李 鷹,劉峙嶸,戴 熒

(東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院,江西撫州 344000)

微污染水混凝最優(yōu)水力條件研究

李 鷹,劉峙嶸,戴 熒

(東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院,江西撫州 344000)

以聚合磷硫酸鐵為絮凝劑,強化混凝處理模擬微污染水,并引入新的參數(shù)——分形維數(shù)作為凈化控制指標(biāo),系統(tǒng)考察了混合速度、混合時間、絮凝速度、絮凝時間、沉淀時間等因素的影響,并通過響應(yīng)曲面法對水力條件進(jìn)行優(yōu)化,得出最佳水力條件為:混合速度為244.32 r/min,混合時間為40.55 s,絮凝速度為61.56 r/min,絮凝時間為15.66 min,沉淀時間為32.35 min。在此條件下,絮體分形維數(shù)為1.7668,與擬合的二次回歸模型預(yù)測值基本相符,相應(yīng)的濁度及COD(Mn)去除率分別為85.34%和62.03%。

響應(yīng)曲面法;水力條件;聚合磷硫酸鐵;分形維數(shù)

目前,眾多河水受到輕度污染成為微污染水,而目前普遍采用的常規(guī)凈化工藝又很難去除污染物,尤其是有機污染物[1]。目前,國內(nèi)處理微污染水的方法主要有預(yù)處理、深度處理和強化常規(guī)處理[2-3]3種。強化常規(guī)處理工藝是目前去除微污染水中有機物的最經(jīng)濟(jì)最有效的手段。

水力條件在強化常規(guī)水處理中有重要影響[4]。水力條件對絮凝體的形成十分重要,有時甚至起決定性作用:攪拌強度過大,會造成絮體顆粒破碎,影響凈化效果;攪拌強度不夠,顆粒間碰撞幾率小,不利于礬花形成[5]。混凝包括混合和絮凝階段。混合階段,要求絮凝劑迅速而均勻地擴散到水中,同時水中的微小懸浮物和膠體失去穩(wěn)定性,因此應(yīng)在短時間內(nèi)激烈紊動;絮凝階段,要求水的紊動程度逐漸減弱,停留時間延長,以創(chuàng)造足夠的碰撞機會和良好的吸附條件使微小絮體繼續(xù)成長。

本試驗研究了以聚合磷硫酸鐵為絮凝劑,引入新的參數(shù)——分形維數(shù)作為控制指標(biāo),在單因素試驗基礎(chǔ)上,通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化水力條件,處理模擬的微污染水,為其實際應(yīng)用確定工藝參數(shù)。

1 試驗部分

1.1 主要儀器與試劑

CP224S型電子天平:北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;ZR-6型六聯(lián)混凝試驗攪拌器:北京格拉威爾科技有限責(zé)任公司;721-E型可見分光光度計:上海光譜儀器有限公司;S-3C型p H酸度計:上海虹益儀器儀表有限公司;HH-S6型數(shù)顯恒溫水浴鍋:江蘇瑞華儀器有限公司。

聚合磷硫酸鐵:按文獻(xiàn)[6]方法制備;腐殖酸:生化試劑,質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%;高嶺土、硫酸肼、六次甲基四胺、氫氧化鈉均為分析純;硫酸(1+3);高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)儲備液(0.100 mol/L);高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.010 mol/L);草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)儲備液(0.100 mol/L);草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.010 mol/L)。其他試劑無特別注明均為分析純。

1.2 模擬微污染水樣

取一定量干燥腐殖酸固體微細(xì)粉末,用NaOH溶液調(diào)pH為12.0左右,緩慢溶解后過濾,備用。取一定量腐殖酸溶液,攪拌條件下加入60 mg/L高嶺土,30 mg/L KNO3,1.5 mg/L NaNO2,1.0 mg/L NH4Cl,攪拌,靜置30 min,制成模擬微污染水樣。模擬水樣各項指標(biāo)為:濁度21.87 NTU;COD(Mn)=9.67 mg/L;pH=7.02;溫度=(22±2)℃。

1.3 分析方法

濁度測定[7]采用分光光度法;COD測定參照GB11892—1989水質(zhì)-化學(xué)需氧量的測定——高錳酸鉀法;分形維數(shù)測定[8]采用靜態(tài)顯微圖像法,用ERDAS IMAGINE軟件分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 混合速度的確定

取微污染水樣,加入聚合磷硫酸鐵(PFPS)35 mg/L,調(diào)節(jié)p H值為7.0,分別以不同攪拌速度快速混合35 s,再以50 r/min攪拌速度慢速絮凝15 min,沉淀25 min后檢測水樣濁度、COD(Mn)、分形維數(shù),結(jié)果如圖1所示。

圖1 混合速度的影響

從圖1看出:隨混合速度增大,濁度去除率、COD(Mn)去除率、分形維數(shù)均先升高而后降低;混合速度為250 r/min時濁度去除率最高,分形維數(shù)最大;混合速度為300 r/min時,COD(Mn)去除率最大,即有機物去除效果最佳;混合速度由300 r/min減小到250 r/min時,COD(Mn)去除率由62.95%降為58.62%,而濁度去除率則由78.01%升高為83.49%。綜合考慮,混合速度以250 r/min為最佳。

2.1.2 混合時間的確定

取微污染水樣,加入 PFPS 35 mg/L,調(diào)節(jié)p H值為7.0,先以250 r/min的速度快速混合一定時間,再以50 r/min速度慢速絮凝15 min,沉淀25 min后檢測水樣濁度、COD(Mn)和分形維數(shù),結(jié)果如圖2所示。從圖2看出:隨混合時間延長,濁度和COD(Mn)去除率、分形維數(shù)均先升高后降低;混合40 s時,濁度去除率和分形維數(shù)達(dá)到最大;混合30 s時,COD(Mn)去除率最高。綜合比較,混合時間以40 s為宜。

圖2 混合時間的影響

絮凝劑水解及形成聚合物所需反應(yīng)時間非常短,所以應(yīng)使絮凝劑在尚未產(chǎn)生水解吸附或架橋之前就完全而均勻地擴散到整個水體中,以便與最大數(shù)量的懸浮顆粒進(jìn)行接觸反應(yīng)?；旌想A段,應(yīng)在短時間內(nèi)激烈紊動,如果混合速度過低,混合時間過短,絮凝劑不能迅速而均勻地擴散,不能與固體顆粒充分接觸,從而不利于絮凝劑捕集膠體顆粒,不利于發(fā)揮絮凝作用;但如果混合速度過快,混合時間過長,會使能夠沉降的顆粒被攪碎后變成不沉降顆粒,也會降低絮凝效果。

2.1.3 絮凝速度的確定

取微污染水樣,調(diào)節(jié)pH值為7.0,PFPS加入量為35 mg/L,先以250 r/min速度快速混合40 s,再分別以不同攪拌速度攪拌絮凝15 min,沉淀25 min后檢測濁度、COD(Mn)和分形維數(shù),結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?絮凝速度為60 r/min時,濁度去除率和COD(Mn)去除率最高,分形維數(shù)最大。

圖3 絮凝速度的影響

2.1.4 絮凝時間的確定

取微污染水樣,調(diào)節(jié)p H值為7.0,PFPS加入量為35 mg/L,先以250 r/min速度快速混合40 s,再以60 r/min速度攪拌絮凝不同時間后沉淀25 min,檢測其濁度、COD(Mn)和分形維數(shù),結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?絮凝時間為15 min時,濁度去除率最高,分形維數(shù)最大;而對于COD(Mn)去除率,絮凝時間為10 min時效果最佳。綜合考慮,絮凝時間確定為15 min。

圖4 絮凝時間的影響

絮凝是在膠體脫穩(wěn)后,膠粒之間相互運動造成碰撞而逐漸聚集成大顆粒。絮凝體顆粒逐漸增大有利于絮體沉降。絮凝階段,要求水的紊動程度逐漸減弱,停留時間延長,創(chuàng)造足夠的碰撞機會和良好的吸附條件,使微小的絮體繼續(xù)成長。由于大的絮凝體容易破碎,絮凝速度過快,如絮凝時間過長則容易使大絮體破碎,重新分散到溶液中,影響絮凝效果;如果絮凝速度過慢,絮凝時間過短,則膠粒之間碰撞機會不多,不利于絮體聚集,從而影響濁度和有機物的去除。

2.1.5 沉淀時間的確定

取微污染水樣,調(diào)節(jié)p H值為7.0,PFPS加入量為35 mg/L,先以250 r/min的速度快速混合40 s,再以60 r/min速度絮凝15 min,沉淀不同時間后,分別取其液面下2 cm處液體檢測濁度、COD(Mn)和分形維數(shù),結(jié)果如圖5所示。

圖5 沉淀時間的影響

由圖5可知:隨沉淀時間延長,濁度和COD(Mn)去除率、分型維數(shù)的曲線變化趨勢均由低到高再由高到低;沉淀30 min時,濁度去除率最高,分形維數(shù)最大;沉淀25 min時,COD(Mn)去除效果最佳。所以,絮凝時間以30 min為最佳。

2.1.6 濁度、COD(Mn)與分形維數(shù)的關(guān)系

從上述試驗結(jié)果可以看出:濁度去除率與絮體分形維數(shù)曲線變化趨勢一致;COD(Mn)去除率曲線變化有些波動(提前或抑后),但變化幅度比較小,即在實際運行中可以分形維數(shù)代替濁度、COD(Mn)參數(shù)作為控制指標(biāo),即經(jīng)濟(jì)又簡便。

2.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化水力條件研究

從單因素試驗結(jié)果可知:水力條件影響因素相當(dāng)復(fù)雜,可變因素較多,而且單因素試驗考察的因素水平僅局限于局部區(qū)域,不能全面反映因素的所有影響。本研究在單因素試驗基礎(chǔ)上進(jìn)行多因素試驗設(shè)計,以期對水力條件進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 中心組合設(shè)計

試驗采用響應(yīng)曲面法中的5因素3水平旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計。以單因素試驗中的5個因素(混合速度、混合時間、絮凝速度、絮凝時間和沉淀時間)為自變量 ,分別以 x1、x2、x3、x4、x5表示 ,并以1、0、-1分別代表高、中、低水平 ,按式(1) 對自變量進(jìn)行編碼:

式中:Xi為自變量的編碼值;xi為自變量的真實值;x0為試驗中心點處自變量的真實值;Δx為自變量的變化步長。

根據(jù)單因素試驗選定的各水平范圍,試驗因素編碼及水平見表1,試驗設(shè)計見表2?？偣?6個獨立設(shè)計點,以絮體分形維數(shù)為響應(yīng)值 Y。試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、建模以及工藝參數(shù)的優(yōu)化均采用Design Expert7.0軟件。

表1 試驗因素水平和編碼

表2 試驗設(shè)計與結(jié)果

2.2.2 模型建立及顯著性分析

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,確立最優(yōu)擬合二次多項式方程。模型方程為:

對上述模型方程進(jìn)行方差分析,由表3可知,F=24.85>F0.01(20,5)=9.55,P=0.000 1<0.01,表明試驗所選模型為極顯著。模型的修正決定系數(shù)(R2修正值)為0.967 4,表明影響水力條件的因素大約96.74%分布在這5個因素中,僅有3.26%不能由該模型解釋,模型擬合程度良好。相關(guān)系數(shù) R2=0.983 3,接近于1,表明實測值和預(yù)測值之間的相關(guān)性較高,試驗誤差較小。

表3 回歸模型方差分析表

從表3看出:一次項 x1、x3、x4對水力條件影響極顯著(P<0.01),x2影響顯著(P<0.05),x5影響不顯著;二次項影響極顯著;交互項影響不顯著;失擬項不顯著(P=0.091 4>0.05),表明在試驗所選5因素范圍之內(nèi),所得模型可以反映參數(shù)之間的真實關(guān)系,可以用此模型對各因素進(jìn)行分析和預(yù)測。

2.2.3 響應(yīng)曲面分析及優(yōu)化

以式(2)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),應(yīng)用Design Expert 7.0軟件編程,繪制響應(yīng)值分形維數(shù)與水力條件影響因素三維圖(響應(yīng)曲面),如圖6～9所示。

圖6 混合速度和混合時間對分形維數(shù)影響的響應(yīng)曲面和等高線

圖7 混合時間和絮凝速度對分形維數(shù)影響的響應(yīng)曲面和等高線

圖8 絮凝速度和絮凝時間對分形維數(shù)影響的響應(yīng)曲面和等高線

圖9 絮凝時間和沉淀時間對分形維數(shù)影響的響應(yīng)曲面和等高線

最佳水平范圍在響應(yīng)曲面頂點附近區(qū)域。如果響應(yīng)曲面坡度較平緩,表明改因素對響應(yīng)值的影響程度不明顯,相反,如果響應(yīng)曲面坡度非常陡峭,表明響應(yīng)值對該因素的影響非常敏感;同時等高線的形狀可反映出交互效應(yīng)的強弱,一般情況下,橢圓形表示2因素交互作用顯著,而圓形表示不顯著[10]。

由圖6可知:在一定混合時間下,分形維數(shù)隨混合速度增大而增大,當(dāng)混合速度為250 r/min時,分形維數(shù)達(dá)到最大;混合速度不變,分形維數(shù)隨混合時間的延長先增大后減小,混合40 s時分形維數(shù)最大;響應(yīng)曲面坡度陡峭,表明混合速度和混合時間對響應(yīng)值的影響明顯;等高線呈圓形,說明混合速度和混合時間交互作用不顯著。這與模型的方差分析結(jié)果一致。

由圖7可知:在混合時間30～40 s、絮凝速度50～60 r/min范圍內(nèi),分形維數(shù)隨混合時間和絮凝速度增大而增大,但混合時間和絮凝速度進(jìn)一步增加,分形維數(shù)反而呈減小趨勢;混合時間為40 s、絮凝速度為60 r/min時,分形維數(shù)達(dá)到最大;響應(yīng)曲面坡度陡峭,表明混合時間和絮凝速度對響應(yīng)值的影響明顯;等高線近乎圓形,說明混合時間和絮凝速度交互作用不顯著。這與模型的方差分析結(jié)果一致。

由圖8可知:分形維數(shù)隨絮凝速度和絮凝時間增大呈先增大后減小的變化趨勢;絮凝速度60 r/min、絮凝時間15 min時,分形維數(shù)達(dá)到最大;響應(yīng)曲面坡度陡峭,表明絮凝速度和絮凝時間對響應(yīng)值的影響程度明顯;等高線呈圓形,說明絮凝速度和絮凝時間交互作用不顯著。這與模型的方差分析結(jié)果一致。

從圖9看出:響應(yīng)曲面坡度較平緩,表明沉淀時間對響應(yīng)值的影響不太明顯;等高線呈圓形,說明絮凝時間和沉淀時間交互作用不顯著,這與模型的方差分析結(jié)果一致;當(dāng)絮凝時間15 min、沉淀時間30 min時,分形維數(shù)達(dá)到最大。

利用Design Expert7.0軟件的優(yōu)化功能得到最優(yōu)水力條件,響應(yīng)值 Y(分形維數(shù))的最大預(yù)測值為1.774 2,此時5個因素對應(yīng)的值分別為:混合速度244.32 r/min,混合時間40.55 s,絮凝速度61.56 r/min,絮凝時間15.66 min,沉淀時間32.35 min。

2.2.4 驗證試驗

為了驗證模型方程(2)的合適性和有效性,以上述條件進(jìn)行驗證試驗,并與單因素試驗得出的最佳條件進(jìn)行對比,結(jié)果見表4?？梢钥闯?濁度去除率為85.34%,COD(Mn)去除率為62.03%,分形維數(shù)1.766 8,預(yù)測值與試驗值接近,表明模型合適有效,具有一定的實踐指導(dǎo)意義。

表4 不同試驗設(shè)計下的優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

1)以濁度、COD(Mn)作為凈化參數(shù),同時引入新的參數(shù)——分形維數(shù)與之比較,試驗證明分形維數(shù)與濁度、COD(Mn)變化趨勢基本一致,即在實際運行中可以以分形維數(shù)代替其他參數(shù)作為微污染水過程中凈化控制指標(biāo),即經(jīng)濟(jì)又簡便。

2)利用響應(yīng)曲面法對水力條件進(jìn)行優(yōu)化,得出最佳水力條件:混合速度244.32 r/min,混合時間40.55 s,絮凝速度61.56 r/min,絮凝時間15.66 min,沉淀時間32.35 min。在此條件條件下處理實驗室模擬廢水,絮體分形維數(shù)為1.766 8,濁度去除率為85.34%,COD(Mn)去除率為62.03%。

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Abstract:The effects of mixing rate,mixing time,flocculating velocity and flocculating time for simulation micro-polluted water using polymeric ferric phosphoric sulfate as flocculent by strengthen hydraulic condition technology were investigated systematically.The hydraulic conditions were optimized by the response surface method.The optimum hydraulic conditions are mixing rate of 244.32 r/min,mixing time of 40.55 s,sedimentation time of 40.55 s,flocculating velocity of 61.56 r/min,flocculating time of 15.66 min.The fractal dimension can be up to 1.766 8.The validation test results show that the prediction values of the fitted quadratic regression model are agreed with the experimental values.

Key words:response surface method;hydraulic condition;polymeric ferric phosphoric sulfate;fractal dimension

Optimization of Hydraulic Condition on Flocculation for Micro-polluted Water

LI Ying,LIU Zhi-rong,DAI Ying
(Chemical,Biological and Materials Science Colleges,East China University of Technology,Fuzhou 344000,China)

X52

A

1009-2617(2010)02-0108-06

2009-12-25

江西省青年科學(xué)家(井岡之星)培養(yǎng)對象計劃,項目編號:2009DQ01600。

李鷹(1984-),男,江西鷹潭人,碩士研究生,主要研究方向為環(huán)境科學(xué)。