探究聚氯化鋁凈水效果的影響因素及使用環(huán)境

目前，在自來水生產(chǎn)工藝流程中，大多數(shù)自來水廠以聚氯化鋁(pAC）作為混凝劑，PAC可有效降低原水的濁度，使出廠水達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。然而，鑒于我國國情，目前PAC的投加仍以經(jīng)驗(yàn)為主，沒有根據(jù)具體水質(zhì)情況進(jìn)行定量控制，過量投加PAC不僅增加了生產(chǎn)成本，而且對(duì)人體有害。為了降低生產(chǎn)成本和減少企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)自動(dòng)化控制，筆者以長江蕪湖段水源水為試驗(yàn)原水，以沉淀出水的濁度作為檢測指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)研究原水濁度、溫度、pH值、反應(yīng)時(shí)間、PAC投加量等因素的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面分析優(yōu)化并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)，為加藥系統(tǒng)的自動(dòng)化程序控制提供理論基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原水采用長江蕪湖段水源水，其濁度為35—75NTU、pH值為6.5~8.5、水溫為12~26℃。

試驗(yàn)儀器：六聯(lián)程控混凝試驗(yàn)攪拌儀；散射式濁度儀。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以某市自來水廠的實(shí)際生產(chǎn)情況、混凝劑投加量與該廠沉淀池出水濁度標(biāo)準(zhǔn)(1—8NTU)作為參考，通過混凝攪拌試驗(yàn)確定與實(shí)際生產(chǎn)較為吻合的研究條件。在一組燒杯中加入1000mL水樣并置于六聯(lián)混凝攪拌儀中，加入混凝劑PAC，在400r/min下快速攪拌1min、在120r/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。

2結(jié)果與討論

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1.1原水溫度對(duì)沉淀出水濁度的影響

原水溫度對(duì)水中雜質(zhì)的種類、微生物的生長有著密切的影響，同時(shí)在不同溫度下PAC的反應(yīng)速度有著明顯的差異。試驗(yàn)中，隨著原水溫度由14℃逐漸升高到26℃，PAC的混凝效果越來越好，沉淀出水濁度由7NTU逐漸降至3NTU。

2.1.2原水pH值對(duì)沉淀出水濁度的影響

原水pH值對(duì)沉淀出水濁度的影響見圖1。pH值對(duì)水中雜質(zhì)及顆粒的存在形態(tài)等有著重要影響，故而與混凝劑的混凝作用有著密切關(guān)聯(lián)。在pH值偏酸性時(shí)，混凝劑水解受到一定的限制，其化合物中高分子物質(zhì)存在較少，混凝作用較差；在偏弱堿性條件下混凝劑的混凝效果較好，能有效降低出水濁度；而堿性過高時(shí)，會(huì)生成帶負(fù)電荷的絡(luò)合離子，也不能發(fā)揮很好的混凝作用。

2.1.3原水濁度對(duì)沉淀出水濁度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，原水濁度直接影響PAC的混凝效果，在長江原水水質(zhì)正常濁度變化范圍內(nèi)，沉淀出水濁度隨原水濁度的增加而線性增加。

2.1.4攪拌速度對(duì)沉淀出水濁度的影響

攪拌速度（中速攪拌）對(duì)沉淀出水濁度的影響見圖2。適度的攪拌能使PAC與懸浮顆粒物充分混勻，混凝沉淀效果更加明顯；但是過度的攪拌產(chǎn)生的剪切力較大，導(dǎo)致絮體發(fā)生破碎現(xiàn)象，難以沉淀，處理效果也降低，故而應(yīng)選擇合適的轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.5PAC投加量對(duì)沉淀出水濁度的影響

在試驗(yàn)中，當(dāng)PAC投加量從6mg/L增至14mg/L時(shí)，沉淀出水濁度先降后升，其中當(dāng)PAC投加量為12mg/L時(shí)沉淀出水濁度低，此時(shí)混凝效果好。這是因?yàn)楫?dāng)混凝劑投加量較少時(shí)，混凝不充分；而當(dāng)混凝劑投加量較大時(shí)，膠體顆粒由于吸附了過多的負(fù)離子，使得顆粒趨于分散狀態(tài)，不利于顆粒自由沉淀。

2.1.6沉淀時(shí)間對(duì)沉淀出水濁度的影響

試驗(yàn)中，隨著沉淀時(shí)間的延長，沉淀出水濁度逐漸降低，當(dāng)沉淀時(shí)間達(dá)到120min時(shí)，沉淀出水濁度達(dá)到穩(wěn)定，繼續(xù)延長沉淀時(shí)間，濁度變化不大。

2.2響應(yīng)面分析法試驗(yàn)結(jié)果與討論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析，以確定凈水工藝參數(shù)。

2.2.1Plackett-Burman試驗(yàn)

Plackett-Burman試驗(yàn)對(duì)影響沉淀出水濁度的8個(gè)因子（原水濁度、溫度、pH值、反應(yīng)時(shí)間、PAC投加量、攪拌速度、攪拌時(shí)間、沉淀時(shí)間）進(jìn)行篩選，結(jié)果表明，原水溫度、pH值和PAC投加量對(duì)沉淀出水的濁度影響較大。為此進(jìn)一步通過爬坡試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2.2.2最陡爬坡試驗(yàn)

最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表1所示。可以看出，沉淀出水濁度隨著關(guān)鍵因素的變化而變化，其最低值出現(xiàn)在第4組，為2.06NTU，說明此時(shí)原水溫度、pH值、PAC投加量的值接近最優(yōu)，故選擇第4組作為中心點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)凈水工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。

2.2.3Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)化

Box-Behnken試驗(yàn)以沉淀出水濁度為響應(yīng)值，對(duì)原水溫度(X1）、pH值(x2）、PAC投加量(X3）3個(gè)影響因素進(jìn)行優(yōu)化分析。

對(duì)此回歸方程的方差分析表明，該模型極顯著。在該模型各參數(shù)中，X1對(duì)沉淀出水濁度有較顯著的影響，即原水溫度是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的因子；x12、x22、x32對(duì)沉淀出水濁度的影響也達(dá)到了顯著水平，說明原水溫度、原水pH值、PAC投加量的影響也是二次關(guān)系。該模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.9923，修正決定系數(shù)R2adj=0.9785，表明該模型的預(yù)測值和實(shí)測值擬合良好，可以很好地解釋響應(yīng)值的變化。

用軟件對(duì)回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到各響應(yīng)面立體分析圖和等高線圖，由圖及軟件分析可知，回歸方程存在穩(wěn)定點(diǎn)。通過分析可知，X，、X：、弘的編碼值分別為20．0105、-0.000978、0.009094，即原水溫度、原水pH值、PAC投加量分別為23．0105℃、7.499、12.009094mg/L，此條件下預(yù)測得到的沉淀出水濁度為1.5545NTU。

2.2.4試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，為方便實(shí)際操作及考慮裝置的可操作性，將最優(yōu)參數(shù)調(diào)整如下：原水溫度為23.0℃、原水pH值為7.5、PAC投加量為12mg/L，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在此條件下測得的沉淀出水濁度為1.45NTU，與理論值的偏差為6.7%，證明該試驗(yàn)研究結(jié)果較為可靠。

3結(jié)論

首先通過單因素試驗(yàn)確定攪拌速度、原水溫度、原水pH值、沉淀時(shí)間、PAC投加量等與沉淀出水濁度的關(guān)系。Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果顯示，原水溫度、原水pH值及PAC投加量對(duì)沉淀出水濁度的影響較大，響應(yīng)面法分析結(jié)果顯示，當(dāng)原水溫度為23.0℃、原水pH值為7.5、PAC投加量為12mg/L時(shí)，沉淀出水濁度最低，其值為1.45NTU。