O3BAC工艺优化运行方案和阻碍因素的显著性分析

1、O3-BAC 工艺优化运行方案及阻碍因素的显著性分析蒋福春1孙洪伟2 乔铁军3 陈健11 苏州市自来水公司，苏州2150022 广东仲恺农业技术学院城市建设学院，广州5102253 深圳水务（集团），深圳518035摘 要 以南方某水库水为实验原水，采纳正交实验方式，对阻碍臭氧 -生物活性炭（ O3 -BAC ）工艺运行成效的因素进行了系统分析。研究成立了多指标综合评分，并对预臭氧投加量、聚合氯化铝（ PAC）投加量、聚丙稀酰胺（ PAM ）投加量、主臭氧投加量和主臭氧分派比例五个变量进行了分析， 确信了系统优化运行方案；结果说明，主臭氧的投加量及其分派比例对系统的运行成效具有显著性阻碍。关键

2、词生物活性炭阻碍因素显著性权重系数方差Optimal Operating Program in O3-BAC System and Analyses of Significance ofthe Influencing Factors1231 Jiang Fu-chun ,Sun Hong-wei ,Qiao Tie-jun ,Chen JianWater Company,Suzhou 215002,China;of Urban Construction, Zhongkai University of Agriculture and Technology,Guangzhou 510225,Chi

3、na;Water Supply(Group), Shenzhen 518035,China)Abstract : In the study，analyses of the factors that influence the operation results of O3 -Biological Activated Carbon(O 3-BAC) system were made in a typical city of south China which uses reservoir water as raw water, and orthogonal test was used here.

4、 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 pro

5、gram 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引言在水处置系统中，阻碍净水成效的因素有很多， 除装置本身的设计因素之外，还包括一些运行因素。 在运行因素中， 混凝剂的投加量是阻碍絮凝的一个重要因素，有资料说明 1

6、，聚合氯化铝（ PAC）的投量稍高或稍低均会阻碍出水水质和过滤周期。聚丙稀酰胺（PAM ）的投加量和投加点对出水水质也有明显的阻碍2 。臭氧预氧化可降低混凝剂投加量，或在必然混凝剂量下， 提高浊度去除率， 延长工作周期，节省活性炭的再生或改换费用，关系到整个水处置系统的运行成效，其优化超级重要。 由于臭氧剂量的改变， 可能会减少活性炭滤池对有机物的吸附容量，而生物可降解性反而有所增加 5 。因此必需将臭氧剂量、臭氧分派方式等重要阻碍因素通过实验进行优化，以充分发挥臭氧 -生物活性炭工艺的优势。因此，为了更好地应用臭氧 -生物活性炭工艺，寻找影响净水效果的主要因素，并检验其影响的显著性尤其重要。

7、实验装置和方式实验期间，原水的水质条件如表 1 所示。表 1 原水的水质条件Table 1 raw water quality.水质指标浊度 (NTU)最大值 最小值 平均值CODMn (mg/L)UV 254TOC(mg/L)NH 4-N(mg/L)NO3-N(mg/L)藻（万个 /L ）793266589AOC( g/L)10624THMFP( g/L)溴离子 ( g/L)溴酸盐 ( g/L)甲醛 ( g/L)中试装置中试装置所采用的工艺为预O3混合池 穿孔漩流反映池 斜板沉淀池 石英砂滤池 O3 BAC ，进水流量为10m3/h，工艺流程如图1 所示。混凝剂为 PAC，采用机械混合，其反

8、应时间为20min；助凝剂为 PAM ，投加点通过小试试验进行确定， 为反应池的前 1/3 处；预臭氧氧化接触时间为 5min；主臭氧分为三级投加，每一级的反应时间均为 5min。臭氧的投加采用钛板微孔曝气形式，炭层空床接触时间（ EBCT）为 17min。砂滤池和炭滤池的过滤速度分别为 8m/h 和 h。图 1 中试工艺流程The flow of the pilot test实验方式中试工艺的设计参数是确定的， 过滤条件也是固定的。 因此，把预臭氧投加量、 PAC 投加量、 PAM 投加量、主臭氧投加量和主臭氧的分配比例五个影响因素作为试验的研究对象。分别编号为 A 、B、C、D、E。采用正

9、交试验方法，每个因素均设定两个水平，其分布如表 2 所示。投加量的单位为 mg/L 。表 2 阻碍因素的水平散布Table 2 The distribution of the influential factors因素 ABCDE水平 14：3：3水平 26：3：1依如实验情形，选用正交表L 8（ 27）设计实验，即7 因素（实际为5 因素，6 和 7 为误差因素）、 2 水平的 8 组实验。具体实验方案如表3 所示。表 3正交实验方案 L8（ 27）Table 3 Orthogonal test table ofL8（27）试验编号ABCDE6712345111111112111222232

10、1222114212112251222112612212217221121282212121分析项目本试验的检测指标包括浊度、 耗氧量（CODMn ）、UV 254、总有机碳（TOC）、氨氮（ NH4 -N）、亚硝酸盐氮 (NO2-N) 、硝酸盐氮 (NO3-N)、三卤甲烷前体物 (THMFP) 、溴离子 (Br-)、微囊藻毒素。另外，还分析了由于臭氧氧化致使升高的生物稳固性表征指标可同化生物有机碳 （ AOC），和臭氧化副产物甲醛 （ HCHO）和溴酸盐 (BrO3 -)。3 结果及分析选择评判指标出水浊度均小于， 其总去除率在 98以上， NH4-N和NO2-N 的含量小于 L和 L ，U

11、V 254 总去除率接近，出水HCHO的含量均小于L，微囊藻毒素RR100含量均小于 L ，微囊藻毒素 LR 含量均小于 L 。-、CODMn、3和-为评判指因此，确定 TOC、AOC 、THMFP 、BrBrO3NO -N标。TOC、AOC 、THMFP 、Br-和 CODMn 的去除率越高说明净水成效越佳；NO3-N的生成率和 BrO3-的含量越低，出水的平安风险越小。表 4不同实验条件下各出水指标的a值ijTable 4 aijof the effluent under different orthogonal tests试验编号12345678CODMnNO -N3TOCTHMFP68

12、AOCBr-25BrO3-表 4 表示考察指标在各个实验条件下出水指标的去除率、生成率和含量情形，其数值用 aij 表示。其中，去除率和生成率以百分数计，-BrO3的含量以 g/L计。成立多指标综合评分法不同运行条件对出水指标的影响也有所不同，因此，评价水处理系统的运行效果应该把多个指标综合起来考虑。所以，进行多指标综合评价时，需将 7 个水质指标综合起来， 通过综合评分法来确定优化方案。 所谓综合评分法就是根据各个指标重要性的不同， 给每一组试验评出一个分数， 作为这个试验的总指标，作进一步分析，从而选出较优的试验方案 6 。表 5 不同实验条件下各出水指标的bij 值Table 5 bij

13、 of the effluent under different orthogonal tests试验编号12345678CODMn3NO -NTOCTHMFPAOCBr-BrO3-将表 4 中的第 i 行在第 j 列上对应的数概念为 aij，其中i=1,2,.,7; j=1,2, 。,8概念为各个指标在8 组实验中的平均值。概念bij 表示为各个指标在各组实验下的 aij 值与其相应的的比值，计算公式如式（）所示。1（1）bij 是单次实验值和多次实验的平均值的比值。依照bij 的概念，能够大致反映某个指标在某个运行条件下，偏离整体情形的程度。详见表5。计算权重系数在多指标综合优化中，权重系

14、数是指某个考察指标在全数考察指标中所处的重要程度。在综合评判中，某指标的权重系数越高，那么其重要程度越高；反之，重要性就越低 7,8。根据试验原水和出水的水质情况，即原水和出水的 7 项指标均低于相应的评价标准值。所以，水质指标的权重系数可以根据原水和出水的某个指标的观测值相对于评价标准值的靠近程度进行计算。根据权重系数的意义，各指标的权重系数总和为1。权重系数的计算如式（ 2）所示。结果见表6。（2）-和 AOC-可见，在综合评判中， Br占有重要位置， THMFP 、 CODMn 、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 各指标的权重系数散布Ta

15、ble 6 The distribution of the weight of the indexes水 质 指 标原水观测值 出水观测值评价标准值权重系数(C)(D)(W )(r)iiiiBr-（ g/L）20BrO3-（g/L）25NO3-N(mg/L)10CODMn (mg/L)3TOC（ mg/L）5AOC（ g/L）100THMFP （ g/L）80阻碍因素的方差分析概念 yj 为第 j 组实验的综合评分。 yj 的计算公式如式（ 3）所示。各组实验的综合评分如表 7 最后一列所示。（ 3）表 7 正交实验数据处置Table 7 Data processing of the orth

16、ogonal test试 验ABCDE6 7 综合评分 yj12345编 号1111111 12111222 23212221 14212112 25122211 26122122 17221121 28221212 1K1jK2jK1j 均值eK2j 均值S =ST=RjSj优化方案 A 2212E1B C D其中， K1j 这一行的数值，别离代表各因素第 1 个水平所对应的4 次综合评分之和。比如因素 A ，它的第 1 个水平安排在一、二、五、6 号实验中，对应的综合评分别离为、 、和，其和为，记在 K1j 的这一行的第1列中。K1j均值1j，K的计算原理同 K 。通过对照 K均值和 KK

17、/42j1j2j均值，数值较大者对应的水平为该1j因素优水平，由此确信优化方案。第 j 个因素的离差平方和为 Sj ，总离差的平方和为 ST，误差平方和为 Se，计算公式如式 (4)、式 (5)、式 (6)所示。误差平方和 Se 为所有空白列的误差平方和之和，由于第 6 列和第 7 列为空白列， 其方差 S6、S7 是由随机误差引发的。均方和的计算公式如（ 7）所示。 F 值的计算公式如式（ 8）所示。依照 =和 =查 F 散布表得（ 1， 2）=，（ 1，2） =，依照计算结果，在置信度为 的置信区间上，阻碍因素 D 对实验结果有显著阻碍。在置信度为的置信区间上，阻碍因素 D 和 E 对实验

18、结果有显著阻碍。计算结果见表 8。表 8 方差分析Table 8Analysis of variance方差平方和 自由度 均方和来源SfF值临界值显著性A1不显著B1不显著C1（1，2）= 不显著D1（1，2）= 显著E1较显著误差 e2结论（1）成立了多指标综合评分法，从而确信了系统优化运行方案：预臭氧投量为 L 、PAC 投量为 L 、PAM 投量为 L 、主臭氧投量为 L 、主臭氧的比例分派为4：3：3；2）结果表明，对系统净水效果有显著影响的因素是主臭氧投加量和主臭氧分配比例。参考文献栾兆坤 . 微絮凝深床直接过滤及工艺参数研究 . 中国给水排水 ,2004(4):14-18.黄晓东 . 常规净水工艺强化技术研究： 博士后研究报告 . 深圳：深圳水务集团有限公司 , 2003.孙昕，张金松 . 饮用水预臭氧化技术的进展 .给水排水 ,(4):7-9.4Saunier . Preozonation as a Coagulant Aid in Drinking Water Treat