响应面法优化污泥生物炭制备工艺*

李玲玉

(福建省环境监测中心站，福建 福州 350003)

长期以来，我国市政污水处理过程中存在“重水轻泥”现象，市政污泥处理问题十分严峻。截至2016年9月底，全国共建有污水处理厂3976个，污水处理能力约为1.7亿m3/d，污泥产率以1.5吨/万吨计，我国城市污泥产生量达到4590万吨/年[1]。据报道，我国污泥年产生量已超过欧洲年产生量的1/2，超过美国的2/3[2]。市政污泥含有多种重金属和致病菌，是一种具有潜在危险的固体废物，如果处理不当，可能会对环境造成二次污染[3]。同时，污泥富含有机质是一种可以利用的资源。近年来，污泥资源化利用成为研究热点，使用污泥碳化作为吸附剂引起越来越多的关注[4]。将污泥制备成低成本生物炭，实现污泥的资源化、无害化和减量化，符合“以废治废”的理念，并且有利于建设技术创新型、资源节约型和环境友好型社会。

本文主要探讨改性工艺对吸附性能的影响，以期得到最佳改性工艺条件，为污泥生物炭在吸附方面的工业化应用提供进一步的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

①材料：污泥来源于福州市某市政污水厂的剩余污泥；磷酸为分析纯；十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)为化学纯。

②主要设备：OTF-1200X-S型真空小管式炉，THZ-320型台式恒温振荡箱，YP1201N型电子天平。

1.2 实验方法

1.2.1 污泥生物炭的制备

主要制备步骤：将福州市某市政污水处理厂的剩余污泥在自然条件下风干，然后于105℃下烘干，将烘干的污泥进行粉碎，研磨放入瓷舟内，再将其送入真空管式电阻炉中，在氮气保护气氛(N2流量300 mL/min)下，以15℃/min的升温速率升温至炭化温度550℃，恒温60 min后得到污泥生物炭(sludge biochar)，命名为SB。

1.2.2 碘吸附值的测定

根据《木质活性炭试验方法：碘吸附值的测定方法》(GB/T 12496.8—1999)测定污泥生物炭的碘吸附值[5]。

1.2.3 响应曲面法实验设计

利用Box-Behnken中心组合原理，选择碘吸附值为响应值，设计四因素三水平实验，对改性剂改性污泥生物炭的工艺条件进行优化。实验因素和水平见表1。

表1 响应面实验因素与水平编码表

2 结果与分析

2.1 响应面实验结果

根据不同水平四个因素的排列进行实验，并在表中填写每组实验中获得的碘吸附值(Y)，如表2所示。

表2 实验结果

2.2 模型的建立及分析

通过使用响应面专业分析软件Design-Expert对上述实验数据进行多元回归分析，得到了碘吸附值(Y)的回归方程：

Y=340.35+23.62×A-0.73×B+15.22×C-21.49×D-0.67×A×B-12.05×A×C+19.73×A×D+7.88×B×C+5.31×B×D+17.46×C×D-23.53×A2-11.32×B2-41.79×C2-38.03×D2

从表3可知，Model的P值<0.0001，说明此模型高度显著，Model失拟项的P值为0.0953，大于0.05，表明失拟项不显著，说明此模型显著。对模型中各项进行显著性分析可以发现，H3PO4溶液质量分数(A)、固液比(C)和CTMAB(B)的P值均小于0.05，说明这三个因素对乙酸乙酯吸附量的影响显著。浸渍温度(D)的P值大于0.05，说明其对乙酸乙酯吸附量的影响不显著。

表3 回归方程的方差分析

由表4可知，多元相关系数R2=0.9817，表示方程拟合较好，表明实测值和预测值具有高度的相关性。模型调整后的R2=0.9634，表明这个响应面法统计分析96.34%的数据变异性可以用该模型解释。模型变异系数为9.28%，说明这个响应面法统计分析的可信度高，有良好的稳定性。精密度为6.854，说明模型建立合理。

表4 Y回归方差的可信度分析

2.3 响应曲面分析

碘吸附值为响应值的曲面图与等高线图。

从图1可以看出，该图的等高线曲线图是圆形的，表明H3PO4质量分数与CTMAB之间的相互作用不显著。图2的等高曲线是椭圆形的，表明H3PO4质量分数与固液比之间的相互作用最显著。从双因素坐标轴和等高线之间的交叉点数量可以看出，这两个因素中的哪一个占主导地位。交叉点数量多的因素是主要因素，交叉点数量少的是次要因素。从图1到图6，可以得出结论，H3PO4质量分数对碘吸附值的影响最大，浸渍温度对其影响最小，这与表4方差分析的结果一致。

图1 H3PO4质量分数和CTMAB质量对碘吸附值影响的三维曲面图和等高曲线图

图2 H3PO4质量分数和固液比对碘吸附值影响的三维曲面图和等高曲线图

图3 H3PO4质量分数和浸渍温度对碘吸附值影响的三维曲面图和等高曲线图

图4 CTMAB质量和固液比对碘吸附值影响的三维曲面图和等高曲线图

图5 CTMAB质量和浸渍温度对碘吸附值影响的三维曲面图和等高曲线图

图6 固液比和浸渍温度对碘吸附值影响的三维曲面图和等高曲线图

2.4 最佳改性条件的确定

通过软件分析可以得到响应值为最大值时的四个最佳改性条件。当H3PO4质量分数为40%，CTMAB质量为0.30 g，固液比为1.0∶3.5，浸渍温度为50℃，此时碘吸附值达到最大，碘吸附值从88.52 mg/g增加到443.08 mg/g。

3 结论与讨论

市政污水处理厂的剩余污泥富含有机质，以其为原料制备污泥生物炭，用CTMAB与H3PO4复合活化剂对污泥生物炭进行改性，探究了H3PO4质量分数、CTMAB质量、固液比和浸渍温度对污泥生物炭碘吸附值的影响。利用响应面法建立了改性污泥生物炭对碘吸附值的二次回归模型，对回归模型进行了方差分析，并确定了最佳改性条件。实验结果表明，最佳改性条件为：污泥生物炭10.00 g、质量分数为40%的H3PO440.0 mL、CTMAB质量为0.35 g、浸渍温度为50℃，污泥生物炭经CTMAB-H3PO4改性后对碘吸附值达到最大，碘吸附值从改性前的88.52 mg/g增加到改性后的443.08mg/g，吸附性能优越。