探究聚氯化鋁凈水效果的影響因素及使用環境

目前，在自來水生產工藝流程中，大多數自來水廠以聚氯化鋁(pAC）作為混凝劑，PAC可有效降低原水的濁度，使出廠水達到國家標準。然而，鑒于我國國情，目前PAC的投加仍以經驗為主，沒有根據具體水質情況進行定量控制，過量投加PAC不僅增加了生產成本，而且對人體有害。為了降低生產成本和減少企業安全風險，進一步加強自動化控制，筆者以長江蕪湖段水源水為試驗原水，以沉淀出水的濁度作為檢測指標，通過單因素試驗研究原水濁度、溫度、pH值、反應時間、PAC投加量等因素的影響，在此基礎上進行響應面分析優化并進行試驗驗證，以期為實際生產提供依據，為加藥系統的自動化程序控制提供理論基礎。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗原水采用長江蕪湖段水源水，其濁度為35—75NTU、pH值為6.5~8.5、水溫為12~26℃。

試驗儀器：六聯程控混凝試驗攪拌儀；散射式濁度儀。

1.2試驗方法

試驗以某市自來水廠的實際生產情況、混凝劑投加量與該廠沉淀池出水濁度標準(1—8NTU)作為參考，通過混凝攪拌試驗確定與實際生產較為吻合的研究條件。在一組燒杯中加入1000mL水樣并置于六聯混凝攪拌儀中，加入混凝劑PAC，在400r/min下快速攪拌1min、在120r/min下中速攪拌5min、在30r/min下低速攪拌10min，靜置30min，然后于液面下2cm處取上清液測定其濁度，即為沉淀出水濁度。

2結果與討論

2.1單因素試驗結果與討論

2.1.1原水溫度對沉淀出水濁度的影響

原水溫度對水中雜質的種類、微生物的生長有著密切的影響，同時在不同溫度下PAC的反應速度有著明顯的差異。試驗中，隨著原水溫度由14℃逐漸升高到26℃，PAC的混凝效果越來越好，沉淀出水濁度由7NTU逐漸降至3NTU。

2.1.2原水pH值對沉淀出水濁度的影響

原水pH值對沉淀出水濁度的影響見圖1。pH值對水中雜質及顆粒的存在形態等有著重要影響，故而與混凝劑的混凝作用有著密切關聯。在pH值偏酸性時，混凝劑水解受到一定的限制，其化合物中高分子物質存在較少，混凝作用較差；在偏弱堿性條件下混凝劑的混凝效果較好，能有效降低出水濁度；而堿性過高時，會生成帶負電荷的絡合離子，也不能發揮很好的混凝作用。

2.1.3原水濁度對沉淀出水濁度的影響

試驗結果表明，原水濁度直接影響PAC的混凝效果，在長江原水水質正常濁度變化范圍內，沉淀出水濁度隨原水濁度的增加而線性增加。

2.1.4攪拌速度對沉淀出水濁度的影響

攪拌速度（中速攪拌）對沉淀出水濁度的影響見圖2。適度的攪拌能使PAC與懸浮顆粒物充分混勻，混凝沉淀效果更加明顯；但是過度的攪拌產生的剪切力較大，導致絮體發生破碎現象，難以沉淀，處理效果也降低，故而應選擇合適的轉速進行試驗。

2.1.5PAC投加量對沉淀出水濁度的影響

在試驗中，當PAC投加量從6mg/L增至14mg/L時，沉淀出水濁度先降后升，其中當PAC投加量為12mg/L時沉淀出水濁度低，此時混凝效果好。這是因為當混凝劑投加量較少時，混凝不充分；而當混凝劑投加量較大時，膠體顆粒由于吸附了過多的負離子，使得顆粒趨于分散狀態，不利于顆粒自由沉淀。

2.1.6沉淀時間對沉淀出水濁度的影響

試驗中，隨著沉淀時間的延長，沉淀出水濁度逐漸降低，當沉淀時間達到120min時，沉淀出水濁度達到穩定，繼續延長沉淀時間，濁度變化不大。

2.2響應面分析法試驗結果與討論

在單因素試驗的基礎上設計響應面分析，以確定凈水工藝參數。

2.2.1Plackett-Burman試驗

Plackett-Burman試驗對影響沉淀出水濁度的8個因子（原水濁度、溫度、pH值、反應時間、PAC投加量、攪拌速度、攪拌時間、沉淀時間）進行篩選，結果表明，原水溫度、pH值和PAC投加量對沉淀出水的濁度影響較大。為此進一步通過爬坡試驗和響應面試驗進行優化研究。

2.2.2最陡爬坡試驗

最陡爬坡試驗設計及結果如表1所示。可以看出，沉淀出水濁度隨著關鍵因素的變化而變化，其最低值出現在第4組，為2.06NTU，說明此時原水溫度、pH值、PAC投加量的值接近最優，故選擇第4組作為中心點，進一步對凈水工藝進行優化研究。

2.2.3Box-Behnken設計試驗優化

Box-Behnken試驗以沉淀出水濁度為響應值，對原水溫度(X1）、pH值(x2）、PAC投加量(X3）3個影響因素進行優化分析。

對此回歸方程的方差分析表明，該模型極顯著。在該模型各參數中，X1對沉淀出水濁度有較顯著的影響，即原水溫度是對試驗結果影響較大的因子；x12、x22、x32對沉淀出水濁度的影響也達到了顯著水平，說明原水溫度、原水pH值、PAC投加量的影響也是二次關系。該模型的相關系數R2=0.9923，修正決定系數R2adj=0.9785，表明該模型的預測值和實測值擬合良好，可以很好地解釋響應值的變化。

用軟件對回歸模型進行響應面分析，得到各響應面立體分析圖和等高線圖，由圖及軟件分析可知，回歸方程存在穩定點。通過分析可知，X，、X：、弘的編碼值分別為20．0105、-0.000978、0.009094，即原水溫度、原水pH值、PAC投加量分別為23．0105℃、7.499、12.009094mg/L，此條件下預測得到的沉淀出水濁度為1.5545NTU。

2.2.4試驗結果驗證

根據上述試驗結果，為方便實際操作及考慮裝置的可操作性，將最優參數調整如下：原水溫度為23.0℃、原水pH值為7.5、PAC投加量為12mg/L，進行試驗驗證，在此條件下測得的沉淀出水濁度為1.45NTU，與理論值的偏差為6.7%，證明該試驗研究結果較為可靠。

3結論

首先通過單因素試驗確定攪拌速度、原水溫度、原水pH值、沉淀時間、PAC投加量等與沉淀出水濁度的關系。Plackett-Burman試驗結果顯示，原水溫度、原水pH值及PAC投加量對沉淀出水濁度的影響較大，響應面法分析結果顯示，當原水溫度為23.0℃、原水pH值為7.5、PAC投加量為12mg/L時，沉淀出水濁度最低，其值為1.45NTU。