工業(yè)純水設(shè)備全面解析油墨廢水處理方法
【蘭州純水設(shè)備http://www.b99x9rf.cn】印刷油墨廢水成分復(fù)雜，色度大，有機(jī)物含量高（COD可達(dá)20g/L左右，有的高達(dá)300g/L），生物降解性很低，大多具有潛在毒性，是極難處理的工業(yè)廢水之一。直接排放會(huì)破壞水生生態(tài)環(huán)境，造成水體嚴(yán)重污染純水設(shè)備。目前我國(guó)對(duì)油墨廢水的處理方法主要有物理、化學(xué)和生物處理或者幾種處理技術(shù)組合以強(qiáng)化處理效果，以上常規(guī)的水處理方法已不能滿足處理要求。研發(fā)高效新型的油墨廢水（預(yù)）處理方法和技術(shù)純水設(shè)備，是此類廢水處理的難點(diǎn)之一。高級(jí)氧化技術(shù)作為一種新環(huán)境凈化技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。其中，Fenton氧化技術(shù)能夠有效去除廢水的COD，能使許多結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、甚至很難被生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒無(wú)害可生物降解的低分子物質(zhì)，可提高生物處理有效性和經(jīng)濟(jì)可行性，同時(shí)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和、高效等優(yōu)點(diǎn)，在印染廢水的深度處理中有較好的應(yīng)用前景。響應(yīng)曲面法是一種綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模的優(yōu)化方法，是一種可靠的研究廢水處理過(guò)程的分析方法，可以有效地分析過(guò)程參數(shù)單獨(dú)的及相互作用對(duì)響應(yīng)量的影響。利用響應(yīng)曲面法對(duì)有限的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析得到模型，可預(yù)測(cè)目標(biāo)值的具體工藝條件，能大大地減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)和時(shí)間。本文以油墨廢水為研究對(duì)象，采用Fenton試劑氧化降解廢水中的有機(jī)污染物，利用Box-Behnken分析法，以廢水的COD去除率為響應(yīng)值純水設(shè)備，對(duì)影響其降解的關(guān)鍵因素（初始pH值、H2O2投加量及FeSO4投加量）進(jìn)行優(yōu)化并得到最佳條件。
1實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1實(shí)驗(yàn)材料
1.1.1實(shí)驗(yàn)水樣和藥品
實(shí)驗(yàn)水樣：水樣取自河北省某廠實(shí)際油墨廢水，經(jīng)分析原始廢水COD高達(dá)200~250g/L，pH值為8.2，色度約為15000倍（稀釋倍數(shù)法），渾濁，墨綠色純水設(shè)備，有較濃臭味。由于原始COD太高，直接處理原廢水，COD去除率不理想，經(jīng)試驗(yàn)確定采用將原水水樣稀釋500倍之后進(jìn)行研究。
藥品：FeSO4·7H2O，H2O2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%），濃H2SO4和NaOH，均為分析純。
1.1.2所用儀器
PHS-3C數(shù)字酸度計(jì)、JB-1A磁力攪拌器、JA2003N分析天平、紫外燈（20W低壓汞燈）、5B-C型COD快速測(cè)定儀及常用玻璃器皿若干。
1.2方法
1.2.1實(shí)驗(yàn)方法
量取100mL水樣（COD值約為487.6mg/L，色度約為26，pH值為8.4）于燒杯中，向溶液中加入一定量FeSO4，調(diào)節(jié)pH值為一定值純水設(shè)備，再加入一定量的H2O2，在室溫下，置于磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌反應(yīng)一定時(shí)間后，將溶液pH調(diào)節(jié)至10左右。靜置一段時(shí)間后過(guò)濾，取濾液進(jìn)行分析，考察初始pH值、H2O2投加量、FeSO4投加量對(duì)油墨廢水COD的影響規(guī)律。
1.2.2分析方
COD采用化學(xué)需氧量速測(cè)儀測(cè)定。
2結(jié)果與討論
2.1響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)與分析
2.1.1響應(yīng)曲面分析方案與結(jié)果
依據(jù)前期單因素的研究結(jié)果，得到明顯影響Fenton氧化油墨廢水的因素有：初始pH值，H2O2投加量，FeSO4投加量，對(duì)3因素及其水平進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用DesignExpert8.0軟件，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面，對(duì)Fenton氧化處理油墨廢水的COD去除率進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)工藝。以COD去除率為響應(yīng)值純水設(shè)備，初始pH值、H2O2投加量及FeSO4投加量為自變量。其中x1，x2和x3分別為初始pH值，H2O2投加量，FeSO4投加量，并以-1，0，+1代表3因素的水平，按方程Xi=（xi-x0）/Δx對(duì)自變量進(jìn)行編碼。其中，Xi為變量的編碼值；xi為變量的真實(shí)值；x0為實(shí)驗(yàn)中心點(diǎn)處變量的真實(shí)值；Δx為變量的變化步長(zhǎng)。自變量因素編碼及水平見表1。
2.1.2響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用統(tǒng)計(jì)軟件DesignExpert8.0中的ANOVA（analysisofvariance，方差分析）進(jìn)行分析。結(jié)果列于表2。
2.1.3模型方程及顯著性檢驗(yàn)
應(yīng)用統(tǒng)計(jì)軟件DesignExpert8.0對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到Fenton試劑氧化油墨廢水的二元多項(xiàng)式回歸方程：
η=82.72+6.48X1-2.19X2+0.69X3-0.35X1X2-0.15X1X3+0.17X2X3-8.00X12-9.67X22-5.42X32
式中，η為COD去除率的預(yù)測(cè)值，X1、X2和X3分別為初始pH值、H2O2投加量（mg/L）、FeSO4投加量（mg/L）。對(duì)該回歸方程進(jìn)行的方差分析見表3。
由表3回歸方程的方差分析（ANOVA）可知，該模型顯著性高，X1，X2，X12，X22和X32的Prob>F值均小于0.0001，為極顯著性影響因素，X3的P值為0.005小于0.05，說(shuō)明其是顯著性影響因素。其中初始pH值對(duì)油墨廢水COD降解率的影響最大，其次是H2O2投加量，FeSO4投加量。由表3得出，模型的適應(yīng)性非常顯著純水設(shè)備（F值為1399.36，P＜0.0001），模型的失擬項(xiàng)不顯著（P=0.3079＞0.05），說(shuō)明回歸方程描述各因子與響應(yīng)值之間的非線性方程關(guān)系是顯著的，也就是說(shuō)明這種實(shí)驗(yàn)方法是可靠的；并且多元相關(guān)系數(shù)R2=0.9994，說(shuō)明該模型能解釋99.94%響應(yīng)值的變化，即該模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合良好，R2Adj-R2Pred=0.9987-0.9947=0.0040＜0.2；CV=0.44%＜10%，表明模型的可信度和精密度高。綜上所述，說(shuō)明在研究區(qū)域內(nèi)該回歸方程能夠很好地模擬真實(shí)的曲面，模型的精密度、可信度和精確度均在可行的范圍內(nèi)，因此可用該回歸模型對(duì)Fenton氧化油墨廢水中的COD優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)。
2.1.4雙因子交互效應(yīng)分析
根據(jù)回歸方程，各因素之間兩兩作等高線圖以及3D圖，圖1、2、3顯示了初始pH值、H2O2投加量、FeSO4投加量之間兩兩因素對(duì)COD去除率的交互效應(yīng)。
圖1顯示了H2O2投加量和初始pH值對(duì)COD去除率的影響。由響應(yīng)曲面圖可以明顯得出，COD去除率隨初始pH值和H2O2投加量的增大，先增大到一定程度后開始降低，而在H2O2投加量362~972mg/L，初始pH值2.35~3.00的不規(guī)則區(qū)域，COD的去除率均在80.0%以上；其中COD去除率對(duì)初始pH的變化比對(duì)H2O2投加量的變化更為敏感。圖2顯示了FeSO4投加量和初始pH值交互影響，在FeSO4投加量717~888mg/L，初始pH值2.35~3.00的不規(guī)則區(qū)域，COD的去除率均在80.0%以上；其中COD去除率對(duì)初始pH的變化比對(duì)FeSO4投加量的變化更為敏感。圖3顯示了H2O2投加量和FeSO4投加量交互作用對(duì)COD去除率的影響，在H2O2投加量362~972mg/L，FeSO4投加量717~888mg/L，COD的去除率均在80.0%以上；其中COD去除率對(duì)H2O2投加量的變化比對(duì)FeSO4投加量的變化更為敏感。因此初始pH值、H2O2投加量，FeSO4投加量對(duì)COD去除率的影響大小為：初始pH值＞H2O2投加量＞FeSO4投加量。
2.2模型的驗(yàn)證
為了求解獲得COD去除率最大時(shí)的參數(shù)值，根據(jù)響應(yīng)曲面模型求解帶入約束條件的最大值MaximizeCOD。在油墨廢水處理的各種影響因素中，初始pH值對(duì)COD去除率影響最為顯著，其次是H2O2投加量和FeSO4投加量。因此在此約束條件內(nèi)求得最大值為COD為84.2%，其中X1=2.7，X2=779，X3=806。為此對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，采用在最優(yōu)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了3組，得到油墨廢水COD去除率平均值為82.8%，與回歸方程得到的預(yù)測(cè)值相比偏差僅為1.66%，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間的擬合性良好純水設(shè)備，證明該模型對(duì)Fenton氧化處理油墨廢水的條件進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確可靠，精密度高、預(yù)測(cè)性好，對(duì)工程實(shí)際有一定的實(shí)踐意義，具有實(shí)用價(jià)值。
3結(jié)論
（1）采用響應(yīng)曲面法的Box-Behnken模型設(shè)計(jì)研究Fenton氧化處理油墨廢水的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，以油墨廢水的COD去除率為響應(yīng)值建立二次多項(xiàng)式回歸方程具有高度顯著性（P<0.0001），R2=0.9994，且失擬項(xiàng)不顯著，回歸方程與實(shí)際情況擬合良好，可選用該模型對(duì)油墨廢水COD去除率優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)。
（2）Fenton氧化處理油墨廢水的3個(gè)參數(shù)對(duì)COD去除率的影響兩兩之間有一定的交互作用，其中初始pH值，H2O2投加量，FeSO4投加量對(duì)COD去除率的影響大小為：初始pH值＞H2O2投加量＞FeSO4投加量。
（3）按照數(shù)據(jù)處理獲得的優(yōu)化參數(shù)：初始pH值2.7，H2O2投加量779mg/L，FeSO4投加量806mg/L，該條件下的預(yù)測(cè)值為84.2%，在最優(yōu)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證，得到油墨廢水COD去除率為82.8%，實(shí)驗(yàn)結(jié)論和模擬值擬合性良好，偏差僅為1.66%。更多環(huán)保及純水處理設(shè)備資訊請(qǐng)關(guān)注皙全蘇州純水設(shè)備網(wǎng)。
