電鍍工業排放的廢水富含銅、鋅、鐮、鋸和鎘等重金屬離子，屬一類典型的重金屬廢水，具有毒性大、不易降解、易被生物富集和放大等特點,對生態環境及人類健康危害嚴重。電絮凝是處理該類重金屬廢水的一種環境友好型技術，具有去除效率高、設備簡單、占地面積小等特點UT。能耗是電絮凝技術處理廢水的重要成本指標，脈衝電絮凝利用脈衝電源“充電-放電-充電”的間歇性方式運行,達到了節省能耗、減緩電極鈍化的效果。 Xu等研究了鋁鐵為正負極的雙向脈衝電絮凝技術， 考察其同步去除實際冶煉廢水中Zn²⁺和Mn²⁺的機理，在脈衝電源頻率為5 000 Hz、占空比為40%、初始pH值為7.0、電流密度為8 mA/c㎡,正負極逆轉時間為25 s : 5 s(Fe : A1)時，電解3 h後，對Zn"和Mn²⁺的去除率分別達到99. 16%和70. 37% ,電耗為 18.3 kW • h/m³。

對傳統的電絮凝工藝參數進行優化，可采用單因素法，盡管該方法簡單,但無法體現各因素間的交互作用。響應面法(RSM)綜合了數學和統計學的方法,通過開發參數間的交互效應模型，形象地顯示各種因子與響應值之間的關系，實現了過程優化並可獲得最佳操作條件小。響應面法基於試驗設計，顯著減少試驗次數、提高工作效率。目前，鮮見采用響應面法優化電絮凝工藝參數的研究報道。

筆者以實際電鍍廢水為研究對象，通過鐵電極板脈衝電絮凝技術，分析比電流、溶液初始pH值、 占空比和曝氣強度等參數對去除重金屬離子的影響，通過響應面法優化評估影響因子對處理效率的相互作用，探尋最佳工況條件、降低運行成本。同時，將響應面法優化獲得的工藝參數運用到實際工程項目中，評估運行性能。

1 材料與方法

1. 1 原水水質

試驗廢水來自某電鍍廠的實際廢水，主要重金屬離子為Ni₂\Cr⁶⁺和Cr³⁺等。具體水質:Ni²⁺濃度為 23. 61 mg/L、Cr⁶⁺ 濃度為 5. 237 mg/L,總鋸為9.125 mg/L,COD 為 235 mg/L、電導率為 6. 75 mS/cm、pH 值為 1.2。

1.2 試驗裝置與方法

試驗裝置為自主設計的脈衝電絮凝槽，如圖1所示。

試驗裝置的有效容積為3 L,鐵電極板尺寸為10 mm x 10 mm x2 mm,插入到反應器溝槽中固定， 相鄰極板的間距為2 cm。采用高頻開關電源提供方波脈衝電流，電源脈衝的占空比為0 ~100%,頻率範圍為0~5 kHz。

首先考察初始PH值、比電流、占空比和曝氣強度等4個因素對鐮和鋸離子去除效果的影響。每個因素設置5個數值,pH值分別為4、5.5、7、8.5和10,比電流分別為 45、91、136、181、226 A/m³,占空比分別為90% ,75% .60% ,45% ,30% ,曝氣強度分別為0,1. 2,2. 4,3. 6,4. 8 L/L,電解時間均為30min。之後,根據單因素試驗結果，選用影響較大的3個因素設計Box-Behnken(BBD)試驗，依據去除率和比能耗兩個指標，並通過對定性和定量的比較分析,獲得最優工藝參數。

1.3 分析項目及方法

pH值采用pH計測定;Cr⁶⁺通過紫外分光光度計，按照GB 7467-87中的標準方法測定;鋅離子和總鋸離子的濃度采用火焰原子吸收分光光度計測定。待測水樣經過濾紙過濾後，使用石墨平板儀消解，然後通過鐮或鋸的標準溶液進行標準曲線的繪製,最後檢測待測樣品。

2 結果與討論

2.1 單因素影響分析

電絮凝過程中，溶液pH值會因陰極析氫產生0H-而較初始值高，最大上升幅度為0.5左右。初始pH值升高有利於電絮凝對鐮和鋸的去除。當初始pH值＞7時,謀離子去除率增加幅度趨緩，此時對鐮的去除率達到90%以上。去除Cr⁶⁺的過程是先將還原為Cr³⁺，再經絮凝沉澱去除，相對於鐮和總錚，其去除速度最快，電解30 min後去除率基本達到100%。Cr(OH)₃屬於兩性化合物，當初始pH值＞8. 5時，電解30 min以後溶液pH值＞9,Cr(OH)₃沉澱開始溶解，總鋸去除率開始下降。 比電流是指處理單位體積廢水通入的電流量。

試驗過程中，鐮和縮的去除率隨比電流的增大而增加，當比電流＞136 A/m³時,鐮和鋸離子的去除率增加幅度開始趨緩。分析原因，比電流大時，水中溶解的鐵離子多，產生的絮體就多;而過大的比電流除了能夠增大電極消耗和產生副反應外，還會因焦耳效應將一部分電能轉化為熱能，不利於電流的有效利用。因此，比電流的選取需要綜合考慮去除率和能耗等多個因素。

占空比是指在一個脈衝循環內通電時間相對於總時間所占的比例。電絮凝是一個非均相反應過程，當電流密度 >極限電流密度時，表觀電解速率一般受傳質控製，因此合適的占空比可以提高電流利用率。試驗結果顯示，隨著占空比的增加，鎳和鋸的去除率呈先上升後下降的變化趨勢，適宜占空比為45%。過低的占空比不利於形成足夠量的Fe²⁺，影響去除率;但過高的占空比會加速電極板表面的鈍化，影響後續Fe²⁺的產生，緻使去除率下降,同時高占空比導緻高能耗。為此，提出了雙向脈衝的供電模式，以弱化甚至消除電絮凝過程電極表面鈍化現象。

曝氣強化了反應器內絮體與重金屬離子的接觸,加速了電極表面物質的剝離。試驗結果顯示，適宜的曝氣強度有利於鐮和鋸的去除。盡管通入的空氣會將Fe²⁺氧化為Fe3+，但Fe²⁺與Cr⁶⁺的反應速率大於Fe2+與O₂的反應速率。因此，溶液中溶解氧不會影響Fe²⁺對Cr⁶⁺的還原，少量Fe³⁺形成的絮體有利於重金屬的去除。曝氣強度過大，會加劇溶液的紊流，破壞絮體的形成，從而影響對離子的去除，適宜的曝氣強度為2.4L/L。

2.2 響應面優化

2. 2.1響應面試驗設計

由單因素試驗分析可知，初始pH值(A)、比電流(B)和占空比(C)對鐮和鋸的去除影響較顯著。

根據BBD原理，選取上述3個因素進行響應面試驗，曝氣強度取2.4 L7L,具體方案見表1。

2. 2. 2 響應面試驗結果與討論

表3是試驗響應值為總鋸去除率的回歸方程方差分析。可知，以總誥去除率為響應值的模型顯著,一次項4和B具有一定的顯著性。

利用Design Expert軟件對數據進行二次多兀回歸擬合,得到比電流和pH值的二次回歸方程等高線及響應曲面，如圖2所示。響應曲面的坡度越陡，對應背景面上的等高線越密集，說明該因素對響應值的影響越顯著。從圖2(a) Jb)可知，沿著比電流方向的響應曲面比沿著pH值方向的更陡，對應的等高線也更為密集，說明比電流對鐮去除率的影響比pH值更為顯著。當比電流為91 - 136 A/m³時，鎳去除率急劇增加，當比電流＞136 A/m3時，鐮去除率略有下降;當比電流和pH值同時增大時，鐮去除率顯著增加,但是達到一定水平後，鐮的去除率開始下降,圖形呈現凸面，表明這兩個因素之間有顯著的交互作用。同樣可以看出，以總鋸的去除率為響應值時，比電流和pH值的交互作用顯著。

2.2.3 最佳工況分析

根據上述RSM模型分析,分別獲得以去除鐮和總鉛為目標的最佳工況參數，結果如表4所示。可以看岀,3種方法對總鋸均可以實現100%的去除。 當以去除臻為最佳工況時，廢水中鐮離子去除率達到99.65%,出水鐮濃度為0.085 mg/L,滿足《電鍍汙染物排放標準》(GB 21900—2008)表3中的規定(鎳≤0.1 mg/L),其他兩種方法出水鐮濃度分別為0. 189和0. 140 mg/L,無法滿足排放標準，該條件下比能耗為0.757 kW • h/m³相比單因素法降低了11.87%。

2.3 工程實踐

某電鍍廠的電鍍廢水排放量為720 m³/d,采用一級物化+脈衝電絮凝處理工藝，出水水質需滿足GB 21900—2008表3中規定的排放標準。脈衝電絮凝設備的設計處理水量為30 m³/h,作為深度處理工序保障廢水中重金屬離子的達標排放，現場脈衝電絮凝裝置如圖3所示。

按照RSM模型優化的操作參數，比電流為122A/m³、占空比為48%、pH值為7. 1、電解時間為30min,連續400多天的運行結果顯示，經響應面優化的脈衝電絮凝工藝運行穩定，出水水質達標。圖4為電絮凝裝置運行90 d的監測數據，可以看出，出水鐮離子濃度W0.1 mg/L,出水總鋸濃度＜0. 1 mg/L,基本檢測不出Cr⁶⁺,比能耗為0.783 kW • h/m³。