管冠宇 李祥林 韋志新

蕪湖華衍水務(wù)有限公司 安徽蕪湖 241001

聚合氯化鋁（PAC）作為一種無機高分子混凝劑具有較強的電中和聚集能力，PAC 中的高電荷能夠發(fā)揮較好的電中和和吸附能力，投入水中后可以產(chǎn)生有效的混凝效果，因此常用于當(dāng)前水廠的水處理工藝[1-3]。當(dāng)前，水體污染使得原水濁度較高，僅依靠投加PAC 不能很好的降低沉淀出水的濁度，并且PAC 投加量過高也會帶來水中鋁離子超標(biāo)等問題[4]。楊婷等研究了超聲技術(shù)在水處理中的應(yīng)用，研究表明：超聲波具有方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的能量等優(yōu)點[5-6]。超聲波強化混凝的原理是通過物理作用使膠體脫穩(wěn)，易于水中雜質(zhì)的聚凝效果以及產(chǎn)生快速沉降的作用[7-9]。并且不會產(chǎn)生化學(xué)副產(chǎn)物。因此，利用超聲波物理作用原理及其在水處理中的應(yīng)用對于提高水處理效率具有一定意義。本研究以長江蕪湖段江水為原水，通過單因素試驗研究原水溫度、攪拌速度、原水pH 值、PAC 投加量、超聲時間等因素對沉淀出水濁度的影響[10-12]。在此基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法優(yōu)化分析影響因素，以期達(dá)到降低沉淀出水濁度的效果，為實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗材料：長江蕪湖段水源（濁度為35-75NTU、pH 值為6.5-8.5、水溫為12-26℃。）

試驗儀器：超聲波清洗機；六聯(lián)程控混凝攪拌機；散射式濁度儀。

1.2 方法

1.2.1 單一PAC 混凝

取1000mL 水樣，原水溫度調(diào)整為25℃，pH 控制在7.9，置于六聯(lián)混凝攪拌儀中，加入混凝劑PAC，投加量為20mg/L，在400r/min 下快速攪拌1min、在210r/min 下中速攪拌5min、在30r/min 下低速攪拌10min，靜置30min，然后于液面下2cm 處取上清液測定其濁度，即為沉淀出水濁度。

1.2.2 超聲波輔助PAC 混凝

取1000mL 水樣，原水溫度調(diào)整為25℃，pH 控制在7.9，并置于80W 超聲波清洗機中，超聲5min 后置于六聯(lián)混凝攪拌儀中，其他條件同方法1.2.1。

1.2.3 單因素及響應(yīng)面試驗設(shè)計

分別選擇原水溫度、攪拌速度、PAC 投加量、超聲時間、超聲功率5 個因素進(jìn)行試驗，確定主要影響因素。并利用響應(yīng)面分析法對各因素進(jìn)行分析，得到優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 對照試驗結(jié)果

通過三次對照試驗，單一PAC 混凝結(jié)果分別為1.05、1.01、0.95NTU；超聲波輔助PAC 混凝結(jié)果分別為0.48、0.54、0.41NTU。說明超聲波輔助PAC 混凝能夠很好的降低沉淀出水濁度。因此，進(jìn)一步研究不同因素對超聲波輔助PAC降低沉淀出水濁度的影響。

2.2 單因素試驗結(jié)果

2.2.1 原水溫度對沉淀出水濁度的影響

如圖1 所示，當(dāng)原水溫度從15℃上升至35℃時，沉淀出水濁度逐漸下降。說明隨著溫度的升高能夠使得混凝效果越來越好，沉淀出水濁度從0.51NTU 降至0.25NTU。長江原水溫度常年在12-26℃，考慮后續(xù)實驗方便進(jìn)展，將原水溫度控制在25℃。

2.2.2 攪拌速度對沉淀出水濁度的影響

如圖2 所示，攪拌速度對沉淀出水濁度會產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)攪拌速度從150r/min上升至240r/min時，沉淀出水濁度從0.55NTU逐漸下降到0.35NTU，混凝效果較佳。當(dāng)攪拌速度達(dá)到270r/min 時，沉淀出水濁度為0.6NTU，這是由于過度攪拌導(dǎo)致水中絮凝體發(fā)生破碎現(xiàn)象，使得水中膠體等顆粒難以沉淀，因此濁度升高。

2.2.3 PAC 投加量對沉淀出水濁度的影響

PAC 作為水處理中常用的混凝劑，對于降低水的濁度起到關(guān)鍵作用。如圖3 所示，選擇投加量為10mg/L 時，沉淀出水濁度為0.86NTU。隨著投加量的增加，沉淀出水濁度呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)投加量為25mg/L 時，沉淀出水濁度達(dá)到最低值0.32NTU，說明此時混凝效果最佳。當(dāng)投加量為30mg/L 時，沉淀出水濁度開始升高，這是由于投加量過高導(dǎo)致水中顆粒產(chǎn)生膠體保護(hù)現(xiàn)象，使混凝過程不完全。

2.2.4 超聲時間對沉淀出水濁度的影響

如圖4 所示，超聲時間對沉淀出水濁度有一定影響。超聲時間選擇從3min 至7min 區(qū)間，沉淀出水濁度呈現(xiàn)波動趨勢。4min 和6min時，濁度相對較低，考慮能耗原因，選擇4min為最佳超聲時間。在此條件下，沉淀出水濁度為0.3NTU。

2.2.5 超聲功率對沉淀出水濁度的影響

如圖5 所示，超聲功率對沉淀出水濁度影響較大。當(dāng)超聲功率從60W 升至100W，沉淀出水濁度呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢。說明超聲功率過低，對水中顆粒難以產(chǎn)生機械作用，因此對混凝效果影響不大，而當(dāng)超聲功率過高時，水中顆粒在機械作用下破碎成過于細(xì)小的顆粒，從而影響混凝效果。因此，當(dāng)超聲功率為80W 時，水中膠體顆粒脫穩(wěn)并發(fā)生沉降，超聲作用明顯，沉淀出水濁度達(dá)到最低值0.29NTU。

2.3 響應(yīng)面法試驗結(jié)果

2.3.1 Box-Behnken 試驗設(shè)計結(jié)果

以單因素結(jié)果為依據(jù)，選擇攪拌速度（210r/min、240r/min、270r/min）、PAC 投加量（20mg/L、25mg/L、30mg/L）、 超聲時間（4min、5min、6min）、超聲功率（70W、80W、90W）為4 個主要因素，細(xì)化因素水平，根據(jù)Box-Behnken 試驗設(shè)計原理得到試驗結(jié)果。

表1 Box-Behnken 設(shè)計試驗結(jié)果

2.3.2 模型建立與方差分析

利用軟件設(shè)計Design-Expert8.0.6 對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項式回歸擬合，得到以下回歸方程：

Y=0.29600+0.10583A-0.093333B+0.018333C+4.16667E-003D+7.50000E-003AB-0.085000AC+0.040000AD+0.057500 BC+0.040000BD-0.012500CD+0.15450A2+0.12075B2+0.07075-0C2+0.044500D2

利用軟件分析可知，該回歸模型具有顯著性（P＜0.005），失擬項不顯著（P＞0.05），決定系數(shù)（R2）為0.8927，信噪比為9.763，表明該模型擬合度好，試驗誤差小。該模型能較準(zhǔn)確的分析影響因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系，因此，利用該方程模型可對超聲波輔助PAC 降低沉淀出水濁度的最佳工藝條件進(jìn)行分析。其中，自變量的一次系數(shù) A 極顯著（P＜0.0001），自變量一次系數(shù)B 顯著（P＜0.05），二次項 A2 極顯著（P＜0.0001），二次項B2、C2顯著（P＜0.05）。根據(jù)F 值分析，對沉淀出水濁度影響大小的排列順序依次為：攪拌速度＞PAC 投加量＞超聲時間＞超聲功率。

2.3.3 各因素交互作用的響應(yīng)面分析

根據(jù)回歸模擬方差分析及圖6（a）-（b）各因素交互作用對沉淀出水濁度影響的三維曲面可知，交互項攪拌速度和超聲時間（AC）的交互作用對沉淀出水濁度影響顯著（p ＜0.05），其他交互影響不顯著。

3 結(jié)語

通過對照試驗，說明超聲波輔助PAC 混凝能夠很好的降低沉淀出水濁度。在此基礎(chǔ)上，通過單因素試驗確定攪拌速度、PAC投加量、超聲時間、超聲功率4 個因素對沉淀出水濁度的影響較大。利用響應(yīng)面分析法對最佳工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后參數(shù)為：攪拌速度230r/min、PAC 投加量24mg/L、超聲時間4min、超聲功率80W。此條件下沉淀出水濁度為0.28NTU，實驗結(jié)果對以長江水為水源地的水廠的水處理工藝具有較佳參考意義。