响应曲面法优化混凝-吸附工艺的条件研究

朱晓彦 王丽丽 樊开青

（江苏农林职业技术学院 江苏镇江 212400）

目前，我国多数污水处理厂的常规工艺流程是污水先经过以自然沉淀为主的一级预处理工艺，然后进入以生物处理作为主体的二级处理工艺。二级生物处理是将有机物通过生物氧化降解形成二氧化碳排放，不仅碳排放量大，而且能量损失大、运行费用高。若在一级处理中采用化学强化处理，可以有效减轻后续二级处理工艺的有机负荷。化学强化一级处理（CEPT）工艺是在传统的城市污水一级处理工艺基础上通过投加絮凝剂，采用化学絮凝技术进行强化处理；而常规化学混凝技术，通常只投加1 种絮凝剂，因投药量大、运行费用高而缺乏竞争力。混凝剂聚合氯化铝（PAC）因具有絮凝体成型好、适应性强、腐蚀性小、操作简便等优点而广泛地应用于各大给水处理厂和污水处理厂，但PAC 单独使用时效果差、投加量大、成本高且易产生二次污染。为提高强化混凝处理效果，PAC 通常与辅助的助凝剂（如氧化剂、吸附剂）联用进行强化混凝。本文选择1 种具有多孔结构的矿物质材料硅藻土（DE）作为助凝吸附剂，DE 在强化混凝方面具有一定的应用前景，在处理微污染水的研究已有报道［1-3］，但与PAC 联用强化一级处理城市污水的研究鲜有报道。

1 材料与方法

1.1 原水水质及分析方法

试验原水取自江苏省句容市某污水处理厂进水，污水来源主要以生活污水为主。故选取能表征水质特征的化学需氧量（CODCr）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）等常规指标进行分析监测，经检测原水的各项指标值及分析方法见表1。

表1 原水水质、分析方法及仪器设备

1.2 试验方法

PAC 和DE 两者协同作用强化城市污水一级处理的工艺过程，采用经典的烧杯搅拌实验模拟，其工艺流程如图1 所示。

图1 混凝-吸附组合工艺流程

2 单因素实验及结果分析

2.1 PAC 最佳投加量的确定

（1）最小投加量的确定：取200 mL 原水置于烧杯中，以1 mg 投加量为起点，依次增加0.5 mg，快速搅拌直至形成矾花，记录此时PAC 的投加量为6 mg，则1 000 mL 原水最小投加量为30 mg。

（2）最佳投加量的确定：分别取6 份1 000 mL 的试验原水编号后置于六联搅拌机上，依次投加30、60、90、120、150、180 mg/L 的PAC，按上述的试验方法调整转速进行常规混凝处理，静沉20 min 后，分别取上清液测定各水样的CODCr、NH3-N 和TP 值。各项指标的去除率如图2 所示。

由图2 可知，随着PAC 投加量的增加，各项指标的去除率总体上呈现先增后降的趋势。综合CODCr、NH3-N和TP 三者去除效果，当PAC 的单独投加量达120 mg/L时，混凝处理效果最好。此后再增加PAC 的投加量，三者去除率不增反降。这主要是由于水中的胶体杂质粒子吸附了过多的反离子，使原来带的负电荷转变为正电荷，排斥力变大，从而发生了再稳定现象［5］。因此，对于本次试验中所取的某污水处理厂进水水样PAC 最佳投加量为120 mg/L。

2.2 PAC 和DE 最佳复配比的确定

为克服PAC 单独投加时效果差、投加量大、成本高等缺点，能够更加经济高效地强化城市污水的一级处理效果，在总投加量不变（120 mg/L）的情况下，对PAC 和DE 进行复配投加。通过单因素实验确定最适宜组合配比，即多因素交互试验中二者复配投加时复配比的中心值。选取6 种不同PAC 和DE 的复配比：4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，各复配比下CODCr、NH3-N 和TP 各指标的去除效果如图3 所示。

图3 不同PAC 和DE 复配比下强化混凝效果

由图2 和图3 可知，PAC 和DE 两者复配投加，协同强化混凝时，各指标的去除效果明显高于常规混凝，尤其CODCr的去除率增加最为明显，证明混凝—吸附组合工艺在强化城市污水一级处理时，降碳效果明显。由图3 可知，随DE 投加比的增加，CODCr和NH3-N 去除率呈先增后降的趋势，TP 的去除率稍有变动但总体上也呈先增后降的趋势，当两者的复配比达1∶1 时，各指标的去除率达最大值，此时DE 吸附已达平衡。因此，选择两者的复配比1∶1 为多因素交互试验的中心值，响应面优化的范围在2∶1～1∶2 之间变动。

3 曲面优化试验及结果分析

3.1 曲面优化试验设计

为了解混凝—吸附组合工艺强化城市污水一级处理时，各因素间的交互作用，寻求适合水质的最佳工艺条件，本研究采用响应曲面法，利用Design-expert 软件中的Miscellaneous 模型设计中2 因素3 水平共13 组试验组合方案［6-8］，从而确定适合水质的最佳工艺组合。Miscellaneous 模型优化试验设计因素及水平见表2。

表2 Miscellaneous 模型设计因素及水平表

3.2 曲面优化试验结果分析

3.2.1 试验结果及方差分析

按Design-expert 软件中Miscellaneous 模型开展响应曲面试验，试验设计与结果见表3。

表3 响应曲面试验设计与结果

利用Miscellaneous 模型对表3 中的结果进行回归拟合及方差分析。PAC 和DE 的复配比及搅拌强度2 个因素对CODCr、NH3－N 和TP 去除率的多元二次回归模型如式（1）～（3）所示。

为了检验模型1～3 的显著性，利用Miscellaneous 模型中的ANOVA 对模型进行方差分析，结果见表4～6。

表4 预测模型1（CODCr）的显著性及方差分析

从表4 可以看出，预测模型1 的F 值较大为34.83，且P 值远＜0.05，相关系数均＞0.9，精度系数较高为15.464，这些都表明了模型极其显著且很可靠［9-11］，能够反映降碳效果和影响因素间的关系。此外，影响因素X1（即PAC 和DE 的复配比）P 值为0.000 2，也远＜0.05，对降碳效果影响程度显著；而影响因素X2（即水力条件——搅拌强度）的P 值为0.434 6，对降碳效果影响程度不显著；两者交互作用的影响也不够显著。说明降碳效果主要受药剂间的复配比的影响。

由表5 可知，从预测模型2 的F 值（89.13）、P 值（＜0.000 1）、失拟项（not significant）、各相关系数（＞0.9）及精度系数（＞4）来看，该模型不仅可靠且效果显著［9-11］。因素X1（即PAC 和DE 的复配比）影响脱氮效果的显著程度高于因素X2（即水力条件—搅拌强度）；两者交互作用对脱氮效果的影响也有一定的显著程度。

表5 预测模型2（NH3－N）的显著性及方差分析

同样由表6 可知，预测模型3 的F 值（67.75）、P 值（＜0.0001）、失拟项（not significant）、各相关系数（＞0.9）及精度系数（＞4）均表明模型有效可行、高度显著［9-11］。从因素X1、X2及两者的交互作用（X1X2）的F 值和P 值来看，除磷效果主要受药剂间的复配比的影响。

3.2.2 响应曲面分析

由Miscellaneous 模型合成2 因素间的交互作用对各指标去除效果的3D 响应曲面图，如图4 所示。

图4 2 因素间交互作用对各指标去除效果的影响3D 曲面图

由图4 可知，PAC 和DE 复配使用的混凝—吸附组合工艺的降碳、脱氮、除磷效果均明显高于单一吸附工艺和常规的混凝工艺。由图4 各曲面的曲率及等高线可知：2 药剂间的复配比对碳、氮、磷的去除效果均有影响，尤其对降碳效果的影响最显著，而促使絮凝剂快速水解的水力搅拌强度影响不大。各指标的去除率随DE占比的增大而增大，到达最佳比后趋于稳定。主要由于DE 具有巨大的比表面积和很强的吸附性能，孔道内分布大量的硅羟基，能较好地吸附污水中的有机污染物，但吸附达饱和后出水趋于稳定［12］。但2 因素间的交互作用仅对脱氮效果有一定的影响。

3.3 最优化分析

由方差分析及各曲面分析可知，预测模型1～3 均可靠、显著，具有良好的拟合度。为获得最低工程应用成本和最佳的碳、氮、磷的去除效果，利用Miscellaneous 模型对PAC 和DE 复配占比进行优化，预期优化结果见表7。

表7 最优化结果

4 结论

（1）PAC 和DE 复配使用的混凝—吸附组合工艺降碳、脱氮、除磷效果均优于单一吸附工艺和常规的混凝工艺。

（2）利用响应曲面软件中的Miscellaneous 模型建立以CODCr、NH3-N 和TP 三者去除率为响应值的多元线性回归模型的F 值分别为34.83、89.13、67.75，P 值都＜0.0001，各相关系数R2都＞0.9，精度系数都＞4，3 个预测模型均具有较高的显著性，有效且可靠；降碳、脱氮、除磷效果主要受药剂间的复配比的影响，而水力条件-搅拌强度仅对脱氮效果有较弱的影响，预测结果与工程实际有较好的吻合度。

（3）利用Miscellaneous 模型对PAC 和DE 复配占比和水力条件-搅拌强度进行优化分析，得到优化后的参数为：在总投药量不变的情况下，PAC 和DE 复配比为1∶1.92，水力条件-搅拌强度为388 r/min，此时预测CODCr、NH3-N 和TP 三者去除率分别达了72.4%、52.1%和71.5%。优化模型具有良好的拟合度，有利于提高城市污水处理强化一级处理时的降碳、脱氮和除磷效果，对于节约药剂成本具有重要的实践意义。