高铁酸钾-PAM组合工艺处理微污染水的响应面优化

张文莉，郭可欢，李杰，谢慧娜，马玉石，朱雪燕

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

微污染水一般是指受到有机物污染，其部分指标超出了地表水环境质量标准(GB 3838—2002)中Ⅲ类水标准的水体[1]。随着我国新农村建设的深入，农村微污染水的处理问题成为一个关注的焦点。常规水处理工艺去除有机物能力有限[2]，故化学氧化-强化混凝组合工艺成为了研究热点[3-4]。

目前常用的预处理氧化剂使用时各有弊端[5-6]，而高铁酸盐可同时进行氧化、絮凝、吸附等[7]，处理效果佳、操作简易、运行成本低、不产生二次污染。另外，研究发现，在处理浊度约为11 NTU的微污染水时，采用高铁酸钾-PAM组合工艺处理的出水浊度要比单独采用高铁酸钾低2～3倍，故进行高铁酸钾-PAM工艺处理微污染水的参数优化具有很大意义。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验用水为模拟微污染水，水质参数见表1(其中浊度参考西北地区农村雨后水窖水浊度值)；高铁酸钾(氧化剂、混凝剂)、聚丙烯酰胺(PAM，助凝剂)均为分析纯。

表1 实验用水水质Table 1 Experimental water quality

721N型可见分光光度计；JJ-4A型六联搅拌机；2100P型浊度仪；DK-98-Ⅱ型六孔恒温水浴锅。

1.2 实验方法

1.2.1 单因素实验 实验以固定pH、慢速搅拌速率、PAM投加量3个因素中的2个因素，改变另一因素的方法考察各单因素对微污染水处理效果的影响。

实验在六联搅拌机下进行，取1 L水样于2 L烧杯中，调节pH后加高铁酸钾预氧化，快速搅拌(300 r/min)5 min后加PAM并进行慢速搅拌25 min，反应结束后，静沉30 min，在液面下1 cm处取上层清液分别测定CODMn、浊度。

1.2.2 响应曲面实验 在单因素实验基础上，以PAM投加量、pH、慢速搅拌速率为自变量，CODMn去除率、浊度去除率为响应值，进行响应面分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

以PAM投加量、pH、慢速搅拌速率对CODMn、浊度去除效果分别进行单因素实验，结果见图1～图3。

图1 慢搅速率对污染物去除效果的影响Fig.1 Effect of slow stirring rate onpollutant removal rate

图2 pH对污染物去除效果的影响Fig.2 Effect of pH on pollutant removal rate

图3 PAM投加量对污染物去除效果的影响Fig.3 Effect of PAM dosage on pollutant removal rate

由图1可知，随着慢搅速率增大，高铁酸钾、PAM与水中污染物混合、反应充分，使得CODMn、浊度去除率增大。慢搅速率到达50 r/min时污染物去除效果最佳。随着搅拌速率继续加大，剧烈扰动使已形成的絮凝体破碎[8]，混凝效果变差，去除率降低。因此选择50 r/min为最佳慢搅速率。

由图2可知，pH对水中污染物的降解影响较大，尤其是对浊度的去除结果影响很大。随着pH值的增大，CODMn与浊度去除率先增大后减小，pH为8时结果最优。这是由于混凝剂的水解和水中污染物的形态在酸碱性较大的环境中受到很大的影响，致使药剂的混凝效果降低，严重影响出水水质[9]。

由图3可知，浊度和CODMn去除率都较低，这是由于PAM投加量小时，生成的絮凝体小且不易下沉。污水中投加PAM，其先吸附在絮体上，与水中未反应的无机高分子通过架桥实现絮凝[10]，故污染物去除结果变优是PAM加量的增大所致。PAM加量>10 mg/L时去除效果增加并不明显，这是由于PAM加量的增加亦使水中正电荷增加，导致其与杂质吸附能力减弱，因此当继续增加PAM用量时，效果增加并不明显，故以10 mg/L为PAM最优投加量。

2.2 响应面法优化实验

2.2.1 实验结果 在单因素实验基础上，应用Design Expert 8.0软件，以CODMn、浊度的去除率为响应值，响应面实验因素水平见表2，得变量编码值及实验结果见表3。

表2 响应面分析因素与水平Table 2 Factors and levels of response surface analysis

表3 响应面实验设计及结果Table 3 Response surface experiment design and results

根据实验结果并采用Design-Expert软件进行数据分析，得到浊度去除率和CODMn去除率的二阶回归模型为：YCODMn=77.28-1.05A+0.57B-0.33C-0.92AB+2.53AC-2.07BC-3.63A2-4.33B2-10.88C2，Y浊度=83.04-0.43A-9.86B+1.61C+0.23AB+0.78AC-3BC-10.35A2-14.32B2-10.22C2。

对以上模型进行方差分析，发现浊度、CODMn的P值分别为0.000 1、<0.000 1，R2分别为0.933 2，0.984 2，说明模型显著，该回归方程能较好地说明参数间的联系，可对实验结果进行分析和预测较为精确，因此，可以利用该回归方程对高铁酸钾-PAM组合工艺进行分析、展望和优化。

2.2.2 响应面分析 为能更直观反映慢速搅拌速率、初始pH、PAM投加量对浊度去除率、CODMn去除率的影响，利用Design-Expert软件作图，得到了两因素的交互作用响应曲面图，见图4、图5。

由图4、图5可知，慢速搅拌速率、初始pH、PAM投加量对污染物(浊度、CODMn)去除效果影响较大。分析响应曲面图发现，随慢搅速率和PAM投加量的增加，污染物的去除效果亦随之增加。当达到一定值时增加不明显，分析原因如下：PAM投加量的增加致使空吸附位增多，絮凝体结构变大，沉降性能变好[11]，导致污染物被大量去除，一旦到达某一值时，因投加量太大致使胶体“脱稳”；另一方面，PAM本身为线性水溶性阳离子型有机高分子，当加量过大时，部分PAM残留于上清液[12]，导致污染物去除效果增加不明显甚至出现下降趋势[13-14]。慢速搅拌速率越大，混凝更为充分，使得絮体变大，有利于下沉去除污染物，而搅拌速率的继续增大反而导致去除率降低，原因可能是大絮体受到了搅拌力剪切被破坏，影响其絮凝沉淀效果[15-16]。pH值由6增大到10，污染物去除率先增后降，这是由于有机物在中性及弱碱性环境中离子态减少，分子态增多，而pH值的变化会影响PAM的水解聚合形态，在中性范围内的多核水解产物颗粒可吸附大量存在的分子态有机物，发生共沉淀[17]。

图4 慢搅速率、PAM投加量和pH对CODMn去除率的影响Fig.4 Effects of slow stirring rate，PAM dosage andpH on the removal rate of CODMn

图5 慢搅速率、PAM投加量和pH对浊度去除率的影响Fig.5 Effects of slow stirring rate，PAM dosage andpH on turbidity removal rate

2.2.3 工艺优化和模型验证 实验的工艺优化是应用Design-expert的优化功能，就实验模型对实验的最佳混凝条件进行预测[18-19]。实验经优化后所得结果见表4。

表4 优化实验结果Table 4 Optimization experimental results

为了再验证回归方程、模型的适宜性和有效性及预测结果的准确性，尝试采取上述最优混凝参数进行验证，得到浊度、CODMn的去除率分别为70.46%，74.85%，误差值皆处于合理范围内，这表明预测情况能很好地贴近实际，进一步说明了该模型是可行、有效的，具备很大的实用价值。

3 结论

利用Design-expert软件，以慢速搅拌速率、初始pH、PAM投加量为影响因素，以浊度、CODMn为响应值建立二次响应曲面模型，模型显著且拟合度较高，能较好地对高铁酸钾-PAM组合工艺处理微污染水去除效果进行分析和预测。

经响应面优化所得最优工艺参数为：慢速搅拌速率为50.51 r/min、初始pH为7.64、PAM投加量为11.56 mg/L，最终浊度、CODMn的去除率分别为74.19%，78.0%。优化后经高铁酸钾-PAM组合工艺处理后出水高锰酸盐指数为2.26 mg/L、浊度为0.33 NTU，两者皆达到了《地表水环境质量标准》Ⅱ类水质要求。