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环保服务之响应面法优化污泥厌氧消化液的化学除磷研究

发布日期: 2019-12-02

来源: www.qdf0605.com

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  • 资料类别: 化工论文
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  • 更新时间: 2019-12-02
  • 发布者: 清道夫环保网

基本简介

环保服务之响应面法优化污泥厌氧消化液的化学除磷研究

响应面法优化污泥厌氧消化液的化学除磷研究

a1)利用响应面分析法得到了铝盐回收厌氧消化液中磷源的二次响应曲面模型模型的方差分析显示,主要因素对铝盐除磷的影响程度为:Al:P摩尔比>反应时间>快速搅拌强度三因素间的交互作用对铝盐除磷的影响程度为:Al:P与快速搅拌强度>Al:P与反应时间>快速搅拌强度与反应时间。

(2)剩余污泥厌氧消化液铝盐除磷的最佳条件为:Al:P摩尔比1.7,快速搅拌强度300r/min,慢速搅拌强度45r/min,反应时间20min,沉淀时间20min。此条件下的实际除磷率93.41%,与预测值间的偏差为4.68%,实验值与预测值拟合良好。铝盐沉淀回收厌氧消化液中的磷可以获得较好的处理效果。

剩余污泥厌氧消化液中含有大量的挥发性有机酸可作为一种内碳源以强化生物系统的处理性能,然而消化液中高含量的氮、磷也会因此给生物处理系统带来氮磷负荷增高的潜在危险因此有必要对剩余污泥厌氧消化液进行适当处理以降低氮磷含量。氨吹脱可以有效降低厌氧消化液中的氮负荷而以化学磷沉淀的形式来固定厌氧消化液中的磷在降低潜在磷负荷的同时,也可实现磷的资源化回收

响应面分析法(RSM)可以建立除磷率与影响因素之间的响应曲面模型综合评价影响化学磷沉淀的因素及各因素间的交互作用并通过回归分析实现除磷过程的优化。该方法在优化化学除磷操作条件并提高处理效果方面已得到广泛应用

本文选用铝盐为化学沉淀剂考察了混凝剂投加量、反应时间、快速搅拌强度等对磷沉淀效果的影响并利用响应面分析法建立除磷率与影响因素之间的回归关系确定铝盐化学除磷的最优值为剩余污泥厌氧消化液的资源回收提供一定的理论基础。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

混凝剂Al2(SO4)3·18H2O、盐酸(HCl,1mol/L)、氢氧化钠(NaOH1mol/L 氯化铵、磷酸二氢钾均为分析纯。

JJ-4A型六联搅拌器;722分光光度计;FA2004N型分析天平;pHS-3CpH计。

1.2 实验水质

利用啤酒、氯化铵、磷酸二氢钾模拟剩余污泥厌氧消化上清液其中可溶性磷酸盐浓度为30mg/L、氨氮浓度为50mg/L,pH值为6.5左右。

1.3 实验方法

首先进行单因素实验选取Al:P摩尔比、反应时间、快速搅拌强度、慢速搅拌强度、沉淀时间及pH值为考察因素确定各参数的最优值和影响铝盐沉淀除磷的主要因素。然后运用响应面分析法以主要影响因素为变量除磷率为响应值,进行实验利用Design-Expert软件建立连续变量模型分析主要影响因素之间的交互作用及其对除磷率的影响确立最佳的铝盐除磷操作条件。

1.4 分析方法

可溶性磷酸盐(P)的测定根据《水和废水监测分析方法》第四版测定,测定前先经0.45μm膜过滤;pH采用pH计测定。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 混凝剂投加量 400mL水样置于500mL烧杯中三组平行实验结果取平均值),快速搅拌强度250r/min,搅拌30s,慢速搅拌强度60r/min,反应20min,沉淀20min。在上清液液面下2cm处取样测其吸光度,绘制不同Al:P与除磷率之间的关系曲线,结果见图1

响应面法优化污泥厌氧消化液的化学除磷研究 

1 Al:P与除磷率的关系曲线

Fig.1 Relation between Al:P rations and phosphorus removal efficiency

由图1可知,P的去除率随絮凝剂投加量的增加而呈现上升趋势Al:P摩尔比为1.8时,除磷率达到最大,为96.38%;铝盐投加量继续增加时,除磷率反而下降这可能是受到了pH值的影响,Al2(SO4)3·18H2O是强酸弱碱盐过量加入会导致体系pH值的降低影响化学磷沉淀效果。所以混凝剂的最佳投加量为Al:P摩尔比1.8

2.1.2 快速搅拌强度实验步骤与2.1.1节相同,Al:P摩尔比1.8,慢速搅拌强度60r/min,反应时间20min,沉淀时间20min。快速搅拌强度与除磷率的关系见图2

 

2 快速搅拌强度与除磷率的关系曲线

Fig.2 Relation between rapid stirring intensity and phosphorus removal efficiency

快速搅拌使得铝盐与水样充分混合在水体中均匀分散为铝盐的水解和聚合提供条件使胶体脱稳凝聚快速搅拌强度过大,容易将絮凝体打散过小则无法使铝盐与水中磷酸根充分接触无法高效捕集胶体颗粒导致除磷率下降。

由图2可知除磷率随搅拌强度的增加呈上升趋势在快速搅拌强度250r/min除磷率达到最大98.33%;当快速搅拌强度增大到350r/min时,除磷率为96%。因此最佳快速搅拌强度为250r/min

2.1.3 反应时间 实验操作步骤与2.1.1节相同,Al:P摩尔比为1.8,快速搅拌强度250r/min,慢速搅拌强度60r/min,沉淀时间20min。反应时间与除磷率的关系见图3

 

3 反应时间与除磷率的关系曲线

Fig.3 Relation between reaction time and phosphorus removal efficiency

由图3可知,随着反应时间的延长,除磷率呈现增加的趋势,25min时除磷率达到最大此时除磷率为97.50%;当反应时间增至30min除磷率反而略有降低。这是因为絮凝反应过程中,当絮体增长到一定程度时进一步延长絮凝反应时间,已经形成的絮体会破碎,重新分散成小絮体,影响除磷效率。故最佳反应时间为25 min

2.1.4 慢速搅拌强度 实验操作步骤与2.1.1 节相同,Al:P摩尔比为1.8,快速搅拌强度250r/min,反应时间25min沉淀时间20min。慢速搅拌强度与除磷率的关系见图4

 

4 慢速搅拌强度与除磷率的关系曲线

Fig.4 Relation between slow stirring intensity and phosphorus removal efficiency

由图4可知不同慢速搅拌强度下的除磷率均在97.5%以上,且除磷率随着慢速搅拌强度的增大而下降在慢速搅拌强度为45r/min除磷率最大99.06%慢速搅拌强度的最优值为45r/min

2.1.5 沉淀时间 实验操作步骤与2.1.1节相同,Al:P摩尔比为1.8,快速搅拌强度250r/min,反应时间25min,慢速搅拌强度45r/min。沉淀时间与除磷率的关系见图5

 

5 沉淀时间与除磷率的关系曲线

Fig.5 Relation between precipitation time and phosphorus removal efficiency

由图5可知,在沉淀时间高于15min铝盐除磷率可以维持在98%以上沉淀时间25min时,除磷率达最大,为98.59%。继续延长沉淀时间除磷率的增加幅度变小。因此,最佳沉淀时间为25min。

2.1.6 pH 实验操作步骤与2.1.1节相同,Al:P摩尔比为1.8,快速搅拌强度250r/min,反应时间25min,慢速搅拌强度45r/min,沉淀时间为25minpH值与除磷率的关系见图6

 

6 pH值与除磷率的关系曲线

Fig.6 Relation between pH values and phosphorus removal efficiency

由图6可知铝盐除磷效率随pH值的增大呈上升趋势,pH值为6.5时达到最大除磷率为95.37%pH 值继续增大,除磷率反而下降。这可能是因为不同pH值下的铝盐水解产物和组分含量不同较高pH环境下的水解产物多为Al(OH)3Al(OH)4-与磷酸盐沉淀的反应竞争铝离子,且这些水解产物带有负电荷或者不带电与胶体表面负电荷不能起到电中和作用,此时的吸附架桥作用也较弱处理效果下降。因此最佳pH值为6.5,即无需调节废水的pH值。

2.2 响应面设计与结果分析

2.2.1 响应面实验结果 由单因素实验可知影响废水中P去除率的主要因素有Al:P、反应时间、快速搅拌强度。利用Design-Expert 8.0软件,采用响应面分析法对铝盐进行实验因素与水平见表1,结果见表2

1 响应面设计因素和水平

Table1 Process design factors and levels used

水平

A

B

C

Al:P/摩尔比

快速搅拌强度/(r·min-1)

反应时间/min

-1

1.7

200

20

0

1.8

250

25

1

1.9

300

30

建立除磷率与影响因素之间的回归方程

除磷率Y=96.42+2.18A+1.21B+1.56C-4.83AB+2.13AC-1.73BC-3.75A2-0.042B2-0.23C2+1.69A2B -4.33A2C

2 响应面实验结果

Table2 Box-Behnken experimental design and response value

 

对该模型进行显著性检验和方差分析结果见表3

3 回归模型的方差分析

Table3 Analysis of variance for RSM quadratic model

 

由表3可知该模型的F值为26.57,Pr> F值为0.0010,Pr>F值小于0.01,意味着该模型高度显著。该模型失拟F值为1.95,Pr>F值为0.234 6>0.0500,意味着失拟不显著,残差是由随机误差产生的表示该模型达到了预期结果可以用于分析和预测铝盐除磷的处理效果。

由表3可知,ACABACBCA2C是显著影响因素快速搅拌强度的影响不显著。

2.2.2 因素间的交互作用分析运用Design-Expert 8.0设计软件绘制连续变量模型回归方程的三维响应曲面图,见图7。图中曲面的弯曲程度越大,说明实验因子对铝盐除磷的影响越大,铝盐除磷的效果越显著

 

7 Al:P、快速搅拌强度和反应时间对铝盐除磷的响应面分析图

Fig.7 Response surface plots showing effect of three variables on chemical phosphorus removal efficiency

a.Al:P摩尔比和快速搅拌强度;b.Al:P摩尔比和反应时间;c.快速搅拌强度和反应时间

由图7a可知,随着Al:P和快速搅拌强度的增加除磷率呈现上升趋势。在较大的搅拌强度下较小的Al:P摩尔比即可达到显著的化学除磷效果。由图7b可知随着Al:P比的增加除磷率的变化幅度较小但是在较长的反应时间下铝盐除磷率反而降低这可能是因为混凝过程中形成的絮凝体在较长的反应时间内再次溶解,胶粒重新获得稳定从而导致去除率降低。由图7c可知随着快速搅拌强度和反应时间的增加,铝盐化学除磷效率呈现增加的趋势。

三种因素之间的交互作用对除磷率影响的大小排序为:Al:P和快速搅拌强度的交互作用>Al:P和反应时间的交互作用>快速搅拌强度和反应时间的交互作用。

2.2.3 最佳混凝条件的确定及验证 利用本模型得到的铝盐除磷的最佳混凝条件为:Al:P摩尔比1.7,快速搅拌强度300r/min,慢速搅拌强度45r/min,反应时间20min,沉淀时间20min。为检验所得理论值的可靠性,在最佳条件下进行3次平行验证实验得到去除率平均值为93.41%。实验值与预测值之间的相对误差为4.68%,说明该模型可以比较准确的反映铝盐除磷过程中各因素的影响情况。

3 结论

(1)利用响应面分析法得到了铝盐回收厌氧消化液中磷源的二次响应曲面模型模型的方差分析显示,主要因素对铝盐除磷的影响程度为:Al:P摩尔比>反应时间>快速搅拌强度三因素间的交互作用对铝盐除磷的影响程度为:Al:P与快速搅拌强度>Al:P与反应时间>快速搅拌强度与反应时间。

(2)剩余污泥厌氧消化液铝盐除磷的最佳条件为:Al:P摩尔比1.7,快速搅拌强度300r/min,慢速搅拌强度45r/min,反应时间20min,沉淀时间20min。此条件下的实际除磷率93.41%,与预测值间的偏差为4.68%,实验值与预测值拟合良好。铝盐沉淀回收厌氧消化液中的磷可以获得较好的处理效果。

 

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