响应面法优化混凝处理高浊度黄河水

西北地区水资源分布极不平衡、有效性不高，在 大量需要水源的地方没有充足的水供应; 在需要水资源的季节也没有充足的雨水供应。兰州市地处干旱、半干旱地区，年降水量只有 254 ～ 382 mm， 日降水量大于 50 mm 的暴雨天数很少，但兰州每年 夏季的洪涝、山洪灾害较严重，主要是因为兰州地区 多以山地为主，两山夹一河，辖区内沟壑纵横、土质 疏松、地表裸露、植被少、渗水性差，夏季强降水容易 形成地表径流，大范围的地表径流向低处汇合，很快 在山沟或低洼地带形成强大的水流，进而发展成洪水。兰州市内的黄河段在夏季暴雨过后由于周边山洪水的流入，导致河水浑浊不清受到轻微污染， 浊度、有机物、氨氮等水质指标均有所增大。上海昕瑞仪器仪表有限公司为了保障兰州段黄河水源水的安全饮用，本次研究采用聚 合氯化铝铁( PAFC) 高分子无机混凝剂的响应面优 化法降低水中的高浊度、有机物浓度及氨氮。

1 材料与方法
1．1 材料与仪器
试验用水取自兰州市段黄河支流南河道河 水，现取现用。混凝剂为聚合氯化铝铁( PAFC，Fe 含量为 0. 6%; Al 含量为 10%) ，购自兰州二水厂， 为该厂自主研发药剂，具有价格低廉，处理效果稳 定的特点。 仪器设备: 721 N 型可见分光光度计( 上海精科仪器有限公司) ; 上海昕瑞散射光浊度仪WGZ-200A( 上海昕瑞仪表仪器仪器有限公司) ; DK－98－Ⅱ型六孔恒温水浴锅( 天津市泰斯特有限公司) ; JJ－4 A 型六联搅拌机( 常州国华电器有限公司) ; SHB－3 A 型循环抽滤装置( 郑州杜甫仪器厂) ; 规格为 Φ 50 mm、孔径为 0. 45 μm 微孔滤膜 。 砂滤试验过滤装置: 试验用的是河南巩义恒润 水处理材料有限公司生产的石英砂，砂砾粒径为 0. 5～1. 0 mm，不均匀系数为 1. 5，有效过滤高度为 1. 0 m，滤速为 8 m /h。
1．2 试验方法
试验当天，取暴雨过后兰州段黄河支流的南河 道水，原水水质: 浊度为 340 NTU，高锰酸盐指数为 9. 2 mg /L，氨氮为 5. 57 mg /L。 由前期单因素试验结果确定本次试验的主要影 响因素有 3 个: PAFC 混凝剂的投加量、搅拌时间、 pH。根据响应面分析法的 Box-Behnken 设计，对 3 个显著性因素进行优化，优化 3 个因素的最佳水平 点，获得最佳优化条件，并进行试验验证，试验重复 3 次。

2 结果与分析
根据 Box-Behnken 中心组合设计原理，以 PAFC 投加量、搅拌时间、pH 这 3 个因素为自变量( 分别 以 A、B、C 表示) ，以高锰酸盐指数去除率、氨氮去除 率、浊度去除率、UV254去除率为响应值设计了 3 因 素 3 水平共 17 个试验点的响应面分析试验，17个试验点分别为12个分析因点和5个零点。
PAFC 投加量 和搅拌时间的交互作用对于高锰酸盐指数的去除率 影响很显著，但 PAFC 投加量的影响比搅拌时间的 影响更加显著。由于加大混凝剂的投加量可以使有 机物的水化壳压缩，水解的阳离子与有机物的阴离 子发生电中和作用，消除了有机物对无机物胶体的 影响，从而使无机胶体脱落。由图 2 可知，PAFC 投加量和 pH 的交互作用对浊度较大的黄河水中高 锰酸 盐 指 数 的 去 除 率 影 响 显 著 ( P = 0. 048 3 ＜ 0. 05) ，其中混凝剂投加量对高锰酸盐指数去除率 的影响较大。混凝剂的投加量增加到一定程度后， 水解产物的分支可能发生自相作用，因而，合适的混 凝剂投加量不仅有利于节省水处理成本，还能提高 工艺处理效率。由图 3 可知，在搅拌时间与 pH 对有机物的去除效果中，pH 的作用效果更为显著。 随着 pH 由小到大变化，有机物的去除效率呈现出 先升高后降低的趋势; 而搅拌时间的变化对有机物 的去除效果无明显影响。在剂量为 15 mL /L、搅拌 15 min、pH 值为 8 的条件下。
结果优化
根据响应面优化得到的条件组成，结合实际情 况，最终通过响应面的分析得出混凝沉淀法对暴雨 过后初期浊度较大的黄河水中高锰酸盐指数、氨氮、 浊度和 UV254去除率的最佳条件。经检测，与预测值 吻合度较高，说明该回归模型可以很好地描述和预 测混凝法处理夏季暴雨过后农村地区山洪水中有机 物、氨氮、浊度、UV254的去除效果。对于混凝法处理 西北农村地区夏季暴雨过后山洪水初期优化后，可 采用自然沉淀法( 30 min) 、膜滤( 0. 45 μm) 、砂滤 ( 0. 5～1. 0 mm) 3 种处理技术进行后续处理。处理 效果如图 13 所示。3 种不同处理方式对于浊度的 去除效果基本相同，都可以达到 99. 00%以上; 有机 物的去除中膜滤的效果最好，其去除率可达到 50% 以上，自然沉淀、砂滤二者对有机物的去除率可达 40%左右; 砂滤过程对氨氮的去除效果最高可 达 40%以上，自然沉淀法和膜滤其次。

3 结论
采用 Box-Behnken 中心组合设计法进行混凝法 处理夏季暴雨过后高浊度水试验设计，利用软件进 行响应面回归分析得到相应的回归方程，确定出 PAFC 投加量是影响混凝处理效果最显著的因素， 其次是 pH 与搅拌时间。优化后的高锰酸盐指数、 氨氮、浊度、UV254去除最佳参数为: PAFC 投加量为 1. 5 mL /L、pH 值为 8. 0、搅拌时间为 15 min。在此 反应条件下，高锰酸盐指数去除率为 78. 33%、氨氮 的去除率为 41. 41%、浊度的去除率为 99. 63%、 UV254的去除率为 86. 53%。混凝优化后出水经膜 滤、砂滤处理后出水高锰酸盐指数为 3. 09 mg /L、氨 氮为 0. 89 mg /L、浊度为 0. 33 NTU、UV254为 0. 021， 均达到了《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质的要求， 有些指标甚至达到了Ⅱ类水质要求。