簡析響應(yīng)面法在污水處理工藝優(yōu)化中的應(yīng)用

趙志剛

摘要： 許多處理污水的主要方法是以去除污水的量為指標(biāo)，所以提高去除污水率對(duì)處理污水具有不可估量的影響。一般的研究方法具有適應(yīng)性差、能耗大、安全性低等不足。響應(yīng)面法是在數(shù)學(xué)建模和邏輯分析的基礎(chǔ)上研究出來的，通過研究各種可能的因素對(duì)工藝優(yōu)化的作用，以最大程度提高優(yōu)化效率，它被認(rèn)為是一項(xiàng)高效且實(shí)用的處理工藝和處理方法，能夠用于各種處理污水中的變量控制。本文分析了響應(yīng)面法的污水處理工序和工藝優(yōu)化原理，綜合研究了響應(yīng)分析法在各種處理污水優(yōu)化中的作用，目的是研究出一種安全有效、環(huán)保節(jié)能的處理污水的優(yōu)化工藝。

關(guān)鍵詞： 響應(yīng)面法； 污水處理； 工藝優(yōu)化； 應(yīng)用研究

響應(yīng)面法是把數(shù)學(xué)建模和化學(xué)試驗(yàn)綜合起來的研究方法，同時(shí)對(duì)優(yōu)化參數(shù)、工藝處理和統(tǒng)計(jì)分析也進(jìn)行了結(jié)合，一般應(yīng)用于研究某種有價(jià)值的優(yōu)化參數(shù)受不同變量作用的統(tǒng)計(jì)和建模方法，以完成提高污水去除率的任務(wù)。響應(yīng)面法的應(yīng)用時(shí)間短，卻廣受青睞，已經(jīng)普遍應(yīng)用于工藝優(yōu)化與數(shù)理研究等方面。目前，對(duì)響應(yīng)面法的研究在各個(gè)方面都受到重視。本文基于對(duì)響應(yīng)面法的設(shè)計(jì)原理和實(shí)際應(yīng)用的分析，綜合論述了現(xiàn)階段響應(yīng)面法在各種污水處理優(yōu)化工藝中的實(shí)際，旨在能夠?yàn)樘幚韽U水的優(yōu)化工藝貢獻(xiàn)有價(jià)值的參考意見和研究方法。

1、 響應(yīng)面法的基本原理

1. 1 數(shù)學(xué)建模的試驗(yàn)

在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的過程中，要使模型可以獲得比較接近實(shí)際的優(yōu)化參數(shù)，在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析時(shí)一定檢驗(yàn)其有效性和精確性。建模試驗(yàn)的有效性取決于決定系數(shù)：

R2 =回歸平方和/總平方和

它是對(duì)期望值和參數(shù)近似值的表現(xiàn)。就某一非常接近于期望值的近似值模型來說，它的R2 的數(shù)值必須近似于1. 0。期望值和實(shí)際值存在的差值被叫做殘差，在評(píng)價(jià)一個(gè)模型的有效性時(shí)，殘差是主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。如果殘差的分布是正向分布，殘差點(diǎn)會(huì)在一條直線周圍有規(guī)律地分布，證實(shí)這個(gè)數(shù)學(xué)模型非常理想。F值用來衡量各種變量的作用和重要性。如果F值越大那么 p和F 的差值就越小，證實(shí)該數(shù)學(xué)模型與個(gè)體的相關(guān)性大。若 p與F 的差值小于 0. 05，證實(shí)該模型處于95%的范圍影響顯著。數(shù)學(xué)模型在建模中相關(guān)數(shù)據(jù)的誤差用失擬項(xiàng)來表現(xiàn)，失擬項(xiàng)越小越好。若失擬項(xiàng)比 F 值大，證實(shí)數(shù)據(jù)誤差非常大，就必須對(duì)該模型進(jìn)行完善。

1. 2 優(yōu)化工藝的研究

高線圖和三維曲面圖通常被用來衡量多元二次回歸模型的擬合結(jié)果，等高線圖用來表示擬合數(shù)據(jù)的二維模型，響應(yīng)曲面圖則用來表示擬合結(jié)果的三維模型，這兩個(gè)圖能夠直觀地反映多種變量的響應(yīng)情況。若存在三個(gè)以及多于三個(gè)的變量，高線圖和三維曲面圖就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)常數(shù)值。所以，響應(yīng)曲面分析法能夠獲取預(yù)期的響應(yīng)的最大值和最小值，以及最優(yōu)的參數(shù)值。如果出現(xiàn)多于三個(gè)的變量，則不容易獲取與一切變量都符合的最優(yōu)參數(shù)，此時(shí)不妨改變思路選擇另一種優(yōu)化工藝。

2、響應(yīng)面法與傳統(tǒng)方法的差異

傳統(tǒng)的研究方法通過觀察不同的變量對(duì)響應(yīng)的不同作用來推斷最優(yōu)參數(shù)值，只分析了單一的因素發(fā)生變動(dòng)之于響應(yīng)的作用，卻沒有分析各種因素的相互作用。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)即使能夠分析多種變量的共同作用，也不能在劃定的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)變量和響應(yīng)值的明確的數(shù)量關(guān)系，所以就不能發(fā)現(xiàn)劃定的范圍內(nèi)的最優(yōu)參數(shù)值和最優(yōu)響應(yīng)值。但是響應(yīng)面法能夠基于相關(guān)數(shù)據(jù)建立回歸方程，在對(duì)其進(jìn)行分析，以尋得受不同變量作用的最優(yōu)參數(shù)值和最優(yōu)響應(yīng)值。因?yàn)樗囼?yàn)的時(shí)間短、頻率少、誤差小，與單因素分析、比正交實(shí)驗(yàn)法、和均勻設(shè)計(jì)法等傳統(tǒng)方法相比，具有莫大的優(yōu)勢(shì)。所以在實(shí)際運(yùn)用中也比傳統(tǒng)方法更受歡迎，應(yīng)用也更為廣泛。圖1是響應(yīng)面法在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

3、響應(yīng)面法在廢水處理的實(shí)際應(yīng)用

3.1焦化和煤氣化廢水

焦化和煤氣化廢水是一種有機(jī)廢水，不僅毒性強(qiáng)而且難以降解，它的來源多為焦?fàn)t煤氣初冷和焦化生產(chǎn)過程中的產(chǎn)生的廢水。這種廢水的污染物含量大，毒性強(qiáng)，其主要成分多環(huán)芳烴不僅難以處理，而且往往毒性極強(qiáng)。對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染的同時(shí)，還會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生致癌物質(zhì)。采用響應(yīng)面法能夠優(yōu)化處理焦化和煤氣化廢水，找到最有效的試驗(yàn)條件。圖2是廢水處理的相應(yīng)參數(shù)分析。

3. 2 垃圾滲濾液

垃圾滲濾液通常指垃圾填埋場(chǎng)中的垃圾本身含有的水分、進(jìn)入填埋場(chǎng)的雨水和雪水，扣除垃圾層和覆土層的含水量，在垃圾層和覆土層產(chǎn)生的一種有機(jī)廢水。滲濾液的污染物的分類極廣，但它們普遍具有濃度高，毒性強(qiáng)，難以降解的特點(diǎn)，嚴(yán)重污染地表水和地下水的水質(zhì)。采用響應(yīng)面分析法進(jìn)行工藝優(yōu)化通常是處理這類廢水的最佳選擇。

4、結(jié)束語

響應(yīng)面法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于相關(guān)的工藝優(yōu)化，研究證實(shí)，通過響應(yīng)面法進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化準(zhǔn)確度高，而且在實(shí)際的污水處理工藝優(yōu)化上已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用。但是，這種分析方法還是具有一定的局限性。所以，工藝優(yōu)化后的參數(shù)必須還要接受相關(guān)試驗(yàn)的檢驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)用中的工藝效率值還有待提升，同時(shí)工藝優(yōu)化試驗(yàn)中的預(yù)測(cè)值也要進(jìn)行進(jìn)一步的討論。

參考文獻(xiàn)：

[13]張國鐘.響應(yīng)面法應(yīng)用于臭氧深度處理制藥廢水優(yōu)化研究[J].給水排水，2013，39（ 11） ： 141-145.

[14]王紅濤，王增長.催化超臨界水氧化法處理制藥廢水的研究[J].水處理技術(shù)，2014，40（ 4） ： 92-94.

（作者單位：蘇州中晟水處理有限公司）