响应面法优化混凝处理微污染源水研究

杨海蓉 付永川 王启秀

摘要[目的]研究采用响应面法优化混凝处理微污染源水过程。[方法]以商业聚合硫酸铁絮凝剂为研究对象，研究了快速搅拌速度、快速搅拌时间、慢速搅拌速度对混凝处理效率的影响。采用响应面法优化混凝条件。[结果]实测残余浊度与模拟残余浊度相关系数达0.96，表明预测值与实际值相关性强，模型预测浊度去除率具有较高的可行性。采用5 mg/L混凝剂投加量，处理40.50 NTU与9 mg/L的TOC源水，获得响应面优化的混凝条件，残余浊度达到1.70 NTU。响应面优化获得最优条件：当在快速搅拌速度为347 r/min、快速搅拌时间为3 min、慢速搅拌速度为79 r/min、慢速搅拌时间为15 min的条件下，原水残余浊度为30.10 NTU，实测残余浊度为0.64 NTU，TOC去除率达到50.74%。[结论]基于响应面法优化混凝处理微污染源水具有较高的可应用性。

关键词微污染源水；响应面；混凝；除浊

中图分类号X52文献标识码

A文章编号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

随着社会、经济的发展，水源遭到不同程度的破坏，水体质量下降，对饮用水安全造成了极大威胁[1-2]。因此，提高水处理效率，缓解水资源污染是当前必需解决的重要环保课题之一。水处理过程中，混凝操作单元是必要的预处理过程，具有经济、环保、低能耗的优点，得到了广泛的应用[3]。

尽管混凝操作单元过程简单，但提高混凝处理效率仍依赖于有效的混凝和水质条件[4-5]。当前，探讨有效的混凝条件可以通过实验室烧杯试验[6-7]、现场测试[8]等手段获得。无论哪种测试方法，混凝过程都牵涉到多种因素的优化，如快速搅拌速度、快速搅拌时间、慢速搅拌速度、絮凝体特征等[9]。为综合分析多种因素的交互效果，获得优化的试验条件也是必要环节。综合分析多种因素的关联性和交互结果的方法有多种，其中响应面优化设计方法（response surface methodology，RSM）是得到广泛推广的方法之一。RSM简称响应面法，是一种综合试验设计和数学建模的优化方法[10]，通过局部优化点进行试验，回归拟合全局范围内自变量与因变量之间的函数关系，从而获得各自变量最优水平值[11]。当前，响应面法已在食品[12]、环保[13-14]、生物[15]、化工[16]等領域得到广泛应用。笔者用响应面法优化混凝处理微污染源水的试验条件，以混凝过程中浊度的去除率为响应值，在单因素试验的基础上，采用响应面法对混凝过程中的主要因素进行优化，旨在为水处理过程中混凝单元的操作提供理论基础和实践经验。

1材料与方法

1.1试剂与仪器

商业聚合硫酸铁絮凝剂（巩义市盛世净水材料有限公司）；美国哈希2100Q便携式浊度仪；ZR4-6混凝实验搅拌机（深圳市中润水工业技术发展有限公司）；电子分析天平[梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]。

1.2混凝试验

采集某区域江河微污染源水为研究对象，其中初始浊度为30～50 NTU，pH 为8.0左右。取1 L微污染源水分别置于1 L烧杯中，根据预先设定的聚合硫酸铁絮凝剂含量添加剂量。在设定的快速搅拌速度与时间及慢速搅拌速度与时间下进行混凝试验。静置沉淀30 min后，于液面下2 cm处取样，测定残余浊度。其中，絮凝剂投加量按照铁含量计算。

1.3响应面分析试验

分别以快速搅拌速度、快速搅拌时间、慢速搅拌速度为单因素，考察单因素对浊度去除的试验条件。在单因素试验的基础上，选取3个单因素作为响应面考察对象，每个因素中选择3个水平，通过Box-Behnken设计安排试验，其中以残余浊度为响应值，采用Design-Expert软件分析最优化工艺参数。

2结果与分析

2.1单因素试验结果

2.1.1快速搅拌速度。

通过混凝试验，固定絮凝剂的投加量（5 mg/L）、pH（8.2）、快速搅拌时间（1 min）、慢速搅拌时间（10 min）、慢速搅拌速度（50 r/min），变化快速搅拌速度，对水源水中浊度去除进行观察，结果见图1。

由图1可知，随着快速搅拌速度的增高，残余浊度随之减小，其主要原因可能是快速搅拌速度增高有助于絮凝剂与胶体颗粒快速混合，从而促使胶体颗粒更好地与絮凝剂接触、相互作用，达到快速脱稳的目的，从而提高浊度去除的效果；但是过高的转速带来过大的能耗，不利于单元操作。因此，快速搅拌速度选择在300～450 r/min。

2.1.2快速搅拌时间。

通过混凝试验，固定絮凝剂的投加量（5 mg/L）、pH（8.2）、快速搅拌速度（350 r/min）、慢速搅拌时间（10 min）、慢速搅拌速度（50 r/min），变化快速搅拌时间，对水源水中浊度去除进行观察，结果见图2。

由图2可知，随着快速搅拌时间的增加，残余浊度先减小后增大，这可能是由于快速搅拌时间的增加有助于絮凝剂与胶体颗粒充分混合，但是过长的搅拌时间在较高的转速条件下导致絮体破碎，因此不利于浊度的去除。因此，快速搅拌时间选择在2.5～3.5 min。

2.1.3慢速搅拌速度。通过混凝试验，固定絮凝剂的投加量（5 mg/L）、pH（8.2）、快速搅拌时间（2 min）、慢速搅拌时间（10 min）、快速搅拌速度（350 r/min），变化慢速搅拌速度，对水源水中浊度去除进行观察，结果见图3。

由图3可知，随着慢速搅拌速度的增大，残余浊度呈先减小后升高趋势。这可能是由于慢速搅拌速度的增大有助于絮凝剂与胶体颗粒絮凝混合，从而促使胶体颗粒更好地与絮凝剂絮凝接触、产生正相互作用，达到充分絮凝的目的，从而提高浊度去除的效果；但是过高的慢速转速可能导致絮体破碎。因此，慢速搅拌速度选择在70～90 r/min。

2.2响应面分析

根据响应面法设计原理，采用Box-Behnken模型对混凝操作的主要性能指标进行3因素3水平试验设计，以快速搅拌速度（A）、快速搅拌时间（B）、慢速搅拌速度（C）为考察因素（自变量），以+1、0、-1分别代表自变量的高、中、低3因素水平，按照下列方程对自变量进行编码。

式中，xi為自变量的编码值；Xi 为自变量的真实值；X0为试验中心点处自变量的真实值；△X为自变量的变化步长。试验因素编码及水平见表1。

以快速搅拌速度、慢速搅拌速度、慢速搅拌时间为自变量，以浊度去除率为响应值建立模型，其模型公式为：

模型预测P=0.000 4（<0.05），表明模型具有较高的预测性能。自变量之间的交互作用见图4a～c，实测值与预测值相关系数见图5。由图4、5可知，自变量之间的交互作用形成的峰值在所考察的范围之内，表明自变量之间对残余浊度的影响具有显著的交互作用。实测值与预测值的相关系数平方（R2）为0.96。由此可知，模型具有较高的可预测性。根据Design-Expert软件优化设计器，获得优化的参数结果为：快速搅拌速度为347 r/min，快速搅拌时间为3 min，慢速搅拌速度为79 r/min，可获得1.70 NTU浊度。根据初始浊度的不同，按照相同投加量进行投加，在最优参数条件下运行，残余浊度应有不同程度的变化。响应面试验采用的混凝条件为原水初始浊度为40.50 NTU，pH为8.1，慢速搅拌时间为15 min。

2.3优化应用根据最优参数结果进行水源水处理工作。混凝处理参数：快速搅拌速度为347 r/min，快速搅拌时间为3 min，pH为8.2，慢速搅拌速度为79 r/min，慢速搅拌时间为15 min，原水初始浊度为30.10 NTU，总有机碳（TOC）为9 mg/L。试验结果见图6。

由图6可知，随着絮凝剂投加量的增加，浊度逐渐削减，而后增加。增加的主要原因是由于投药量过大，胶体颗粒被药剂包裹不能相互碰撞，因此出现胶体缓稳现象，过度缓稳会导致混凝效率大幅下降。在投加量为5 mg/L时，残余浊度最低，仅0.64 NTU。TOC的去除效率总体和残余浊度的变化一致，区别是最佳TOC去除率在6 mg/L，去除率达到50.74%。总之，该混凝过程通过响应面改善混凝条件后，水处理效果较为理想。

3结论

通过响应曲面法改进混凝操作工艺，具有较强的可操作性，预测性能良好，能够提升混凝工艺参数，处理效率得到提升。快速搅拌速度、快速搅拌时间、慢速搅拌速度3因素对微污染源水浊度去除的影响具有交互作用。该研究分析得出聚合硫酸铁絮凝去除微污染源水的优化工艺具有很好的应用性，采用5 mg/L混凝剂投加量、优化的混凝试验条件，去除9 mg/L TOC与30.10 NTU初始浊度的原水，结果显示TOC去除率能够达到50.74%，残余浊度低至0.64 NTU。

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