本文已在《凈水技術》2007年第3期正式發表

O₃-BAC工藝優化運行方案及影響因素的顯著性分析

蔣福春¹ 孫洪偉² 喬鐵軍³ 陳健¹

1 蘇州市自來水公司，蘇州 215002

2 廣東仲愷農業技術學院城市建設學院，廣州 510225

3 深圳水務（集團）有限公司，深圳 518035

　　摘 要 以南方某水庫水為試驗原水，采用正交試驗方法，對影響臭氧-生物活性炭（O₃-BAC）工藝運行效果的因素進行了系統分析。研究建立了多指標綜合評分，并對預臭氧投加量、聚合氯化鋁（PAC）投加量、聚丙稀酰胺（PAM）投加量、主臭氧投加量和主臭氧分配比例五個變量進行了分析，確定了系統優化運行方案；結果表明，主臭氧的投加量及其分配比例對系統的運行效果具有顯著性影響。
　　關鍵詞 生物活性炭 影響因素 顯著性 權重系數 方差

Optimal Operating Program in O₃-BAC System and Analyses of Significance of the Influencing Factors

Jiang Fu-chun¹ ,Sun Hong-wei² ,Qiao Tie-jun³ ,Chen Jian¹

(1.Suzhou Water Company,Suzhou 215002,China;

2.College of Urban Construction, Zhongkai University of Agriculture and Technology, Guangzhou 510225,China;

3.Shenzhen Water Supply(Group), Shenzhen 518035,China)

Abstract: In the study，analyses of the factors that influence the operation results of O₃-Biological Activated Carbon(O₃-BAC) system were made in a typical city of south China which uses reservoir water as raw water, and orthogonal test was used here. We established a multi-index comprehensive evaluation system. Five influence variables in O₃-BAC system, which include preozonation dosage, poly aluminum chloride(PAC) dosage, polyacrylamide (PAM) dosage , ozonation dosage and ozonation distribution, were analyzed. Further the optimal operating program in O₃-BAC system were determined. The results show that ozonation dosage, as well as ozonation distribution, has significant effects to the system.

Keywords: BAC; influence variable; significance; weight; variance

1 引言

　　在水處理系統中，影響凈水效果的因素有很多，除了裝置本身的設計因素以外，還包括一些運行因素。在運行因素中，混凝劑的投加量是影響絮凝的一個重要因素，有資料表明^[1]，聚合氯化鋁（PAC）的投量稍高或稍低均會影響出水水質和過濾周期。聚丙稀酰胺（PAM）的投加量和投加點對出水水質也有明顯的影響^[2]。臭氧預氧化可降低混凝劑投加量，或在一定混凝劑量下，提高濁度去除率，延長濾池過濾周期^[3,4]。臭氧-生物活性炭工藝中，臭氧化可以大大延長活性炭濾池的工作周期，節省活性炭的再生或更換費用，關系到整個水處理系統的運行效果，其優化非常重要。由于臭氧劑量的改變，可能會減少活性炭濾池對有機物的吸附容量，而生物可降解性反而有所增加^[5]。所以必須將臭氧劑量、臭氧分配方法等重要影響因素通過試驗進行優化，以充分發揮臭氧-生物活性炭工藝的優點。
　　因此，為了更好地應用臭氧-生物活性炭工藝，尋找影響凈水效果的主要因素，并檢驗其影響的顯著性尤其重要。

2 試驗裝置和方法

　　試驗期間，原水的水質條件如表1所示。

表1 原水的水質條件
Table 1 raw water quality.

2.1中試裝置
　　 中試裝置所采用的工藝為預O₃→混合池→穿孔漩流反應池→斜板沉淀池→石英砂濾池→O₃－BAC，進水流量為10m³/h，工藝流程如圖1所示。
　　混凝劑為PAC，采用機械混合，其反應時間為20min；助凝劑為PAM，投加點通過小試試驗進行確定，為反應池的前1/3處；預臭氧氧化接觸時間為5min；主臭氧分為三級投加，每一級的反應時間均為5min。臭氧的投加采用鈦板微孔曝氣形式，炭層空床接觸時間（EBCT）為17min。砂濾池和炭濾池的過濾速度分別為8m/h和8.85m/h。

圖1 中試工藝流程
Fig.1 The flow of the pilot test

2.2試驗方法
　　中試工藝的設計參數是確定的，過濾條件也是固定的。因此，把預臭氧投加量、PAC投加量、PAM投加量、主臭氧投加量和主臭氧的分配比例五個影響因素作為試驗的研究對象。分別編號為A、B、C、D、E。采用正交試驗方法，每個因素均設定兩個水平，其分布如表2所示。投加量的單位為mg/L。

表2 影響因素的水平分布
Table 2 The distribution of the influential factors

　　根據試驗情況，選用正交表L₈（2⁷）設計試驗，即7因素（實際為5因素，6和7為誤差因素）、2水平的8組試驗。具體試驗方案如表3所示。

表3 正交試驗方案L₈（2⁷）
Table 3 Orthogonal test table of L₈（2⁷）

2.3分析項目
　　 本試驗的檢測指標包括濁度、耗氧量（COD_Mn）、UV₂₅₄、總有機碳（TOC）、氨氮（NH₄-N）、亞硝酸鹽氮(NO₂-N)、硝酸鹽氮(NO₃-N)、三鹵甲烷前體物(THMFP)、溴離子(Br^-)、微囊藻毒素。此外，還分析了由于臭氧氧化導致升高的生物穩定性表征指標可同化生物有機碳（AOC），以及臭氧化副產物甲醛（HCHO）和溴酸鹽(BrO₃^-)。

3 結果及分析

3.1選擇評價指標
　　 出水濁度均小于0.15NTU，其總去除率在98％以上，NH₄-N和NO₂-N的含量小于0.05mg/L和0.003mg/L，UV₂₅₄總去除率接近100％，出水HCHO的含量均小于0.05mg/L，微囊藻毒素RR含量均小于0.3mg/L，微囊藻毒素LR含量均小于0.1mg/L。
　　 因此，確定TOC、AOC、THMFP、Br^-、COD_Mn、NO₃-N和BrO₃^-為評價指標。TOC、AOC、THMFP、Br^-和COD_Mn的去除率越高說明凈水效果越佳；NO₃-N的生成率和BrO₃^-的含量越低，出水的安全風險越小。

表4 不同試驗條件下各出水指標的a_ij值
Table 4 a_ij of the effluent under different orthogonal tests

　　表4表示考察指標在各個試驗條件下出水指標的去除率、生成率和含量情況，其數值用a_ij表示。其中，去除率和生成率以百分數計，BrO₃^-的含量以μg/L計。
3.2建立多指標綜合評分法
　　 不同運行條件對出水指標的影響也有所不同，因此，評價水處理系統的運行效果應該把多個指標綜合起來考慮。所以，進行多指標綜合評價時，需將7個水質指標綜合起來，通過綜合評分法來確定優化方案。所謂綜合評分法就是根據各個指標重要性的不同，給每一組試驗評出一個分數，作為這個試驗的總指標，作進一步分析，從而選出較優的試驗方案^[6]。

表5 不同試驗條件下各出水指標的b_ij值
Table 5 b_ij of the effluent under different orthogonal tests

　　將表4中的第i行在第j列上對應的數定義為a_ij，其中 i=1,2,...,7; j=1,2,…,8。定義為各個指標在8組試驗中的平均值。定義b_ij表示為各個指標在各組試驗下的a_ij值與其相應的的比值，計算公式如式（1）所示。

　　 （1）

　　b_ij是單次試驗值和多次試驗的平均值的比值。根據b_ij的定義，可以大致反映某個指標在某個運行條件下，偏離總體情況的程度。詳見表5。
3.2.1 計算權重系數
　　 在多指標綜合優化中，權重系數是指某個考察指標在全部考察指標中所處的重要程度。在綜合評價中，某指標的權重系數越高，則其重要程度越高；反之，重要性就越低^[7,8]。
　　 根據試驗原水和出水的水質情況，即原水和出水的7項指標均低于相應的評價標準值。所以，水質指標的權重系數可以根據原水和出水的某個指標的觀測值相對于評價標準值的靠近程度進行計算。
　　 根據權重系數的意義，各指標的權重系數總和為1。權重系數的計算如式（2）所示。結果見表6。

（2）

　　可見，在綜合評價中，Br^-和AOC占有重要位置，THMFP、 COD_Mn、BrO₃^-和TOC的重要程度中等，且相差不大，NO₃-N的重要程度最低。

表6各指標的權重系數分布
Table 6 The distribution of the weight of the indexes

3.2.2 影響因素的方差分析
　　定義y_j為第j組試驗的綜合評分。y_j的計算公式如式（3）所示。各組試驗的綜合評分如表7最后一列所示。

　　　　　　（3）

表7 正交試驗數據處理
Table 7 Data processing of the orthogonal test

　　其中，K_1j這一行的數值，分別代表各因素第1個水平所對應的4次綜合評分之和。比如因素A，它的第1個水平安排在1、2、5、6號試驗中，對應的綜合評分分別為1.00、0.99、1.20和0.70，其和為3.89，記在K_1j的這一行的第1列中。K_1j均值＝K_1j/4，K_2j的計算原理同K_1j。通過對比K_1j均值和K_2j均值，數值較大者對應的水平為該因素優水平，由此確定優化方案。
　　第j個因素的離差平方和為S_j，總離差的平方和為S_T，誤差平方和為S_e，計算公式如式(4)、式(5)、式(6)所示。誤差平方和S_e為所有空白列的偏差平方和之和，由于第6列和第7列為空白列，其方差S₆、S₇是由隨機誤差引起的。均方和的計算公式如（7）所示。F值的計算公式如式（8）所示。

　　根據α=0.05和α=0.10查F分布表得F_0.05（1，2）=18.5，F_0.10（1，2）=8.53，根據計算結果，在置信度為0.95 的置信區間上，影響因素D對試驗結果有顯著影響。在置信度為0.90的置信區間上，影響因素D和E對試驗結果有顯著影響。計算結果見表8。

表8 方差分析
Table 8 Analysis of variance

4 結論

　　（1）建立了多指標綜合評分法，從而確定了系統優化運行方案：預臭氧投量為1.5mg/L、PAC投量為2.5mg/L、PAM投量為0.10mg/L、主臭氧投量為2.0mg/L、主臭氧的比例分配為4：3：3；
　　 （2）結果表明，對系統凈水效果有顯著影響的因素是主臭氧投加量和主臭氧分配比例。

參考文獻

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