低COD污水絮凝工艺模型

YuriObst

(1.澳大利亚蓝棋环境科技有限公司，云南 昆明 650000;2.昆明市土壤肥料工作站，云南 昆明 650000;3.澳大利亚贝林微滤有限公司,云南 昆明 650000 )

1 介绍

水资源污染已成为世界范围内最迫切需解决的问题之一。水环境的污染源包括生活排污、工业排污、农业面源污染等，主要污染物为含氮、含磷有机物及无机污染物。在国家地表水环境质量标准中，与有机污染物直接相关的指标包括化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)及总碳(TC)、总氮(TN)、总磷(NP)，与无机污染物相关的指标有氨氮(NH4-N)及重金属[1]。目前，水环境保护措施主要分为提升排污标准及水体修复能力两方面。为最大限度降低水循环各环节中污染物的含量，在水处理过程中絮凝剂的使用变得不可或缺。絮凝剂可以使微小颗粒污染物发生电荷中和或桥连，使胶体脱稳、沉降，再经过滤，被去除[2、3]。目前，常见安全高效的絮凝剂有聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)。不容忽视的是PAC和PAM的大量应用会增加污水处理产生污泥的含水量，增加污泥脱水成本。 此外，PAM用量不当，会造成其降解产物中有害物的富集，对环境造成二次污染增加安全隐患[4、5]。因此，本文将对低COD污水处理絮凝环节中不同影响因素进行分析，构建模型。该模型将准确指导PAC、PAM的投加并对有机污染物的去除率进行可靠估计。

2 模型的建立

2.1 构建思路

源数据收集了2002—2017年生活污水[6-10]、自来水水源处理、污染水体修复等项目中絮凝试验数据149组[11-18]。用excel和SPSS对数据进行分析，确定对絮凝过程影响显著的因素，明确各因素与COD去除率的关系，确定自变量及模型描述方式。回归分析明确自变量的相关系数，获得理论模型方程，并对方程的拟合度、变量影响显著性、变量间的共线性进行评价。

2.2 因素分析

污水成分极其复杂，不同因素对COD去除率的影响仅在一定范围内存在相关性[19]。因此在综合过往试验结果后，确定模型的适用范围(表1)。

影响絮凝过程的因素主要包括絮凝剂种类、添加量、纯度及分子量、絮凝时间、搅拌速度、pH值、温度、待处理污水组成等[20-21]。对以上各因素与COD去除率的相关性进行分析(表2)可知，除温度外其他各因素均与COD去除率存在良好线性相关性(皮尔逊相关系数|P|趋近于1)，可选择线性回归方程对模型进行描述。分析各因素影响COD去除率的显著性可知，PAC投加量、PAM投加量、pH值和COD初始值对COD去除率的影响显著(P<0.05)，可作为回归方程的自变量。

表1 因素变化范围

表2 各影响因素与COD去除率相关性分析

注: 基于单一因素试验的各自变量与因变量的相关性分析结果，其中皮尔逊相关系数为绝对值。

2.3 模型结果

步进回归，得到自变量回归系数，见表3。

表3 回归系数 (mg/L)

各自变量与因变量在线性回归上高度拟合(DW接近于2)，各因素影响均显著(p<0.05)，且自变量不存在线性相关性(VIF<5)。曲线可表示为：

Y= 11.648·X1+ 0.263·X2+ 4.014·X3- 0.051·X4+ 28.110

式中：因变量Y为COD去除率；四个自变量X1、X2、X3、X4分别为PAM添加量、PAC添加量、pH值和COD初始值。其中，PAC添加量、PAM添加量和pH值与COD去除率呈正相关，COD初始值与COD去除率呈负相关。

3 模型统计检验[22]

3.1 拟合优度

对模型拟合度进行分析(表4)可知，模型拟合度良好(R2= 0.770)。对残差项进行检验，结果表明方程的各自变量间不存在自相关的可能性，即方程并非伪回归。

表4 模型拟合优度

3.2 方差分析

对模型中自变量对因变量的解释关系进行验证(表5)可知，自变量整体上对因变量影响显著。

表5 ANOVA检验

3.3 残差分析

由残差图分析(图2)可知，数据沿对角线方向分布，模型随机误差基本服从正态性假设。说明模型假设具有合理性，源数据可靠。

4 模型模拟分析

对比模型预测结果与真实结果 (图3)，可以看出模型预测PAC和PAM投加量对COD去除率的影响与实际结果一致。

通过对污水处理絮凝工艺过程中各自变量的影响进行分析，并结合目前絮凝作用的理论研究可知，当絮凝未达到饱和时，PAC可以通过电中和使系统中溶质、胶体、悬浊物颗粒脱稳沉淀下来，且随着添加量的增加沉淀下来的有机物的量也随之增大。在低COD污水处理过程中，PAM的添加对PAC絮凝情况影响较大。在PAC添加量恒定的情况下，PAM的添加可以在溶质、胶体或悬浊颗粒之间产生架桥作用，并在沉淀过程中产生卷扫作用。因此PAM添加量的增加，某种程度上可以弥补PAC絮体细小松散的缺陷，进而提升系统絮凝和沉降性能。在絮凝反应时间范围内，有机污染物的絮凝沉降量随时间的增加而积累。但在高COD污水中，絮凝剂似乎对有机污染物的去除作用并不稳定。因此在高浓度COD污水中可以采用生化法替代现有的物化法，以实现污水中COD的有效去除。