响应面法分析天然絮凝剂的污水处理效果*

李宝丰，于鹏飞，赵宗祺，李团结，王 超

（1.青岛润水市政工程设计有限公司，山东 青岛 266000；2.青岛市政务服务和公共资源交易中心，山东 青岛 266032；3.青岛市海泊河污水处理厂，山东 青岛 266000；4.青岛市团岛污水处理厂，山东 青岛 266000；5.青岛市排水运营服务中心，山东 青岛 266000）

絮凝是一种可靠且简便的污水处理技术，通过加入絮凝剂使污水中的悬浮微粒聚集变大、形成絮团，通过固液分离去除污染物，效果受絮凝剂类型、用量、污水pH值、搅拌速度、搅拌时间以及废水特性的影响，广泛用于处理生活、商业和工业污水[1-4]。

絮凝剂类型众多，有天然、有机、无机和聚合物絮凝剂，大多数污水处理厂仍广泛使用无机絮凝剂，如硫酸铝（明矾）、聚合硫酸铝等[5-7]。这类无机絮凝剂虽然效率高、成本低，但长期使用会对人类健康和环境造成严重影响[5]。

天然絮凝剂富含羧基、羟基和氨基等官能团，对污水中的各种污染物具有良好的亲和力，具有絮凝效率高、可再生、可降解等优点，受到研究者的广泛关注[8-11]。

本文以西瓜籽为天然絮凝剂，采用响应面法分析了pH值和絮凝剂用量对污水浊度、总悬浮固体（TSS）和化学需氧量（COD）去除率的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

K2Cr2O7、正己烷、石油醚、HCl、NaOH等均为分析纯试剂，中国国药集团。

ZR4-6型混凝实验搅拌器（深圳中润水工业技术发展有限公司）；PHS 3C型酸度计（上海雷磁仪器厂）；2100Q浊度仪（美国哈希公司）。

1.2 实验方法

选取当地种植西瓜，收集其中的西瓜籽，用蒸馏水洗涤数次以去除附着的果肉，在100℃烘箱中干燥。将干燥好的西瓜籽去壳、研磨，得到粉末，利用正己烷为溶剂在索氏提取器中提取油脂24h。随后用石油醚去除种子粉末中的正己烷，再用蒸馏水洗涤，最后在真空烘箱中50℃下干燥至恒重，得到天然絮凝剂，配制成1%的水溶液使用。

污水取自当地污水处理厂（pH值、浊度、TSS和COD分别为7.51、257、526和687mg·L-1），将污水倒入混凝试验搅拌机中，在特定pH值下加入一定量的絮凝剂溶液，在200r·min-1下搅拌5min，然后在50r·min-1下搅拌30min，吸取上清液，采用便携式浊度计分析污水浊度，采用《水质悬浮物的测定重量法》（GB 11901-1989）分析TSS，采用《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》（HJ 828-2017）分析COD。

1.3 响应面分析

本文采用响应面分析法研究了pH值和天然絮凝剂用量对污水浊度、TSS和COD去除率的影响，每个因素取3个水平，采用minitab19对实验结果进行分析，结果见表1。

表1 天然絮凝剂污水处理实验结果Tab.1 Experimental results of natural coagulant sewage treatment

2 结果与讨论

2.1 实验因素对污水浊度去除率的影响

图1为pH值和絮凝剂用量对污水浊度去除率的影响。

图1 pH值和絮凝剂用量对污水浊度去除率的影响Fig.1 Effects of pH value and natural coagulant dosage on the removal rate of sewage turbidity

由图1可以看到，与pH值相比，天然絮凝剂用量对污水浊度去除率影响更显著，随着絮凝剂用量从100增加到200mg·L-1，浊度去除率从最高的94.15%降低到40%以下，这可能是由于随着絮凝剂用量的增加，絮凝剂主要发生了自身聚并，导致污水浊度去除率下降，同时也说明在较小的天然絮凝剂用量下就能很好降低污水浊度。

2.2 实验因素对污水TSS去除率的影响

图2为pH值和絮凝剂用量对污水TSS去除率的影响。

图2 pH值和絮凝剂用量对污水TSS去除率的影响Fig.2 Effects of pH value and natural coagulant dosage on the removal rate of sewage TSS

由图2可以看到，随着pH值从8降低到4、絮凝剂用量从200降低到100mg·L-1，污水TSS去除率最高可以达到98.34%。这是由于天然絮凝剂中含有大量的羟基、羰基、酰胺基团和游离氨基酸，可以中和悬浮固体的电荷，在固体颗粒间产生架桥作用，有利于降低污水TSS。

2.3 实验因素对污水COD去除率的影响

图3为pH值和絮凝剂用量对污水COD去除率的影响。

图3 pH值和絮凝剂用量对污水COD去除率的影响Fig.3 Effects of pH value and natural coagulant dosage on the removal rate of sewage COD

由图3可以看到，随着絮凝剂用量的增加，污水COD去除率逐渐提高，最高可以达到91.39%，当絮凝剂用量大于160mg·L-1后，低pH值有利于提高污水COD去除率。

2.4 实验因素的方差分析

表2为天然絮凝剂处理污水的方差分析结果。

由表2可以看到，pH值和絮凝剂用量对污水浊度、TSS和COD去除率的响应面模型T值均大于1，而且P值均小于0.05，说明分析可靠，置信概率95%，具有统计学意义。

表2 天然絮凝剂处理污水的方差分析结果（%）Tab.2 AVOVA results of natural coagulant in sewage treatment

对污水浊度去除率来说，絮凝剂用量的T值大于1、P值小于0.05，是显著影响因素，而pH值和pH值与絮凝剂用量二阶交互效应影响不显著。同理，对于TSS和COD去除率来说，显著影响因素分别是絮凝剂用量、pH值和絮凝剂用量。

2.5 污水处理工艺优化

利用响应面法，得到了污水浊度、TSS和COD去除率与pH值、絮凝剂用量以及两者交互效应之间的数学模型，见式1～3。

通过对3个去除率指标进行优化，得到了污水处理的最优条件，见表3。

表3 天然絮凝剂最优污水处理条件Tab.3 Optimal sewage treatment conditions of natural coagulant

响应面优化结果与实验结果非常吻合，当pH值为4.24、絮凝剂用量为120.23mg·L-1时，污水浊度、TSS和COD去除率可以达到67.36%、93.32%和65.49%。

3 结论

本文以处理过的西瓜籽为天然絮凝剂，采用响应面分析法研究了pH值与絮凝剂用量对污水浊度、TSS和COD去除率的影响。通过方差分析，发现模型分析可靠，置信概率95%。对污水浊度、TSS和COD去除率来说，絮凝剂用量是显著的影响因素。对于TSS去除率来说，絮凝剂用量和pH值是显著影响因素；絮凝剂用量是影响COD去除率的显著因素。当pH值为4.24、絮凝剂用量为120.23mg·L-1时，污水处理效果最好，预测的浊度、TSS和COD去除率分别为67.36%、93.32%和65.49%，而且与实验结果吻合。