摘要
以广州某造纸厂废水为研究对象，利用造纸厂Fenton污泥制备得到的聚合硫酸铁（PFS）为絮凝剂，聚丙烯酰胺（PAM）为助凝剂，通过絮凝法对废水进行处理。采用响应面法探究了絮凝过程中PFS用量、PAM和PFS的体积比及处理温度对废水中化学需氧量（COD）去除率的影响。结果表明，絮凝法可以有效地降低造纸废水中的COD含量，响应面法优化得到的最佳工艺条件为：PFS用量1.04 mL/L，PAM和PFS体积比4.99，处理温度31.54℃。在最优条件下进行验证实验，造纸废水中CODCr的去除率为39.6%，与响应面法模型预测值（39.5%）接近。研究还表明，响应面法可科学地优化絮凝法对造纸厂废水中COD去除的处理方案，且能在较少试验次数下验证影响因素之间的关系。
由于造纸工艺中会添加大量的化学品，导致造纸废水中通常包含极细的悬浮粉末、可溶解固体、无机和有机颗粒、金属离子化合物以及其他杂
响应面法是一种寻找最优实验条件、研究响应值与因素之间关系的统计分析方法，适用于解决非线性数据处理的相关问题。响应面法通过构建数学模型、拟合回归方程以及方差分析来评价各因素对响应值的影响。在各因素水平响应值的基础上，可以找出预测的响应最优值以及相应的实验条
本课题选用几种常见的絮凝剂与实验室自制的聚合硫酸铁（PFS）对Fenton氧化前废水进行预处理，比较了这几种絮凝剂的絮凝效果，从中选出效果最好的絮凝剂，并通过采用响应面法Box-Behnken中心组合原理设计实验方案，确定造纸废水中COD去除的最优条件。
实验用造纸废水取自广州市某造纸厂，取水点为SBR-气浮后出水，即Fenton氧化前废水（以下记为Fenton入水）。在实际废水处理工艺中，Fenton入水已经过厌氧发酵及好氧处理两个阶段，其中部分有机物已经被微生物降解吸收，仅残余部分有毒性或微生物难以降解的有机物。废水中CODCr含量为176 mg/L，色度为110，pH值为7.39，固体悬浮物（SS）含量为26.3 mg/L。
从造纸厂Fenton污泥中提取的铁离子在温度55~65°C、浓度为25%的硫酸溶液中反应1 h后，以铁屑为还原剂，在40°C下对其进行还原，得到自制硫酸亚铁。取50 g自制硫酸亚铁于烧杯中，加入30 mL酸浸液，其中，硫酸根与亚铁离子的投入比[SO
取200 mL Fenton入水于250 mL烧杯中，边搅拌边加入0.2 mL絮凝剂（PFS、PAC、硫酸铝），搅拌速度为300 r/min。搅拌3 min后，调整搅拌机转速为80 r/min，继续加入1 mL质量分数为0.1‰的PAM溶液，搅拌15 min后静置30 min，取上清液进行检测。
COD是指采用化学方式检测水样中需要被氧化的还原性物质的量，通常是指50%的硫酸溶液中，重铬酸钾氧化一定体积的废水中有机物所需氧化剂的质量，以mg/L表示。COD含量的测定通常采用重铬酸盐法进行检测，具体操作步骤如下：首先将少量硫酸汞粉末加入COD测试管中，以消除氯离子干扰；然后依次准确加入2.0 mL水样和3.0 mL重铬酸钾消解液，将测试管盖子拧好后，将测试管放入消解仪中，在150°C下消解2 h；消解结束后，打开消解仪的盖子使其自然冷却至120℃，然后将测试管拿出依次放置于试管架上，冷却至室温，用水质分析仪测量CODCr
图1 3种絮凝剂对废水中CODCr去除效果对比
絮凝剂质量分数30%，用量为1 mL/L；PAM质量分数1‰，用量为5 mL/L。
在相同实验条件下，通过比较不同絮凝剂的絮凝效果可知，实验室自制PFS的絮凝效果最好。以下实验采用PFS为絮凝剂，选择了PFS用量（A）、PAM和PFS的体积比（B）与处理温度（C）3个因素，对絮凝效果进行进一步的优化。
实验方案通过Design-Expert软件中Box-Behnken法得到，共设计了17个实验方案（三因素三水平）。响应面实验因素的水平及编码见
从
Design-Expert软件同时给出了基于3个参数的CODCr去除率多项式回归方程：
絮凝的目的在于去除造纸废水的COD，因此以CODCr去除率为实验结果的衡量标准。
实验中PFS用量、PAM/PFS体积比以及处理温度3个参数中两两参数之间的交互作用结果如
(a) PFS用量与PAM/PFS体积比的交互作用
(b) PFS用量与处理温度的交互作用
(c) PAM/PFS体积比与处理温度的交互作用
图2 造纸废水CODCr去除率的响应面等高线图
从
由
从
经过Design-Expert软件计算并优化得到了最优的反应条件，即当PFS用量为1.04 mL/L，PAM/PFS体积比为4.99，处理温度为31.54℃时，CODCr去除率可以达到最大值，预测最大值为39.5%。
对此，采用上述最优条件进行了验证实验，具体结果见
本课题通过絮凝法对污染程度高、处理难度大的造纸Fenton入水进行了处理，首先通过单因素对照实验筛选自制聚合硫酸铁（PFS）作为絮凝剂，然后通过响应面法对实验进行进一步的工艺优化，得到了最优的处理工艺条件。结果表明，絮凝法可以有效减少造纸废水中的COD，PFS作为絮凝剂的最优处理工艺条件为：PFS用量1.04 mL/L，助凝剂PAM和絮凝剂PFS体积比4.99，处理温度31.54℃；在该处理条件下，造纸废水的CODCr去除率可以达到39.6%。在影响造纸废水中COD去除率的各因素中，PFS用量和PAM/PFS体积比之间存在协同作用。该研究结果可以为制浆造纸行业高污染废水的处理提供新的思路以及可行的技术方案。
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