微污染水混凝最优水力条件研究

李 鹰,刘峙嵘,戴 荧

(东华理工大学化学生物与材料科学学院,江西抚州 344000)

微污染水混凝最优水力条件研究

李 鹰,刘峙嵘,戴 荧

(东华理工大学化学生物与材料科学学院,江西抚州 344000)

以聚合磷硫酸铁为絮凝剂,强化混凝处理模拟微污染水,并引入新的参数——分形维数作为净化控制指标,系统考察了混合速度、混合时间、絮凝速度、絮凝时间、沉淀时间等因素的影响,并通过响应曲面法对水力条件进行优化,得出最佳水力条件为:混合速度为244.32 r/min,混合时间为40.55 s,絮凝速度为61.56 r/min,絮凝时间为15.66 min,沉淀时间为32.35 min。在此条件下,絮体分形维数为1.7668,与拟合的二次回归模型预测值基本相符,相应的浊度及COD(Mn)去除率分别为85.34%和62.03%。

响应曲面法;水力条件;聚合磷硫酸铁;分形维数

目前,众多河水受到轻度污染成为微污染水,而目前普遍采用的常规净化工艺又很难去除污染物,尤其是有机污染物[1]。目前,国内处理微污染水的方法主要有预处理、深度处理和强化常规处理[2-3]3种。强化常规处理工艺是目前去除微污染水中有机物的最经济最有效的手段。

水力条件在强化常规水处理中有重要影响[4]。水力条件对絮凝体的形成十分重要,有时甚至起决定性作用:搅拌强度过大,会造成絮体颗粒破碎,影响净化效果;搅拌强度不够,颗粒间碰撞几率小,不利于矾花形成[5]。混凝包括混合和絮凝阶段。混合阶段,要求絮凝剂迅速而均匀地扩散到水中,同时水中的微小悬浮物和胶体失去稳定性,因此应在短时间内激烈紊动;絮凝阶段,要求水的紊动程度逐渐减弱,停留时间延长,以创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件使微小絮体继续成长。

本试验研究了以聚合磷硫酸铁为絮凝剂,引入新的参数——分形维数作为控制指标,在单因素试验基础上,通过响应曲面法优化水力条件,处理模拟的微污染水,为其实际应用确定工艺参数。

1 试验部分

1.1 主要仪器与试剂

CP224S型电子天平:北京赛多利斯仪器系统有限公司;ZR-6型六联混凝试验搅拌器:北京格拉威尔科技有限责任公司;721-E型可见分光光度计:上海光谱仪器有限公司;S-3C型p H酸度计:上海虹益仪器仪表有限公司;HH-S6型数显恒温水浴锅:江苏瑞华仪器有限公司。

聚合磷硫酸铁:按文献[6]方法制备;腐殖酸:生化试剂,质量分数大于80%;高岭土、硫酸肼、六次甲基四胺、氢氧化钠均为分析纯;硫酸(1+3);高锰酸钾标准储备液(0.100 mol/L);高锰酸钾标准溶液(0.010 mol/L);草酸钠标准储备液(0.100 mol/L);草酸钠标准溶液(0.010 mol/L)。其他试剂无特别注明均为分析纯。

1.2 模拟微污染水样

取一定量干燥腐殖酸固体微细粉末,用NaOH溶液调pH为12.0左右,缓慢溶解后过滤,备用。取一定量腐殖酸溶液,搅拌条件下加入60 mg/L高岭土,30 mg/L KNO3,1.5 mg/L NaNO2,1.0 mg/L NH4Cl,搅拌,静置30 min,制成模拟微污染水样。模拟水样各项指标为:浊度21.87 NTU;COD(Mn)=9.67 mg/L;pH=7.02;温度=(22±2)℃。

1.3 分析方法

浊度测定[7]采用分光光度法;COD测定参照GB11892—1989水质-化学需氧量的测定——高锰酸钾法;分形维数测定[8]采用静态显微图像法,用ERDAS IMAGINE软件分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 混合速度的确定

取微污染水样,加入聚合磷硫酸铁(PFPS)35 mg/L,调节p H值为7.0,分别以不同搅拌速度快速混合35 s,再以50 r/min搅拌速度慢速絮凝15 min,沉淀25 min后检测水样浊度、COD(Mn)、分形维数,结果如图1所示。

图1 混合速度的影响

从图1看出:随混合速度增大,浊度去除率、COD(Mn)去除率、分形维数均先升高而后降低;混合速度为250 r/min时浊度去除率最高,分形维数最大;混合速度为300 r/min时,COD(Mn)去除率最大,即有机物去除效果最佳;混合速度由300 r/min减小到250 r/min时,COD(Mn)去除率由62.95%降为58.62%,而浊度去除率则由78.01%升高为83.49%。综合考虑,混合速度以250 r/min为最佳。

2.1.2 混合时间的确定

取微污染水样,加入 PFPS 35 mg/L,调节p H值为7.0,先以250 r/min的速度快速混合一定时间,再以50 r/min速度慢速絮凝15 min,沉淀25 min后检测水样浊度、COD(Mn)和分形维数,结果如图2所示。从图2看出:随混合时间延长,浊度和COD(Mn)去除率、分形维数均先升高后降低;混合40 s时,浊度去除率和分形维数达到最大;混合30 s时,COD(Mn)去除率最高。综合比较,混合时间以40 s为宜。

图2 混合时间的影响

絮凝剂水解及形成聚合物所需反应时间非常短,所以应使絮凝剂在尚未产生水解吸附或架桥之前就完全而均匀地扩散到整个水体中,以便与最大数量的悬浮颗粒进行接触反应。混合阶段,应在短时间内激烈紊动,如果混合速度过低,混合时间过短,絮凝剂不能迅速而均匀地扩散,不能与固体颗粒充分接触,从而不利于絮凝剂捕集胶体颗粒,不利于发挥絮凝作用;但如果混合速度过快,混合时间过长,会使能够沉降的颗粒被搅碎后变成不沉降颗粒,也会降低絮凝效果。

2.1.3 絮凝速度的确定

取微污染水样,调节pH值为7.0,PFPS加入量为35 mg/L,先以250 r/min速度快速混合40 s,再分别以不同搅拌速度搅拌絮凝15 min,沉淀25 min后检测浊度、COD(Mn)和分形维数,结果如图3所示。可以看出,絮凝速度为60 r/min时,浊度去除率和COD(Mn)去除率最高,分形维数最大。

图3 絮凝速度的影响

2.1.4 絮凝时间的确定

取微污染水样,调节p H值为7.0,PFPS加入量为35 mg/L,先以250 r/min速度快速混合40 s,再以60 r/min速度搅拌絮凝不同时间后沉淀25 min,检测其浊度、COD(Mn)和分形维数,结果如图4所示。可以看出,絮凝时间为15 min时,浊度去除率最高,分形维数最大;而对于COD(Mn)去除率,絮凝时间为10 min时效果最佳。综合考虑,絮凝时间确定为15 min。

图4 絮凝时间的影响

絮凝是在胶体脱稳后,胶粒之间相互运动造成碰撞而逐渐聚集成大颗粒。絮凝体颗粒逐渐增大有利于絮体沉降。絮凝阶段,要求水的紊动程度逐渐减弱,停留时间延长,创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件,使微小的絮体继续成长。由于大的絮凝体容易破碎,絮凝速度过快,如絮凝时间过长则容易使大絮体破碎,重新分散到溶液中,影响絮凝效果;如果絮凝速度过慢,絮凝时间过短,则胶粒之间碰撞机会不多,不利于絮体聚集,从而影响浊度和有机物的去除。

2.1.5 沉淀时间的确定

取微污染水样,调节p H值为7.0,PFPS加入量为35 mg/L,先以250 r/min的速度快速混合40 s,再以60 r/min速度絮凝15 min,沉淀不同时间后,分别取其液面下2 cm处液体检测浊度、COD(Mn)和分形维数,结果如图5所示。

图5 沉淀时间的影响

由图5可知:随沉淀时间延长,浊度和COD(Mn)去除率、分型维数的曲线变化趋势均由低到高再由高到低;沉淀30 min时,浊度去除率最高,分形维数最大;沉淀25 min时,COD(Mn)去除效果最佳。所以,絮凝时间以30 min为最佳。

2.1.6 浊度、COD(Mn)与分形维数的关系

从上述试验结果可以看出:浊度去除率与絮体分形维数曲线变化趋势一致;COD(Mn)去除率曲线变化有些波动(提前或抑后),但变化幅度比较小,即在实际运行中可以分形维数代替浊度、COD(Mn)参数作为控制指标,即经济又简便。

2.2 响应曲面法优化水力条件研究

从单因素试验结果可知:水力条件影响因素相当复杂,可变因素较多,而且单因素试验考察的因素水平仅局限于局部区域,不能全面反映因素的所有影响。本研究在单因素试验基础上进行多因素试验设计,以期对水力条件进行优化。

2.2.1 中心组合设计

试验采用响应曲面法中的5因素3水平旋转中心组合设计。以单因素试验中的5个因素(混合速度、混合时间、絮凝速度、絮凝时间和沉淀时间)为自变量 ,分别以 x1、x2、x3、x4、x5表示 ,并以1、0、-1分别代表高、中、低水平 ,按式(1) 对自变量进行编码:

式中:Xi为自变量的编码值;xi为自变量的真实值;x0为试验中心点处自变量的真实值;Δx为自变量的变化步长。

根据单因素试验选定的各水平范围,试验因素编码及水平见表1,试验设计见表2。总共46个独立设计点,以絮体分形维数为响应值 Y。试验数据的统计分析、建模以及工艺参数的优化均采用Design Expert7.0软件。

表1 试验因素水平和编码

表2 试验设计与结果

2.2.2 模型建立及显著性分析

对试验数据进行回归拟合,确立最优拟合二次多项式方程。模型方程为:

对上述模型方程进行方差分析,由表3可知,F=24.85>F0.01(20,5)=9.55,P=0.000 1<0.01,表明试验所选模型为极显著。模型的修正决定系数(R2修正值)为0.967 4,表明影响水力条件的因素大约96.74%分布在这5个因素中,仅有3.26%不能由该模型解释,模型拟合程度良好。相关系数 R2=0.983 3,接近于1,表明实测值和预测值之间的相关性较高,试验误差较小。

表3 回归模型方差分析表

从表3看出:一次项 x1、x3、x4对水力条件影响极显著(P<0.01),x2影响显著(P<0.05),x5影响不显著;二次项影响极显著;交互项影响不显著;失拟项不显著(P=0.091 4>0.05),表明在试验所选5因素范围之内,所得模型可以反映参数之间的真实关系,可以用此模型对各因素进行分析和预测。

2.2.3 响应曲面分析及优化

以式(2)数学模型为基础,应用Design Expert 7.0软件编程,绘制响应值分形维数与水力条件影响因素三维图(响应曲面),如图6～9所示。

图6 混合速度和混合时间对分形维数影响的响应曲面和等高线

图7 混合时间和絮凝速度对分形维数影响的响应曲面和等高线

图8 絮凝速度和絮凝时间对分形维数影响的响应曲面和等高线

图9 絮凝时间和沉淀时间对分形维数影响的响应曲面和等高线

最佳水平范围在响应曲面顶点附近区域。如果响应曲面坡度较平缓,表明改因素对响应值的影响程度不明显,相反,如果响应曲面坡度非常陡峭,表明响应值对该因素的影响非常敏感;同时等高线的形状可反映出交互效应的强弱,一般情况下,椭圆形表示2因素交互作用显著,而圆形表示不显著[10]。

由图6可知:在一定混合时间下,分形维数随混合速度增大而增大,当混合速度为250 r/min时,分形维数达到最大;混合速度不变,分形维数随混合时间的延长先增大后减小,混合40 s时分形维数最大;响应曲面坡度陡峭,表明混合速度和混合时间对响应值的影响明显;等高线呈圆形,说明混合速度和混合时间交互作用不显著。这与模型的方差分析结果一致。

由图7可知:在混合时间30～40 s、絮凝速度50～60 r/min范围内,分形维数随混合时间和絮凝速度增大而增大,但混合时间和絮凝速度进一步增加,分形维数反而呈减小趋势;混合时间为40 s、絮凝速度为60 r/min时,分形维数达到最大;响应曲面坡度陡峭,表明混合时间和絮凝速度对响应值的影响明显;等高线近乎圆形,说明混合时间和絮凝速度交互作用不显著。这与模型的方差分析结果一致。

由图8可知:分形维数随絮凝速度和絮凝时间增大呈先增大后减小的变化趋势;絮凝速度60 r/min、絮凝时间15 min时,分形维数达到最大;响应曲面坡度陡峭,表明絮凝速度和絮凝时间对响应值的影响程度明显;等高线呈圆形,说明絮凝速度和絮凝时间交互作用不显著。这与模型的方差分析结果一致。

从图9看出:响应曲面坡度较平缓,表明沉淀时间对响应值的影响不太明显;等高线呈圆形,说明絮凝时间和沉淀时间交互作用不显著,这与模型的方差分析结果一致;当絮凝时间15 min、沉淀时间30 min时,分形维数达到最大。

利用Design Expert7.0软件的优化功能得到最优水力条件,响应值 Y(分形维数)的最大预测值为1.774 2,此时5个因素对应的值分别为:混合速度244.32 r/min,混合时间40.55 s,絮凝速度61.56 r/min,絮凝时间15.66 min,沉淀时间32.35 min。

2.2.4 验证试验

为了验证模型方程(2)的合适性和有效性,以上述条件进行验证试验,并与单因素试验得出的最佳条件进行对比,结果见表4。可以看出:浊度去除率为85.34%,COD(Mn)去除率为62.03%,分形维数1.766 8,预测值与试验值接近,表明模型合适有效,具有一定的实践指导意义。

表4 不同试验设计下的优化结果

3 结论

1)以浊度、COD(Mn)作为净化参数,同时引入新的参数——分形维数与之比较,试验证明分形维数与浊度、COD(Mn)变化趋势基本一致,即在实际运行中可以以分形维数代替其他参数作为微污染水过程中净化控制指标,即经济又简便。

2)利用响应曲面法对水力条件进行优化,得出最佳水力条件:混合速度244.32 r/min,混合时间40.55 s,絮凝速度61.56 r/min,絮凝时间15.66 min,沉淀时间32.35 min。在此条件条件下处理实验室模拟废水,絮体分形维数为1.766 8,浊度去除率为85.34%,COD(Mn)去除率为62.03%。

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Abstract:The effects of mixing rate,mixing time,flocculating velocity and flocculating time for simulation micro-polluted water using polymeric ferric phosphoric sulfate as flocculent by strengthen hydraulic condition technology were investigated systematically.The hydraulic conditions were optimized by the response surface method.The optimum hydraulic conditions are mixing rate of 244.32 r/min,mixing time of 40.55 s,sedimentation time of 40.55 s,flocculating velocity of 61.56 r/min,flocculating time of 15.66 min.The fractal dimension can be up to 1.766 8.The validation test results show that the prediction values of the fitted quadratic regression model are agreed with the experimental values.

Key words:response surface method;hydraulic condition;polymeric ferric phosphoric sulfate;fractal dimension

Optimization of Hydraulic Condition on Flocculation for Micro-polluted Water

LI Ying,LIU Zhi-rong,DAI Ying
(Chemical,Biological and Materials Science Colleges,East China University of Technology,Fuzhou 344000,China)

X52

A

1009-2617(2010)02-0108-06

2009-12-25

江西省青年科学家(井冈之星)培养对象计划,项目编号:2009DQ01600。

李鹰(1984-),男,江西鹰潭人,硕士研究生,主要研究方向为环境科学。