基于響應面的混凝沉淀法處理印染廢水工藝優(yōu)化

舒服華

（武漢理工大學繼續(xù)教育學院，湖北武漢 430070）

印染是紡織品生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，色調單一的坯布通過印染工藝處理可得到五顏六色的布料，滿足人們對服裝、裝飾材料等的美感要求。眾所周知，印染行業(yè)污染大，染料成分復雜，其中大部分具有較強的毒性［1］。印染廢水中殘存有較多的染料及其反應生成物，如果不經(jīng)處理直接排入地下，勢必給水體及自然環(huán)境造成極大的污染，因此，廢水的治理是印染生產(chǎn)的重要組成部分。印染廢水處理方法較多，常見的有膜分離法、萃取法、微波輻射法、氧化法、混凝沉淀法、生物法、吸附法等［2-3］。其中，混凝沉淀法工藝簡單、效果良好，處理效率可達95%以上，且投資少，運行管理成本低，與其他污水處理方法相比，混凝沉淀法經(jīng)濟效益具有明顯優(yōu)勢，是使用最普遍的一種印染廢水處理方法。混凝沉淀法通過在印染廢水中加入無機或有機高分子混凝劑，使殘存在廢水中的染料以膠體或懸浮狀態(tài)沉淀，主要包括混凝沉淀法、混凝氣浮法［4］。混凝沉淀法的工藝參數(shù)對水處理效果十分關鍵，工藝參數(shù)優(yōu)化是工藝設計和生產(chǎn)控制的核心，本研究運用響應面法優(yōu)化混凝沉淀法工藝。

1 實驗

1.1 材料

印染廢水：BOD5=487 mg/L，CODCr=858 mg/L，懸浮物631 mg/L，pH=9。

試劑：聚合氯化鋁（PAC，混凝劑，堿化度50%～70%）、聚丙烯酰胺（PAM，助凝劑，水溶液有效物質量分數(shù)96%）、氯化鐵（FeCl3，水溶液有效物質量分數(shù)98%）（荊門浩天化工污水材料有限公司）。

1.2 儀器

MY3000 混凝試驗攪拌機，GZ-WXJ-Ⅲ型微波閉式消解儀，PHSJ-3F型實驗室pH 計。

1.3 混凝沉淀法處理工藝［1］

采用靜態(tài)燒杯法處理：取1 L 水樣置于混凝試驗攪拌機上，加入氯化鐵溶液調節(jié)pH，以100 r/min 攪拌1 min 使水樣混勻，投入PAC，以300 r/min 快速攪拌1 min，投入PAM，以300 r/min 快速攪拌2 min，之后30 r/min 慢速攪拌5 min，靜置30 min，取上層清液測色度、濁度和COD。

2 結果與討論

2.1 中心組合實驗

以pH（A）、PAC 用量（B）、PAM 用量（C）為混凝沉淀法優(yōu)化工藝參數(shù)，色度去除率（Y1）、濁度去除率（Y2）、COD 去除率（Y3）為綜合優(yōu)化目標，根據(jù)中心組合實驗設計3 因素5 水平二次回歸正交實驗，實驗設計及編碼見表1，實驗結果見表2。

表1 混凝沉淀法中心組合實驗設計

表2 混凝沉淀法中心組合實驗結果

2.2 二次回歸方程

根據(jù)表2 的實驗數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)計學原理進行二次回歸擬合，3 因素的二次回歸線性方程為［5-6］：Yi=βi+ai1A+ai2B+ai3C+bi1AB+bi2AC+bi3BC+ci1A2+ci2B2+ci3C2，其中，Yi為各工藝目標的響應值，βi為截距，aij為線性系數(shù)，bij為交互項系數(shù)，cij為二次項系數(shù)，i，j=1、2、3。利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具可得到Y1、Y2、Y3的響應方程各系數(shù)，結果如表3。

根據(jù)表3 中響應方程一次項系數(shù)絕對值的大小可以判斷各工藝參數(shù)對不同工藝目標的影響程度。對色度去除率影響由大到小的工藝參數(shù)為助凝劑用量、混凝劑用量、pH；對濁度去除率影響由大到小的工藝參數(shù)為助凝劑用量、混凝劑用量、pH；對COD 去除率影響由大到小的工藝參數(shù)為助凝劑用量、pH；混凝劑用量。這主要是因為PAM 具有良好的絮凝性，可以促進污水中顆粒聚結長大，提高沉降分離效率；PAM 能通過減緩污水的流動性使部分顆粒較大的雜質沉淀下來，而PAM 表面所具有的吸附性還能夠吸附細小的顆粒雜質，從而有效地保證污水較低的顆粒量。由此可見，PAM 對水質的適應性較好，對含有各類不同成分的污水都能發(fā)揮效果，因此對印染廢水各指標影響較大。

表3 優(yōu)化目標響應值方程系數(shù)

續(xù)表3

2.3 方差分析

方差分析主要是檢驗模型的擬合精度。方差分析常用的指標有模型檢驗值F、失擬項檢驗值F′、模型概率P、失擬項概率P′、相關系數(shù)R2、修正相關系數(shù)R2Adj、信噪比Ps等。F 越大、P 越小、Ps越大，模型的擬合精度越高；F′越小、P′越大，模型的擬合精度越高；R2越大，模型的擬合精度越高。但R2隨著自變量的個數(shù)增加而增大，為全面考察擬合程度，引進R2Adj。當R2Adj與R2接近時，擬合程度較好；當R2Adj與R2相差較大時，說明近似模型中存在不重要的參數(shù)，可以通過回歸分析刪除冗余參數(shù)。

利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具對擬合模型進行方差分析，結果見表4。對于Y1，F(xiàn)=74.40，遠遠大于F0.01(9,3)=6.42，P 小于0.000 1，屬于極其顯著水平，F(xiàn)′=1.50，小于F0.05(9,3)=4.26，P′=0.333 9（大于0.05），屬于不顯著水平，R2Adj=0.991 7，接近1，表明有較好的擬合精度，Ps=33.720，遠大于合格水平4.0，擬合平均誤差為0.67%。綜上所述，模型對色度去除率有較高的擬合精度。同理可證明模型對Y2、Y3也有較高的擬合精度。因此，模型可以用于優(yōu)化工藝參數(shù)［5］。

表4 方差分析結果

2.4 工藝優(yōu)化

2.4.1 優(yōu)化方法

利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具，以色度去除率、濁度去除率、COD 去除率為綜合優(yōu)化目標（均最大），對混凝沉淀工藝參數(shù)進行優(yōu)化。綜合工藝目標為單工藝目標的線性組合，由于各單工藝目標對綜合工藝目標的影響程度不同，即重要性不同，這種差異需要用權重加以體現(xiàn)，故綜合工藝優(yōu)化目標［6］可以表示為：

式（1）中，ω1、ω2、ω3為各單工藝目標的權重。

采用變異系數(shù)法確定各單工藝目標的權重。變異系數(shù)法直接利用各項指標所包含的信息確定其權重的客觀賦權，取值差異越大的指標，越能反映指標的差距，被賦予的權重越大［6］。指標的變異系數(shù)為：

式（2）中，Vi為第i 個指標的變異系數(shù)為第i 個指標的平均值；σi為第i個指標的標準差。指標的權重為：

式（3）中，ωi為第i個指標的權重。

Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具直接給出了單工藝目標的變異系數(shù)（C.V.）。由表4 可知，混凝沉淀法3 個單工藝目標的變異系數(shù)分別為0.41、0.37、0.58，因此權重分別為0.301 47、0.272 1、0.429 5。

利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具對式（1）進行優(yōu)化求解，得到混凝沉淀法多工藝目標綜合優(yōu)化結果為：pH=8.0、混凝劑用量6.90 mg/L，助凝劑用量0.94 mg/L。此時，Y1=81.512 2%，Y2=83.599 7%，Y3=54.001 7%，并可得到優(yōu)化結果的可信度為0.802，可信概率較大，說明優(yōu)化結果可靠度較高。

2.4.2 交互項影響分析

利用Design-Expert 8.0.6 優(yōu)化工具作模型交互項的3D 圖和等高線圖，圖1～3 為3 個因素中一個因素取0水平，另兩個因素對工藝目標交互作用的響應面。

圖1 pH、混凝劑用量、助凝劑用量對色度去除率的交互影響

圖1 為混凝沉淀法工藝參數(shù)對色度去除率的影響。前兩個響應面幾乎為平面，說明pH 和混凝劑用量、pH 和助凝劑用量對色度去除率影響不大，最后一個響應面為凸曲面，表明混凝劑用量和助凝劑用量靠近中間值時對色度去除率比較有利。

圖2 pH、混凝劑用量、助凝劑用量對濁度去除率的交互影響

圖2 為混凝沉淀法工藝參數(shù)對濁度去除率的影響。3 個響應面均為凸曲面，說明工藝參數(shù)適中時對濁度去除率有利，混凝劑、助凝劑用量對濁度去除率影響較大。

圖3 pH、混凝劑用量、助凝劑用量對COD 去除率的交互影響

圖3 為混凝沉淀法工藝參數(shù)對COD 去除率的影響。前一個為斜面平面，說明pH 和混凝劑用量越大，COD 去除率越高，另兩個為凸曲面，說明pH、混凝劑用量和助凝劑用量取中間值時，COD 去除率越高。

響應面底部為等高線，表明為交互項對工藝目標的影響程度。等高線為圓形時，交互因素對工藝目標影響最大，橢圓次之，再次是封閉曲線，非封閉曲線的影響最小。對于色度去除率，交互項影響從大到小依次為AB、AC、BC。對于濁度去除率，交互項影響從大到小依次為AB、AC、BC。對于COD 去除率，交互項影響的從大到小依次為AB、BC、AC。

沉淀物處理：將0.1%～0.5%的絮凝劑加入沉淀物中混合均勻，通過壓濾機濾去水分，得到含水率為60%～75%的泥團，在泥團中加入1.0%～1.5%的生石灰混合均勻，送入成型機保壓脫水，得到污泥泥塊，可以作為肥料或者工業(yè)燃料，變廢為寶，實現(xiàn)資源循環(huán)再利用。

3 結語

響應面優(yōu)化混凝沉淀法工藝為：pH=8.0，混凝劑用量6.90 mg/L，助凝劑用量0.94 mg/L。此時，色度去除率為81.512 2%，濁度去除率為83.599 7%，COD 去除率為54.001 7%。