正交實驗法優(yōu)化地下水的石灰軟化－絮凝處理工藝

莫文婷，陳 濤，唐友堯

（1．華中科技大學武昌分校城市建設(shè)學院，湖北 武漢430064；2．華中科技大學環(huán)境科學與工程學院，湖北 武漢430074）

華南部分地區(qū)地下水水質(zhì)清澈透明，硬度小于300mg·L－1（以CaCO3計），符合《地下水水質(zhì)標準》Ⅱ類水質(zhì)標準，但煮沸后有白色沉淀或漂浮物，影響視覺感官，讓人無法接受。

該水源水總硬度主要以暫時硬度為主，這正是其煮沸后產(chǎn)生漂浮物的原因所在。在碳酸系堿度存在情況下，水加熱后易形成白色沉淀及白色漂浮物質(zhì)，主要成分為碳酸鈣、氫氧化鎂及少量的碳酸鋇。盡管鈣鎂離子對健康不會造成直接危害，飲用適量的硬水還會有益于健康，但會對生活產(chǎn)生諸多不便，如用水器結(jié)垢、清潔劑效率低、皮膚干燥、衣物發(fā)硬等［1］。為能安全、放心地使用自來水，需對地下水進行軟化處理。

石灰軟化－絮凝是地下水處理的有效方法。通過向水樣中投入一定量的熟石灰標準溶液（10mmol·L－1），使之發(fā)生一系列反應(yīng)，最終生成 CaCO3和Mg（OH）2沉淀，以達到軟化目的。

作者在單因素實驗的基礎(chǔ)上采用正交實驗［2］，考察了Ca（OH）2投加量、PAC投加量、石灰反應(yīng)時間及沉淀時間對處理效果的影響并優(yōu)化了軟化－絮凝處理條件。

1 實驗

考慮，最后選取 Ca（OH）2投加量（A）、PAC投加量（B）、石灰反應(yīng)時間（C）和沉淀時間（D）作為考察因素，且不考慮因素間的相互影響作用；以硬度去除率、堿度去除率、濁度、pH值作為考核指標，進行正交實驗，以優(yōu)化石灰軟化－絮凝處理地下水的工藝條件，其因素與水平見表1。

表1 正交實驗因素與水平Tab．1 The factors and levels of the orthogonal experiment

2 結(jié)果與討論

影響硬度去除率、堿度去除率、濁度及pH值的因素很多，如Ca（OH）2投加量、石灰反應(yīng)時間、攪拌速度、絮凝劑投加量等。在單因素實驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)全面

2．1 正交實驗結(jié)果（表2）

2．2 正交實驗分析

2．2．1 硬度去除率分析（表3）

硬度去除率越大表明處理效果越好。由表3可見，各因素對硬度去除率的影響大小依次為A＞D＞C＞B，即Ca（OH）2投加量影響最大，沉淀時間、石灰反應(yīng)時間其次，PAC投加量影響最小。對硬度的最佳處理條件為 A5B2C3D5，即：Ca（OH）2投加量240mg·L－1、PAC投加量15mg·L－1、石灰反應(yīng)時間10min、沉淀時間35min。

表2正交實驗結(jié)果Tab．2 Results of the orthogonal experiment

表3 硬度去除率的正交實驗結(jié)果分析Tab．3 Analysis of the orthogonal experiment results according to hardness removal rate

2．2．2 堿度去除率分析（表4）

表4 堿度去除率的正交實驗結(jié)果分析Tab．4Analysis of the orthogonal experiment results according to alkalinity removal rate

堿度去除率越大表明處理效果越好。由表4可見，各因素對堿度去除率的影響大小依次為A＞C＞B＞D，即Ca（OH）2投加量影響最大，石灰反應(yīng)時間、PAC投加量其次，沉淀時間影響最小。對堿度的最佳處理條件為A5B2C3D2，即Ca（OH）2投加量240mg·L－1、PAC投加量15mg·L－1、石灰反應(yīng)時間10min、沉淀時間20min。

2．2．3 濁度分析（表5）

表5 濁度的正交實驗結(jié)果分析Tab．5Analysis of the orthogonal experiment results according to turbidity

濁度越小表明處理效果越好。由表5可見，各因素對濁度的影響大小依次為A＞C＞B＞D，即Ca（OH）2投加量影響最大，石灰反應(yīng)時間、PAC投加量其次，沉淀時間影響最小。對濁度的最佳處理條件為A4B2C4D4，即Ca（OH）2投加量220mg·L－1、PAC投加量15mg·L－1、石灰反應(yīng)時間15min、沉淀時間30min。

2．2．4 pH值分析（表6）

表6 pH值的正交實驗結(jié)果分析Tab．6Analysis of the orthogonal experiment results according to pH value

一般情況下，pH值越大，硬度處理效果越好。但正交實驗是在硬度處理效果較好的前提下，尋求最優(yōu)化條件；而且，pH值越小，越有利于后續(xù)的加酸回調(diào)，因此，在保證實驗效果的條件下，應(yīng)選取較小的pH值。由表6可見，各因素對pH值的影響大小依次為A＞B＞C＝D，即Ca（OH）2投加量影響最大，PAC投加量其次，石灰反應(yīng)時間和沉淀時間影響最小。綜合考慮實驗效果，確定pH值的最佳處理條件為A1B5C2D3，即Ca（OH）2投加量160mg·L－1、PAC投加量30mg·L－1、石灰反應(yīng)時間5min、沉淀時間25min。

2．2．5 正交實驗直觀分析結(jié)果

結(jié)合正交實驗結(jié)果的硬度去除率、堿度去除率、濁度和pH值分析，其直觀分析結(jié)果見表7。

表7 正交實驗直觀分析結(jié)果Tab．7 The intuitive analysis of the orthogonal experiment results

由表7可見，確定的綜合優(yōu)化處理條件為A4B2C3D4，即Ca（OH）2投加量為220mg·L－1、PAC投加量為15mg·L－1、石灰反應(yīng)時間為10min、沉淀時間為30min。

具體分析如下：

（1）Ca（OH）2投加量

對于本實驗，硬度去除率和堿度去除率越大越好，而硬度和堿度的去除效果直接受Ca（OH）2投加量的影響。正交實驗結(jié)果顯示，Ca（OH）2投加量為240mg·L－1時，硬度和堿度去除率最大，當硬度和堿度去除效果好時，濁度也較低；但較高的Ca（OH）2投加量會使水的pH值較大，可能需要進行加酸回調(diào)，增加了處理成本。因此，選擇Ca（OH）2投加量以220mg·L－1為宜。

（2）PAC投加量

最佳堿度去除率、硬度去除率和濁度的PAC投加量為15mg·L－1。為了確保沉淀效率，選擇PAC投加量以15mg·L－1為宜。

（3）石灰反應(yīng)時間

（4）沉淀時間

為保證堿度去除率和濁度均能達到理想效果，尤其是濾后水濁度小于1NTU，選擇沉淀時間以30min為宜。

2．3 驗證實驗

取5個燒杯（編號1＃～5＃），分別加入1000mL地下水水樣，然后同時加入220mg·L－1Ca（OH）2溶液，反應(yīng)10min后加入15mg·L－1的PAC，在一定水力條件下反應(yīng)30min，靜置后過濾。觀察燒開后水樣的肉眼可見物，測量處理后水樣的硬度（總硬度、鈣硬度和鎂硬度）及堿度，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，處理后水樣的總硬度降至110mg·L－1左右、堿度降至70～80mg·L－1。表明石灰軟化－絮凝處理效果較好，所確定的優(yōu)化處理條件可靠。

3 結(jié)論

圖1 最佳處理條件下各水樣處理結(jié)果Fig．1 The treatment results of the water samples under the optimum treatment conditions

采用石灰軟化－絮凝法處理華南地區(qū)部分地下水水樣。在單因素實驗的基礎(chǔ)上進行正交實驗，確定最佳處理條件為：Ca（OH）2投加量220mg·L－1、PAC投加量15mg·L－1、石灰反應(yīng)時間10min、沉淀時間30min。Ca（OH）2投加量是影響石灰軟化－絮凝處理地下水的關(guān)鍵因素。

［1］鹿欽禮，馬貴陽，王青梅，等．以地下水為水源的飲用水分層結(jié)垢分析［J］．當代化工，2011，40（1）：24－26．

［2］黃富民，丁冰泉，伍俊榮，等．超濾處理高濁度原水系統(tǒng)的正交試驗設(shè)計［J］．凈水技術(shù)，2011，30（4）：17－20．