基于析因实验设计的有机废水处理工艺参数优化分析

薛 娟 杨 婧 赵晓辉

（ 11..灵宝市环境保护局，河南 三门峡 47722550000； 22..郑州财经技师学院，河南 郑州 45500000077； 33..华北电力大学，北京 10022220066）

精细化工有机废水具有污染物浓度高、成分复杂且不稳定等特点，易对水环境质量及水资源利用产生较大危害。自从20世纪六十年代加拿大学者首次使用芬顿试剂处理苯酚废水和烷基废水成功后，芬顿氧化法在有机废水处理的研究和应用日益受到国内外的关注［1］。芬顿氧化法对有机物的去除具有反应速度快、条件温和等优点，处理精细化工有机废水具有很大的应用潜力。

1 芬顿氧化法在有机废水处理中的应用

芬顿氧化法处理有机废水的机理是在Fe2+离子的催化下，H2O2的分解活化能较低，分解产生具有较高氧化还原电位的羟基自由基（·OH），使有机物结构中的部分化学键发生断裂，由大分子氧化成小分子，或进一步矿化为CO2、H2O小分子，从而提高废水B/C比，常布置在生化处理单元之前用来改善废水的可生化性，另外也用于系统末端对生化单元未充分降解的有机物进行深度处理。

针对精细化工行业的高浓度有机废水，芬顿氧化法的工艺参数主要为催化剂用量、氧化剂用量、体系初始pH值、反应温度、反应时间，参数水平需要根据废水污染物的组分及其降解率、废水处理量等因素综合研究。一般情况下，工艺参数的优化研究是在废水污染物组分和废水处理量确定的情况下开展的，重点考察不同水平的工艺参数对降解率的影响。

徐颖等［2］、李晓燕等［3］、魏日出等［4］分别采用单因子法考察了催化剂用量、氧化剂用量、体系初始pH值、反应温度、反应时间等参数对有机污染物降解率的影响。有机污染物的氧化分解过程除受到药剂用量、体系酸碱度、反应时间和温度等重要因素的单一控制外，还受到上述多重因素的共同影响，存在多因素的协同效应或拮抗效应。单一考察某一因素的影响很难对降解机理进行全面认识和深刻分析，也就难以得到较为科学可行的工艺参数组合。

2 析因实验设计的基本方法

析因实验是一种多因素的交叉分组实验，在这类实验的每一次完全实验或每一次重复中，这些因素的所有可能的水平组合都被研究到［5］。李鱼等［6］在环境污染物迁移转化研究中采用析因实验设计对多种环境因子对沉积物吸附阿特拉津的影响规律开展了深入研究，分析得到了各环境因子的共同效应。采用该方法能够有效对各因子对结果影响的共同效应进行分析。首先需要根据前期的反应机理分析和工艺参数筛选确定研究因子，其次需要设定各个研究因子的取值水平，如果是高、低两个水平，即为二水平析因实验，一般称为2k析因实验；同理每个因子取三个水平值时，即为三水平析因实验，一般称为3k析因实验。通常采取先开展二水平多因子实验筛选出起主要作用的2～3个显著因子和交互项，然后再针对起主要作用的2～3个显著因子开展三水平或更高水平的实验。

3 析因实验设计方案及应用

3.1 仪器和实验方法

取某精细化工企业的有机废水测定COD浓度，然后注入烧瓶，并分别加入固态催化剂FeSO4、30%H2O2溶液，用硫酸控制pH值，开始计时，反应结束后立即测定体系COD浓度，根据反应前后COD浓度得到每次实验的降解率，通过监测水相中COD浓度变化的研究体系氧化剂H2O2用量、催化剂FeSO4用量、初始pH和反应时间等4种因子共同作用对芬顿氧化降解有机物的规律。实验设计采用4因子2水平的完全析因实验设计，通过氧化剂H2O2用量、催化剂FeSO4用量、初始pH和反应时间筛选因子高低两个水平。

3.2 数据处理与分析

由于4种工艺参数因子的水平均可控，即均为固定因子，因此可以利用固定效应模型对4种因子主效应和二阶交互效应进行效应估计，并对每个主效应和二阶交互效应进行F检验，选用的固定效应模型结构为：

其中：τi，βj和（τβ）ij分别表示因子A和B的主效应及二阶交互效应，i和j分别表示因子A和B的水平；εijk为模型中的随机误差成分；yijk为COD去除率的实验测试值。

实验设计与统计分析采用Minitab软件包中的实验设计模块．先对各因子浓度主效应和高阶交互效应进行方差分析，判断其对COD去除率的影响，再用固定效应模型计算4种工艺参数因子的主效应和高阶交互效应的估计值，定量分析4种工艺参数因子主效应和高阶交互效应对有机废水COD去除率的影响规律。

3.3 固定效应模型的适合性检验

检验标准如下：

①若正太概率图和直方图中没有出现偏离正太分布的异常点，由于方差分析对于正态性假设是稳健的，则模型满足正态性假设要求。

②若依时间序列的残差图中没有正残差和负残差的趋势，说明残差与时间序之间没有相关性，则模型满足误差独立性假设；

③若残差与拟合值的关系图中未发现彼此之间有任何明显的模式或规律，则模型满足方差齐性假设。

4 结论

采用析因实验设计对芬顿氧化处理有机废水工艺参数优化的方法克服了传统单因子法不能有效分析多个工艺参数对COD去除率共同作用的局限性，可得到以下结论：

①根据效应估计值的正负性，可判断工艺参数因子主效应对COD去除率具有促进或抑制作用，绝对值的大小表明了影响强度。

②根据高阶交互效应估计值的正负性，可判断其相应的若干因子对COD去除率所起共同作用的性质，绝对值的大小表明了影响强度。

③根据工艺参数因子主效应及高阶交互效应对COD去除率所起作用的性质和强度，可反溯给出相应的因子水平，从而给出较为优化的工艺参数组合。

［1］蔡建国，李爱民，张全兴.湿式催化氧化技术的研究进展［J］河北大学学报，2004，24（3）：326-331.

［2］徐颖，陈磊，周俊晓.Fenton氧化-生化组合工艺处理染料中间体废水［J］.环境工程学报，2007，1（4）：57-60.

［3］李晓燕，胡红伟，陈松涛，等.湿式催化氧化处理染料废水的试验研究［J］.工业安全与环保，2013，39（4）：13-15.

［4］魏日出，陈洪林，张小明.湿式催化氧化法处理含高浓度甲醛的草甘膦废水［J］.分子催化，2013，27（4）：323-332.

［5］Montgomery D.C.著，傅钰生，张健，王振宇译.实验设计与分析（第6版）.［M］.北京：人民邮电出版社.

［6］李鱼，王志增，王檬，等.多种环境因子交互作用对沉积物吸附阿特拉津的影响［J］.吉林大学学报（理学版），2013，51（2）：334-339.