響應(yīng)面法分析天然絮凝劑的污水處理效果*

李寶豐，于鵬飛，趙宗祺，李團結(jié)，王 超

（1.青島潤水市政工程設(shè)計有限公司，山東 青島 266000；2.青島市政務(wù)服務(wù)和公共資源交易中心，山東 青島 266032；3.青島市海泊河污水處理廠，山東 青島 266000；4.青島市團島污水處理廠，山東 青島 266000；5.青島市排水運營服務(wù)中心，山東 青島 266000）

絮凝是一種可靠且簡便的污水處理技術(shù)，通過加入絮凝劑使污水中的懸浮微粒聚集變大、形成絮團，通過固液分離去除污染物，效果受絮凝劑類型、用量、污水pH值、攪拌速度、攪拌時間以及廢水特性的影響，廣泛用于處理生活、商業(yè)和工業(yè)污水[1-4]。

絮凝劑類型眾多，有天然、有機、無機和聚合物絮凝劑，大多數(shù)污水處理廠仍廣泛使用無機絮凝劑，如硫酸鋁（明礬）、聚合硫酸鋁等[5-7]。這類無機絮凝劑雖然效率高、成本低，但長期使用會對人類健康和環(huán)境造成嚴重影響[5]。

天然絮凝劑富含羧基、羥基和氨基等官能團，對污水中的各種污染物具有良好的親和力，具有絮凝效率高、可再生、可降解等優(yōu)點，受到研究者的廣泛關(guān)注[8-11]。

本文以西瓜籽為天然絮凝劑，采用響應(yīng)面法分析了pH值和絮凝劑用量對污水濁度、總懸浮固體（TSS）和化學需氧量（COD）去除率的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

K2Cr2O7、正己烷、石油醚、HCl、NaOH等均為分析純試劑，中國國藥集團。

ZR4-6型混凝實驗攪拌器（深圳中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司）；PHS 3C型酸度計（上海雷磁儀器廠）；2100Q濁度儀（美國哈希公司）。

1.2 實驗方法

選取當?shù)胤N植西瓜，收集其中的西瓜籽，用蒸餾水洗滌數(shù)次以去除附著的果肉，在100℃烘箱中干燥。將干燥好的西瓜籽去殼、研磨，得到粉末，利用正己烷為溶劑在索氏提取器中提取油脂24h。隨后用石油醚去除種子粉末中的正己烷，再用蒸餾水洗滌，最后在真空烘箱中50℃下干燥至恒重，得到天然絮凝劑，配制成1%的水溶液使用。

污水取自當?shù)匚鬯幚韽S（pH值、濁度、TSS和COD分別為7.51、257、526和687mg·L-1），將污水倒入混凝試驗攪拌機中，在特定pH值下加入一定量的絮凝劑溶液，在200r·min-1下攪拌5min，然后在50r·min-1下攪拌30min，吸取上清液，采用便攜式濁度計分析污水濁度，采用《水質(zhì)懸浮物的測定重量法》（GB 11901-1989）分析TSS，采用《水質(zhì)化學需氧量的測定重鉻酸鹽法》（HJ 828-2017）分析COD。

1.3 響應(yīng)面分析

本文采用響應(yīng)面分析法研究了pH值和天然絮凝劑用量對污水濁度、TSS和COD去除率的影響，每個因素取3個水平，采用minitab19對實驗結(jié)果進行分析，結(jié)果見表1。

表1 天然絮凝劑污水處理實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of natural coagulant sewage treatment

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗因素對污水濁度去除率的影響

圖1為pH值和絮凝劑用量對污水濁度去除率的影響。

圖1 pH值和絮凝劑用量對污水濁度去除率的影響Fig.1 Effects of pH value and natural coagulant dosage on the removal rate of sewage turbidity

由圖1可以看到，與pH值相比，天然絮凝劑用量對污水濁度去除率影響更顯著，隨著絮凝劑用量從100增加到200mg·L-1，濁度去除率從最高的94.15%降低到40%以下，這可能是由于隨著絮凝劑用量的增加，絮凝劑主要發(fā)生了自身聚并，導(dǎo)致污水濁度去除率下降，同時也說明在較小的天然絮凝劑用量下就能很好降低污水濁度。

2.2 實驗因素對污水TSS去除率的影響

圖2為pH值和絮凝劑用量對污水TSS去除率的影響。

圖2 pH值和絮凝劑用量對污水TSS去除率的影響Fig.2 Effects of pH value and natural coagulant dosage on the removal rate of sewage TSS

由圖2可以看到，隨著pH值從8降低到4、絮凝劑用量從200降低到100mg·L-1，污水TSS去除率最高可以達到98.34%。這是由于天然絮凝劑中含有大量的羥基、羰基、酰胺基團和游離氨基酸，可以中和懸浮固體的電荷，在固體顆粒間產(chǎn)生架橋作用，有利于降低污水TSS。

2.3 實驗因素對污水COD去除率的影響

圖3為pH值和絮凝劑用量對污水COD去除率的影響。

圖3 pH值和絮凝劑用量對污水COD去除率的影響Fig.3 Effects of pH value and natural coagulant dosage on the removal rate of sewage COD

由圖3可以看到，隨著絮凝劑用量的增加，污水COD去除率逐漸提高，最高可以達到91.39%，當絮凝劑用量大于160mg·L-1后，低pH值有利于提高污水COD去除率。

2.4 實驗因素的方差分析

表2為天然絮凝劑處理污水的方差分析結(jié)果。

由表2可以看到，pH值和絮凝劑用量對污水濁度、TSS和COD去除率的響應(yīng)面模型T值均大于1，而且P值均小于0.05，說明分析可靠，置信概率95%，具有統(tǒng)計學意義。

表2 天然絮凝劑處理污水的方差分析結(jié)果（%）Tab.2 AVOVA results of natural coagulant in sewage treatment

對污水濁度去除率來說，絮凝劑用量的T值大于1、P值小于0.05，是顯著影響因素，而pH值和pH值與絮凝劑用量二階交互效應(yīng)影響不顯著。同理，對于TSS和COD去除率來說，顯著影響因素分別是絮凝劑用量、pH值和絮凝劑用量。

2.5 污水處理工藝優(yōu)化

利用響應(yīng)面法，得到了污水濁度、TSS和COD去除率與pH值、絮凝劑用量以及兩者交互效應(yīng)之間的數(shù)學模型，見式1～3。

通過對3個去除率指標進行優(yōu)化，得到了污水處理的最優(yōu)條件，見表3。

表3 天然絮凝劑最優(yōu)污水處理條件Tab.3 Optimal sewage treatment conditions of natural coagulant

響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果與實驗結(jié)果非常吻合，當pH值為4.24、絮凝劑用量為120.23mg·L-1時，污水濁度、TSS和COD去除率可以達到67.36%、93.32%和65.49%。

3 結(jié)論

本文以處理過的西瓜籽為天然絮凝劑，采用響應(yīng)面分析法研究了pH值與絮凝劑用量對污水濁度、TSS和COD去除率的影響。通過方差分析，發(fā)現(xiàn)模型分析可靠，置信概率95%。對污水濁度、TSS和COD去除率來說，絮凝劑用量是顯著的影響因素。對于TSS去除率來說，絮凝劑用量和pH值是顯著影響因素；絮凝劑用量是影響COD去除率的顯著因素。當pH值為4.24、絮凝劑用量為120.23mg·L-1時，污水處理效果最好，預(yù)測的濁度、TSS和COD去除率分別為67.36%、93.32%和65.49%，而且與實驗結(jié)果吻合。