基于响应面的混凝沉淀法处理印染废水工艺优化

2020-04-06舒服华

印染助剂 2020年1期

舒服华

（武汉理工大学继续教育学院，湖北武汉 430070）

印染是纺织品生产的重要环节，色调单一的坯布通过印染工艺处理可得到五颜六色的布料，满足人们对服装、装饰材料等的美感要求。众所周知，印染行业污染大，染料成分复杂，其中大部分具有较强的毒性［1］。印染废水中残存有较多的染料及其反应生成物，如果不经处理直接排入地下，势必给水体及自然环境造成极大的污染，因此，废水的治理是印染生产的重要组成部分。印染废水处理方法较多，常见的有膜分离法、萃取法、微波辐射法、氧化法、混凝沉淀法、生物法、吸附法等［2-3］。其中，混凝沉淀法工艺简单、效果良好，处理效率可达95%以上，且投资少，运行管理成本低，与其他污水处理方法相比，混凝沉淀法经济效益具有明显优势，是使用最普遍的一种印染废水处理方法。混凝沉淀法通过在印染废水中加入无机或有机高分子混凝剂，使残存在废水中的染料以胶体或悬浮状态沉淀，主要包括混凝沉淀法、混凝气浮法［4］。混凝沉淀法的工艺参数对水处理效果十分关键，工艺参数优化是工艺设计和生产控制的核心，本研究运用响应面法优化混凝沉淀法工艺。

1 实验

1.1 材料

印染废水：BOD5=487 mg/L，CODCr=858 mg/L，悬浮物631 mg/L，pH=9。

试剂：聚合氯化铝（PAC，混凝剂，碱化度50%～70%）、聚丙烯酰胺（PAM，助凝剂，水溶液有效物质量分数96%）、氯化铁（FeCl3，水溶液有效物质量分数98%）（荆门浩天化工污水材料有限公司）。

1.2 仪器

MY3000 混凝试验搅拌机，GZ-WXJ-Ⅲ型微波闭式消解仪，PHSJ-3F型实验室pH 计。

1.3 混凝沉淀法处理工艺［1］

采用静态烧杯法处理：取1 L 水样置于混凝试验搅拌机上，加入氯化铁溶液调节pH，以100 r/min 搅拌1 min 使水样混匀，投入PAC，以300 r/min 快速搅拌1 min，投入PAM，以300 r/min 快速搅拌2 min，之后30 r/min 慢速搅拌5 min，静置30 min，取上层清液测色度、浊度和COD。

2 结果与讨论

2.1 中心组合实验

以pH（A）、PAC 用量（B）、PAM 用量（C）为混凝沉淀法优化工艺参数，色度去除率（Y1）、浊度去除率（Y2）、COD 去除率（Y3）为综合优化目标，根据中心组合实验设计3 因素5 水平二次回归正交实验，实验设计及编码见表1，实验结果见表2。

表1 混凝沉淀法中心组合实验设计

表2 混凝沉淀法中心组合实验结果

2.2 二次回归方程

根据表2 的实验数据，按照统计学原理进行二次回归拟合，3 因素的二次回归线性方程为［5-6］：Yi=βi+ai1A+ai2B+ai3C+bi1AB+bi2AC+bi3BC+ci1A2+ci2B2+ci3C2，其中，Yi为各工艺目标的响应值，βi为截距，aij为线性系数，bij为交互项系数，cij为二次项系数，i，j=1、2、3。利用Design-Expert 8.0.6 优化工具可得到Y1、Y2、Y3的响应方程各系数，结果如表3。

根据表3 中响应方程一次项系数绝对值的大小可以判断各工艺参数对不同工艺目标的影响程度。对色度去除率影响由大到小的工艺参数为助凝剂用量、混凝剂用量、pH；对浊度去除率影响由大到小的工艺参数为助凝剂用量、混凝剂用量、pH；对COD 去除率影响由大到小的工艺参数为助凝剂用量、pH；混凝剂用量。这主要是因为PAM 具有良好的絮凝性，可以促进污水中颗粒聚结长大，提高沉降分离效率；PAM 能通过减缓污水的流动性使部分颗粒较大的杂质沉淀下来，而PAM 表面所具有的吸附性还能够吸附细小的颗粒杂质，从而有效地保证污水较低的颗粒量。由此可见，PAM 对水质的适应性较好，对含有各类不同成分的污水都能发挥效果，因此对印染废水各指标影响较大。

表3 优化目标响应值方程系数

续表3

2.3 方差分析

方差分析主要是检验模型的拟合精度。方差分析常用的指标有模型检验值F、失拟项检验值F′、模型概率P、失拟项概率P′、相关系数R2、修正相关系数R2Adj、信噪比Ps等。F 越大、P 越小、Ps越大，模型的拟合精度越高；F′越小、P′越大，模型的拟合精度越高；R2越大，模型的拟合精度越高。但R2随着自变量的个数增加而增大，为全面考察拟合程度，引进R2Adj。当R2Adj与R2接近时，拟合程度较好；当R2Adj与R2相差较大时，说明近似模型中存在不重要的参数，可以通过回归分析删除冗余参数。

利用Design-Expert 8.0.6 优化工具对拟合模型进行方差分析，结果见表4。对于Y1，F=74.40，远远大于F0.01(9,3)=6.42，P 小于0.000 1，属于极其显著水平，F′=1.50，小于F0.05(9,3)=4.26，P′=0.333 9（大于0.05），属于不显著水平，R2Adj=0.991 7，接近1，表明有较好的拟合精度，Ps=33.720，远大于合格水平4.0，拟合平均误差为0.67%。综上所述，模型对色度去除率有较高的拟合精度。同理可证明模型对Y2、Y3也有较高的拟合精度。因此，模型可以用于优化工艺参数［5］。

表4 方差分析结果

2.4 工艺优化

2.4.1 优化方法

利用Design-Expert 8.0.6 优化工具，以色度去除率、浊度去除率、COD 去除率为综合优化目标（均最大），对混凝沉淀工艺参数进行优化。综合工艺目标为单工艺目标的线性组合，由于各单工艺目标对综合工艺目标的影响程度不同，即重要性不同，这种差异需要用权重加以体现，故综合工艺优化目标［6］可以表示为：

式（1）中，ω1、ω2、ω3为各单工艺目标的权重。

采用变异系数法确定各单工艺目标的权重。变异系数法直接利用各项指标所包含的信息确定其权重的客观赋权，取值差异越大的指标，越能反映指标的差距，被赋予的权重越大［6］。指标的变异系数为：

式（2）中，Vi为第i 个指标的变异系数为第i 个指标的平均值；σi为第i个指标的标准差。指标的权重为：

式（3）中，ωi为第i个指标的权重。

Design-Expert 8.0.6 优化工具直接给出了单工艺目标的变异系数（C.V.）。由表4 可知，混凝沉淀法3 个单工艺目标的变异系数分别为0.41、0.37、0.58，因此权重分别为0.301 47、0.272 1、0.429 5。

利用Design-Expert 8.0.6 优化工具对式（1）进行优化求解，得到混凝沉淀法多工艺目标综合优化结果为：pH=8.0、混凝剂用量6.90 mg/L，助凝剂用量0.94 mg/L。此时，Y1=81.512 2%，Y2=83.599 7%，Y3=54.001 7%，并可得到优化结果的可信度为0.802，可信概率较大，说明优化结果可靠度较高。

2.4.2 交互项影响分析

利用Design-Expert 8.0.6 优化工具作模型交互项的3D 图和等高线图，图1～3 为3 个因素中一个因素取0水平，另两个因素对工艺目标交互作用的响应面。

图1 pH、混凝剂用量、助凝剂用量对色度去除率的交互影响

图1 为混凝沉淀法工艺参数对色度去除率的影响。前两个响应面几乎为平面，说明pH 和混凝剂用量、pH 和助凝剂用量对色度去除率影响不大，最后一个响应面为凸曲面，表明混凝剂用量和助凝剂用量靠近中间值时对色度去除率比较有利。

图2 pH、混凝剂用量、助凝剂用量对浊度去除率的交互影响

图2 为混凝沉淀法工艺参数对浊度去除率的影响。3 个响应面均为凸曲面，说明工艺参数适中时对浊度去除率有利，混凝剂、助凝剂用量对浊度去除率影响较大。

图3 pH、混凝剂用量、助凝剂用量对COD 去除率的交互影响

图3 为混凝沉淀法工艺参数对COD 去除率的影响。前一个为斜面平面，说明pH 和混凝剂用量越大，COD 去除率越高，另两个为凸曲面，说明pH、混凝剂用量和助凝剂用量取中间值时，COD 去除率越高。

响应面底部为等高线，表明为交互项对工艺目标的影响程度。等高线为圆形时，交互因素对工艺目标影响最大，椭圆次之，再次是封闭曲线，非封闭曲线的影响最小。对于色度去除率，交互项影响从大到小依次为AB、AC、BC。对于浊度去除率，交互项影响从大到小依次为AB、AC、BC。对于COD 去除率，交互项影响的从大到小依次为AB、BC、AC。

沉淀物处理：将0.1%～0.5%的絮凝剂加入沉淀物中混合均匀，通过压滤机滤去水分，得到含水率为60%～75%的泥团，在泥团中加入1.0%～1.5%的生石灰混合均匀，送入成型机保压脱水，得到污泥泥块，可以作为肥料或者工业燃料，变废为宝，实现资源循环再利用。