基于响应面法优化混凝去除氨氮工艺的研究.pdf

H J S F X Y X B3 2基基于响应面法优化混凝去除氨氮工艺的研究李诗莹1,张 成2,王 纯1,翟永杰1,张建辉1(1.汉江师范学院 化学与环境工程学院,湖北 十堰 4 4 2 0 0 0;2.十堰市郧阳中学,湖北 十堰 4 4 2 0 0 0)摘 要 随着社会经济飞速发展,化学工业类、石油类等行业的逐步壮大,人类频繁的生产活动加速了水环境恶化,废水中的氨氮会造成水体富营养化,危害水生生物.因此寻求高效经济的氨氮处理技术尤为重要.采用响应面法优化混凝沉淀,以氨氮废水的吸光度作为响应值,依据B o x-B e h n k e n中心组合试验设计并且建立数学模型,采用3因素3水平响应面分析,测定p H、混凝剂投加量和搅拌的时间对混凝沉淀的影响,探究氨氮去除的最佳混凝条件.结果表明在F e C l3,P A C,P AM三种混凝剂中,3%F e C l3的投加量为2 m L/L,p H为8的情况下处理效果最好,去除率达6 1%.关键词 响应面法;混凝;氨氮废水 d o i1 0.1 9 5 7 5/j.c n k i.c n 4 2-1 8 9 2/g 4.2 0 2 3.0 3.0 0 7 中图分类号TQ 4 2 4;X 7 0 3 文献标识码A 文章编号2 0 9 63 7 3 4(2 0 2 3)0 30 0 3 20 4 氨氮,是指在自然界中以游离铵或铵根离子形式存在的化合氮,氨氮为水体中微生物提供了营养物质,并在一定程度上造成水体藻类大量生长,氨氮在分解过程中会大量消耗水体中的氧气,使水体发黑发臭,并造成水中动植物因缺氧而死亡1.目前随着化工、石油燃气等行业的迅速发展,随之产生的氨氮废水也成为限制发展的原因之一.目前,常见的氨氮废水处理技术有吹脱法、混凝沉淀法、吸附法、膜分离、离子交换法等,其中混凝沉淀法因其应用方便、费用低、效果较好等优点应用广泛2.混凝沉淀法的效果与p H值、混凝剂投加量、混凝剂种类和混凝时间等因素相关3.响应面法相较于传统的单因素法或正交法,可以有效统计和优化方法,反应出各因素之间的交互关系,拟合出最佳条件4.由此,本文利用D e s i g n-E x p e r t软件中的B o x-B e h n k e n模型对混凝去除氨氮实验进行了参数设计和优化,通过对实验结果进行分析,探究各因素之间的交互关系,拟合出最佳反应参数,为混凝法降解废水中氨氮的工业应用提供理论依据.1 实验部分1.1 试剂与仪器 实验用NH4C l(分析纯)、F e C l3(分析纯)、酒石酸钾钠(分析纯)、纳氏试剂(购于天津澳普升化工公司,分析纯),聚合氯化铝(P A C,购于上海麦克林试剂公司),实验用水为去离子水.紫外分光光度计(上海元析仪器有限公司);J J-4 A型六联搅拌器(金坛市国旺仪器厂);分析天平(上海越平科学仪器有限公司).1.2 实验方法1.2.1 氨氮标准曲线的绘制 准确称量3.8 1 9 0gNH4C l(经1 0 0-1 0 5 干燥2 h)溶于适量水中,再移入1 0 0 0m L容量瓶中定容,摇匀,得到浓度为1 0 0 0g/m L的铵标准贮备液.移取5m L贮备液于5 0 0m L容量瓶中定容,得到浓度为1 0g/m L的使用液.2 0 2 3年6月汉江师范学院学报J u n.2 0 2 3第4 3卷第3期J o u r n a l o fH a n j i a n gN o r m a lU n i v e r s i t yV o l.4 3 N o.3 收稿日期2 0 2 2-0 9-0 9 基金项目 汉江师范学院2 0 2 2年校级重点项目“新污染物对自养脱氮工艺的影响机制研究”(项目编号:X J 2 0 2 2 A 0 1);汉江师范学院重点学科建设经费资助(生物学).作者简介 李诗莹(1 9 9 6-),女,湖北十堰人,汉江师范学院化学与环境工程学院助教,硕士,主要从事工业水处理研究.H J S F X Y X B3 3分别吸取0.0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、1 0.0m L的使用液于5 0m L比色管中,加水至标线,其对应的氨氮含量分别为0、5.0、1 0.0、2 0.0、4 0.0、6 0.0、8 0.0和1 0 0.0g.在8个比色管中分别加入1.0 m L5 0 0 g/L酒石酸钾钠溶液,摇匀,再加入1.5m L纳氏试剂,摇匀静置1 0 m i n,以去离子水做参比,在波长4 2 0n m处测定其吸光度,以吸光度为纵坐标,氨氮浓度为横坐标绘制标准曲线.得到吸光度和氨氮浓度的线性回归方程:y=0.0 7 8 3 x+0.0 1 3 4 R2=0.9 9 7 41.2.2 单因素影响试验 配制一定浓度的氨氮废水,通过改变反应的p H值、搅拌时间、混凝剂种类和投加量,在固定转速2 2 0 r/m i n条件下反应,利用分光光度法在4 2 0n m处以去离子水做参比,测得反应后的吸光度,计算得到氨氮去除率.1.2.3 响应面法实验设计 根据单因素试验结果,以p H为8,搅拌时间1 0 m i n,F e C l3投加量1m L为三因素中心组合,利用B o x-B e h n k e n设计建立响应面曲线模型,以吸光度为响应值,进行p H值、混凝剂投加量、搅拌时间三者交互分析.2 结果与讨论2.1单因素试验探究2.1.1 混凝剂种类及投加量对混凝效果的影响 配制一定浓度的氨氮废水,量取5 0 0 m L氨氮溶液加入烧杯中,调节p H值为8后分别加入0.5、1.0、2.0、3.0和5.0m L的3%P A C和3%F e C l3溶液,在2 2 0r/m i n下搅拌1 0m i n,静置.取上清液测定其吸光度.图1混凝剂投加量的影响F i g.1T h ee f f e c to f c o a g u l a n t c o n c e n t r a t i o n 由图可知,当混凝剂投加量为2m L/L即3%F e C l3投加量为1.0m L时,反应后的吸光度最小,此时氨氮浓度最低,去除率达6 1%.当混凝剂投加量过多时,出水浑浊,吸光度变大,这可能是由于混凝剂絮凝处理效果变差5.2.1.2 p H值对混凝效果的影响 配制一定浓度的氨氮废水,量取5 0 0 m L氨氮溶液加入烧杯中,分别调节p H值为4、6、7、8、1 0后,加入1.0 m L的3%F e C l3溶液,在2 2 0r/m i n下搅拌1 0 m i n,静置.取上清液测定其吸光度.由图可得在p H在8的情况下混凝对氨氮得去除效果最好.当溶液为酸性或强碱性时,混凝效果较差,而当p H值由中性向微碱性增大时,去除率得到明显提高,这是由于p H值影响混凝剂的水解速度,p H值过低时,溶液酸性过大,H+浓度高会抑制F e3+向F e2+转化,其中絮凝体沉淀容易与H+反应而分解,p H值过高时,高电荷低聚合度离子占据主导地位,无法起到吸附的作用6,7.图2p H值对吸光度的影响F i g.2 T h ee f f e c to fp Ho na b s o r b a n c e2.1.3 搅拌时间对混凝效果的影响 配制一定浓度的氨氮废水,量取5 0 0m L氨氮溶液加入烧杯中,调节p H值为8,并加入1.0m L的3%F e C l3溶液,在2 2 0r/m i n下搅拌5、8、1 0、1 2、1 5 m i n,静置.取上清液测定其吸光度.有图可知,搅拌时间为1 0 m i n时,效果最好,当搅拌时间过短不利于絮状体形成,导致混凝效果不佳;当搅拌时间过长,可能会打碎已絮凝好的絮状体,使出水变得浑浊8.李诗莹,张 成,王 纯,翟永杰,张建辉:基于响应面法优化混凝去除氨氮工艺的研究H J S F X Y X B3 4图3搅拌时间对吸光度的影响F i g.3 T h ee f f e c to f s t i r r i n gt i m eo na b s o r b a n c e2.2 响应面法结果分析 以单因素试验最优条件作为B o x-B e h n k e n模型中间值,设计建立三因素三水平响应面曲线模型得到实验结果9:表1B o x-B e h n k e n试验因素水平T a b l e 1 B o x-B e h n k e n e x p e r i m e n t a l f a c t o r l e v e l t a b l eN a m eU n i t sL o wH i g hAp H61 0B混凝剂投加量m L0.51.5C搅拌时间m i n51 5表2响应面法实验结果T a b l e 2 R e s u l t so f r e s p o n s es u r f a c em e t h o dS t dR u nF a c t o r 1A:p HF a c t o r 2B:混凝剂投加量F a c t o r 3C:搅拌时间R e s p o n s e 1吸光度11 2 6.0 00.5 01 0.0 01.2 6 224 1 0.0 00.5 01 0.0 01.2 0 6356.0 01.5 01 0.0 01.1 4 441 5 1 0.0 01.5 01 0.0 01.1 5 6516.0 01.0 05.0 01.2 7 861 3 1 0.0 01.0 05.0 01.2 2 7786.0 01.0 01 5.0 01.1 1 289 1 0.0 01.0 01 5.0 01.2 0 6968.0 00.5 05.0 01.1 8 81 0 1 6 8.0 01.5 05.0 01.2 0 81 1 1 0 8.0 00.5 01 5.0 01.1 6 11 2 1 4 8.0 01.5 01 5.0 01.1 9 11 3 1 1 8.0 01.0 01 0.0 01.0 8 71 428.0 01.0 01 0.0 01.0 9 11 5 1 7 8.0 01.0 01 0.0 01.0 7 81 678.0 01.0 01 0.0 01.0 7 51 738.0 01.0 01 0.0 01.0 9 6 图4为残差的正态概率、实际值与试验预测值分布,可见各散点均靠近同一条直线.该模型中吸光度对p H、混凝剂投加量和搅拌时间的拟合性较佳1 0.以吸光度为响应值,通过D x-8软件提出p H(A)、混凝剂投加量(B)和搅拌时间(C)三者间交互作用的响应面分析见图5,等高线明显呈现椭圆形状而且还比较密集,这说明各因素之间交互作用强,对吸光度影响极显著.如图5所示混凝剂投加量与p H、搅拌时间与p H、搅拌时间和混凝剂投加量的响应面较陡峭、等高线为近椭圆形,表明这3个因素中两两之间的交互作用强烈,对总得率的影响显著.通过响应面分析,在试验设计水平内对模型方程响应值做最大值求解,得出最优提取工艺条件为:p H为8,搅拌时间为1 0 m i n和1 m L浓度为3%混凝剂F e C l3,在此条件下降解率为6 1%.图4模型的残差正态概率、残差与预测值分布以及实验预测值与实测值分布 F i g.4 T h er e s i d u a l n o r m a l p r o b a b i l i t y,r e s i d u a l a n dp r e d i c t e dv a l u ed i s t r i b u t i o no f t h em o d e l,a n dt h ee x p e r i m e n t a lp r e d i c t e dv a l u ea n dt h em e a s u r e dv a l u ed i s t r i b u t i o n李诗莹,张 成,王 纯,翟永杰,张建辉:基于响应面法优化混凝去除氨氮工艺的研究H J S F X Y X B3 5图5混凝剂投加量与p H的等高线和响应面(a);搅拌时间与p H的等高线和响应面(b);搅拌时间与混凝剂投加量的等高线和响应面(c)F i g.5 I s o m e t r i ca n dr e s p o n s es u r f a c e so f c o a g u l a n td o s i n ga n dp H(a);M i x i n gt i m ew i t hp Hc o n t o u r l i n ea n dr e s p o n s es u r f a c e(b);T h em i x i n g t i m e i s t h e c o n t o u rl i n e a n d r e s p o n s e s u r f a c e o f t h e c o a g u l a n t d o s i n g a m o u n t(c)3 结 论 (1)经过对p H影响的测定、混凝剂影响的测定以及搅拌时间影响的测定的实验研究得出在为p H为8时,加入1.0m L浓度为3%F e C l3搅拌1 0m i n时的混凝效果最好.(2)通过混凝沉淀实验降解废水中的氨氮,来确定最佳的混凝条件,再利用D x-8设计出实验方案,并进行实验得到实验数据,利用D x-8软件生产图像,根据图像得出混凝降解氨氮的最佳条件是混凝剂为氯化铁,投加量为2 m L/L,p H在8的情况 下,搅 拌 时 间1 0 m i n.吸 光 度 为1.0 7 8,根据公式y=0.0 7 8 3 x+0.0 1 3 4.算出降解率为6 1%.参考文献1 梁雪玲.基于水体中氨氮检测结果分析相关影响因素研究 J.绿色科技,2 0 1 4,0 0 0(0 0 3):8 7-8.2 刘莉峰,宿辉,李凤娟,等.氨氮废水处理技术研究进展 J.工业水处理,2 0 1 4,3 4(0 1 1):1 3-7.3 樊开青,王 勇,杨丽平.混凝控制条件的正交优化研究 J.环境科学与管理,2 0 1 1,3 6(7):7.4Z HE N GY,WAN G A.R e m o v a lo fh e a v ym e t a l su-s i n gp o l y v i n y l a l c o h o ls e m i-I P Np o l y(a c r y l i ca c i d)/t o u r m a l i n ec o m p o s i t eo p t i m i z e dw i t hr e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g yJ.C h e m i c a l E n g i n e e r i n g J o u r n a l,2 0 1 0,1 6 2(1):1 8 6-9 3.5 王振新.应用不同混凝剂处理污水效果的研究 J.辽宁化工,2 0 0 6,3 5(5):3.6 王龙辉,陈杨武,杜世章,等 无机混凝剂影响因素及其混凝效果对比研究 J.工业用水与废水,2 0 1 6,4 7(5):8.7 鲁秀国,黄慧倩.混凝沉淀-F e n t o n氧化组合预处理切削废液实验研究 J.应用化工,2 0 2 2,5 1(1 0):2 8 8 0-3.8 计建洪.废 水 处 理 工 艺 改 造 研 究 J.天 津 化 工,2 0 0 9,2 3(0 0 5):3 9-4 2.9 刘庆玉,李建,包震宇.B o x-B e h n k e n响应面法优化沼液氨氮削减工艺 J.可再生能源,2 0 1 5,3 3(1 2):6.1 0WO N GCW,C HA NYS,J E E V A N A N D AMJ,e t a l.R e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g yo p t i m i z a t i o no fm o n o-d i s p e r s e dM g On a n o p a r t i c l e sf a b r i c a t e db yu l t r a s o n i c-a s s i s t e ds o lg e lm e t h o df o ro u t s t a n d i n ga n t i m i c r o b i a la n da n t i b i o f i l ma c t i v i t i e sJ.J o u r n a lo fC l u s t e rS c i-e n c e,2 0 2 0,3 1:3 6 7-8 9.【编校:胡军福】Opt i m i z a t i o no fC o agu l a t i o nP r o c e s s f o rR e m o v i ngAmm o n i aN i t r oge nB a s e do nR e spo n s eS u r f a c eM e t h o dL IS h i-y i n g1,Z HANG-C h e n g2,WANG-C h u n1,Z HA IY o n g-j i e1,Z HANGJ i a n-h u i1(1.S c h o o l o fC h e m i s t r ya n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g,H a n j i a n gN o r m a lU n i v e r s i t y,S h i y a n4 4 2 0 0 0,C h i n a;2.Y u n y a n gM i d d l eS c h o o l,S h i y a n4 4 2 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a l e c o n o m ya n dc h e m i c a l i n d u s t r y,t h e f r e q u e n th u m a np r o d u c t i o na c t i v i t i e sa c c e l e r a t e d t h ed e t e r i o r a t i o no fw a t e r e n v i r o n m e n t,a n da mm o n i an i t r o g e n i nw a s t e w a t e r c a u s e sw a t e r e u t r o p h i c a t i o na n dh a r ma-q u a t i c l i f e.T h e r e f o r e,i t i sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t t os e e ke f f i c i e n t a n de c o n o m i c a l t r e a t i n g t e c h n o l o g y t oa mm o n i an i t r o g e n.T h er e s p o n s e s u r f a c em e t h o dw a s u s e d t oo p t i m i z e c o a g u l a t i o n a n dp r e c i p i t a t i o n.T h e a b s o r b a n c e o f a mm o n i an i t r o g e nw a s t e w a t e rw a st a k e na s t h e r e s p o n s ev a l u e.T h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e s i g n e da n de s t a b l i s h e da c c o r d i n g t oB o x-B e h n k e nc e n t e r c o m b i n a-t i o n t e s t.T h e r e s u l t s s h o w e dt h a ta m o n gt h et h r e ek i n d so fc o a g u l a n t sF e C l 3,P A Ca n dP AM,t h ed o s a g eo f3%F e C l 3w a s2 m L/La n dp Hw a s8.T h e t r e a t i n ge f f e c tw a s t h eb e s t,a n d t h e r e m o v a l r a t e r e a c h e d6 1%.K eyw o r d s:r e s p o n s es u r f a c em e t h o d;c o a g u l a t i o n;a mm o n i a-n i t r o g e nw a s t e w a t e r李诗莹,张 成,王 纯,翟永杰,张建辉:基于响应面法优化混凝去除氨氮工艺的研究