響應面法優化混凝處理黃河蘭州段低溫低濁水

閆曉濤， 李 杰,， 馮淑琪， 李玉皎

(1.蘭州城市供水(集團)有限公司， 甘肅 蘭州 730060； 2.蘭州交通大學 環境與市政工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

冬季黃河水源水長期處于水溫低于 10℃、濁度低于 10 NTU的低溫低濁狀態[1-2]。低溫會使水處理藥劑水解不徹底，同時由于水中濁質顆粒過少，混凝時顆粒間凝聚、碰撞幾率減少，不易形成絮體[3-5]，導致常規給水混凝工藝處理效果較差，這成為黃河沿線水廠冬季水處理中水質保障的一個主要難題。目前，給水廠處理低溫低濁水時，通常采取增加絮凝劑的投藥量，甚至投加黏土等附加微粒作為絮凝介質等處理措施以提高水處理效果[6-9]，但這種方法不僅提高了處理成本，而且還將導致污泥量增加、濾池過濾周期縮短、混凝劑殘余量升高等問題，給凈水設施的維護和管理帶來很大的弊端[10]。

蘭州城市供水集團以黃河蘭州段為水源水，目前采用預沉池→機械加速澄清池/平流式沉淀池→V型濾池工藝處理冬季黃河低溫低濁水。在混凝沉淀過程中混凝劑投加量較大，導致水處理成本有所增加。優化混凝工藝中混凝劑與助凝劑配比及投加條件，可有效降低水處理成本，提高出水水質，是保障水質安全的有效手段。

通過統計學方法構建反應模型有利于優化反應條件，提高處理效果。響應面分析法在國內外均有大量研究[11-13]，其能根據少量具有代表性的實驗建立各因素與實驗結果數學模型，可預測出最佳區域響應最優值，進一步優化工藝條件，并可揭示各交互作用內在聯系。

本研究根據冬季黃河蘭州段給水廠源水低溫低濁的水質特點，采用響應面法對混凝工藝進行優化，以期為本廠技術革新和工藝優化提供技術支持。

2 材料和方法

2.1 材料與儀器

材料：采用聚合氯化鋁鐵(PFAC)為混凝劑(含Al：0.5%、Fe：0.03%)，聚丙烯酰胺(PAM)為助凝劑，均為蘭州城市供水集團自配藥劑，具有價格低廉，處理效果穩定的特點。

儀器：721N型可見分光光度計(上海精科儀器有限公司)；DK-98-II型六孔恒溫水浴鍋(天津市奧斯特儀器有限公司)；2100P型濁度儀(哈希水質分析儀器有限公司)；JJ-4A型六聯攪拌機(常州國華電器有限公司)；SHB-3A型循環抽濾裝置(鄭州杜甫儀器廠)和規格為Φ50 mm、孔徑為0.45 μm微孔濾膜(上海興亞凈化材料廠)。

砂濾實驗裝置：實驗用砂取自蘭州供水集團，砂礫粒徑為0.8～1.5 mm，不均勻系數為2，有效過濾高度為0.7 m，濾速為10 m/h。

2.2 實驗方法

實驗取水時間為2017年12月，取水后立即測定水質參數。測定結果為：溫度(5.01±0.24℃)、濁度(8.15±0.19 NTU)、高錳酸鹽指數(4.89±0.22 mg/L)、氨氮(0.80±0.02 mg/L)。各項指標均采用國家標準分析法進行測定。

通過對影響因素的單因素分析，確定本實驗的主要影響因素有 4 個：混凝劑PFAC投加量、助凝劑PAM投加量、絮凝時間、絮凝轉速。根據響應面分析法的 Box-Behnken 設計，對4個顯著性因素進行優化，優化 4 個因素的最佳水平點，獲得最佳優化條件，并進行實驗驗證。實驗重復3次。

3 結果與討論

3.1 Box-Behnken 設計結果與響應面分析

根據 Box-Behnken 中心組合設計原理[14]，以混凝劑投加量、助凝劑投加量、絮凝時間、絮凝轉速4個因素為自變量(分別以X1，X2，X3，X4表示)，以濁度去除率、高錳酸鹽指數去除率、氨氮去除率為響應值設計了4因素3水平共29個實驗點的響應面分析實驗，實驗因素水平及編碼如表1所示。

表1 響應面分析因素與水平

實驗以隨機次序進行，將實驗所得的濁度去除率、高錳酸鹽指數去除率、氨氮去除率用 Design-Expert8.0.6軟件進行分析，得出響應面分析圖、回歸擬合方程以及方差分析表，響應面實驗設計及結果見表2。

利用 Design-Expert 8.06 軟件對表 2 實驗數據進行多元回歸擬合，各響應值回歸分析結果如表3所示，同時得到濁度去除率(Y1)、高錳酸鹽指數去除率(Y2)、氨氮去除率(Y3)對混凝劑投加量(X1)、助凝劑投加量(X2)、絮凝時間(X3)及絮凝轉速(X4)的二次回歸模型為:

Y1=16.29-1.47X1+0.091X2-0.28X3-0.048X4-1.09X1X2-1.03X1X3+1.19X1X4-0.022X2X3-

(1)

Y2=19.89+1.36X1+1.02X2-0.064X3+0.76X4-1.02X1X2-0.64X1X3-0.69X1X4+0.37X2X3-

(2)

Y3=14.22+1.90X1-0.74X2+1.73X3-0.52X4-1.61X1X2-1.68X1X3-3.48X1X4-1.41X2X3+

(3)

對二次回歸方程的方差分析及顯著性檢驗結果如表3、4所示。

模型方差的分析及顯著性檢驗是衡量模型設計合理性及預測能力的重要方式。Y1模型的F值為41.67，P值<0.0001；Y2模型的F值為15.28、P值<0.0001；Y3模型的F值為22.44，P值<0.0001，模型失擬項分別為0.4064、0.7847、0.2359，均大于0.05，說明3個模型均是顯著的，可信度高，模擬精確。由表4可知，模型的信噪比分別為22.009、13.831、13.730，均大于4，說明3個模型均提供了一個

表2 響應面實驗設計及結果

表3 濁度、高錳酸鹽指數和氨氮去除率回歸方程的方差分析

注:“*”表示顯著，“**”表示極顯著。

表4 濁度、高錳酸鹽指數和氨氮去除率回歸方程顯著性

3.2 交互作用分析

經過 Design-Expert8.0.6軟件分析，得到各交互因素對濁度去除率、高錳酸鹽指數去除率、氨氮去除率的響應面，如圖1～3。從圖1～3中可以分析和評估任何 2 個因素的交互作用對響應值的影響效應，從中確定最佳因素水平。

響應面圖中曲面坡度可反映因素對響應值的影響大小，坡面越陡，說明該因素對響應值的影響越大；因素間交互效應的強弱是由等高線的形狀所反映的，圓形表示因素間交互作用不顯著，橢圓形則表示因素間交互作用顯著[15]。

由圖 1 可以看出，混凝劑量與助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉速交互作用均極為顯著，助凝劑量與絮凝時間的交互作用不顯著，印證了混凝劑量對濁度去除率影響最為顯著。低溫下，膠體的溶劑化作用增強，顆粒周圍水化作用突出，阻礙濁質的凝聚，因而在合適的混凝劑投加量下，可以增加顆粒的碰撞機會，強化濁質的去除。在所選實驗范圍內，當混凝劑量為7.56 mL、助凝劑量為6.56 mL、絮凝時間為30 min、絮凝轉速為86.81 r/min時，濁度去除率最大，為16.93%。

從圖2可以看出，混凝劑量與助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉速的交互作用均顯著，混凝劑量、助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉速兩兩之間均與高錳酸鹽指數去除率在等高線圖中呈橢圓形、并在3D圖中呈拋物線關系，有極大值。這點出現在混凝劑量為8.74 mL、助凝劑量為6.12 mL、絮凝時間為34.17 min、絮凝轉速為90.57 r/min交匯處，高錳酸鹽指數去除率為20.20%。

圖3顯示了混凝劑量、助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉速4個因素對氨氮去除率的交互作用，混凝劑量與助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉速對氨氮去除率的影響大小為：混凝劑量>絮凝時間>助凝劑量>絮凝轉速?；炷齽┝颗c絮凝轉速對氨氮去除率影響的交互作用最顯著(p=0.0001<0.01)，混凝劑量與助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉速的交互作用較為顯著。氨氮去除率隨著混凝劑量、助凝劑量、絮凝時間、絮凝轉速的變化有極大值，這點出現在混凝劑量為10 mL、助凝劑量為4.81 mL、絮凝時間為40 min、絮凝轉速為84.82 r/min的交匯處，氨氮去除率為17.47%。

圖1 各交互因素對濁度去除的影響的響應面圖

圖2 各交互因素對高錳酸鹽指數去除率影響的響應面圖

圖3 各交互因素對氨氮去除率影響的響應面圖

3.3 結果優化

以響應面優化得到的條件組合，結合實際情況，最終通過響應面的分析得出混凝法對黃河水中濁度、高錳酸鹽指數、氨氮去除率的最佳條件為：混凝劑投加量7.87mL、助凝劑投加量6.06 mL、絮凝時間37 min、絮凝轉速90 r/min。在此條件下，濁度去除率為16.3%、高錳酸鹽指數去除率為19.67%、氨氮去除率為14.68%。實驗設計上為了檢驗響應面法所得結果，采用上述條件進行了 3 次重復性驗證實驗，實際濁度去除率為16.21%、16.25%、15.98%，實際高錳酸鹽指數去除率為19.46%、19.58%、19.55%，實際氨氮去除率為14.60%、14.47%、14.56%，與預測值吻合，說明了回歸方程的預測值與實驗值之間具有較好的擬合度。

給水廠在混凝處理后往往采用濾池作為后續處理。近年來，有部分水廠升級改造中選擇新型膜濾工藝作為給水廠把關處理工藝[16]。本實驗中進一步探討了膜濾與傳統砂濾分別作為后續處理工藝的可行性，為工藝改革提供參考。實驗對混凝法處理黃河冬季低溫低濁水優化后，出水沉淀30min后分別經膜濾和砂濾處理，處理效果如圖4所示。

圖4 過濾技術處理混凝優化出水

由圖4可知，砂濾處理效果優于膜濾。這是因為膜濾的機理僅為物理截留作用，砂濾處理不僅有物理過濾作用，還有生化作用[17]。測定過濾出水的水質指標，濁度處理效果最好，其次是氨氮、高錳酸鹽指數。砂濾對濁度去除率為88.65%、高錳酸鹽指數去除率為32.28%、氨氮去除率為35.53%。出水水質指標如下：濁度0.76NTU、高錳酸鹽指數2.72 mg/L、氨氮0.44 mg/L，可達到生活飲用水水質標準(GB5749-2006)。

4 結 論

(1)采用聚合氯化鋁鐵(PFAC)為混凝劑，聚丙烯酰胺(PAM)為助凝劑的混凝工藝處理低溫低濁水時，最顯著的影響因素為混凝劑投加量，其次為絮凝時間、助凝劑投加量、絮凝轉速。

(2)響應面法優化混凝工藝去除濁度、高錳酸鹽指數、氨氮去除率的最佳操作條件參數為：混凝劑投加量7.87mL、助凝劑投加量6.06 mL、絮凝時間37 min、絮凝轉速90 r/min。在此最佳參數條件下，濁度、高錳酸鹽指數、氨氮去除率分別為16.3%、19.67%、14.68%。

(3)采用響應面優化混凝后，出水經砂濾處理效果更佳。出水濁度為0.76NTU、高錳酸鹽指數為2.72 mg/L、氨氮為0.44 mg/L，達到了生活飲用水水質標準(GB5749-2006)要求。研究結果可為蘭州城市供水(集團)有限公司處理工藝升級改造提供技術參考，有效保障冬季水廠供水水質安全。