響應(yīng)面法優(yōu)化混凝處理黃河蘭州段低溫低濁水

閆曉濤， 李 杰,， 馮淑琪， 李玉皎

(1.蘭州城市供水(集團(tuán))有限公司， 甘肅 蘭州 730060； 2.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

冬季黃河水源水長期處于水溫低于 10℃、濁度低于 10 NTU的低溫低濁狀態(tài)[1-2]。低溫會使水處理藥劑水解不徹底，同時由于水中濁質(zhì)顆粒過少，混凝時顆粒間凝聚、碰撞幾率減少，不易形成絮體[3-5]，導(dǎo)致常規(guī)給水混凝工藝處理效果較差，這成為黃河沿線水廠冬季水處理中水質(zhì)保障的一個主要難題。目前，給水廠處理低溫低濁水時，通常采取增加絮凝劑的投藥量，甚至投加黏土等附加微粒作為絮凝介質(zhì)等處理措施以提高水處理效果[6-9]，但這種方法不僅提高了處理成本，而且還將導(dǎo)致污泥量增加、濾池過濾周期縮短、混凝劑殘余量升高等問題，給凈水設(shè)施的維護(hù)和管理帶來很大的弊端[10]。

蘭州城市供水集團(tuán)以黃河蘭州段為水源水，目前采用預(yù)沉池→機(jī)械加速澄清池/平流式沉淀池→V型濾池工藝處理冬季黃河低溫低濁水。在混凝沉淀過程中混凝劑投加量較大，導(dǎo)致水處理成本有所增加。優(yōu)化混凝工藝中混凝劑與助凝劑配比及投加條件，可有效降低水處理成本，提高出水水質(zhì)，是保障水質(zhì)安全的有效手段。

通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)建反應(yīng)模型有利于優(yōu)化反應(yīng)條件，提高處理效果。響應(yīng)面分析法在國內(nèi)外均有大量研究[11-13]，其能根據(jù)少量具有代表性的實(shí)驗(yàn)建立各因素與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)學(xué)模型，可預(yù)測出最佳區(qū)域響應(yīng)最優(yōu)值，進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件，并可揭示各交互作用內(nèi)在聯(lián)系。

本研究根據(jù)冬季黃河蘭州段給水廠源水低溫低濁的水質(zhì)特點(diǎn)，采用響應(yīng)面法對混凝工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期為本廠技術(shù)革新和工藝優(yōu)化提供技術(shù)支持。

2 材料和方法

2.1 材料與儀器

材料：采用聚合氯化鋁鐵(PFAC)為混凝劑(含Al：0.5%、Fe：0.03%)，聚丙烯酰胺(PAM)為助凝劑，均為蘭州城市供水集團(tuán)自配藥劑，具有價格低廉，處理效果穩(wěn)定的特點(diǎn)。

儀器：721N型可見分光光度計(jì)(上海精科儀器有限公司)；DK-98-II型六孔恒溫水浴鍋(天津市奧斯特儀器有限公司)；2100P型濁度儀(哈希水質(zhì)分析儀器有限公司)；JJ-4A型六聯(lián)攪拌機(jī)(常州國華電器有限公司)；SHB-3A型循環(huán)抽濾裝置(鄭州杜甫儀器廠)和規(guī)格為Φ50 mm、孔徑為0.45 μm微孔濾膜(上海興亞凈化材料廠)。

砂濾實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)用砂取自蘭州供水集團(tuán)，砂礫粒徑為0.8～1.5 mm，不均勻系數(shù)為2，有效過濾高度為0.7 m，濾速為10 m/h。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)取水時間為2017年12月，取水后立即測定水質(zhì)參數(shù)。測定結(jié)果為：溫度(5.01±0.24℃)、濁度(8.15±0.19 NTU)、高錳酸鹽指數(shù)(4.89±0.22 mg/L)、氨氮(0.80±0.02 mg/L)。各項(xiàng)指標(biāo)均采用國家標(biāo)準(zhǔn)分析法進(jìn)行測定。

通過對影響因素的單因素分析，確定本實(shí)驗(yàn)的主要影響因素有 4 個：混凝劑PFAC投加量、助凝劑PAM投加量、絮凝時間、絮凝轉(zhuǎn)速。根據(jù)響應(yīng)面分析法的 Box-Behnken 設(shè)計(jì)，對4個顯著性因素進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化 4 個因素的最佳水平點(diǎn)，獲得最佳優(yōu)化條件，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

3 結(jié)果與討論

3.1 Box-Behnken 設(shè)計(jì)結(jié)果與響應(yīng)面分析

根據(jù) Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì)原理[14]，以混凝劑投加量、助凝劑投加量、絮凝時間、絮凝轉(zhuǎn)速4個因素為自變量(分別以X1，X2，X3，X4表示)，以濁度去除率、高錳酸鹽指數(shù)去除率、氨氮去除率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)了4因素3水平共29個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼如表1所示。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平

實(shí)驗(yàn)以隨機(jī)次序進(jìn)行，將實(shí)驗(yàn)所得的濁度去除率、高錳酸鹽指數(shù)去除率、氨氮去除率用 Design-Expert8.0.6軟件進(jìn)行分析，得出響應(yīng)面分析圖、回歸擬合方程以及方差分析表，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

利用 Design-Expert 8.06 軟件對表 2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，各響應(yīng)值回歸分析結(jié)果如表3所示，同時得到濁度去除率(Y1)、高錳酸鹽指數(shù)去除率(Y2)、氨氮去除率(Y3)對混凝劑投加量(X1)、助凝劑投加量(X2)、絮凝時間(X3)及絮凝轉(zhuǎn)速(X4)的二次回歸模型為:

Y1=16.29-1.47X1+0.091X2-0.28X3-0.048X4-1.09X1X2-1.03X1X3+1.19X1X4-0.022X2X3-

(1)

Y2=19.89+1.36X1+1.02X2-0.064X3+0.76X4-1.02X1X2-0.64X1X3-0.69X1X4+0.37X2X3-

(2)

Y3=14.22+1.90X1-0.74X2+1.73X3-0.52X4-1.61X1X2-1.68X1X3-3.48X1X4-1.41X2X3+

(3)

對二次回歸方程的方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表3、4所示。

模型方差的分析及顯著性檢驗(yàn)是衡量模型設(shè)計(jì)合理性及預(yù)測能力的重要方式。Y1模型的F值為41.67，P值<0.0001；Y2模型的F值為15.28、P值<0.0001；Y3模型的F值為22.44，P值<0.0001，模型失擬項(xiàng)分別為0.4064、0.7847、0.2359，均大于0.05，說明3個模型均是顯著的，可信度高，模擬精確。由表4可知，模型的信噪比分別為22.009、13.831、13.730，均大于4，說明3個模型均提供了一個

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 濁度、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮去除率回歸方程的方差分析

注:“*”表示顯著，“**”表示極顯著。

表4 濁度、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮去除率回歸方程顯著性

3.2 交互作用分析

經(jīng)過 Design-Expert8.0.6軟件分析，得到各交互因素對濁度去除率、高錳酸鹽指數(shù)去除率、氨氮去除率的響應(yīng)面，如圖1～3。從圖1～3中可以分析和評估任何 2 個因素的交互作用對響應(yīng)值的影響效應(yīng)，從中確定最佳因素水平。

響應(yīng)面圖中曲面坡度可反映因素對響應(yīng)值的影響大小，坡面越陡，說明該因素對響應(yīng)值的影響越大；因素間交互效應(yīng)的強(qiáng)弱是由等高線的形狀所反映的，圓形表示因素間交互作用不顯著，橢圓形則表示因素間交互作用顯著[15]。

由圖 1 可以看出，混凝劑量與助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉(zhuǎn)速交互作用均極為顯著，助凝劑量與絮凝時間的交互作用不顯著，印證了混凝劑量對濁度去除率影響最為顯著。低溫下，膠體的溶劑化作用增強(qiáng)，顆粒周圍水化作用突出，阻礙濁質(zhì)的凝聚，因而在合適的混凝劑投加量下，可以增加顆粒的碰撞機(jī)會，強(qiáng)化濁質(zhì)的去除。在所選實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)混凝劑量為7.56 mL、助凝劑量為6.56 mL、絮凝時間為30 min、絮凝轉(zhuǎn)速為86.81 r/min時，濁度去除率最大，為16.93%。

從圖2可以看出，混凝劑量與助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉(zhuǎn)速的交互作用均顯著，混凝劑量、助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉(zhuǎn)速兩兩之間均與高錳酸鹽指數(shù)去除率在等高線圖中呈橢圓形、并在3D圖中呈拋物線關(guān)系，有極大值。這點(diǎn)出現(xiàn)在混凝劑量為8.74 mL、助凝劑量為6.12 mL、絮凝時間為34.17 min、絮凝轉(zhuǎn)速為90.57 r/min交匯處，高錳酸鹽指數(shù)去除率為20.20%。

圖3顯示了混凝劑量、助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉(zhuǎn)速4個因素對氨氮去除率的交互作用，混凝劑量與助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉(zhuǎn)速對氨氮去除率的影響大小為：混凝劑量>絮凝時間>助凝劑量>絮凝轉(zhuǎn)速?；炷齽┝颗c絮凝轉(zhuǎn)速對氨氮去除率影響的交互作用最顯著(p=0.0001<0.01)，混凝劑量與助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉(zhuǎn)速的交互作用較為顯著。氨氮去除率隨著混凝劑量、助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉(zhuǎn)速的變化有極大值，這點(diǎn)出現(xiàn)在混凝劑量為10 mL、助凝劑量為4.81 mL、絮凝時間為40 min、絮凝轉(zhuǎn)速為84.82 r/min的交匯處，氨氮去除率為17.47%。

圖1 各交互因素對濁度去除的影響的響應(yīng)面圖

圖2 各交互因素對高錳酸鹽指數(shù)去除率影響的響應(yīng)面圖

圖3 各交互因素對氨氮去除率影響的響應(yīng)面圖

3.3 結(jié)果優(yōu)化

以響應(yīng)面優(yōu)化得到的條件組合，結(jié)合實(shí)際情況，最終通過響應(yīng)面的分析得出混凝法對黃河水中濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮去除率的最佳條件為：混凝劑投加量7.87mL、助凝劑投加量6.06 mL、絮凝時間37 min、絮凝轉(zhuǎn)速90 r/min。在此條件下，濁度去除率為16.3%、高錳酸鹽指數(shù)去除率為19.67%、氨氮去除率為14.68%。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上為了檢驗(yàn)響應(yīng)面法所得結(jié)果，采用上述條件進(jìn)行了 3 次重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)際濁度去除率為16.21%、16.25%、15.98%，實(shí)際高錳酸鹽指數(shù)去除率為19.46%、19.58%、19.55%，實(shí)際氨氮去除率為14.60%、14.47%、14.56%，與預(yù)測值吻合，說明了回歸方程的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值之間具有較好的擬合度。

給水廠在混凝處理后往往采用濾池作為后續(xù)處理。近年來，有部分水廠升級改造中選擇新型膜濾工藝作為給水廠把關(guān)處理工藝[16]。本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步探討了膜濾與傳統(tǒng)砂濾分別作為后續(xù)處理工藝的可行性，為工藝改革提供參考。實(shí)驗(yàn)對混凝法處理黃河冬季低溫低濁水優(yōu)化后，出水沉淀30min后分別經(jīng)膜濾和砂濾處理，處理效果如圖4所示。

圖4 過濾技術(shù)處理混凝優(yōu)化出水

由圖4可知，砂濾處理效果優(yōu)于膜濾。這是因?yàn)槟V的機(jī)理僅為物理截留作用，砂濾處理不僅有物理過濾作用，還有生化作用[17]。測定過濾出水的水質(zhì)指標(biāo)，濁度處理效果最好，其次是氨氮、高錳酸鹽指數(shù)。砂濾對濁度去除率為88.65%、高錳酸鹽指數(shù)去除率為32.28%、氨氮去除率為35.53%。出水水質(zhì)指標(biāo)如下：濁度0.76NTU、高錳酸鹽指數(shù)2.72 mg/L、氨氮0.44 mg/L，可達(dá)到生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)。

4 結(jié) 論

(1)采用聚合氯化鋁鐵(PFAC)為混凝劑，聚丙烯酰胺(PAM)為助凝劑的混凝工藝處理低溫低濁水時，最顯著的影響因素為混凝劑投加量，其次為絮凝時間、助凝劑投加量、絮凝轉(zhuǎn)速。

(2)響應(yīng)面法優(yōu)化混凝工藝去除濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮去除率的最佳操作條件參數(shù)為：混凝劑投加量7.87mL、助凝劑投加量6.06 mL、絮凝時間37 min、絮凝轉(zhuǎn)速90 r/min。在此最佳參數(shù)條件下，濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮去除率分別為16.3%、19.67%、14.68%。

(3)采用響應(yīng)面優(yōu)化混凝后，出水經(jīng)砂濾處理效果更佳。出水濁度為0.76NTU、高錳酸鹽指數(shù)為2.72 mg/L、氨氮為0.44 mg/L，達(dá)到了生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)要求。研究結(jié)果可為蘭州城市供水(集團(tuán))有限公司處理工藝升級改造提供技術(shù)參考，有效保障冬季水廠供水水質(zhì)安全。