簡析響應面法在污水處理工藝優化中的應用

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，所以提高去除污水率對處理污水具有不可估量的影響。一般的研究方法具有適應性差、能耗大、安全性低等不足。響應面法是在數學建模和邏輯分析的基礎上研究出來的，通過研究各種可能的因素對工藝優化的作用，以最大程度提高優化效率，它被認為是一項高效且實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。本文分析了響應面法的污水處理工序和工藝優化原理，綜合研究了響應分析法在各種處理污水優化中的作用，目的是研究出一種安全有效、環保節能的處理污水的優化工藝。

關鍵詞： 響應面法； 污水處理； 工藝優化； 應用研究

響應面法是把數學建模和化學試驗綜合起來的研究方法，同時對優化參數、工藝處理和統計分析也進行了結合，一般應用于研究某種有價值的優化參數受不同變量作用的統計和建模方法，以完成提高污水去除率的任務。響應面法的應用時間短，卻廣受青睞，已經普遍應用于工藝優化與數理研究等方面。目前，對響應面法的研究在各個方面都受到重視。本文基于對響應面法的設計原理和實際應用的分析，綜合論述了現階段響應面法在各種污水處理優化工藝中的實際，旨在能夠為處理廢水的優化工藝貢獻有價值的參考意見和研究方法。

1、 響應面法的基本原理

1. 1 數學建模的試驗

在進行數學建模的過程中，要使模型可以獲得比較接近實際的優化參數，在進行數學建模分析時一定檢驗其有效性和精確性。建模試驗的有效性取決于決定系數：

R2 =回歸平方和/總平方和

它是對期望值和參數近似值的表現。就某一非常接近于期望值的近似值模型來說，它的R2 的數值必須近似于1. 0。期望值和實際值存在的差值被叫做殘差，在評價一個模型的有效性時，殘差是主要的衡量標準。如果殘差的分布是正向分布，殘差點會在一條直線周圍有規律地分布，證實這個數學模型非常理想。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，證實該數學模型與個體的相關性大。若 p與F 的差值小于 0. 05，證實該模型處于95%的范圍影響顯著。數學模型在建模中相關數據的誤差用失擬項來表現，失擬項越小越好。若失擬項比 F 值大，證實數據誤差非常大，就必須對該模型進行完善。

1. 2 優化工藝的研究

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果，等高線圖用來表示擬合數據的二維模型，響應曲面圖則用來表示擬合結果的三維模型，這兩個圖能夠直觀地反映多種變量的響應情況。若存在三個以及多于三個的變量，高線圖和三維曲面圖就會出現一個常數值。所以，響應曲面分析法能夠獲取預期的響應的最大值和最小值，以及最優的參數值。如果出現多于三個的變量，則不容易獲取與一切變量都符合的最優參數，此時不妨改變思路選擇另一種優化工藝。

2、響應面法與傳統方法的差異

傳統的研究方法通過觀察不同的變量對響應的不同作用來推斷最優參數值，只分析了單一的因素發生變動之于響應的作用，卻沒有分析各種因素的相互作用。正交試驗設計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發現變量和響應值的明確的數量關系，所以就不能發現劃定的范圍內的最優參數值和最優響應值。但是響應面法能夠基于相關數據建立回歸方程，在對其進行分析，以尋得受不同變量作用的最優參數值和最優響應值。因為它試驗的時間短、頻率少、誤差小，與單因素分析、比正交實驗法、和均勻設計法等傳統方法相比，具有莫大的優勢。所以在實際運用中也比傳統方法更受歡迎，應用也更為廣泛。圖1是響應面法在實際生活中的應用。

3、響應面法在廢水處理的實際應用

3.1焦化和煤氣化廢水

焦化和煤氣化廢水是一種有機廢水，不僅毒性強而且難以降解，它的來源多為焦爐煤氣初冷和焦化生產過程中的產生的廢水。這種廢水的污染物含量大，毒性強，其主要成分多環芳烴不僅難以處理，而且往往毒性極強。對環境造成嚴重的污染的同時，還會對人體產生致癌物質。采用響應面法能夠優化處理焦化和煤氣化廢水，找到最有效的試驗條件。圖2是廢水處理的相應參數分析。

3. 2 垃圾滲濾液

垃圾滲濾液通常指垃圾填埋場中的垃圾本身含有的水分、進入填埋場的雨水和雪水，扣除垃圾層和覆土層的含水量，在垃圾層和覆土層產生的一種有機廢水。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，難以降解的特點，嚴重污染地表水和地下水的水質。采用響應面分析法進行工藝優化通常是處理這類廢水的最佳選擇。

4、結束語

響應面法已經廣泛應用于相關的工藝優化，研究證實，通過響應面法進行工藝參數的優化準確度高，而且在實際的污水處理工藝優化上已經得到了普遍的應用。但是，這種分析方法還是具有一定的局限性。所以，工藝優化后的參數必須還要接受相關試驗的檢驗，實際應用中的工藝效率值還有待提升，同時工藝優化試驗中的預測值也要進行進一步的討論。

參考文獻：

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（作者單位：蘇州中晟水處理有限公司）