响应面分析法优化超声波辅助PAC 混凝工艺参数试验
2020-12-18管冠宇李祥林韦志新
管冠宇 李祥林 韦志新
芜湖华衍水务有限公司 安徽芜湖 241001
聚合氯化铝（PAC）作为一种无机高分子混凝剂具有较强的电中和聚集能力，PAC 中的高电荷能够发挥较好的电中和和吸附能力，投入水中后可以产生有效的混凝效果，因此常用于当前水厂的水处理工艺[1-3]。当前，水体污染使得原水浊度较高，仅依靠投加PAC 不能很好的降低沉淀出水的浊度，并且PAC 投加量过高也会带来水中铝离子超标等问题[4]。杨婷等研究了超声技术在水处理中的应用，研究表明：超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的能量等优点[5-6]。超声波强化混凝的原理是通过物理作用使胶体脱稳，易于水中杂质的聚凝效果以及产生快速沉降的作用[7-9]。并且不会产生化学副产物。因此，利用超声波物理作用原理及其在水处理中的应用对于提高水处理效率具有一定意义。本研究以长江芜湖段江水为原水，通过单因素试验研究原水温度、搅拌速度、原水pH 值、PAC 投加量、超声时间等因素对沉淀出水浊度的影响[10-12]。在此基础上，利用响应面法优化分析影响因素，以期达到降低沉淀出水浊度的效果，为实际生产提供一定的理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
试验材料：长江芜湖段水源（浊度为35-75NTU、pH 值为6.5-8.5、水温为12-26℃。）
试验仪器：超声波清洗机；六联程控混凝搅拌机；散射式浊度仪。
1.2 方法
1.2.1 单一PAC 混凝
取1000mL 水样，原水温度调整为25℃，pH 控制在7.9，置于六联混凝搅拌仪中，加入混凝剂PAC，投加量为20mg/L，在400r/min 下快速搅拌1min、在210r/min 下中速搅拌5min、在30r/min 下低速搅拌10min，静置30min，然后于液面下2cm 处取上清液测定其浊度，即为沉淀出水浊度。
1.2.2 超声波辅助PAC 混凝
取1000mL 水样，原水温度调整为25℃，pH 控制在7.9，并置于80W 超声波清洗机中，超声5min 后置于六联混凝搅拌仪中，其他条件同方法1.2.1。
1.2.3 单因素及响应面试验设计
分别选择原水温度、搅拌速度、PAC 投加量、超声时间、超声功率5 个因素进行试验，确定主要影响因素。并利用响应面分析法对各因素进行分析，得到优化后的最佳工艺参数。
2 结果与讨论
2.1 对照试验结果
通过三次对照试验，单一PAC 混凝结果分别为1.05、1.01、0.95NTU；超声波辅助PAC 混凝结果分别为0.48、0.54、0.41NTU。说明超声波辅助PAC 混凝能够很好的降低沉淀出水浊度。因此，进一步研究不同因素对超声波辅助PAC降低沉淀出水浊度的影响。
2.2 单因素试验结果
2.2.1 原水温度对沉淀出水浊度的影响
如图1 所示，当原水温度从15℃上升至35℃时，沉淀出水浊度逐渐下降。说明随着温度的升高能够使得混凝效果越来越好，沉淀出水浊度从0.51NTU 降至0.25NTU。长江原水温度常年在12-26℃，考虑后续实验方便进展，将原水温度控制在25℃。
2.2.2 搅拌速度对沉淀出水浊度的影响
如图2 所示，搅拌速度对沉淀出水浊度会产生一定的影响。当搅拌速度从150r/min上升至240r/min时，沉淀出水浊度从0.55NTU逐渐下降到0.35NTU，混凝效果较佳。当搅拌速度达到270r/min 时，沉淀出水浊度为0.6NTU，这是由于过度搅拌导致水中絮凝体发生破碎现象，使得水中胶体等颗粒难以沉淀，因此浊度升高。
2.2.3 PAC 投加量对沉淀出水浊度的影响
PAC 作为水处理中常用的混凝剂，对于降低水的浊度起到关键作用。如图3 所示，选择投加量为10mg/L 时，沉淀出水浊度为0.86NTU。随着投加量的增加，沉淀出水浊度呈现下降趋势，当投加量为25mg/L 时，沉淀出水浊度达到最低值0.32NTU，说明此时混凝效果最佳。当投加量为30mg/L 时，沉淀出水浊度开始升高，这是由于投加量过高导致水中颗粒产生胶体保护现象，使混凝过程不完全。
2.2.4 超声时间对沉淀出水浊度的影响
如图4 所示，超声时间对沉淀出水浊度有一定影响。超声时间选择从3min 至7min 区间，沉淀出水浊度呈现波动趋势。4min 和6min时，浊度相对较低，考虑能耗原因，选择4min为最佳超声时间。在此条件下，沉淀出水浊度为0.3NTU。
2.2.5 超声功率对沉淀出水浊度的影响
如图5 所示，超声功率对沉淀出水浊度影响较大。当超声功率从60W 升至100W，沉淀出水浊度呈现先下降再上升的趋势。说明超声功率过低，对水中颗粒难以产生机械作用，因此对混凝效果影响不大，而当超声功率过高时，水中颗粒在机械作用下破碎成过于细小的颗粒，从而影响混凝效果。因此，当超声功率为80W 时，水中胶体颗粒脱稳并发生沉降，超声作用明显，沉淀出水浊度达到最低值0.29NTU。
2.3 响应面法试验结果
2.3.1 Box-Behnken 试验设计结果
以单因素结果为依据，选择搅拌速度（210r/min、240r/min、270r/min）、PAC 投加量（20mg/L、25mg/L、30mg/L）、 超声时间（4min、5min、6min）、超声功率（70W、80W、90W）为4 个主要因素，细化因素水平，根据Box-Behnken 试验设计原理得到试验结果。
表1 Box-Behnken 设计试验结果
2.3.2 模型建立与方差分析
利用软件设计Design-Expert8.0.6 对数据进行二次多项式回归拟合，得到以下回归方程：
Y=0.29600+0.10583A-0.093333B+0.018333C+4.16667E-003D+7.50000E-003AB-0.085000AC+0.040000AD+0.057500 BC+0.040000BD-0.012500CD+0.15450A2+0.12075B2+0.07075-0C2+0.044500D2
利用软件分析可知，该回归模型具有显著性（P＜0.005），失拟项不显著（P＞0.05），决定系数（R2）为0.8927，信噪比为9.763，表明该模型拟合度好，试验误差小。该模型能较准确的分析影响因素和响应值之间的关系，因此，利用该方程模型可对超声波辅助PAC 降低沉淀出水浊度的最佳工艺条件进行分析。其中，自变量的一次系数 A 极显著（P＜0.0001），自变量一次系数B 显著（P＜0.05），二次项 A2 极显著（P＜0.0001），二次项B2、C2显著（P＜0.05）。根据F 值分析，对沉淀出水浊度影响大小的排列顺序依次为：搅拌速度＞PAC 投加量＞超声时间＞超声功率。
2.3.3 各因素交互作用的响应面分析
根据回归模拟方差分析及图6（a）-（b）各因素交互作用对沉淀出水浊度影响的三维曲面可知，交互项搅拌速度和超声时间（AC）的交互作用对沉淀出水浊度影响显著（p ＜0.05），其他交互影响不显著。
3 结语
通过对照试验，说明超声波辅助PAC 混凝能够很好的降低沉淀出水浊度。在此基础上，通过单因素试验确定搅拌速度、PAC投加量、超声时间、超声功率4 个因素对沉淀出水浊度的影响较大。利用响应面分析法对最佳工艺参数进行优化，优化后参数为：搅拌速度230r/min、PAC 投加量24mg/L、超声时间4min、超声功率80W。此条件下沉淀出水浊度为0.28NTU，实验结果对以长江水为水源地的水厂的水处理工艺具有较佳参考意义。
