涂装废水铁回收的响应面优化研究

付海娟 张梦怡 池勇志

(1.浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000； 2.浙江东方职业技术学院，浙江 温州 511363； 3.天津城建大学环境与市政工程学院，天津市水质科学与技术重点试验室，天津 300384)

1 概述

在汽车、自行车、钢铁配件等的涂装生产过程中，酸洗、脱脂和磷化等工序会产生大量的涂装废水[1]。该废水酸性强(pH=2～3)，铁和COD含量高[2]。物化—生物法是涂装废水主要的处理工艺之一。GB 50014—2006室外排水设计规范中规定生物处理构筑物进水中铁浓度不得大于10 mg/L。铁回收处理可降低废水中铁含量，为后续生物处理提供适宜条件[3]；回收得到的铁还可用于金属、涂料等产品的生产[4]。目前，涂装废水中进行金属选择性回收鲜有报道。本研究在单因素试验基础上，采用响应面法研究了搅拌速率、NaOH投加量、H2O2投加量对铁回收的联合影响，确定了最佳回收条件，以期对实际应用中回收涂装废水中的铁有一定的指导作用。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

试验所用废水水质如表1所示。

表1 涂装废水水质情况

药品：30%(w/w)H2O2溶液，50%(w/w)NaOH溶液。

仪器：ODEON型数字化手持便携分析仪，TU-1901型紫外分光光度计，MiniFlex600型X射线衍射仪，SensAA型原子吸收分光光度计。

2.2 试验方法

在室温条件下，取样1 000 mL涂装废水于烧杯中，磁力匀速搅拌，加入一定量的30%(w/w)H2O2溶液，再加入一定量的50%(w/w)NaOH溶液，搅拌时间为150 s。将试验完成的烧杯静置2 h后，得到的上清液用于铁浓度测定。将沉淀物在100 ℃±5 ℃下干燥至恒重，再用65%(w/w)硝酸将沉淀物消解3 h，定容至100 mL，用于测定沉淀物中的金属含量。相关指标均采用国标法测定[5]。

铁回收率(REMFe)和沉淀物中铁的百分含量(CONFe)的计算方法如式(1)和式(2)所示。

(1)

其中，REMFe为铁回收率，%；C0为原涂装废水中铁浓度，mg/L；Ci为不同回收条件下铁浓度，mg/L。

(2)

其中，CONFe为沉淀物中铁的百分含量，%；CFe为沉淀物中铁浓度，mg/L；n为金属种类；Cj为沉淀物中第j种金属浓度，mg/L。

3 结果与讨论

3.1 响应面法设计

表2 试验因素及水平

表3 试验方案及结果

前期单因素预试验研究发现，搅拌速率为100 r/min～200 r/min,NaOH投加量为0.60 mL/L(此时涂装废水pH=3.10)～1.76 mL/L(此时涂装废水pH=3.90)、H2O2投加量为1.00 mL/L～3.00 mL/L是铁回收较适宜的条件。在此基础上，本研究以搅拌速率(A)、NaOH投加量(B)、H2O2投加量(C)为影响因子，以铁回收率REMFe(Y)为响应值，设计试验方案，试验因素与水平设计见表2。

试验方案和结果见表3。

3.2 回归模型方差分析及显著性检验

REMFe(Y)对自变量A,B,C(A,B,C均为试验水平实际值)的二次多项回归方程如式(3)所示。

Y=-36.14+0.92A+37.28B+29.22C+8.19×10-4AB-0.03AC-3.20BC-2.60×10-3A2-10.61B2-3.90C2

(3)

表4 回归方程方差分析

方差分析如表4所示。由表4可知，模型的F为47.62>0.05，显著性水平P<0.000 1，表明该模型是极其显著的。模型多元相关系数R2为0.977 2，说明该模型拟合效果较好[6]。

3.3 响应面分析

模型的等高线图及响应面图如图1～图3所示。由图1可知，搅拌速率不变，随着NaOH投加量的增加，REMFe先增大，后趋于平缓；NaOH投加量不变，随着搅拌速率的增加，REMFe先增大后趋于平缓，当其超过一定值时，REMFe减小。由图2可知，搅拌速率和H2O2投加量对REMFe影响情况和图1显示情况类似。由图3可知，NaOH投加量不变，随着H2O2投加量的增加，REMFe先增大，后趋于平缓；H2O2投加量不变，随着NaOH投加量的增加，REMFe先增大，后趋于平缓。图2和图3中等高线呈椭圆形，说明搅拌速率和H2O2投加量、NaOH投加量和H2O2投加量交互作用较显著。

废水中铁的去除原因主要包括两方面：一方面是由于大颗粒的絮凝作用。搅拌速率过低不利于小颗粒脱稳聚集，而过高的搅拌速率易将絮体打碎，导致絮体的卷扫网捕作用降低[7]。

H2O2+2Fe2+2H+→2Fe3++2H2O

(4)

Fe3++H3PO4→FePO4+3H+

(5)

(6)

Fe3++3OH-→Fe(OH)3

(7)

据影响因素的等高线图的密集程度及响应面图的陡峭程度，三因素对REMFe影响顺序为H2O2投加量>NaOH投加量>搅拌速率，这也与表4中结果相吻合[6]。模型预测的最优回收条件：搅拌速率为160 r/min，NaOH投加量为1.39 mL/L，H2O2投加量为2.47 mL/L时，REMFe达到最大，为99.28%。

对最优回收条件下所得污泥进行XRD检测，结果见图4。由图4可知，此条件下污泥的主要成分有Fe(OH)3,FePO4和Zn3(PO4)2。同时对沉淀物中不同种类金属的浓度进行测定，结合式(2)计算可得，此条件下污泥中铁的百分含量CONFe为79%，纯度较高。

3.4 模型验证

为了考察模型的实用性和准确性，基于上述最优回收条件进行了试验验证，得到REMFe为98.65%，测定值和预测值之间的标准偏差为0.63%，表明该模型具有一定的指导意义。

4 结语

1)响应面试验结果显示，三因素对REMFe影响大小依次为H2O2投加量>NaOH投加量>搅拌速率；

2)最优回收条件为搅拌速率160 r/min、NaOH投加量1.39 mL/L,H2O2投加量2.47 mL/L，在此条件下，REMFe预测值为99.28%；

3)模型验证结果显示，响应面预测值和实际测定值间的标准偏差较小(<5%)，说明该模型拟合度高，适用于回收涂装废水中金属铁的研究。