響應(yīng)面法及粒度分析法優(yōu)化城市再生水回用于電廠的預(yù)處理

孫 暉，孫鑫格，戴家漲，馮 悅，鄭玲洋，趙 悅，曾玉彬

（1.浙能阿克蘇熱電有限公司，新疆 阿克蘇 843000；2.武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

0 引言

浙能阿克蘇熱電有限公司生產(chǎn)用水水源為新疆阿克蘇市污水處理廠再生水。該城市再生水具有硬度高、堿度高、COD高等特點(diǎn)，為使其達(dá)到電廠循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行混凝澄清預(yù)處理。電廠的混凝澄清預(yù)處理對硬度、堿度和COD去除的效果并不顯著，本文選取對再生水預(yù)處理影響最大的三個變量，即混凝劑聚合氯化鋁（PAC）加藥量、攪拌速度和澄清時間，采用響應(yīng)面法得到最佳處理參數(shù)，并用粒度分析法分析混凝澄清過程中沉淀顆粒的粒徑，研究沉降速率與粒度之間的關(guān)系，使混凝澄清過程得到進(jìn)一步優(yōu)化，對于城市再生水回用于電廠的混凝沉降預(yù)處理具有一定的參考和指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用水為新疆阿克蘇市污水處理廠再生水，pH 值為6.5～8.2，濁度最高為64.9 NTU，COD 最高為44.9 mg/L，總硬度為3.00～6.36 mmol/L，總堿度為1.95～4.88 mmol/L。實(shí)驗(yàn)用儀器為WZB-175 濁度計，SALD-2300激光粒度衍射儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用的實(shí)驗(yàn)方法為響應(yīng)面法和粒度分析法。響應(yīng)面法是一種優(yōu)化工藝條件的數(shù)學(xué)處理方法[1-5]，用多元二次回歸方程擬合因素和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過分析回歸方程，可獲得最優(yōu)工藝參數(shù)[6-11]，解決多變量問題[12-13]。粒度分析法是用激光衍射技術(shù)測量粒度，當(dāng)激光束穿過分散的不同粒度顆粒樣品時，會產(chǎn)生不同強(qiáng)度和不同角度的散射光，通過采集散射光數(shù)據(jù)形成譜圖，最后分析計算顆粒粒度分布，這種方法具有測量粒度范圍寬、適合應(yīng)用廣、測量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 響應(yīng)面法優(yōu)化混凝沉降預(yù)處理過程

本文選取影響因子最大的三個變量，即混凝劑加藥量A、澄清時間B、攪拌速度C，以濁度去除率R為響應(yīng)值，使用響應(yīng)面設(shè)計軟件Design Expert10.0擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)擬合得到的濁度去除率的回歸方程為：

由表1 中的分析結(jié)果可知，一次項(xiàng)A 和B，交互項(xiàng)AB和二次項(xiàng)A2和C2對濁度去除率影響極顯著，其他因素的影響不顯著。響應(yīng)面回歸模型的P 值＜0.000 1，達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01）[14]。

為進(jìn)一步考察回歸模型的可靠性和精確性，計算該模型的決定系數(shù)R2、校正決定系數(shù)R2Adj和精度Ap，分別為0.998 6、0.996 8 和72.659。在任一模型中，R2通常在0～1變化，越接近1說明模型擬合效果越好，反之亦然。該模型R2為0.998 6，說明超過99%的數(shù)據(jù)可以通過該模型來描述，表明擬合模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合較好。R2主要受擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的影響，增加參數(shù)的數(shù)量可進(jìn)一步提高R2，因此單純通過考察R2的大小不能合理地評價模型的優(yōu)劣。R2Adj通常小于R2，表示變量的響應(yīng)值對模型自由度的偏離情況，R2Adj越大說明實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值之間的偏差越小，模型越精確。模型中R2Adj為0.996 8，與R2接近，說明模型有較高的準(zhǔn)確性和通用性。精度Ap遠(yuǎn)大于4，表明模型具有較好的信噪比，誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾較小[15-18]。

根據(jù)回歸方程得出不同因素的響應(yīng)面結(jié)果，通過3D響應(yīng)面圖將回歸模型展現(xiàn)出來，并且由響應(yīng)面分析出自變量對響應(yīng)值的影響，同時判斷出響應(yīng)值對自變量變化的敏感程度。在響應(yīng)面圖中，曲面越陡峭，說明該因素對響應(yīng)值的影響越顯著[19]。

2.1 澄清時間與混凝劑加藥量對濁度去除率的影響

圖1為澄清時間與混凝劑加藥量交互作用對濁度去除率的影響。由圖1 可知，混凝劑加藥量對濁度去除率的影響非常顯著，澄清時間對濁度去除率的影響較為顯著。當(dāng)混凝劑加藥量大于50 mg/L時，濁度去除率隨著混凝劑加藥量的增大顯著提高。當(dāng)混凝劑加藥量接近250 mg/L時，濁度去除率達(dá)到最大。當(dāng)澄清時間大于20 min時，濁度去除率隨著澄清時間的增長逐漸增大，在澄清時間達(dá)到60 min 時，濁度去除率最大。這是由于當(dāng)澄清時間較短時，水中絮體還未完全穩(wěn)定聚集或沉淀，當(dāng)澄清時間達(dá)到60 min 時，絮體沉淀完全，濁度下降至最小值。

圖1 澄清時間與混凝劑加藥量對濁度去除率的影響Fig.1 Effect of clarification time and coagulant dosage onturbidity removal rate

2.2 澄清時間與攪拌速度對濁度去除率的影響

圖2為澄清時間和攪拌速度交互作用對濁度去除率的影響。由圖2 可知，攪拌速度對濁度去除率的影響不明顯，當(dāng)攪拌速度為100 r/min 左右時，濁度去除率達(dá)到最大。且兩者之間的交互作用對濁度去除率的影響也并不明顯，在澄清時間變化的條件下，攪拌速度對濁度去除率的影響也不劇烈，曲邊非常平緩。

圖2 澄清時間與攪拌速度對濁度去除率的影響Fig.2 Effect of clarification time and stirring speed on turbidity removal rate

2.3 混凝劑加藥量與攪拌速度對濁度去除率的影響

圖3為混凝劑加藥量和攪拌速度的交互作用對濁度去除率的影響。由圖3 可知，混凝劑加藥量對濁度去除率的影響較為顯著，其曲面十分陡峭。而無論混凝劑加藥量如何變化，攪拌速度對濁度去除率的影響都不顯著。在攪拌速度為50～150 r/min時，機(jī)械攪拌速度對混凝過程中礬花的聚集和沉降的促進(jìn)作用有限，濁度去除率在此區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。

圖3 混凝劑加藥量與攪拌速度對濁度去除率的影響Fig.3 Effect of coagulant dosage and stirring speed on turbidity removal rate

通過分析三項(xiàng)自變量對響應(yīng)值的影響，響應(yīng)面軟件Design Expert10.0擬合出了能使?jié)岫热コ蔬_(dá)到最高值的混凝沉降參數(shù)值：混凝劑加藥量為230 mg/L、澄清時間為53 min、攪拌速度為95 r/min，此時最高濁度去除率95.60%，水中濁度小于0.5 NTU，可以滿足回用電廠的水質(zhì)要求。

3 粒度分析法優(yōu)化混凝沉降預(yù)處理過程

在混凝沉淀過程中，為得到更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件對實(shí)驗(yàn)后水樣中沉淀顆粒粒徑進(jìn)行測量和研究，并與相關(guān)沉淀機(jī)理和動力學(xué)原理相結(jié)合。

斯托克斯沉降公式如下[20]：

式中：v為沉降速率，cm/s；ρ為微粒的密度，kg/m3；ρ0為液相的密度，kg/m3；r為微粒的半徑，μm；g為重力加速度，m/s2；μ為液相的黏度，mPa·s。

水樣中黏度約為2.98 mPa·s，微粒密度約為2540 kg/m3，液相密度約為1000 kg/m3，通過對微粒粒徑的測量可以計算出近似的微粒沉降速度[21-22]。由公式（2）可知，水樣中顆粒的沉降速率與粒徑的平方成正比，在實(shí)際研究中，為使反應(yīng)后水樣中的顆粒盡快沉淀，應(yīng)選擇能使沉淀顆粒粒徑最大、沉淀速率最快的實(shí)驗(yàn)條件。

3.1 混凝劑加藥量對粒徑分布的影響

取再生水原水，設(shè)置PAC 的加藥量為50 mg/L、150 mg/L和250 mg/L，攪拌速度為150 r/min，攪拌時間為30 s，靜置10 min，取下層濁液分析其顆粒粒徑。

圖4為PAC加藥量對微粒粒徑和中值粒徑的影響。由圖4 可知，當(dāng)PAC 加藥量為50 mg/L 時，水中95%的顆粒粒徑集中在0.23～0.29 μm，中值粒徑僅為0.26 μm。而當(dāng)PAC 加藥量為250 mg/L 時，水中顆粒的粒徑主要集中在10.69～100.63 μm，中值粒徑提高至26.58 μm，沉降速率達(dá)到最大值0.19 mm/s。因此，提高PAC的加藥量可以顯著提高混凝沉降過程中顆粒的沉降速率。

圖4 PAC加藥量對微粒粒徑和中值粒徑的影響Fig.4 Effect of PAC dosage on particle size and median particle size

3.2 攪拌速度對粒徑分布的影響

取再生水原水，設(shè)置PAC的加藥量為250 mg/L，攪拌速度為100 r/min、150 r/min和200 r/min，攪拌時間為30 s，靜置10 min，取上層清液和下層濁液分析其顆粒粒徑。

圖5 和圖6分別為攪拌速度對上層清液和下層濁液中微粒粒徑和中值粒徑的影響。由圖5 可知，攪拌速度對澄清過程中顆粒粒徑的影響并不顯著。當(dāng)攪拌速度為100 r/min時，水中上層清液微粒的中值粒徑為0.21 μm，這時絮凝沉淀較完全，由于機(jī)械攪拌不劇烈，導(dǎo)致清液的顆粒粒徑較小，微粒沉淀速率小。當(dāng)攪拌速度為150 r/min和200 r/min時，上層清液的微粒粒徑主要集中在0～15 μm，中值粒徑為8.38 μm和7.69 μm，因此提高攪拌速度會導(dǎo)致水中上層清液顆粒粒徑變大。

圖5 攪拌速度對上層清液微粒粒徑和中值粒徑的影響Fig.5 Effect of stirring speed on particle size and median particle size of supernatant liquid

圖6 攪拌速度對下層濁液微粒粒徑和中值粒徑的影響Fig.6 Effect of stirring speed on particle size and median particle size of lower turbidity liquid

由圖6 可知，混凝澄清后的下層濁液微粒的粒徑分布主要集中在15～25 μm，且攪拌速度的改變對層濁液中顆粒粒徑的影響并不明顯。中值粒徑在攪拌速度為150 r/min時達(dá)到最大值20.15 μm，此時顆粒沉降速度最大為0.11 mm/s。

3.3 攪拌時間對粒徑分布的影響

取再生水原水，設(shè)置PAC的加藥量為250 mg/L，攪拌速度為150 r/min，攪拌時間分別為10 s、30 s 和60 s，靜置10 min，取下層濁液分析其顆粒粒徑。

圖7為攪拌時間對下層濁液微粒粒徑和中值粒徑的影響。由圖7可知，當(dāng)攪拌時間為30 s時，水中顆粒中值粒徑取得最大值25.02 μm，此時沉降速率也達(dá)到最大值0.18 mm/s。當(dāng)攪拌時間為10 s時，水中微粒粒徑集中在10～20 μm；當(dāng)攪拌時間為30 s時，粒徑分布范圍顯著地向更高區(qū)域移動；當(dāng)攪拌時間為60 s 時，粒徑分布范圍又略有降低。為獲得最好的混凝效果，選擇攪拌時間為30 s，此時顆粒的沉淀速率最快。

圖7 攪拌時間對下層濁液微粒粒徑和中值粒徑的影響Fig.7 Effect of stirring time on particle size and median particle size of lower turbidity liquid

3.4 澄清時間對粒徑分布的影響

取再生水原水，設(shè)置PAC的加藥量為250 mg/L，攪拌速度為150 r/min，攪拌時間為30 s，分別靜置1 min、10 min 和30 min，取下層濁液分析其顆粒粒徑。

圖8為沉淀時間對下層濁液微粒粒徑和中值粒徑的影響。由圖8可知，當(dāng)沉淀時間為30 min時，水中顆粒中值粒徑達(dá)到最大值30.20 μm，沉降速率也達(dá)到最大值0.26 mm/s。而沉淀時間為1 min 時，水中顆粒的中值粒徑僅為7.56 μm，沉降速率僅為0.016 mm/s。因此提高沉淀時間可以顯著增大水中顆粒的粒徑。從粒徑分布圖可以看出，沉淀10 min和30 min后水樣的粒徑分布曲線十分接近，說明水中顆粒在沉淀10 min 后絮體結(jié)合的速度已經(jīng)變得十分緩慢。

圖8 沉淀時間對下層濁液微粒粒徑和中值粒徑的影響Fig.8 Effect of precipitation time on particle size and median particle size of lower turbidity liquid

4 結(jié)論

采用響應(yīng)面模型法和粒度分析法，對城市再生水處理為電廠生產(chǎn)用水的混凝澄清的凈化效果進(jìn)行微觀層面的研究，得出以下結(jié)論。

（1）由響應(yīng)面模型分析可知，混凝劑加藥量和澄清時間對濁度去除率的影響較為顯著。由響應(yīng)面軟件擬合得到最高濁度去除率的參數(shù)：混凝劑加藥量230 mg/L、澄清時間53 min、攪拌速度95 r/min，此時最高濁度去除率達(dá)到95.60%，水中濁度小于0.5 NTU。

（2）提高PAC 的加藥量可以顯著提高混凝沉降過程中顆粒物的沉降速率。為得到最好的混凝效果，PAC的最佳加藥量為250 mg/L，此時沉降速度最快。

（3）攪拌速度和攪拌時間對沉淀物粒徑影響不顯著。為得到較好的沉淀速率和較好的水質(zhì)穩(wěn)定性，最佳參數(shù)為攪拌速度150 r/min，攪拌時間30 s。

（4）提高沉淀時間可以顯著增大顆粒的粒徑和沉降速率澄清時間為30 min時，混凝沉降過程中顆粒物中值粒徑為30.20 μm，沉降速率為0.26 mm/s；沉淀時間為1 min時，顆粒中值粒徑僅為7.56 μm。