正交实验法优化地下水的石灰软化－絮凝处理工艺

莫文婷，陈 涛，唐友尧

（1．华中科技大学武昌分校城市建设学院，湖北 武汉430064；2．华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉430074）

华南部分地区地下水水质清澈透明，硬度小于300mg·L－1（以CaCO3计），符合《地下水水质标准》Ⅱ类水质标准，但煮沸后有白色沉淀或漂浮物，影响视觉感官，让人无法接受。

该水源水总硬度主要以暂时硬度为主，这正是其煮沸后产生漂浮物的原因所在。在碳酸系碱度存在情况下，水加热后易形成白色沉淀及白色漂浮物质，主要成分为碳酸钙、氢氧化镁及少量的碳酸钡。尽管钙镁离子对健康不会造成直接危害，饮用适量的硬水还会有益于健康，但会对生活产生诸多不便，如用水器结垢、清洁剂效率低、皮肤干燥、衣物发硬等［1］。为能安全、放心地使用自来水，需对地下水进行软化处理。

石灰软化－絮凝是地下水处理的有效方法。通过向水样中投入一定量的熟石灰标准溶液（10mmol·L－1），使之发生一系列反应，最终生成 CaCO3和Mg（OH）2沉淀，以达到软化目的。

作者在单因素实验的基础上采用正交实验［2］，考察了Ca（OH）2投加量、PAC投加量、石灰反应时间及沉淀时间对处理效果的影响并优化了软化－絮凝处理条件。

1 实验

考虑，最后选取 Ca（OH）2投加量（A）、PAC投加量（B）、石灰反应时间（C）和沉淀时间（D）作为考察因素，且不考虑因素间的相互影响作用；以硬度去除率、碱度去除率、浊度、pH值作为考核指标，进行正交实验，以优化石灰软化－絮凝处理地下水的工艺条件，其因素与水平见表1。

表1 正交实验因素与水平Tab．1 The factors and levels of the orthogonal experiment

2 结果与讨论

影响硬度去除率、碱度去除率、浊度及pH值的因素很多，如Ca（OH）2投加量、石灰反应时间、搅拌速度、絮凝剂投加量等。在单因素实验的基础上，经全面

2．1 正交实验结果（表2）

2．2 正交实验分析

2．2．1 硬度去除率分析（表3）

硬度去除率越大表明处理效果越好。由表3可见，各因素对硬度去除率的影响大小依次为A＞D＞C＞B，即Ca（OH）2投加量影响最大，沉淀时间、石灰反应时间其次，PAC投加量影响最小。对硬度的最佳处理条件为 A5B2C3D5，即：Ca（OH）2投加量240mg·L－1、PAC投加量15mg·L－1、石灰反应时间10min、沉淀时间35min。

表2正交实验结果Tab．2 Results of the orthogonal experiment

表3 硬度去除率的正交实验结果分析Tab．3 Analysis of the orthogonal experiment results according to hardness removal rate

2．2．2 碱度去除率分析（表4）

表4 碱度去除率的正交实验结果分析Tab．4Analysis of the orthogonal experiment results according to alkalinity removal rate

碱度去除率越大表明处理效果越好。由表4可见，各因素对碱度去除率的影响大小依次为A＞C＞B＞D，即Ca（OH）2投加量影响最大，石灰反应时间、PAC投加量其次，沉淀时间影响最小。对碱度的最佳处理条件为A5B2C3D2，即Ca（OH）2投加量240mg·L－1、PAC投加量15mg·L－1、石灰反应时间10min、沉淀时间20min。

2．2．3 浊度分析（表5）

表5 浊度的正交实验结果分析Tab．5Analysis of the orthogonal experiment results according to turbidity

浊度越小表明处理效果越好。由表5可见，各因素对浊度的影响大小依次为A＞C＞B＞D，即Ca（OH）2投加量影响最大，石灰反应时间、PAC投加量其次，沉淀时间影响最小。对浊度的最佳处理条件为A4B2C4D4，即Ca（OH）2投加量220mg·L－1、PAC投加量15mg·L－1、石灰反应时间15min、沉淀时间30min。

2．2．4 pH值分析（表6）

表6 pH值的正交实验结果分析Tab．6Analysis of the orthogonal experiment results according to pH value

一般情况下，pH值越大，硬度处理效果越好。但正交实验是在硬度处理效果较好的前提下，寻求最优化条件；而且，pH值越小，越有利于后续的加酸回调，因此，在保证实验效果的条件下，应选取较小的pH值。由表6可见，各因素对pH值的影响大小依次为A＞B＞C＝D，即Ca（OH）2投加量影响最大，PAC投加量其次，石灰反应时间和沉淀时间影响最小。综合考虑实验效果，确定pH值的最佳处理条件为A1B5C2D3，即Ca（OH）2投加量160mg·L－1、PAC投加量30mg·L－1、石灰反应时间5min、沉淀时间25min。

2．2．5 正交实验直观分析结果

结合正交实验结果的硬度去除率、碱度去除率、浊度和pH值分析，其直观分析结果见表7。

表7 正交实验直观分析结果Tab．7 The intuitive analysis of the orthogonal experiment results

由表7可见，确定的综合优化处理条件为A4B2C3D4，即Ca（OH）2投加量为220mg·L－1、PAC投加量为15mg·L－1、石灰反应时间为10min、沉淀时间为30min。

具体分析如下：

（1）Ca（OH）2投加量

对于本实验，硬度去除率和碱度去除率越大越好，而硬度和碱度的去除效果直接受Ca（OH）2投加量的影响。正交实验结果显示，Ca（OH）2投加量为240mg·L－1时，硬度和碱度去除率最大，当硬度和碱度去除效果好时，浊度也较低；但较高的Ca（OH）2投加量会使水的pH值较大，可能需要进行加酸回调，增加了处理成本。因此，选择Ca（OH）2投加量以220mg·L－1为宜。

（2）PAC投加量

最佳碱度去除率、硬度去除率和浊度的PAC投加量为15mg·L－1。为了确保沉淀效率，选择PAC投加量以15mg·L－1为宜。

（3）石灰反应时间

（4）沉淀时间

为保证碱度去除率和浊度均能达到理想效果，尤其是滤后水浊度小于1NTU，选择沉淀时间以30min为宜。

2．3 验证实验

取5个烧杯（编号1＃～5＃），分别加入1000mL地下水水样，然后同时加入220mg·L－1Ca（OH）2溶液，反应10min后加入15mg·L－1的PAC，在一定水力条件下反应30min，静置后过滤。观察烧开后水样的肉眼可见物，测量处理后水样的硬度（总硬度、钙硬度和镁硬度）及碱度，结果如图1所示。

由图1可知，处理后水样的总硬度降至110mg·L－1左右、碱度降至70～80mg·L－1。表明石灰软化－絮凝处理效果较好，所确定的优化处理条件可靠。

3 结论

图1 最佳处理条件下各水样处理结果Fig．1 The treatment results of the water samples under the optimum treatment conditions

采用石灰软化－絮凝法处理华南地区部分地下水水样。在单因素实验的基础上进行正交实验，确定最佳处理条件为：Ca（OH）2投加量220mg·L－1、PAC投加量15mg·L－1、石灰反应时间10min、沉淀时间30min。Ca（OH）2投加量是影响石灰软化－絮凝处理地下水的关键因素。

［1］鹿钦礼，马贵阳，王青梅，等．以地下水为水源的饮用水分层结垢分析［J］．当代化工，2011，40（1）：24－26．

［2］黄富民，丁冰泉，伍俊荣，等．超滤处理高浊度原水系统的正交试验设计［J］．净水技术，2011，30（4）：17－20．