响应面法优化混凝处理黄河兰州段低温低浊水

闫晓涛， 李 杰,， 冯淑琪， 李玉皎

(1.兰州城市供水(集团)有限公司， 甘肃 兰州 730060； 2.兰州交通大学 环境与市政工程学院， 甘肃 兰州 730070)

1 研究背景

冬季黄河水源水长期处于水温低于 10℃、浊度低于 10 NTU的低温低浊状态[1-2]。低温会使水处理药剂水解不彻底，同时由于水中浊质颗粒过少，混凝时颗粒间凝聚、碰撞几率减少，不易形成絮体[3-5]，导致常规给水混凝工艺处理效果较差，这成为黄河沿线水厂冬季水处理中水质保障的一个主要难题。目前，给水厂处理低温低浊水时，通常采取增加絮凝剂的投药量，甚至投加黏土等附加微粒作为絮凝介质等处理措施以提高水处理效果[6-9]，但这种方法不仅提高了处理成本，而且还将导致污泥量增加、滤池过滤周期缩短、混凝剂残余量升高等问题，给净水设施的维护和管理带来很大的弊端[10]。

兰州城市供水集团以黄河兰州段为水源水，目前采用预沉池→机械加速澄清池/平流式沉淀池→V型滤池工艺处理冬季黄河低温低浊水。在混凝沉淀过程中混凝剂投加量较大，导致水处理成本有所增加。优化混凝工艺中混凝剂与助凝剂配比及投加条件，可有效降低水处理成本，提高出水水质，是保障水质安全的有效手段。

通过统计学方法构建反应模型有利于优化反应条件，提高处理效果。响应面分析法在国内外均有大量研究[11-13]，其能根据少量具有代表性的实验建立各因素与实验结果数学模型，可预测出最佳区域响应最优值，进一步优化工艺条件，并可揭示各交互作用内在联系。

本研究根据冬季黄河兰州段给水厂源水低温低浊的水质特点，采用响应面法对混凝工艺进行优化，以期为本厂技术革新和工艺优化提供技术支持。

2 材料和方法

2.1 材料与仪器

材料：采用聚合氯化铝铁(PFAC)为混凝剂(含Al：0.5%、Fe：0.03%)，聚丙烯酰胺(PAM)为助凝剂，均为兰州城市供水集团自配药剂，具有价格低廉，处理效果稳定的特点。

仪器：721N型可见分光光度计(上海精科仪器有限公司)；DK-98-II型六孔恒温水浴锅(天津市奥斯特仪器有限公司)；2100P型浊度仪(哈希水质分析仪器有限公司)；JJ-4A型六联搅拌机(常州国华电器有限公司)；SHB-3A型循环抽滤装置(郑州杜甫仪器厂)和规格为Φ50 mm、孔径为0.45 μm微孔滤膜(上海兴亚净化材料厂)。

砂滤实验装置：实验用砂取自兰州供水集团，砂砾粒径为0.8～1.5 mm，不均匀系数为2，有效过滤高度为0.7 m，滤速为10 m/h。

2.2 实验方法

实验取水时间为2017年12月，取水后立即测定水质参数。测定结果为：温度(5.01±0.24℃)、浊度(8.15±0.19 NTU)、高锰酸盐指数(4.89±0.22 mg/L)、氨氮(0.80±0.02 mg/L)。各项指标均采用国家标准分析法进行测定。

通过对影响因素的单因素分析，确定本实验的主要影响因素有 4 个：混凝剂PFAC投加量、助凝剂PAM投加量、絮凝时间、絮凝转速。根据响应面分析法的 Box-Behnken 设计，对4个显著性因素进行优化，优化 4 个因素的最佳水平点，获得最佳优化条件，并进行实验验证。实验重复3次。

3 结果与讨论

3.1 Box-Behnken 设计结果与响应面分析

根据 Box-Behnken 中心组合设计原理[14]，以混凝剂投加量、助凝剂投加量、絮凝时间、絮凝转速4个因素为自变量(分别以X1，X2，X3，X4表示)，以浊度去除率、高锰酸盐指数去除率、氨氮去除率为响应值设计了4因素3水平共29个实验点的响应面分析实验，实验因素水平及编码如表1所示。

表1 响应面分析因素与水平

实验以随机次序进行，将实验所得的浊度去除率、高锰酸盐指数去除率、氨氮去除率用 Design-Expert8.0.6软件进行分析，得出响应面分析图、回归拟合方程以及方差分析表，响应面实验设计及结果见表2。

利用 Design-Expert 8.06 软件对表 2 实验数据进行多元回归拟合，各响应值回归分析结果如表3所示，同时得到浊度去除率(Y1)、高锰酸盐指数去除率(Y2)、氨氮去除率(Y3)对混凝剂投加量(X1)、助凝剂投加量(X2)、絮凝时间(X3)及絮凝转速(X4)的二次回归模型为:

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)

对二次回归方程的方差分析及显著性检验结果如表3、4所示。

模型方差的分析及显著性检验是衡量模型设计合理性及预测能力的重要方式。Y1模型的F值为41.67，P值<0.0001；Y2模型的F值为15.28、P值<0.0001；Y3模型的F值为22.44，P值<0.0001，模型失拟项分别为0.4064、0.7847、0.2359，均大于0.05，说明3个模型均是显著的，可信度高，模拟精确。由表4可知，模型的信噪比分别为22.009、13.831、13.730，均大于4，说明3个模型均提供了一个

表2 响应面实验设计及结果

表3 浊度、高锰酸盐指数和氨氮去除率回归方程的方差分析

注:“*”表示显著，“**”表示极显著。

表4 浊度、高锰酸盐指数和氨氮去除率回归方程显著性

3.2 交互作用分析

经过 Design-Expert8.0.6软件分析，得到各交互因素对浊度去除率、高锰酸盐指数去除率、氨氮去除率的响应面，如图1～3。从图1～3中可以分析和评估任何 2 个因素的交互作用对响应值的影响效应，从中确定最佳因素水平。

响应面图中曲面坡度可反映因素对响应值的影响大小，坡面越陡，说明该因素对响应值的影响越大；因素间交互效应的强弱是由等高线的形状所反映的，圆形表示因素间交互作用不显著，椭圆形则表示因素间交互作用显著[15]。

由图 1 可以看出，混凝剂量与助凝剂量、絮凝时间、絮凝转速交互作用均极为显著，助凝剂量与絮凝时间的交互作用不显著，印证了混凝剂量对浊度去除率影响最为显著。低温下，胶体的溶剂化作用增强，颗粒周围水化作用突出，阻碍浊质的凝聚，因而在合适的混凝剂投加量下，可以增加颗粒的碰撞机会，强化浊质的去除。在所选实验范围内，当混凝剂量为7.56 mL、助凝剂量为6.56 mL、絮凝时间为30 min、絮凝转速为86.81 r/min时，浊度去除率最大，为16.93%。

从图2可以看出，混凝剂量与助凝剂量、絮凝时间、絮凝转速的交互作用均显著，混凝剂量、助凝剂量、絮凝时间、絮凝转速两两之间均与高锰酸盐指数去除率在等高线图中呈椭圆形、并在3D图中呈抛物线关系，有极大值。这点出现在混凝剂量为8.74 mL、助凝剂量为6.12 mL、絮凝时间为34.17 min、絮凝转速为90.57 r/min交汇处，高锰酸盐指数去除率为20.20%。

图3显示了混凝剂量、助凝剂量、絮凝时间、絮凝转速4个因素对氨氮去除率的交互作用，混凝剂量与助凝剂量、絮凝时间、絮凝转速对氨氮去除率的影响大小为：混凝剂量>絮凝时间>助凝剂量>絮凝转速。混凝剂量与絮凝转速对氨氮去除率影响的交互作用最显著(p=0.0001<0.01)，混凝剂量与助凝剂量、絮凝时间、絮凝转速的交互作用较为显著。氨氮去除率随着混凝剂量、助凝剂量、絮凝时间、絮凝转速的变化有极大值，这点出现在混凝剂量为10 mL、助凝剂量为4.81 mL、絮凝时间为40 min、絮凝转速为84.82 r/min的交汇处，氨氮去除率为17.47%。

图1 各交互因素对浊度去除的影响的响应面图

图2 各交互因素对高锰酸盐指数去除率影响的响应面图

图3 各交互因素对氨氮去除率影响的响应面图

3.3 结果优化

以响应面优化得到的条件组合，结合实际情况，最终通过响应面的分析得出混凝法对黄河水中浊度、高锰酸盐指数、氨氮去除率的最佳条件为：混凝剂投加量7.87mL、助凝剂投加量6.06 mL、絮凝时间37 min、絮凝转速90 r/min。在此条件下，浊度去除率为16.3%、高锰酸盐指数去除率为19.67%、氨氮去除率为14.68%。实验设计上为了检验响应面法所得结果，采用上述条件进行了 3 次重复性验证实验，实际浊度去除率为16.21%、16.25%、15.98%，实际高锰酸盐指数去除率为19.46%、19.58%、19.55%，实际氨氮去除率为14.60%、14.47%、14.56%，与预测值吻合，说明了回归方程的预测值与实验值之间具有较好的拟合度。

给水厂在混凝处理后往往采用滤池作为后续处理。近年来，有部分水厂升级改造中选择新型膜滤工艺作为给水厂把关处理工艺[16]。本实验中进一步探讨了膜滤与传统砂滤分别作为后续处理工艺的可行性，为工艺改革提供参考。实验对混凝法处理黄河冬季低温低浊水优化后，出水沉淀30min后分别经膜滤和砂滤处理，处理效果如图4所示。

图4 过滤技术处理混凝优化出水

由图4可知，砂滤处理效果优于膜滤。这是因为膜滤的机理仅为物理截留作用，砂滤处理不仅有物理过滤作用，还有生化作用[17]。测定过滤出水的水质指标，浊度处理效果最好，其次是氨氮、高锰酸盐指数。砂滤对浊度去除率为88.65%、高锰酸盐指数去除率为32.28%、氨氮去除率为35.53%。出水水质指标如下：浊度0.76NTU、高锰酸盐指数2.72 mg/L、氨氮0.44 mg/L，可达到生活饮用水水质标准(GB5749-2006)。

4 结 论

(1)采用聚合氯化铝铁(PFAC)为混凝剂，聚丙烯酰胺(PAM)为助凝剂的混凝工艺处理低温低浊水时，最显著的影响因素为混凝剂投加量，其次为絮凝时间、助凝剂投加量、絮凝转速。

(2)响应面法优化混凝工艺去除浊度、高锰酸盐指数、氨氮去除率的最佳操作条件参数为：混凝剂投加量7.87mL、助凝剂投加量6.06 mL、絮凝时间37 min、絮凝转速90 r/min。在此最佳参数条件下，浊度、高锰酸盐指数、氨氮去除率分别为16.3%、19.67%、14.68%。

(3)采用响应面优化混凝后，出水经砂滤处理效果更佳。出水浊度为0.76NTU、高锰酸盐指数为2.72 mg/L、氨氮为0.44 mg/L，达到了生活饮用水水质标准(GB5749-2006)要求。研究结果可为兰州城市供水(集团)有限公司处理工艺升级改造提供技术参考，有效保障冬季水厂供水水质安全。