響應面分析法優(yōu)化超聲波輔助PAC 混凝工藝參數(shù)試驗

管冠宇 李祥林 韋志新

蕪湖華衍水務有限公司 安徽蕪湖 241001

聚合氯化鋁（PAC）作為一種無機高分子混凝劑具有較強的電中和聚集能力，PAC 中的高電荷能夠發(fā)揮較好的電中和和吸附能力，投入水中后可以產(chǎn)生有效的混凝效果，因此常用于當前水廠的水處理工藝[1-3]。當前，水體污染使得原水濁度較高，僅依靠投加PAC 不能很好的降低沉淀出水的濁度，并且PAC 投加量過高也會帶來水中鋁離子超標等問題[4]。楊婷等研究了超聲技術在水處理中的應用，研究表明：超聲波具有方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的能量等優(yōu)點[5-6]。超聲波強化混凝的原理是通過物理作用使膠體脫穩(wěn)，易于水中雜質(zhì)的聚凝效果以及產(chǎn)生快速沉降的作用[7-9]。并且不會產(chǎn)生化學副產(chǎn)物。因此，利用超聲波物理作用原理及其在水處理中的應用對于提高水處理效率具有一定意義。本研究以長江蕪湖段江水為原水，通過單因素試驗研究原水溫度、攪拌速度、原水pH 值、PAC 投加量、超聲時間等因素對沉淀出水濁度的影響[10-12]。在此基礎上，利用響應面法優(yōu)化分析影響因素，以期達到降低沉淀出水濁度的效果，為實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗材料：長江蕪湖段水源（濁度為35-75NTU、pH 值為6.5-8.5、水溫為12-26℃。）

試驗儀器：超聲波清洗機；六聯(lián)程控混凝攪拌機；散射式濁度儀。

1.2 方法

1.2.1 單一PAC 混凝

取1000mL 水樣，原水溫度調(diào)整為25℃，pH 控制在7.9，置于六聯(lián)混凝攪拌儀中，加入混凝劑PAC，投加量為20mg/L，在400r/min 下快速攪拌1min、在210r/min 下中速攪拌5min、在30r/min 下低速攪拌10min，靜置30min，然后于液面下2cm 處取上清液測定其濁度，即為沉淀出水濁度。

1.2.2 超聲波輔助PAC 混凝

取1000mL 水樣，原水溫度調(diào)整為25℃，pH 控制在7.9，并置于80W 超聲波清洗機中，超聲5min 后置于六聯(lián)混凝攪拌儀中，其他條件同方法1.2.1。

1.2.3 單因素及響應面試驗設計

分別選擇原水溫度、攪拌速度、PAC 投加量、超聲時間、超聲功率5 個因素進行試驗，確定主要影響因素。并利用響應面分析法對各因素進行分析，得到優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)。

2 結果與討論

2.1 對照試驗結果

通過三次對照試驗，單一PAC 混凝結果分別為1.05、1.01、0.95NTU；超聲波輔助PAC 混凝結果分別為0.48、0.54、0.41NTU。說明超聲波輔助PAC 混凝能夠很好的降低沉淀出水濁度。因此，進一步研究不同因素對超聲波輔助PAC降低沉淀出水濁度的影響。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 原水溫度對沉淀出水濁度的影響

如圖1 所示，當原水溫度從15℃上升至35℃時，沉淀出水濁度逐漸下降。說明隨著溫度的升高能夠使得混凝效果越來越好，沉淀出水濁度從0.51NTU 降至0.25NTU。長江原水溫度常年在12-26℃，考慮后續(xù)實驗方便進展，將原水溫度控制在25℃。

2.2.2 攪拌速度對沉淀出水濁度的影響

如圖2 所示，攪拌速度對沉淀出水濁度會產(chǎn)生一定的影響。當攪拌速度從150r/min上升至240r/min時，沉淀出水濁度從0.55NTU逐漸下降到0.35NTU，混凝效果較佳。當攪拌速度達到270r/min 時，沉淀出水濁度為0.6NTU，這是由于過度攪拌導致水中絮凝體發(fā)生破碎現(xiàn)象，使得水中膠體等顆粒難以沉淀，因此濁度升高。

2.2.3 PAC 投加量對沉淀出水濁度的影響

PAC 作為水處理中常用的混凝劑，對于降低水的濁度起到關鍵作用。如圖3 所示，選擇投加量為10mg/L 時，沉淀出水濁度為0.86NTU。隨著投加量的增加，沉淀出水濁度呈現(xiàn)下降趨勢，當投加量為25mg/L 時，沉淀出水濁度達到最低值0.32NTU，說明此時混凝效果最佳。當投加量為30mg/L 時，沉淀出水濁度開始升高，這是由于投加量過高導致水中顆粒產(chǎn)生膠體保護現(xiàn)象，使混凝過程不完全。

2.2.4 超聲時間對沉淀出水濁度的影響

如圖4 所示，超聲時間對沉淀出水濁度有一定影響。超聲時間選擇從3min 至7min 區(qū)間，沉淀出水濁度呈現(xiàn)波動趨勢。4min 和6min時，濁度相對較低，考慮能耗原因，選擇4min為最佳超聲時間。在此條件下，沉淀出水濁度為0.3NTU。

2.2.5 超聲功率對沉淀出水濁度的影響

如圖5 所示，超聲功率對沉淀出水濁度影響較大。當超聲功率從60W 升至100W，沉淀出水濁度呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢。說明超聲功率過低，對水中顆粒難以產(chǎn)生機械作用，因此對混凝效果影響不大，而當超聲功率過高時，水中顆粒在機械作用下破碎成過于細小的顆粒，從而影響混凝效果。因此，當超聲功率為80W 時，水中膠體顆粒脫穩(wěn)并發(fā)生沉降，超聲作用明顯，沉淀出水濁度達到最低值0.29NTU。

2.3 響應面法試驗結果

2.3.1 Box-Behnken 試驗設計結果

以單因素結果為依據(jù)，選擇攪拌速度（210r/min、240r/min、270r/min）、PAC 投加量（20mg/L、25mg/L、30mg/L）、 超聲時間（4min、5min、6min）、超聲功率（70W、80W、90W）為4 個主要因素，細化因素水平，根據(jù)Box-Behnken 試驗設計原理得到試驗結果。

表1 Box-Behnken 設計試驗結果

2.3.2 模型建立與方差分析

利用軟件設計Design-Expert8.0.6 對數(shù)據(jù)進行二次多項式回歸擬合，得到以下回歸方程：

Y=0.29600+0.10583A-0.093333B+0.018333C+4.16667E-003D+7.50000E-003AB-0.085000AC+0.040000AD+0.057500 BC+0.040000BD-0.012500CD+0.15450A2+0.12075B2+0.07075-0C2+0.044500D2

利用軟件分析可知，該回歸模型具有顯著性（P＜0.005），失擬項不顯著（P＞0.05），決定系數(shù)（R2）為0.8927，信噪比為9.763，表明該模型擬合度好，試驗誤差小。該模型能較準確的分析影響因素和響應值之間的關系，因此，利用該方程模型可對超聲波輔助PAC 降低沉淀出水濁度的最佳工藝條件進行分析。其中，自變量的一次系數(shù) A 極顯著（P＜0.0001），自變量一次系數(shù)B 顯著（P＜0.05），二次項 A2 極顯著（P＜0.0001），二次項B2、C2顯著（P＜0.05）。根據(jù)F 值分析，對沉淀出水濁度影響大小的排列順序依次為：攪拌速度＞PAC 投加量＞超聲時間＞超聲功率。

2.3.3 各因素交互作用的響應面分析

根據(jù)回歸模擬方差分析及圖6（a）-（b）各因素交互作用對沉淀出水濁度影響的三維曲面可知，交互項攪拌速度和超聲時間（AC）的交互作用對沉淀出水濁度影響顯著（p ＜0.05），其他交互影響不顯著。

3 結語

通過對照試驗，說明超聲波輔助PAC 混凝能夠很好的降低沉淀出水濁度。在此基礎上，通過單因素試驗確定攪拌速度、PAC投加量、超聲時間、超聲功率4 個因素對沉淀出水濁度的影響較大。利用響應面分析法對最佳工藝參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后參數(shù)為：攪拌速度230r/min、PAC 投加量24mg/L、超聲時間4min、超聲功率80W。此條件下沉淀出水濁度為0.28NTU，實驗結果對以長江水為水源地的水廠的水處理工藝具有較佳參考意義。