響應(yīng)面法優(yōu)化混凝處理微污染源水研究

楊海蓉 付永川 王啟秀

摘要[目的]研究采用響應(yīng)面法優(yōu)化混凝處理微污染源水過程。[方法]以商業(yè)聚合硫酸鐵絮凝劑為研究對象，研究了快速攪拌速度、快速攪拌時(shí)間、慢速攪拌速度對混凝處理效率的影響。采用響應(yīng)面法優(yōu)化混凝條件。[結(jié)果]實(shí)測殘余濁度與模擬殘余濁度相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96，表明預(yù)測值與實(shí)際值相關(guān)性強(qiáng)，模型預(yù)測濁度去除率具有較高的可行性。采用5 mg/L混凝劑投加量，處理40.50 NTU與9 mg/L的TOC源水，獲得響應(yīng)面優(yōu)化的混凝條件，殘余濁度達(dá)到1.70 NTU。響應(yīng)面優(yōu)化獲得最優(yōu)條件：當(dāng)在快速攪拌速度為347 r/min、快速攪拌時(shí)間為3 min、慢速攪拌速度為79 r/min、慢速攪拌時(shí)間為15 min的條件下，原水殘余濁度為30.10 NTU，實(shí)測殘余濁度為0.64 NTU，TOC去除率達(dá)到50.74%。[結(jié)論]基于響應(yīng)面法優(yōu)化混凝處理微污染源水具有較高的可應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞微污染源水；響應(yīng)面；混凝；除濁

中圖分類號X52文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2017）12-0048-03

Abstract[Objective]To optimize the coagulation treatment of micropolluted source water by response surface method.[Method]Taking commercial polyferric sulfate flocculant as test material，the effects of rapid stirring speed，rapid stirring time and slow stirring speed on coagulation efficiency were studied.Optimal coagulation conditions for coagulation by response surface methodology were obtained.[Result]The results showed that the squared correlation coefficient between measured turbidity removal efficiency and simulated turbidity removal efficiency was 0.96，which indicated that the correlation between predicted value and actual value was good.Using 5 mg/L coagulant dosage for treatment of 40.50 NTU and 9 mg/L TOC source water，the coagulation had optimized experimental conditions under which the residual turbidity was reduced to 1.70 NTU.With the optimization conditions that rapid stirring speed was 347 r/min，stirring time was 3 min，slow stirring speed was 79 r/min，slow stirring time was 15 min，for treatment of 30.10 NTU turbidity source water，the residual turbidity of 0.64 NTU achieved，and TOC removal efficiency reached the 50.74%.[Conclusion]The experimental results showed that the response surface optimization method had a high feasibility of coagulating micropolluted source water.

Key wordsMicropolluted water；Response surface；Coagulation；Turbidity removal

隨著社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水源遭到不同程度的破壞，水體質(zhì)量下降，對飲用水安全造成了極大威脅[1-2]。因此，提高水處理效率，緩解水資源污染是當(dāng)前必需解決的重要環(huán)保課題之一。水處理過程中，混凝操作單元是必要的預(yù)處理過程，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

盡管混凝操作單元過程簡單，但提高混凝處理效率仍依賴于有效的混凝和水質(zhì)條件[4-5]。當(dāng)前，探討有效的混凝條件可以通過實(shí)驗(yàn)室燒杯試驗(yàn)[6-7]、現(xiàn)場測試[8]等手段獲得。無論哪種測試方法，混凝過程都牽涉到多種因素的優(yōu)化，如快速攪拌速度、快速攪拌時(shí)間、慢速攪拌速度、絮凝體特征等[9]。為綜合分析多種因素的交互效果，獲得優(yōu)化的試驗(yàn)條件也是必要環(huán)節(jié)。綜合分析多種因素的關(guān)聯(lián)性和交互結(jié)果的方法有多種，其中響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（response surface methodology，RSM）是得到廣泛推廣的方法之一。RSM簡稱響應(yīng)面法，是一種綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模的優(yōu)化方法[10]，通過局部優(yōu)化點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，回歸擬合全局范圍內(nèi)自變量與因變量之間的函數(shù)關(guān)系，從而獲得各自變量最優(yōu)水平值[11]。當(dāng)前，響應(yīng)面法已在食品[12]、環(huán)保[13-14]、生物[15]、化工[16]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。筆者用響應(yīng)面法優(yōu)化混凝處理微污染源水的試驗(yàn)條件，以混凝過程中濁度的去除率為響應(yīng)值，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對混凝過程中的主要因素進(jìn)行優(yōu)化，旨在為水處理過程中混凝單元的操作提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

商業(yè)聚合硫酸鐵絮凝劑（鞏義市盛世凈水材料有限公司）；美國哈希2100Q便攜式濁度儀；ZR4-6混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)（深圳市中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司）；電子分析天平[梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]。

1.2混凝試驗(yàn)

采集某區(qū)域江河微污染源水為研究對象，其中初始濁度為30～50 NTU，pH 為8.0左右。取1 L微污染源水分別置于1 L燒杯中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的聚合硫酸鐵絮凝劑含量添加劑量。在設(shè)定的快速攪拌速度與時(shí)間及慢速攪拌速度與時(shí)間下進(jìn)行混凝試驗(yàn)。靜置沉淀30 min后，于液面下2 cm處取樣，測定殘余濁度。其中，絮凝劑投加量按照鐵含量計(jì)算。

1.3響應(yīng)面分析試驗(yàn)

分別以快速攪拌速度、快速攪拌時(shí)間、慢速攪拌速度為單因素，考察單因素對濁度去除的試驗(yàn)條件。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取3個(gè)單因素作為響應(yīng)面考察對象，每個(gè)因素中選擇3個(gè)水平，通過Box-Behnken設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，其中以殘余濁度為響應(yīng)值，采用Design-Expert軟件分析最優(yōu)化工藝參數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1快速攪拌速度。

通過混凝試驗(yàn)，固定絮凝劑的投加量（5 mg/L）、pH（8.2）、快速攪拌時(shí)間（1 min）、慢速攪拌時(shí)間（10 min）、慢速攪拌速度（50 r/min），變化快速攪拌速度，對水源水中濁度去除進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，隨著快速攪拌速度的增高，殘余濁度隨之減小，其主要原因可能是快速攪拌速度增高有助于絮凝劑與膠體顆粒快速混合，從而促使膠體顆粒更好地與絮凝劑接觸、相互作用，達(dá)到快速脫穩(wěn)的目的，從而提高濁度去除的效果；但是過高的轉(zhuǎn)速帶來過大的能耗，不利于單元操作。因此，快速攪拌速度選擇在300～450 r/min。

2.1.2快速攪拌時(shí)間。

通過混凝試驗(yàn)，固定絮凝劑的投加量（5 mg/L）、pH（8.2）、快速攪拌速度（350 r/min）、慢速攪拌時(shí)間（10 min）、慢速攪拌速度（50 r/min），變化快速攪拌時(shí)間，對水源水中濁度去除進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨著快速攪拌時(shí)間的增加，殘余濁度先減小后增大，這可能是由于快速攪拌時(shí)間的增加有助于絮凝劑與膠體顆粒充分混合，但是過長的攪拌時(shí)間在較高的轉(zhuǎn)速條件下導(dǎo)致絮體破碎，因此不利于濁度的去除。因此，快速攪拌時(shí)間選擇在2.5～3.5 min。

2.1.3慢速攪拌速度。通過混凝試驗(yàn)，固定絮凝劑的投加量（5 mg/L）、pH（8.2）、快速攪拌時(shí)間（2 min）、慢速攪拌時(shí)間（10 min）、快速攪拌速度（350 r/min），變化慢速攪拌速度，對水源水中濁度去除進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著慢速攪拌速度的增大，殘余濁度呈先減小后升高趨勢。這可能是由于慢速攪拌速度的增大有助于絮凝劑與膠體顆粒絮凝混合，從而促使膠體顆粒更好地與絮凝劑絮凝接觸、產(chǎn)生正相互作用，達(dá)到充分絮凝的目的，從而提高濁度去除的效果；但是過高的慢速轉(zhuǎn)速可能導(dǎo)致絮體破碎。因此，慢速攪拌速度選擇在70～90 r/min。

2.2響應(yīng)面分析

根據(jù)響應(yīng)面法設(shè)計(jì)原理，采用Box-Behnken模型對混凝操作的主要性能指標(biāo)進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以快速攪拌速度（A）、快速攪拌時(shí)間（B）、慢速攪拌速度（C）為考察因素（自變量），以+1、0、-1分別代表自變量的高、中、低3因素水平，按照下列方程對自變量進(jìn)行編碼。

式中，xi為自變量的編碼值；Xi 為自變量的真實(shí)值；X0為試驗(yàn)中心點(diǎn)處自變量的真實(shí)值；△X為自變量的變化步長。試驗(yàn)因素編碼及水平見表1。

以快速攪拌速度、慢速攪拌速度、慢速攪拌時(shí)間為自變量，以濁度去除率為響應(yīng)值建立模型，其模型公式為：

模型預(yù)測P=0.000 4（<0.05），表明模型具有較高的預(yù)測性能。自變量之間的交互作用見圖4a～c，實(shí)測值與預(yù)測值相關(guān)系數(shù)見圖5。由圖4、5可知，自變量之間的交互作用形成的峰值在所考察的范圍之內(nèi)，表明自變量之間對殘余濁度的影響具有顯著的交互作用。實(shí)測值與預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)平方（R2）為0.96。由此可知，模型具有較高的可預(yù)測性。根據(jù)Design-Expert軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)器，獲得優(yōu)化的參數(shù)結(jié)果為：快速攪拌速度為347 r/min，快速攪拌時(shí)間為3 min，慢速攪拌速度為79 r/min，可獲得1.70 NTU濁度。根據(jù)初始濁度的不同，按照相同投加量進(jìn)行投加，在最優(yōu)參數(shù)條件下運(yùn)行，殘余濁度應(yīng)有不同程度的變化。響應(yīng)面試驗(yàn)采用的混凝條件為原水初始濁度為40.50 NTU，pH為8.1，慢速攪拌時(shí)間為15 min。

2.3優(yōu)化應(yīng)用根據(jù)最優(yōu)參數(shù)結(jié)果進(jìn)行水源水處理工作。混凝處理參數(shù)：快速攪拌速度為347 r/min，快速攪拌時(shí)間為3 min，pH為8.2，慢速攪拌速度為79 r/min，慢速攪拌時(shí)間為15 min，原水初始濁度為30.10 NTU，總有機(jī)碳（TOC）為9 mg/L。試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖6可知，隨著絮凝劑投加量的增加，濁度逐漸削減，而后增加。增加的主要原因是由于投藥量過大，膠體顆粒被藥劑包裹不能相互碰撞，因此出現(xiàn)膠體緩穩(wěn)現(xiàn)象，過度緩穩(wěn)會導(dǎo)致混凝效率大幅下降。在投加量為5 mg/L時(shí)，殘余濁度最低，僅0.64 NTU。TOC的去除效率總體和殘余濁度的變化一致，區(qū)別是最佳TOC去除率在6 mg/L，去除率達(dá)到50.74%。總之，該混凝過程通過響應(yīng)面改善混凝條件后，水處理效果較為理想。

3結(jié)論

通過響應(yīng)曲面法改進(jìn)混凝操作工藝，具有較強(qiáng)的可操作性，預(yù)測性能良好，能夠提升混凝工藝參數(shù)，處理效率得到提升。快速攪拌速度、快速攪拌時(shí)間、慢速攪拌速度3因素對微污染源水濁度去除的影響具有交互作用。該研究分析得出聚合硫酸鐵絮凝去除微污染源水的優(yōu)化工藝具有很好的應(yīng)用性，采用5 mg/L混凝劑投加量、優(yōu)化的混凝試驗(yàn)條件，去除9 mg/L TOC與30.10 NTU初始濁度的原水，結(jié)果顯示TOC去除率能夠達(dá)到50.74%，殘余濁度低至0.64 NTU。

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