慕鈺文，馮毓琴，李長(zhǎng)亮，李翠紅

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070）

響應(yīng)面法優(yōu)化高原夏菜尾菜廢水活性炭脫色工藝的研究

慕鈺文，馮毓琴*，李長(zhǎng)亮，李翠紅

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，甘肅蘭州730070）

為了有效解決高原夏菜尾菜加工處理過(guò)程中廢水色度大、不能達(dá)標(biāo)排放的難題，本文以脫色率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法研究活性炭對(duì)高原夏菜尾菜廢水的脫色條件。得到最佳脫色條件為：活性炭添加量為1.85%，pH為6.1，脫色時(shí)間為66min，高原夏菜尾菜廢水的脫色率達(dá)到85.04%。

高原夏菜，尾菜廢水，活性炭，響應(yīng)面法，脫色

蘭州高原夏菜品質(zhì)優(yōu)異、品種豐富、上市檔期良好，已成為當(dāng)?shù)氐膽?zhàn)略主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一［1］。近年來(lái)，隨著蔬菜總產(chǎn)量的增加和凈菜上市的消費(fèi)需求，夏菜在生產(chǎn)和凈菜加工過(guò)程中產(chǎn)生的大量的外葉、根盤(pán)等蔬菜廢棄物（俗稱(chēng)尾菜）。尾菜產(chǎn)生的時(shí)間集中、量大，因此尾菜無(wú)害化利用已成為夏菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大課題［2-3］，目前，已通過(guò)工業(yè)化生產(chǎn)蔬菜粉、蔬菜復(fù)合飼料、有機(jī)肥、加工泡菜等手段進(jìn)行尾菜的資源化利用［4-8］。蔬菜水分含量高，達(dá)90%以上，在加工利用過(guò)程中將產(chǎn)生大量的有色廢水，易造成嚴(yán)重的二次污染。活性炭作為最常用的吸附劑，可有效吸附廢水中的色素，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理中［9-10］，但是目前關(guān)于活性炭吸附法應(yīng)用于尾菜廢水處理的研究很少。本文采用活性炭吸附法，以高原夏菜尾菜廢水色度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察活性炭對(duì)高原夏菜尾菜廢水脫色效果的影響，并利用響應(yīng)面方法對(duì)其進(jìn)行工藝優(yōu)化，為尾菜高值化利用過(guò)程中尾菜廢水的脫色提供新的途徑。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

高原夏菜尾菜蘭州市榆中縣三角城蘭州介實(shí)農(nóng)產(chǎn)品有限公司蔬菜保鮮庫(kù)；活性炭天津市津北精細(xì)化工廠；其他試劑均為分析純。

PB-10型pH計(jì)、BSA223S型電子天平賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；螺旋x型榨汁機(jī)科盛機(jī)械有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1脫色高原夏菜尾菜廢水的制備將高原夏菜尾菜進(jìn)行切分，通過(guò)螺旋榨汁機(jī)進(jìn)行破碎榨汁處理，然后通過(guò)8層紗布過(guò)濾，收集濾液，添加1%的變性淀粉（w/v，%），振蕩10min，靜置1h后，取上清液即為需要脫色的高原夏菜尾菜廢水。

1.2.2色度及脫色率的測(cè)定色度測(cè)定利用稀釋倍數(shù)法，取1mL水樣于三角瓶中，用移液管計(jì)量吸取光學(xué)純水，第一次吸取4mL，之后每次吸取5mL，將水樣稀釋至剛好與光學(xué)純水無(wú)法區(qū)別為止，記下此時(shí)的稀釋倍數(shù)值［11］。

脫色率（%）=（脫色前稀釋倍數(shù)-脫色后稀釋倍數(shù)）/脫色前稀釋倍數(shù)×100

1.2.3單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1活性炭添加量對(duì)脫色效果的影響取200mL水樣（pH6.5，溫度30℃），分別加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%（w/v，%）的活性炭，振蕩5min，靜置60min后過(guò)濾，取濾液測(cè)定色度，比較不同添加量對(duì)廢水脫色結(jié)果的影響。

1.2.3.2廢水pH對(duì)脫色效果的影響取200mL水樣（pH6.5，溫度30℃），分別調(diào)節(jié)水樣pH為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0，添加1%的活性炭，振蕩5min，靜置60min后過(guò)濾，取濾液測(cè)定色度，比較不同pH對(duì)廢水脫色結(jié)果的影響。

1.2.3.3脫色溫度對(duì)脫色效果的影響取200mL水樣（pH6.5），分別調(diào)節(jié)水樣溫度為20、30、40、50、60、70、80℃，添加1%的活性炭，振蕩5min，靜置60min后過(guò)濾，取濾液測(cè)定色度，比較不同溫度對(duì)廢水脫色結(jié)果的影響。

1.2.3.4脫色時(shí)間對(duì)脫色效果的影響取200mL水樣（pH6.5，溫度30℃），添加1%的活性炭，振蕩5min，分別靜置20、40、60、80、100、120min后過(guò)濾，取濾液測(cè)定色度，比較脫色時(shí)間對(duì)廢水脫色結(jié)果的影響。

1.2.4脫色條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，利用Design-Expert 8.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到最佳脫色條件［12］。各因素水平的取值如表1所示。

表1　Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1　Factors and levels in Box-Behnken design

1.2.5數(shù)據(jù)處理應(yīng)用 Design Expert 8.0統(tǒng)計(jì)分析軟件、SAS 9.2統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1活性炭添加量對(duì)脫色效果的影響活性炭添加量對(duì)脫色效果的影響如圖1所示，隨著活性炭添加量的逐漸增加，廢水脫色率也隨之增加，當(dāng)活性炭添加量為1.5%時(shí)，脫色率大于80%，廢水的色度有著明顯的改善。當(dāng)添加量為2.5%時(shí)，脫色率達(dá)到最大值，但是由于活性炭為粉末狀，導(dǎo)致廢水中的活性炭去除困難。綜合考慮活性炭添加量對(duì)廢水脫色效果和廢水中活性炭的去除因素，選擇添加量為1.5%為宜。

圖1　活性炭添加量對(duì)脫色效果的影響Fig.1　Effect of activated carbon dosage on decolorization rate

2.1.2廢水pH對(duì)脫色效果的影響pH對(duì)脫色效果的影響如圖2所示，在pH4～6時(shí)，隨著pH的逐漸增大，活性炭的脫色效果逐漸增加，在pH為6時(shí)，脫色率達(dá)到最大值。當(dāng)pH大于7時(shí)，活性炭的脫色效果隨著pH的增大明顯下降。實(shí)驗(yàn)表明，活性炭對(duì)廢水的脫色作用在酸性條件下較好，在中性和堿性條件下效果較差。因此，為獲得較好的脫色效果，選擇pH6為較適宜pH。

圖2　pH對(duì)脫色效果的影響Fig.2　Effect of the pH of solution on decolorization rate

圖3　溫度對(duì)脫色效果的影響Fig.3　Effect of decolorization temperature on decolorization rate

2.1.3脫色溫度對(duì)脫色效果的影響溫度對(duì)廢水脫色有促進(jìn)作用，隨著脫色溫度的升高，脫色率逐漸提高（如圖3所示），當(dāng)溫度達(dá)到30℃時(shí)，脫色率達(dá)80%，在溫度為80℃時(shí)脫色率達(dá)到最高值，達(dá)到約86%。在工業(yè)化廢水處理過(guò)程中，要使廢水的溫度達(dá)到80℃將大大增加處理成本。同時(shí)，蘭州高原夏菜尾菜處理在時(shí)間上十分集中，主要集中在7～9月，這段時(shí)間蘭州市日均溫度為28℃左右，在該處理溫度下，活性炭對(duì)于尾菜廢水的脫色率已達(dá)80%，可以滿(mǎn)足脫色需求。因此，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求和條件，在常溫條件下對(duì)廢水進(jìn)行脫色較宜。

2.1.4脫色時(shí)間對(duì)脫色效果的影響由圖4可以看出，隨著脫色時(shí)間的延長(zhǎng)，脫色率逐漸增大，后趨于緩慢。這是因?yàn)樵谖竭^(guò)程中，色素與活性炭顆粒需要一定的接觸時(shí)間來(lái)提高脫色率?；钚蕴繉?duì)色素吸附較強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到60min時(shí)色素吸附接近飽和，脫色率達(dá)到82.5%。所以最佳脫色時(shí)間選擇60min。

圖4　脫色時(shí)間對(duì)脫色效果的影響Fig.4　Effect of decolorization time on decolorization rate

2.2響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求和條件，綜合分析選擇限制脫色的主要因素：活性炭添加量、水樣pH、脫色時(shí)間。將這3個(gè)因素分別作為X1、X2、X3，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)三因素三水平共17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，其中12個(gè)是析因點(diǎn)，5個(gè)零點(diǎn)重復(fù)，用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。脫色效果實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果如表2所示。

表2　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果表Table 2　Experimental design for response surface analysis and corresponding experimental data

表3　脫色率為響應(yīng)值回歸模型方差分析表Table 3　Analysis of variance table

2.2.2回歸模型的建立及方差分析以高原夏菜尾菜廢水脫色率（Y）為因變量，活性炭添加量（X1）、水樣pH（X2）、脫色時(shí)間（X3）為自變量，利用軟件進(jìn)行回歸分析及回歸擬合，得到脫色率對(duì)編碼自變量的二元多次回歸方程，回歸方程為：

Y=84.25+1.88X1+0.83X2+1.04X3+0.83X1X2+ 0.83X1X3+0.00X2X3-1.71X12-2.54X22-2.54X32

為了說(shuō)明回歸方程的有效性及各因素對(duì)廢水脫色率的影響程度，對(duì)回歸方程進(jìn)行了方差分析（表3）?；貧w模型的p＜0.01，極顯著；模型失擬項(xiàng)p＞0.05，不顯著；模型的決定系數(shù)R2=97.67%＞90%，說(shuō)明回歸方程的擬合程度較好，模型可以真實(shí)地?cái)M合和預(yù)測(cè)實(shí)際情況。CV（Y的變異系數(shù)）表示實(shí)驗(yàn)的精確度，CV值越高，實(shí)驗(yàn)的可靠性越低，本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中CV=0.79%，較低，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)操作可信。

2.2.3響應(yīng)面最優(yōu)值的獲取及驗(yàn)證為了進(jìn)一步研究相關(guān)變量之間的交互作用以及確定最優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)軟件繪制響應(yīng)面曲線圖進(jìn)行可視化的分析，結(jié)果見(jiàn)圖5～圖7。響應(yīng)曲面圖可以直觀地反映出各因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響，響應(yīng)曲面坡度相對(duì)平緩，表明其可以忍受處理?xiàng)l件的變異，不影響到響應(yīng)值的大?。环粗?，響應(yīng)曲面坡度異常陡峭，表明響應(yīng)值對(duì)于處理?xiàng)l件的改變非常敏感。由圖可以看出活性炭添加量分別和脫色時(shí)間、水樣pH的交互作用顯著，而脫色時(shí)間和水樣pH間的交互作用則相對(duì)較小。在實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi)，各因素對(duì)尾菜廢水脫色率的影響由大到小依次為：活性炭添加量（X1）＞脫色時(shí)間（X3）＞水樣pH（X2），結(jié)果與方差分析相似。

結(jié)合回歸方程，利用軟件進(jìn)行最大值分析，得到最大估計(jì)值為85.18%，最優(yōu)工藝條件為X1=1.85，X2= 6.14，X3=66.36，即活性炭添加量為1.85%，pH為6.1，脫色時(shí)間為66min。在響應(yīng)面優(yōu)化的最優(yōu)條件下進(jìn)行三次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，高原夏菜尾菜廢水的脫色率為85.04%，與模型估計(jì)值85.18%較接近，說(shuō)明該方程優(yōu)化的工藝參數(shù)能夠指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

圖5　Y=f（X1、X2）響應(yīng)面立體分析圖Fig.5　Response surface plot of the function Y=f（X1、X2）

圖6　Y=f（X1、X3）響應(yīng)面立體分析圖Fig.6　Response surface plot of the function Y=f（X1、X3）

圖7　Y=f（X2、X3）響應(yīng)面立體分析圖Fig.7　Response surface plot of the function Y=f（X2、X3）

3　結(jié)論

高原夏菜尾菜廢水脫色與活性炭添加量、pH、脫色時(shí)間有著直接的關(guān)系，采用響應(yīng)面法對(duì)脫色工藝進(jìn)行優(yōu)化，最佳脫色工藝為：活性炭用量1.85%，pH為6.1，脫色時(shí)間66min，在此條件下廢水的脫色率為85.04%。本文利用活性炭對(duì)高原夏菜尾菜廢水進(jìn)行脫色處理，降低了廢水色度，達(dá)到了排放的要求。

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Study on optimization of active carbon discoloration of pleateu summer vegetable processing wastewater by response surface analysis

MU Yu-wen，F(xiàn)ENG Yu-qin*，LI Chang-liang，LI Cui-hong
（Agricultural Product Storage and Processing Research Institute，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China）

In order to solve the discharge problem of pleateu summer vegetable processing wastewater due to high chroma，decolorization rate was taken as indexes to evaluate the effect of decolorization in this study，and the conditions of the active carbon decoloring process were optimizated by response surface analysis.And then optimal decoloration conditions were as follows：activated carbon dosage was 1.85%，decoloration pH was 6.1，decoloration time was 66min.In further verified experiment the decolorization rate was 85.04%under the optimal conditions.

pleateu summer vegetable；processing wastewater；activated carbon；response surface analysis；decoloration

TS255.3

B

1002-0306（2015）14-0271-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.047

2014－10－08

慕鈺文（1987-），男，碩士研究生，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工。

馮毓琴（1968-），女，博士，副研究員，研究方向：蔬菜栽培與貯藏保鮮。

國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目（2013GA860001）；果蔬貯藏保鮮與精深加工項(xiàng)目（2014GAAS03）；甘肅省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2012GAAS07-5）。