探究聚氯化铝净水效果的影响因素及使用环境

目前，在自来水生产工艺流程中，大多数自来水厂以聚氯化铝(pAC）作为混凝剂，PAC可有效降低原水的浊度，使出厂水达到国家标准。然而，鉴于我国国情，目前PAC的投加仍以经验为主，没有根据具体水质情况进行定量控制，过量投加PAC不仅增加了生产成本，而且对人体有害。为了降低生产成本和减少企业安全风险，进一步加强自动化控制，笔者以长江芜湖段水源水为试验原水，以沉淀出水的浊度作为检测指标，通过单因素试验研究原水浊度、温度、pH值、反应时间、PAC投加量等因素的影响，在此基础上进行响应面分析优化并进行试验验证，以期为实际生产提供依据，为加药系统的自动化程序控制提供理论基础。

1试验材料与方法

1.1试验材料

试验原水采用长江芜湖段水源水，其浊度为35—75NTU、pH值为6.5~8.5、水温为12~26℃。

试验仪器：六联程控混凝试验搅拌仪；散射式浊度仪。

1.2试验方法

试验以某市自来水厂的实际生产情况、混凝剂投加量与该厂沉淀池出水浊度标准(1—8NTU)作为参考，通过混凝搅拌试验确定与实际生产较为吻合的研究条件。在一组烧杯中加入1000mL水样并置于六联混凝搅拌仪中，加入混凝剂PAC，在400r/min下快速搅拌1min、在120r/min下中速搅拌5min、在30r/min下低速搅拌10min，静置30min，然后于液面下2cm处取上清液测定其浊度，即为沉淀出水浊度。

2结果与讨论

2.1单因素试验结果与讨论

2.1.1原水温度对沉淀出水浊度的影响

原水温度对水中杂质的种类、微生物的生长有着密切的影响，同时在不同温度下PAC的反应速度有着明显的差异。试验中，随着原水温度由14℃逐渐升高到26℃，PAC的混凝效果越来越好，沉淀出水浊度由7NTU逐渐降至3NTU。

2.1.2原水pH值对沉淀出水浊度的影响

原水pH值对沉淀出水浊度的影响见图1。pH值对水中杂质及颗粒的存在形态等有着重要影响，故而与混凝剂的混凝作用有着密切关联。在pH值偏酸性时，混凝剂水解受到一定的限制，其化合物中高分子物质存在较少，混凝作用较差；在偏弱碱性条件下混凝剂的混凝效果较好，能有效降低出水浊度；而碱性过高时，会生成带负电荷的络合离子，也不能发挥很好的混凝作用。

2.1.3原水浊度对沉淀出水浊度的影响

试验结果表明，原水浊度直接影响PAC的混凝效果，在长江原水水质正常浊度变化范围内，沉淀出水浊度随原水浊度的增加而线性增加。

2.1.4搅拌速度对沉淀出水浊度的影响

搅拌速度（中速搅拌）对沉淀出水浊度的影响见图2。适度的搅拌能使PAC与悬浮颗粒物充分混匀，混凝沉淀效果更加明显；但是过度的搅拌产生的剪切力较大，导致絮体发生破碎现象，难以沉淀，处理效果也降低，故而应选择合适的转速进行试验。

2.1.5PAC投加量对沉淀出水浊度的影响

在试验中，当PAC投加量从6mg/L增至14mg/L时，沉淀出水浊度先降后升，其中当PAC投加量为12mg/L时沉淀出水浊度低，此时混凝效果好。这是因为当混凝剂投加量较少时，混凝不充分；而当混凝剂投加量较大时，胶体颗粒由于吸附了过多的负离子，使得颗粒趋于分散状态，不利于颗粒自由沉淀。

2.1.6沉淀时间对沉淀出水浊度的影响

试验中，随着沉淀时间的延长，沉淀出水浊度逐渐降低，当沉淀时间达到120min时，沉淀出水浊度达到稳定，继续延长沉淀时间，浊度变化不大。

2.2响应面分析法试验结果与讨论

在单因素试验的基础上设计响应面分析，以确定净水工艺参数。

2.2.1Plackett-Burman试验

Plackett-Burman试验对影响沉淀出水浊度的8个因子（原水浊度、温度、pH值、反应时间、PAC投加量、搅拌速度、搅拌时间、沉淀时间）进行筛选，结果表明，原水温度、pH值和PAC投加量对沉淀出水的浊度影响较大。为此进一步通过爬坡试验和响应面试验进行优化研究。

2.2.2最陡爬坡试验

最陡爬坡试验设计及结果如表1所示。可以看出，沉淀出水浊度随着关键因素的变化而变化，其最低值出现在第4组，为2.06NTU，说明此时原水温度、pH值、PAC投加量的值接近最优，故选择第4组作为中心点，进一步对净水工艺进行优化研究。

2.2.3Box-Behnken设计试验优化

Box-Behnken试验以沉淀出水浊度为响应值，对原水温度(X1）、pH值(x2）、PAC投加量(X3）3个影响因素进行优化分析。

对此回归方程的方差分析表明，该模型极显著。在该模型各参数中，X1对沉淀出水浊度有较显著的影响，即原水温度是对试验结果影响较大的因子；x12、x22、x32对沉淀出水浊度的影响也达到了显著水平，说明原水温度、原水pH值、PAC投加量的影响也是二次关系。该模型的相关系数R2=0.9923，修正决定系数R2adj=0.9785，表明该模型的预测值和实测值拟合良好，可以很好地解释响应值的变化。

用软件对回归模型进行响应面分析，得到各响应面立体分析图和等高线图，由图及软件分析可知，回归方程存在稳定点。通过分析可知，X，、X：、弘的编码值分别为20．0105、-0.000978、0.009094，即原水温度、原水pH值、PAC投加量分别为23．0105℃、7.499、12.009094mg/L，此条件下预测得到的沉淀出水浊度为1.5545NTU。

2.2.4试验结果验证

根据上述试验结果，为方便实际操作及考虑装置的可操作性，将最优参数调整如下：原水温度为23.0℃、原水pH值为7.5、PAC投加量为12mg/L，进行试验验证，在此条件下测得的沉淀出水浊度为1.45NTU，与理论值的偏差为6.7%，证明该试验研究结果较为可靠。

3结论

首先通过单因素试验确定搅拌速度、原水温度、原水pH值、沉淀时间、PAC投加量等与沉淀出水浊度的关系。Plackett-Burman试验结果显示，原水温度、原水pH值及PAC投加量对沉淀出水浊度的影响较大，响应面法分析结果显示，当原水温度为23.0℃、原水pH值为7.5、PAC投加量为12mg/L时，沉淀出水浊度最低，其值为1.45NTU。