首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 环境科学论文 > 响应曲面优化混凝法处理黑臭水体的研究

响应曲面优化混凝法处理黑臭水体的研究

2024-10-30 75 上传者：管理员

摘要：以实际黑臭水体为样本，通过响应曲面(RSM)优化混凝法处理黑臭水体的操作参数，利用BBD设计原理，设计响应曲面17组实验方案，结果表明：三因素对COD去除率作用效果先后顺序为：PAC>PAM>pH,PAC投加量为109.85mg/L,PAM投加量为1.17 mg/L,pH值为6.84时，此时最大的COD去除率预测值为60.30%。随后在此优化工艺参数条件下，进行5组平行实验，得到COD去除率的平均值为57.14%，与预测值的相对偏差为3.16%，模型得到验证。

关键词：
响应曲面
实验设计
污水处理
混凝
黑臭水体
加入收藏

1、前言

随着城市化进程的加速，污水排放量急速增加，许多城市因基础设施建设和管理相对滞后，污染物缺乏有效的处理方式直接进入自然水体，导致水体发黑发臭。黑臭水体的产生不仅使河流丧失原有的功能和价值，且严重破坏了周围的环境景观，甚至危害到沿岸居民的身体健康，如何经济有效地处理此类废水已成为日益紧迫的问题。

混凝工艺作为污水处理中常见的工艺，能快速消除黑臭，净化水质，在黑臭水体的治理中发挥了重要作用[1]。郑心愿[2]通过在混凝反应中加入磁粉，增强絮体沉降性能，缩短混凝沉淀时间并有效提高出水水质，用于某黑臭水体治理工程中，出水浊度和TP均稳定在5 NTU和0.5 mg/L以下，表现出较好的抗冲击负荷能力和系统稳定性。彭思宁[3]利用序批实验研究了硅系絮凝剂处理城市黑臭水体效果的影响，研究结果表明，投加量、pH、温度和污泥回流比等工艺参数对COD、SS和TP的去除效果有显著影响；当污泥回流比控制在30%～80%，投加量仅为20 mg/L时，出水TP浓度可达GB18918-2002一级A标的限值。刘亚南[4]通过自制无机高分子聚硅酸铁镁作为混凝剂处理黑臭水体，并与聚合硫酸铁、聚合氯化铝两种混凝剂絮凝性能进行对比分析。试验结果在整个投加剂量范围内H2O2预氧化-混凝沉淀法去除CODCr和UV254效果均优于单一混凝沉淀工艺，CODCr最高去除率从69.61%提升到78.97%;UV254最高去除率从39.80%提升到45.25%。

到目前为止，许多学者针对混凝及其组合工艺处理黑臭水体，以及混凝剂的改性已做了大量研究，但考虑到实际黑臭水体体量大，水质和操作条件变化多样，受限于成本费用及出水的最终处理效果，混凝工艺在黑臭水体治理中的实际意义仍有待探究。本文以某地实际黑臭水体为样本，通过响应曲面优化混凝法处理黑臭水体的操作参数，获得COD去除的最佳实验条件，为实际黑臭水体的治理提供参考。

2、实验材料与方法

2.1 原水水质

水样来自某河道实际黑臭水体，取样当天原水水质：pH:6.92,COD:114.2 mg/L，氨氮：15.6 mg/L,TP:1.72 mg/L，浊度54.0 NTU。实验过程中的原水其他水质参数基本保持一致，pH值变化通过稀硫酸和氢氧化钠溶液调节。

2.2 实验方法

取六个烧杯分别加500 L水放置在六联搅拌机上，在快速搅拌(200 r/min)条件下分别加入一定量的预先配置好的浓度均为10%的PAC，反应2 min，在慢速搅拌(60 r/min)加入浓度为0.05‰PAM，搅拌10 min后静沉15 min，用移液管移取液面2 cm处的上清液并进行COD检测，COD检测方法为《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》(HJ/T399-2007)，实验中药剂投加量按溶液浓度折算成固体含量。

2.3 响应曲面法设计

响应曲面设计是一种将综合试验设计、数学建模及理论统计相结合的优化方法，通过对研究范围内样本点的集合进行试验设计，拟合出输入变量与响应值的函数关系，得到最优回归方程即设计范围内的最优组合，以达到使响应值处于极值的目的[5-7]。

本文采取BBD设计方法，每个因素取三个水平，通过前期单因素预实验结果确定的最佳范围内进行取值。设计三因素三水平的响应面分析实验，考虑到实际黑臭水体pH值季节性波动较大，加药量对处理效果影响显著，选择原水pH值、PAC加药量，PAM加药量作为影响絮凝效果的主要因素，其中PAC加药量三水平为(40 mg/L、80 mg/L、120 mg/L),PAM加药量三水平为(0 mg/L、1 mg/L、2 mg/L),pH值三水平为(5、7、9)，三因素分别记为A,B,C，以COD去除率为响应值对实验条件进行优化，实验设计如表1所示。

表1 实验因素水平及编码

3、结果与讨论

3.1 响应曲面法设计和实验结果

利用软件Design Expert中BBD设计模型，设计响应曲面实验方案，共17组实验，其中5组中心重复组。根据17组实验方案，按照对应的实验条件进行混凝实验并测定结果，具体COD去除率见表2。

表2 实验设计方案及结果

3.2 回归模型的建立与显著性检验

将表2中结果进行回归拟合，得到PAC加药量、PAM加药量和pH值COD去除率之间的多项回归方程式(1)，响应值为COD去除率的回归方程方差分析见表3。

模型的好坏可以用相关系数R2评估，R2愈加靠近于1，模型对实验结果的拟合度越好[8-9]。二次模型的方差分析结果如表3所，R2为0.9866，表明98.66%的COD去除率变化可以通过此二次模型来解释，在去除不显著的因素项后，校正相关系数(Adj R-Squared)为0.9693，仍大于0.95，与R-Squared相比，差别不大，说明该实验拟合程度较高[10]。CV值越低，信噪比越高，说明实验的可信度越高[11-12]。表中CV(%)值为4.19，不仅小于10，而且相对比较低，因此该模型可信度高，可以重现。综上所述，该回归方程通过上述评价和检验，适应性较好。

表3 响应值为COD去除率的回归方程方差分析

对回归方程进行方差分析，判断其显著性。设置显著水平a=0.05，当P值小于0.05时，说明显著；反之表明不显著。三个因子作用效果先后顺序为：PAC>PAM>pH，可见在混凝系统中，COD要达到较好的去除效果，对COD的加药量的控制就比较关键，而PAC有着较为广泛的pH适应性，其作用效果较弱，因此，在实际水体的治理过程中，如需提高COD的去除率，PAC的投加量即为首要考虑条件。

图1为COD去除率的预测值与实验值的关系图。预测值是由建立的模型求得值，实验值是实验所得结果。由图1可知，预测值与实验值非常接近，实验结果值均分布在直线Y=X附近，表明拟合二次模型能较好地预测COD的实际去除率，表明了该模型的有效性。

图1 COD去除率的预测值与实验值的关系图

3.3 多因素交互作用分析

通过响应曲面图和等高线图直观地展示了两因素间交互作用，从响应曲面图的曲线倾斜程度和等高线的形状，可判断各因素交互作用的强弱大小，曲线陡峭或等高线形状呈圆形代表两因素交互作用不明显，曲面平缓或形状呈椭圆形则代表交互作用明显[13]。

图2 PAC和PAM投加量对COD去除率的影响

如图2，给出了pH=7时，混凝反应过程中PAC与PAM投加量对COD去除率影响的响应曲面图与等高线图。可以看出，等高线图呈椭圆形，且颜色变化比较快，表明两者交互影响作用较强，而在各因素取值范围内，PAC与PAM投加量对COD去除率的影响基本相当，但PAC对应的曲面图形更陡峭，表明PAC加药量的影响更为显著。在PAC加药从40 mg/L到80 mg/L,PAM从0 mg/L增加到1 mg/L时，COD去除率均有一个显著增加的过程，表现为曲面比较陡峭，且曲面率随两个因素变化程度几乎相同，说明两者对COD去除率影响权重接近，而随着加药量的继续增加，COD的去除率趋于平缓。

图3 PAC投加量和p H值对COD去除率的影响

图3为PAM加药量为1 mg/L的条件下，混凝反应过程中PAC投加量和pH值对COD去除率的影响。从图中可以看出，PAC加药量对COD去除率的影响更显著些，且PAC加药量与pH之间存在交互作用。随着PAC投加量的增加，COD去除率呈现明显的上升趋势，而COD的去除率在5～9之间呈现出先上升后下降的趋势，在pH接近7左右时出现峰值，但在酸性环境中的去除率略高于碱性，对于混凝剂PAC，水解所形成的Al(OH)3电性受水体的酸碱性影响较大[14]，当pH<7时，水解所形成的Al(OH)3带有强正电荷[15-16]；当pH>7时，Al(OH)3则带较弱的负电荷，而黑臭水体中由于存在有机物污染物和腐殖酸类，表面电荷一般为负电荷，因此，当水体为偏酸性或中性时，带负电的污染物质与带正电的Al(OH)3相互絮凝，增强网捕了和卷扫作用[17]，表现出COD的去除效率更高。

图4 PAM和p H对COD去除率的影响

图4为PAC加药量为80 mg/L的条件下，混凝过程PAM和pH对COD去除率的影响。图中等高线图显示近似圆形，说明两者之间的交互作用对COD去除率的影响较小。在pH=7左右时，随着PAM投加量的增加，COD的去除率呈现先增加后缓慢下降的趋势，PAM因具有阳性基团(-CONH2)，可以与分散于溶液中的细小凝聚体吸附和架桥，起到较强的絮凝作用[18]，因此，相比于不投加PAM，投加PAM会使脱稳絮体凝聚成体积更大且密实的絮凝体，但过多的PAM会影响絮凝效果，使COD的去除率并没有得到提高。pH对PAM的影响与对PAC的影响类似，均在7左右得到最佳的去除率。

3.4 模型的验证

利用模型中数值优化功能，得到理论上的最佳工艺参数：PAC投加量为109.85 mg/L,PAM投加量为1.17 mg/L,pH值为6.84时，此时最大的COD去除率预测值为60.30%。随后在此优化工艺参数条件下，进行5组平行实验。结果表明：在此条件下，COD去除率的平均值为57.14%，与预测值的相对偏差为3.16%，表明应用RSM模型优化混凝反应过程中去除黑臭水体中的COD，不仅科学准确，而且经济有效。

4、结论

以实际黑臭水体为样本，设计响应曲面实验方案，结果表明：三因素对COD去除率作用效果先后顺序为：PAC>PAM>pH，当PAC投加量为109.85 mg/L,PAM投加量为1.17 mg/L,pH值为6.84时，此时最大的COD去除率预测值为60.30%。随后在优化工艺参数条件下，进行多组平行实验，得到COD去除率的平均值为57.14%，与预测值的相对偏差为3.16%。证明应用RSM优化混凝反应过程中去除黑臭水体中的COD，不仅科学准确，而且经济有效。

参考文献:

[1]刘君臣,张竹青,冯志江,等.混凝-BAF处理黑臭水体中试实验研究[J].水处理技术,2021,47(03):114-118.

[2]郑心愿,华英豪.磁加载多效澄清技术在城市黑臭水体治理和城市生活污水处理中的应用案例[J].环境工程学报,2021,15(09):3136-3142.

[3]彭思宁,邓仁健,张旖宁,等.新型硅系絮凝剂强化混凝处理黑臭水体实验研究[J].应用化工,2023,52(02):490-493+497.

[4]刘亚南,杨延梅,蒋进元,等.H2O2预氧化-混凝沉淀组合工艺处理黑臭水试验研究[J].科学技术与工程,2018,18(31):105-111.

[5]梁业新,程海梅,孟庆国,等.响应曲面法对离心萃取高浓度含酚废水工艺的优化[J].广东化工,2021,48(12):121-124+126.

[6]张竹青,周琴,吴梦霞.响应曲面法优化对硝基苯酚废水处理工艺条件[J].长江大学学报(自然科学版),2019,16(10):67-71.

[8]周佳丽,林伟雄,关智杰,等.响应曲面法优化KOH改性污泥生物炭的制备及其强化去除Pb(Ⅱ)的研究[J].环境科学学报,2022,42(08):194-207.

[9]徐金兰,刘成海,陈飞洋,等.响应曲面优化改性沸石的制备及其对水中氨去除特性[J].水处理技术,2023,49(04):41-45+50.

[10]张震,陈飞勇,刘汝鹏,等.基于响应曲面法优化的臭氧/过硫酸盐/四氧化三铁工艺对结晶紫的降解[J].环境工程学报,2023,17(07):2192-2204.

[11]王宗丽,罗玲,袁野,等.响应曲面法优化分析MBR钨冶炼废水处理过程研究[J].水处理技术,2023,49(07):38-44+49.

[12]李少秋,陈伟,张云英,等.基于响应曲面法的聚合氯化铝对矿井废水中氟离子混凝去除工艺优化[J].环境工程学报,2023,17(05):1514-1522+1394.