基于响应面优化生物接触氧化工艺处理微污染水源水运行条件的试验研究

基于响应面优化生物接触氧化工艺处理微污染水源水运行条件的试验研究

刘颖诗

广州市市政工程设计研究总院有限公司 广东省广州市510000

摘要：为了进一步的优化生物接触氧化工艺处理微污染水源水的运行条件，本文以出水中的NH3-N和CODMn为评价指标，对比研究了系统的停留时间（HRT）、气水比、以及曝气位置等因素，通过Box-Behnken响应面设计试验进行研究分析得出最优输出结果：生物接触氧化工艺的停留时间为1.5h、气水比为2.3:1、曝气位置为59.3cm时， NH3-N去除率实际值为90.13%，CODMn去除率实际值为34.34%。

受有机物污染且部分水体的水质超过《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水质标准的水体称为微污染水[1]。随着经济的发展，工业化程度的提高，环境污染扩张、加剧，造成普遍存微污染水源水中有机物CODMn、氨氮含量较高，传统的饮用水处理技术不能有效去除[2]，而使用氯消毒后产生的氯胺和氯化有机物等副产物，易造成水体的二次污染[3]。

生物接触氧化工艺，可以有效的去除氨氮和有机物[4]，减少消毒副产物（DBPs）的生成。生物接触氧化工艺是以填料作为生物的生长载体，且向填料周围鼓风曝气，使得生物在载体填料的表面稳定地生长繁殖，借助生物的新陈代谢活动，对水中的氨氮，有机物等进行吸附，降解[5]。

为了进一步的优化生物接触氧化工艺处理微污染水源水的运行条件，本文以出水中的NH3-N和CODMn为评价指标，对比研究了系统的停留时间（HRT）、气水比、以及曝气位置等因素，通过Box-Behnken响应面设计试验进行研究分析最优输出结果。

1.试验装置与方法

（1）试验装置

试验装置为处理水量为1m3/h 的生物接触氧化工艺中试装置，采用组合填料。

（2）试验方法

调节反应装置的运行参数，在不同的工况下连续运行一周，通过检测进出水的NH4+-N和CODMn，，分析生物接触氧化工艺的最佳运行条件。

（3）检测方法

采用高锰酸钾法测定CODMn，采用纳氏试剂分光光度法测定NH4+-N。

2.结果与分析

2.1响应面试验设计

分别选择生物接触氧化工艺的停留时间（0.5h、1.0h、1.5h）、气水比(1:1、2:1、3:1）曝气位置（30cm、45cm、60cm）3个因素的3个典型水平，以NH3-N去除率和CODMn去除率作为出水水质的考察指标，NH3-N去除率和CODMn去除率越高。利用软件对响应面分析结果进行了分析。

2.2响应面试验结果分析

对实验结果进行回归拟合得到NH3-N、CODMn去除率与生物接触氧化的停留时间、气水比、曝气位置关系的二次多项回归模型：

由(1-2)、(1-3)回归方程—次项各项回归系数可知，停留时间、气水比、曝气位置对NH3-N去除率、CODMn去除率的影响均为正效应，三者回归系数由大到小依次为A＞B＞C，即停留时间、气水比、曝气位置越高，NH3-N、CODMn去除率越大。此外，由表2可知：一次项A、B、C的回归系数极显著，说明NH3-N、CODMn的有效去除是停留时间、气水比、曝气位置共同作用的结果，对NH3-N、CODMn去除率影响极显著。交互项的偏回归系数AB较为显著，说明停留时间与气水比的交互项（AB）对NH3-N去除率影响较为显著；停留时间的二次项（）对NH3-N去除率的影响较为显著；交互项的偏回归系数AB较为显著，说明停留时间与气水比的交互项（AB）与气水比与曝气位置的交互项（BC）对CODMn去除率影响较为显著；停留时间、气水比的二次项（、）对CODMn去除率的影响较为显著。

利用Minitab响应优化器，考虑出水NH3-N和CODMn去除率对生物接触氧化工艺参数条件进行优化，得出各因素取最优值为：停留时间为1.5h、气水比为2.3:1、曝气位置为59.3cm时， NH3-N去除率预测值为91.08%，CODMn去除率预测值为33.61%。

采用最佳实验条件所得的NH3-N和CODMn去除率进行验证实验，经多次平行实验测得此条件下NH3-N去除率实际值为90.13%，CODMn去除率实际值34.34%，仅存约1%的相对误差，优化后的组合一致性为1.00，表明响应面法拟合效果良好。当原水NH3-N浓度不大于5mg/L、CODMn浓度不大于4.5mg/L时，出水NH3-N浓度均＜ 0.5mg/L，CODMn浓度均＜3.0mg/L满足《国家生活饮用水相关卫生标准》（GB5749-2006）要求。

3.结论

由生物接触氧化工艺对CODMn和CODMn的Box-Behnken响应面试验结果可知，停留时间、气水比、曝气位置对NH3-N和CODMn去除率的影响均为正效应，三者回归系数由大到小依次为停留时间＞气水比＞曝气位置。在本实验条件下，Box-Behnken响应面设计最优输出结果，停留时间为1.5h、气水比为2.3:1、曝气位置为59.3cm时， NH

3-N去除率实际值为90.13%，CODMn去除率实际值为34.34%。当原水NH3-N浓度不大于5mg/L、CODMn浓度不大于4.5mg/L时，出水NH3-N浓度均＜ 0.5mg/L，CODMn浓度均＜3.0mg/L满足《国家生活饮用水相关卫生标准》（GB5749-2006）要求。

参考文献

[1]中华人民共和国环境保护部:2019年中国生态环境公报,2020.

[2]李德彪,微污染水源饮用水处理技术展望[J].建材技术,2010,112(1):2-31.

[3]丛书总，聂梅生编著.生物膜法污水处理技术[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[4]李发站,吕锡武,王华成,戈军.UF膜与砂滤生物接触氧化联用处理富营养化湖泊水[J].水处理技术.2006,32(06):41-44.

[5]  刘浔，陆少鸣.曝气生物滤池出水微生物在给水常规处理工艺中的作用[J].工业用水与废水.2008.06.