基于響應曲面法優化低溫熱堿預處理剩余污泥的操作參數
導讀:：利用響應曲面法對低溫熱堿預處理剩余污泥工藝進行條件優化，實驗因素為：溫度(℃)、pH和時間 (min)。在單因素實驗基礎上選取實驗因素水平，根據Box-Benhnken實驗設計原理采用三因素三水平的響應曲面法，建立低溫熱堿預處理對剩余污泥溶胞率影響的二次多項數學模型，以剩余污泥溶胞率為響應值作為響應面圖和等高線圖，并分析各個因素間的顯著性和交互作用。結果表明，最佳操作條件：溫度88.83℃，pH值12.00，時間73.79min。在最佳工藝條件下，溶胞率為48.10%。
關鍵詞：響應曲面法，低溫熱堿預處理，剩余污泥，Box-Benhnken
近年來，隨著人口的增加，廢水量增加，我國水廠的建設數量大幅增加，剩余污泥量也越來越多。據國家環保部相關資料統計，截至2008年底，全國已建成投產運行的城市污水處理廠達到1519座，設計處理能力9092.7萬m3/d，平均處理水量約6699.8萬m3/d，污泥產生量約1800萬噸/年(80%含水率)。隨著污水處理設施的普及、處理標準的提高和處理功能的拓展，污泥的處理費用大幅度地增加[1]。如何經濟有效地處理處置剩余污泥，減少污泥產量，以保證污水處理廠的正常運行和處理效果，保護環境，變廢為寶是我們面臨的一個重要問題[2]。焚燒、填埋等處理方法不僅會造成二次污染，而且還會浪費污泥中的有用能源。傳統的厭氧消化法與其他污泥處理技術相比，不但可以實現污泥的減量化、污泥穩定，而且產生的沼氣通過發電、帶動鼓風機等途徑還可以補償污水廠能耗，但是由于細胞壁是難降解物質，長時間水解才能打破細胞壁，釋放細胞里的物質，所以污泥的水解是厭氧消化的限速步驟[3]。目前，加速污泥水解的方法有物理法—加熱處理、超聲波處理法等;生物法—生物膜法、膜生物反應器等;化學法—臭氧氧化、高溶解氧法等;以及一些組合的方法，如用MBR處理廢水的同時，采用熱堿處理系統進行污泥減量化。其中，熱堿水解法是一種有效的污泥預處理技術[4]，堿的加入，可以減弱細胞壁對溫度的抵抗能力，加速污泥細胞內物質的釋放。熱堿法不僅在細胞破解方面卓有成效，而且可以加強污泥的后續處理(厭氧消化、脫水等)效果。
目前對于優化設計實驗，多采用傳統的正交試驗方法，正交試驗方法雖然能夠同時考慮幾種影響因素, 尋找最佳因素水平組合, 卻不能在給出的整個區域上找出因素和響應值間的明確的函數表達式, 即回歸模型, 從而無法找到整個區域上因素的最佳組合和響應值的最優值。響應曲面法，是一種優化生物過程的統計學試驗設計，采用該法以建立連續變量曲面模型，對影響生物過程的因子及其交互作用進行評價，確定最佳水平范圍，而且所需要的試驗組數相對較少，可節省人力物力。在無交互作用的觀測樣本中，回歸出有交叉項的高精度數學模型，在最優組合上能獲得滿意結果，響應曲面回歸分析方法的具有卓越顯著性。
本文采用低溫熱堿處理方法，首先考察溫度，pH，處理時間三個單因素對剩余污泥處理的最優值，確定響應范圍。采用響應曲面法，探尋低溫熱堿處理方法的最佳工藝參數。
1材料與方法
1.1 試驗材料
本實驗處理的剩余污泥取自哈爾濱太平污水處理廠的二沉池，取回放入4℃冰柜靜置24h后，排掉上清液，濃縮后進行處理。濃縮后的污泥成分見表1。
表1 剩余污泥的性質
Table 1 The characteristics of excess sludge
|
項目 |
pH |
TS （g/L） |
VS (g/L) |
SCOD (mg/L) |
TCOD (mg/L) |
溶解性總糖(mg/L) |
溶解性蛋白質(mg/L) |
|
數值 |
6.72 |
25.96 |
18.40 |
466.18 |
23268.53 |
87.46 |
30.97 |
1.2 試驗儀器
101-1AB型電熱鼓風干燥器，天津市泰斯特儀器有限公司;K-SW箱式馬弗爐，上海登峰電爐廠;TG16-WS臺式高速離心機,湘儀離心機儀器有限公司;數顯恒溫水浴鍋HH-2，金壇市雙捷實驗儀器廠;8S-1型磁力攪拌器，江蘇省金壇市全城國際實驗儀器廠。
1.3 試驗方法
1.3.1 分析方法
SCOD的測定：取處理后的污泥5ml，以11000rpm/min的轉速高速離心30min,上清液用0.45μm的濾膜過濾后，采用國標法測定。
pH、TS、VS:采用國標法測定。
溶解性總糖的測定：取處理后的污泥5ml，以3600rpm/min的轉速離心15分鐘，上清液，用苯酚硫酸法測定，以葡萄糖為標準物。
溶解性蛋白質的測定：取處理后的污泥5ml,以3600rpm/min的轉速離心15分鐘，上清液，用改良型BCA蛋白質質量檢測試劑盒測定，以牛血清蛋白為標準物。
溶胞率的計算：
溶胞率=
×100%
式中：SCODt——處理后污泥的SCOD SCOD0 ——原泥的SCOD TCOD0——原泥的TCOD
1.3.2 單因素試驗設計
(1)考察溫度的影響。在pH為10，處理時間為30min的條件下，考察溫度對剩余污泥溶胞率的影響，溫度為60℃、70℃、80℃、90℃、100℃。
(2)考察pH的影響。在溫度為90℃，處理時間為30min的條件下，考察pH對剩余污泥溶胞率的影響，pH值依次為8、9、10、11、12。
(3)考察處理時間的影響。在溫度為90℃，pH值為12的條件下，考察處理時間對剩余污泥溶胞率的影響。時間分別為30min、60min、90min、120min、150min。
1.3.3 響應曲面優化試驗的設計
在單因素試驗結果的基礎上,考察了溫度、pH、處理時間三個操作參數對剩余污泥破解效果的影響，綜合各因素對剩余污泥處理效果的影響,確定探測范圍,采用Box-Behnken Design(BBD)實驗設計方法，以溫度、pH、處理時間為自變量，分別以A、B、C為代表，以剩余污泥的溶胞率為因變量進行分析。實驗因素與水平設計見表2。
表2 因素水平表
Table 2 Analytical factors andlevels of lysis rate
|
因素 |
代碼 |
水平 |
||
|
溫度（℃） |
A |
-1 |
0 |
1 |
|
pH |
B |
-1 |
0 |
1 |
|
時間（min） |
C |
-1 |
0 |
1 |
根據 Design Expert 7.0軟件，利用最小二乘法擬合響應值與自變量之間的關系方程:Y =B0+B1 x1 +B2 x2 +B3x3 + B12 x1 x2 + B13 x1x3 +B23 x2 x3+B11 x12+B22 x22+B33 x32。式中, Y為響應值,B0 為常數項,B1、B2、B3 分別為線性系數,B12、B13、B23為交互項系數,B11、B22、B33為二次項系數。
2 結果與分析
2.1 單因素試驗結果
2.1.1 溫度對剩余污泥破解的影響
在pH為10，處理時間為30min的條件下，考察溫度對剩余污泥破解效果的影響。表3為剩余污泥溶胞率、溶解性總糖、溶解性蛋白質隨溫度的變化，溶胞率為主要考察因素，溶解性總糖和溶解性蛋白質為輔助考察因素。從表3中，可以看出，污泥的加熱導致細胞破裂分泌出大量的溶解性總糖和溶解性蛋白質及其他物質，這些分泌出來的物質轉移到了污泥的水相中，大大提高了剩余污泥的溶胞率，剩余污泥溶胞率與溶解性總糖和溶解性蛋白質濃度之和總體遞增趨勢相同環境保護，隨著溫度的升高先增大后減少，在90℃時取得最大值為39.54%，因此確定此因素響應的范圍為[80℃,100℃]。
表格3溫度對剩余污泥破解的影響
The effect of exccas sludge disintegration on temperature
|
參數 |
溫度（℃） |
||||
|
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
|
溶胞率（%） |
23.94 |
24.14 |
28.52 |
39.54 |
34.29 |
|
溶解性總糖（mg/L） |
325.04 |
341.15 |
355.07 |
355.92 |
320.07 |
|
溶解性蛋白質(mg/L) |
1562.75 |
1563.73 |
1640.72 |
2249.63 |
2154.15 |
|
溶解性總糖與溶解性蛋白質之和（mg/L） |
1887.79 |
1904.88 |
1995.79 |
2605.55 |
2474.22 |
2.1.2 pH值對剩余污泥破解的影響
在溫度對剩余污泥破解影響的研究基礎上，選取溫度為90℃，時間為30min，考察pH值對剩余污泥破解效果的影響。pH值作為熱堿水解的一項重要條件參數，在很大程度上影響著污泥的水解效果。堿的加入可以減弱細胞壁對溫度的抵抗能力，加劇剩余污泥細胞內有機物質的釋放，低pH只能破壞污泥的絮體，而不能破壞微生物的細胞結構，高pH可以破壞這兩種結構，進而水解蛋白質及核酸，分解菌體中的糖類，使得污泥微生物細胞中原來不溶性有機物從胞內釋放出來，成為溶解性物質，從而提高了剩余污泥的溶胞率。從表4中，可以看出，pH對剩余污泥溶胞率的影響，pH越大，溶胞率越大。pH升到最大值為12時，剩余污泥溶胞率達到最大值為42.79%，剩余污泥溶胞率與溶解性總糖和溶解性蛋白質濃度之和變化相同。可以得出結論，pH=12時處理效果最好。確定此因素響應范圍為[10,12]。
表格 4 pH值對剩余污泥破解效果的影響
The effect of exccas sludge disintegration on pH
|
參數 |
pH |
||||
|
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
|
溶胞率（%） |
18.74 |
20.16 |
33.02 |
36.95 |
42.79 |
|
溶解性總糖（mg/L） |
411.17 |
456.72 |
463.30 |
661.14 |
677.42 |
|
溶解性蛋白質(mg/L) |
782.86 |
1395.97 |
1880.40 |
3856.26 |
6596.34 |
|
溶解性總糖與溶解性蛋白質之和（mg/L） |
1194.03 |
1852.69 |
2343.7 |
4517.4 |
7273.76 |
2.1.3 處理時間對剩余污泥破解的影響
在溫度對剩余污泥破解效果的影響和pH值對剩余污泥破解效果影響的研究基礎上，確定溫度為90℃，pH值為12，考察處理時間對剩余污泥破解效果的影響。從表5中可以分析出，從30min到90min期間，胞內有機質不斷溶出和水解，剩余污泥溶胞率、溶解性總糖的濃度、溶解性蛋白質濃度及其兩項之和和處理時間正相關，剩余污泥溶胞率在90min達到最大值44.60%，之后開始下降，所以，處理時間90min為最佳參數。溶解性總糖的濃度、溶解性蛋白質及其兩項之和從90min后變化不明顯，這可能是除糖和蛋白質以外其他物質釋放較少，導致從90min后剩余污泥溶胞率下降。確定此因素響應范圍為[60min,120min]。
表格 5 處理時間對剩余污泥破解效果
The effect of exccas sludge disintegration on time
|
參數 |
時間（min） |
||||
|
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
|
|
溶胞率（%） |
38.90 |
42.59 |
44.60 |
42.59 |
42.32 |
|
溶解性總糖（mg/L） |
706.92 |
821.47 |
837.16 |
835.14 |
843.02 |
|
溶解性蛋白質(mg/L) |
3186.24 |
3183.72 |
3799.76 |
3718.62 |
3731.72 |
|
溶解性總糖與溶解性蛋白質之和（mg/L） |
3893.16 |
4005.19 |
4636.92 |
4553.76 |
4574.74 |
2.2 響應曲面的實驗結果
采用DesignExpert進行試驗設計以及數據分析，試驗值、預測值及誤差見表6，對表6試驗數據進行多元回歸擬合，得到低溫熱堿對剩余污泥溶胞率影響的二次多項回歸模型方程：
Y=39.01-0.57*A+7.57*B-1.12*C-1.45*A*B-0.69*A*C+0.50*B*C-7.10*A2+1.25*B2-0.51*C2(1)
對該模型方程進行方差分析和顯著性檢驗，從分析結果知模型的F-value為18.91，P-value(Prob>F)<0.05，說明回歸方程描述溫度、pH、處理時間三個因素因子與響應值之間的非線性方程關系是顯著的，即這種實驗方法是可靠的，對剩余污泥溶胞率的效應顯著，各因子間交互作用比較明顯。在試驗設計范圍內，該模型回歸顯著,模型的R-Squared=0.9629，AdjR-Squared=0.9153，Pred R-Squared=0.4167，說明該模型能解釋91.53%響應值的變化，模型具有較好的回歸性。AdeqPrecision衡量了噪音比的信號，該值大于4才可以用于模擬。本試驗Adeq Precision=15.434，說明該模型具有足夠的信號來用響應該設計。Sheng-Ying Ye 等人[5]研究表明，當R-Squared>0.95，這個效應是精確的，即該模型與試驗結果擬合良好。
表6 響應曲面試驗設計與結果
Table 3 Response surface designand results of lysis rate
|
試驗號 |
溫度(A) Tamperature |
pH(B) |
時間(C) Time |
溶胞率試驗值 Actual value(%) |
溶胞率預測 Predicted Value(%) |
誤差 Residual |
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 |
-1.000
-1.000 |
-1.000
-1.000
0.000 |
0.000 |
27.21 |
24.71 |
2.50 |
注：-1= 負水平, 0=中心水平,+1=正水平, A，B，C代表因子代碼;
2.3 響應曲面的分析
聯系回歸方程式(1)環境保護，各個因素之間關系兩兩作圖，等高線圖以及3D圖如圖1～3所示。從顏色漸變中可以直觀地看出剩余污泥溶胞率的變化情況[6,7]。等高線的形狀可以反映出交互效應的強弱，橢圓形表示二個因素交互效應顯著，圓形與之相反，觀察這三幅圖，可以明確的看出，都是橢圓形狀，說明各個因素交互效應顯著。
圖1反映了溫度和pH值對剩余污泥溶胞率的交互效應。結果表明，剩余污泥溶胞率和pH值基本呈線性關系，溶胞率隨pH值的增大而增大，當達到12時，達到最高點。從平行pH值軸的橢圓軸的趨勢可以看出，如果增大pH值，可以增大剩余污泥溶胞率，但是考慮到后續處理條件，本實驗pH值選擇極值為12。溫度對剩余污泥溶胞率的影響是拋物線形式，剩余污泥溶胞率隨溫度的升高先升高后降低，從等高線的彎曲程度可以看出，當溫度為92℃的時候，高度最高，同時，曲線的彎曲程度最大，說明效果最好提綱怎么寫。從圖中可以看出，兩因素存在一定的協同作用，只有在一定的范圍內才能達到最好的處理效果。從圖中還可以看出，兩因素存在一定的交互效應，而且存在一個最優的溶胞率區域，即圖中溫度82-97℃，pH值11.3-12的一橢圓形區域，這一區域內，剩余污泥溶胞率均在44.09%以上。
圖1 溫度和pH的響應曲面圖
Fig.1 Response surface plots of temperature and pH
圖2反映了處理時間和溫度對剩余污泥溶胞率的交互效應。從圖中可以看出，溫度對剩余污泥溶胞率的影響和圖1中的趨勢是一樣的，隨溫度的升高先升高后降低，不同的是，這時在溫度為88.7℃達到最高;剩余污泥溶胞率和處理時間呈一條直線關系，且斜率不大，說明剩余污泥溶胞率隨處理時間的改變不明顯，處理時間對剩余污泥溶胞率的影響不大，處理時間是一個次要因素。從圖中可以看出，溫度和處理時間存在一定的交互效應，在溫度85-95℃，時間為60-98min的一個橢圓區域內內，剩余污泥溶胞率達到37.86%以上。
圖2 溫度和處理時間的響應曲面圖
Fig.2 Response surface plots of temperature and time
圖3反應了處理時間和pH值對剩余污泥溶胞率的交互效應。結果表明，剩余污泥溶胞率隨pH值的增大而增大，當達到12時，進入紅色區域。處理時間對剩余污泥溶胞率的影響，同圖2中反映的情況相似，影響不是很大，但是，從圖中可以看出，處理時間和pH值存在一定的交互效應，但還是pH值起主導作用。
圖3 pH和處理時間的響應曲面圖
Fig.3Response surface plots of pH and time
溫度、pH值和處理時間三個自變量因素對剩余污泥溶胞率的影響從大到小依次為：pH，溫度，處理時間。
在選取的3個因素各自的范圍內，利用回歸模型通過Design-Expert軟件分析得出，得到溶胞率最大值的優化條件是:溫度為88.83℃環境保護，pH值為12.00，時間為73.79min，剩余污泥溶胞率的預測值為48.10%。為了試驗操作方便，可以選定溫度為89℃，pH為12.00，時間為74min。
2.4 模型的驗證
依據最佳試驗條件的確定結果，即在溫度為89℃，pH值為12.00，時間為74min的試驗條件下進行了3次重復試驗.得到的剩余污泥溶胞率分別為47.97%。48.05%，48.07%，優化效果顯著，進一步證明該回歸模型是有效可靠的。
2.5 實驗對比
至今已有很多研究考察熱堿預處理對污泥的破解效果。本實驗在溫度為89℃、pH=12.00、反映時間為74min的最佳試驗條件下處理剩余污泥，溶胞率達到48%(SCOD為16527mg/L);陳路全[8]在pH=11條件下超聲污泥40min，溶胞率達到20.40%;何玉鳳[4]在反應溫度為170℃、pH=13、反應時間為75 min的條件下處理剩余污泥，SCOD達到最大融出量17956mg/L;Lise Appels等人[9]在溫度為90℃、處理時間為60min的條件下處理污泥，SCOD溶出量為10250mg/L。綜上所述，本實驗的試驗參數和試驗結果良好。
3 結論
(1)通過單因素試驗確定溫度、pH、處理時間的探測范圍分別為[80℃，100℃]、[10，12]、[60min，120min]。
(2)采用Design-Expert試驗設計軟件，根據Box-Benhnken實驗設計原理建立低溫熱堿預處理對剩余污泥溶胞率影響的二次多項式數學模型為：
Y=39.01-0.57*A+7.57*B-1.12*C-1.45*A*B-0.69*A*C+0.50*B*C-7.10*A2+1.25*B2-0.51*C2
方差分析結果表明，擬合檢驗顯著，決相關系數達0.9629，該方程能較好的預測剩余污泥溶胞率隨各因素的變化規律。
(3) 通過軟件分析，低溫熱堿預處理對剩余污泥溶胞率的最佳操作參數為：溫度為88.83℃，pH為12.00，處理時間為73.79min，在此條件下剩余污泥模擬溶胞率為48.10%。
(4) 通過模型驗證，在分析得到的最佳試驗條件下進行了3次重復試驗.得到的剩余污泥溶胞率分別為47.97%。48.05%，48.07%，優化效果顯著，進一步證明該回歸模型是有效可靠的。
參考文獻
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[2]王芬.剩余污泥超聲破解的性能與機理研究:(碩士學位).天津:天津大學,2004.
[3]本益,劉俊新.污水處理系統剩余污泥堿處理融胞效果研究.環境科學,2006,27(2):19—23.
[4]何玉鳳.熱堿處理促進剩余污泥水解的試驗研究.(碩士學位).大連:大連理工學,2007.
[5]Sheng-YingYe,Yuan-XinQiu,Xian-LiangSong,Shu-CanLuo.Optimizationofprocessparametersfortheinactivationof Lactobacillus sporogenes in tomatopastewithultrasoundand60Co-g irradiation using responsesurfacemethodology .Radiation Physics andChemistry 78 (2009) 227–233.
[6]嚴建剛,張名位.芹菜黃酮的提取條件及其抗氧化活性研究.西北農林科技大學學報:自然科學版,2005,33(1):131-135.
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[8]陳路全.加堿和超聲破解預處理對剩余污泥厭氧消化的影響.(碩士學位).天津：天津大學,2008.
[9]Lise Appels,Jan Degrève,Bart Van der Bruggen,Jan Van Impe,Raf Dewil.Influence of lowtemperature thermal pre-treatmenton sludge solubilisation,heavy metal release and anaerobic digestion.Bioresource Technology 2010.
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