如式（1）～（3）所示。

為了檢驗模型1～3 的顯著性，利用Miscellaneous 模型中的ANOVA 對模型進行方差分析，結果見表4～6。

表4 預測模型1（CODCr）的顯著性及方差分析

從表4 可以看出，預測模型1 的F 值較大為34.83，且P 值遠＜0.05，相關系數均＞0.9，精度系數較高為15.464，這些都表明了模型極其顯著且很可靠［9-11］，能夠反映降碳效果和影響因素間的關系。此外，影響因素X1（即PAC 和DE 的復配比）P 值為0.000 2，也遠＜0.05，對降碳效果影響程度顯著；而影響因素X2（即水力條件——攪拌強度）的P 值為0.434 6，對降碳效果影響程度不顯著；兩者交互作用的影響也不夠顯著。說明降碳效果主要受藥劑間的復配比的影響。

由表5 可知，從預測模型2 的F 值（89.13）、P 值（＜0.000 1）、失擬項（not significant）、各相關系數（＞0.9）及精度系數（＞4）來看，該模型不僅可靠且效果顯著［9-11］。因素X1（即PAC 和DE 的復配比）影響脫氮效果的顯著程度高于因素X2（即水力條件—攪拌強度）；兩者交互作用對脫氮效果的影響也有一定的顯著程度。

表5 預測模型2（NH3－N）的顯著性及方差分析

同樣由表6 可知，預測模型3 的F 值（67.75）、P 值（＜0.0001）、失擬項（not significant）、各相關系數（＞0.9）及精度系數（＞4）均表明模型有效可行、高度顯著［9-11］。從因素X1、X2及兩者的交互作用（X1X2）的F 值和P 值來看，除磷效果主要受藥劑間的復配比的影響。

3.2.2 響應曲面分析

由Miscellaneous 模型合成2 因素間的交互作用對各指標去除效果的3D 響應曲面圖，如圖4 所示。

圖4 2 因素間交互作用對各指標去除效果的影響3D 曲面圖

由圖4 可知，PAC 和DE 復配使用的混凝—吸附組合工藝的降碳、脫氮、除磷效果均明顯高于單一吸附工藝和常規的混凝工藝。由圖4 各曲面的曲率及等高線可知：2 藥劑間的復配比對碳、氮、磷的去除效果均有影響，尤其對降碳效果的影響最顯著，而促使絮凝劑快速水解的水力攪拌強度影響不大。各指標的去除率隨DE占比的增大而增大，到達最佳比后趨于穩定。主要由于DE 具有巨大的比表面積和很強的吸附性能，孔道內分布大量的硅羥基，能較好地吸附污水中的有機污染物，但吸附達飽和后出水趨于穩定［12］。但2 因素間的交互作用僅對脫氮效果有一定的影響。

3.3 最優化分析

由方差分析及各曲面分析可知，預測模型1～3 均可靠、顯著，具有良好的擬合度。為獲得最低工程應用成本和最佳的碳、氮、磷的去除效果，利用Miscellaneous 模型對PAC 和DE 復配占比進行優化，預期優化結果見表7。

表7 最優化結果

4 結論

（1）PAC 和DE 復配使用的混凝—吸附組合工藝降碳、脫氮、除磷效果均優于單一吸附工藝和常規的混凝工藝。

（2）利用響應曲面軟件中的Miscellaneous 模型建立以CODCr、NH3-N 和TP 三者去除率為響應值的多元線性回歸模型的F 值分別為34.83、89.13、67.75，P 值都＜0.0001，各相關系數R2都＞0.9，精度系數都＞4，3 個預測模型均具有較高的顯著性，有效且可靠；降碳、脫氮、除磷效果主要受藥劑間的復配比的影響，而水力條件-攪拌強度僅對脫氮效果有較弱的影響，預測結果與工程實際有較好的吻合度。

（3）利用Miscellaneous 模型對PAC 和DE 復配占比和水力條件-攪拌強度進行優化分析，得到優化后的參數為：在總投藥量不變的情況下，PAC 和DE 復配比為1∶1.92，水力條件-攪拌強度為388 r/min，此時預測CODCr、NH3-N 和TP 三者去除率分別達了72.4%、52.1%和71.5%。優化模型具有良好的擬合度，有利于提高城市污水處理強化一級處理時的降碳、脫氮和除磷效果，對于節約藥劑成本具有重要的實踐意義。