應(yīng)用響應(yīng)曲面法優(yōu)化某水庫底泥中氮磷釋放的最佳條件

黃 瓊 汪貴明 宋 瑤

(1.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司,西安 710054;2.陜西蔚藍(lán)節(jié)能環(huán)境科技集團(tuán)有限責(zé)任公司,西安 710005)

水源水庫(湖泊)水質(zhì)污染與富營養(yǎng)化控制理論及技術(shù)的研究是近年來國內(nèi)外城鎮(zhèn)供水安全領(lǐng)域關(guān)注的前沿課題之一。沉積物是水環(huán)境的重要組成部分,既是水中污染物的“匯”,又是水體二次污染的“源”[1]。沉積物中氮磷的釋放對(duì)水質(zhì)有較大影響,因此,污染底泥內(nèi)源污染控制,對(duì)改善水體水質(zhì)有著非常重要的作用,尤其是對(duì)水體功能要求較高的水庫[2-3]。本文研究對(duì)象為浙江省某水庫,該水庫屬大型水庫,據(jù)調(diào)查研究,該水庫先后出現(xiàn)過多次大、小規(guī)模的藻類爆發(fā)現(xiàn)象,氮、磷超標(biāo)嚴(yán)重。

經(jīng)過分析研究,該水庫屬于典型的深水分層水庫,水庫底部的沉積物富集了大量的有機(jī)污染物,在夏季會(huì)因?yàn)楹樗畬?duì)其的擾動(dòng)以及翻庫作用而產(chǎn)生釋放,這是造成該水庫常年水質(zhì)不佳和藻類爆發(fā)事件的主要原因[4-5]。因此,本研究使用響應(yīng)曲面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[6-9],通過實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)模擬底泥中氮磷的釋放,及其氮磷釋放多元回歸方程的擬合,優(yōu)化釋放條件,對(duì)于研究底泥對(duì)水質(zhì)的影響具有重要的實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1 響應(yīng)曲面法簡介

響應(yīng)面優(yōu)化法是將實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果,進(jìn)行響應(yīng)面分析,得到的預(yù)測模型,通常包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型擬合和過程優(yōu)化。常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法為中心復(fù)合設(shè)計(jì)法(Central Composite Design,CCD),通過試驗(yàn)評(píng)估輸出變量(評(píng)價(jià)指標(biāo))和因素之間的非線性關(guān)系,設(shè)計(jì)流程如下圖1。

圖1 中心復(fù)合設(shè)計(jì)流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文選取溫度和溶解氧兩個(gè)對(duì)底泥中氮、磷釋放有影響的因素作為自變量,總氮、總磷和氨氮三項(xiàng)指標(biāo)作為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)一套擬合二階模型的試驗(yàn)方案,對(duì)于擬合二階模型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),每個(gè)因素必須至少有三個(gè)水平,因此將自變量溫度和溶解氧均設(shè)三個(gè)水平,對(duì)這兩個(gè)影響因素進(jìn)行優(yōu)化,把自變量和響應(yīng)值的關(guān)系函數(shù)化,可依次對(duì)函數(shù)進(jìn)行面分析,定量地分析各因子間交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響,使污染物質(zhì)的釋放量達(dá)到最低,為水庫底泥釋放污染物的控制打下良好的基礎(chǔ)[10]。溫度、溶解氧分別為自變量A、B,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工況見表5,共13組試驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用底泥樣品取自該水庫取水口處表層底泥,實(shí)驗(yàn)采用蒸餾水作為底泥上覆水的原水,目的是使底泥上覆水的pH值保持中性,并且確定釋放達(dá)到平衡時(shí)上覆水中的污染物均來自底泥釋放。

1.4 污泥特性

實(shí)驗(yàn)所用底泥的相關(guān)性質(zhì)見表1,底泥各指標(biāo)檢測方法與儀器見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)所用底泥的主要性質(zhì)

表2 底泥各指標(biāo)檢測方法及儀器

1.5 水庫底泥中氮磷釋放實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在250 mL錐形瓶中加25 g底泥,用蒸餾水標(biāo)定至標(biāo)線,按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工況,見表5,每天定時(shí)測定上覆水中各指標(biāo)含量,每次實(shí)驗(yàn)設(shè)三個(gè)平行取平均值,最終取釋放達(dá)到平衡時(shí)的測定數(shù)據(jù),上覆水中各指標(biāo)含量不再增加視為釋放達(dá)到平衡點(diǎn)。取水樣時(shí)采用注射器中位取水,抽濾之后測定總氮、總磷、氨氮三個(gè)指標(biāo)。水質(zhì)檢測方法與儀器見表3,實(shí)驗(yàn)條件控制方法見表4。

表3 水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測方法與儀器

表4 實(shí)驗(yàn)條件控制方法

表5 CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)測值

2 結(jié)果與討論

2.1 CCD實(shí)驗(yàn)工況及測定結(jié)果

13組工況下總氮、總磷和氨氮的測定結(jié)果見表5。

2.2 回歸方程擬合

利用CCD模塊對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得出溫度(A)、溶解氧(B)與總氮、總磷和氨氮的二次多項(xiàng)式回歸模型如下:

TN=+1.06+0.27A-0.41B-0.10AB+0.22A2+0.011B2-0.030AB2

TP=+0.20+0.051A-0.087B-0.021AB+0.033A2+0.010B2+0.002246AB2

NH3-N=+0.56+0.099A-0.26B-0.084AB+0.059A2+0.034B2+0.038AB2

采用方差分析法檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘@著性,并給出幾種決定系數(shù)以輔助確定模型的擬合優(yōu)度,F值和P值是判斷該項(xiàng)因素是否顯著的主要值,P值小于5%則說明該項(xiàng)系數(shù)顯著,F值越大說明顯著性越好;失擬誤差越小,表明擬合效果越好;信噪比是用最大預(yù)測響應(yīng)與最小預(yù)測響應(yīng)的差除以所有預(yù)測響應(yīng)的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算得到,這個(gè)量的值大一些是較為理想的,大于4即為期望值;決定系數(shù)R2越接近于1則表明R2(adj)和R2(pred)的值很相似[11-12],檢驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 模型顯著性檢驗(yàn)的決定系數(shù)

由顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可以看出三個(gè)模型的F值均比較大,P值均小于5%,則說明模型是顯著的;失擬誤差均比較小,失擬的顯著性均很低,說明擬合效果很好;信噪比均遠(yuǎn)高于期望值,即該三個(gè)模型在預(yù)測方面具有相當(dāng)好的性能;決定系數(shù)R2分別為0.908、0.936、0.918,表明因變量的可變性超過90%可以由回歸模型解釋,因此各驗(yàn)證指標(biāo)均符合模型的精度要求,說明三個(gè)模型均可用于預(yù)測。

2.3 底泥釋放與影響因素交互影響的三維響應(yīng)曲面圖及等值線圖

根據(jù)得到的擬合方程,繪制出反應(yīng)溫度、溶解氧兩個(gè)因素條件下對(duì)底泥中總氮、總磷、氨氮釋放交互影響的三維響應(yīng)曲面圖及等值線圖,如圖2至圖7。

圖2 溫度和溶解氧對(duì)總氮釋放影響的等值線圖 圖3 溫度和溶解氧對(duì)總氮釋放影響的響應(yīng)曲面圖

圖4 溫度和溶解氧對(duì)總磷釋放影響的等值線圖 圖5 溫度和溶解氧對(duì)總磷釋放影響的響應(yīng)曲面圖

圖6 溫度和溶解氧對(duì)氨氮釋放影響的等值線圖 圖7 溫度和溶解氧對(duì)氨氮釋放影響的響應(yīng)曲面圖

從響應(yīng)曲面圖及等值線圖可以看出,溶解氧和溫度分別在1～8 mg/L和8～20℃范圍內(nèi)時(shí),溶解氧一定的情況下,溫度越高,釋放量越大;溫度為定值時(shí),溶解氧越高,釋放量越低;溶解氧為1 mg/L、溫度為20℃時(shí),總氮、總磷、氨氮的釋放量分別可至2.0 mg/L、0.37 mg/L、1.0 mg/L以上;溶解氧為8 mg/L、溫度為8℃時(shí),總氮、總磷、氨氮的釋放量分別可低至0.7 mg/L以下、0.13 mg/L以下、0.35 mg/L以下。響應(yīng)曲面能迅速地、直觀地看出溫度、溶解氧和各釋放指標(biāo)之間的獨(dú)立關(guān)系,確定出各指標(biāo)獨(dú)立釋放量較小時(shí)的影響因素取值范圍,但不能夠得出具體值,且不能直觀看出各指標(biāo)聯(lián)合釋放量最優(yōu)值,必須通過擬合模型進(jìn)行優(yōu)化,從而確定最佳方案。

2.4 優(yōu)化方案和最不利情況的預(yù)測及結(jié)果驗(yàn)證

2.4.1 優(yōu)化方案和結(jié)果的驗(yàn)證

本研究中總氮、總磷、氨氮釋放量最小時(shí)則為最優(yōu),采用上述所得擬合模型預(yù)測溫度和溶解氧的最優(yōu)值,在模型中設(shè)定三項(xiàng)指標(biāo)最小值作為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn),預(yù)測的最佳釋放條件為溫度為9.87℃,溶解氧為7.93 mg/L,預(yù)測的總氮、總磷、氨氮的最佳釋放量分別為0.677 mg/L、0.115 mg/L、0.325 mg/L,可取系數(shù)為1。該優(yōu)化結(jié)果是一個(gè)預(yù)測的結(jié)果,需要做實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證,如果根據(jù)預(yù)測的實(shí)驗(yàn)條件,能夠得到與相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,則說明進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析是成功的;如果不能夠得到與預(yù)測結(jié)果一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,則需要改變響應(yīng)面方程,或是重新選擇合理的實(shí)驗(yàn)因素與水平。

通過在最佳條件下對(duì)釋放試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,所得結(jié)果為見表7,實(shí)測值與預(yù)測值誤差均在5%以內(nèi),說明預(yù)測的優(yōu)化結(jié)果可靠。

表7 優(yōu)化條件及結(jié)果驗(yàn)證

2.4.2 最不利情況及結(jié)果驗(yàn)證

本研究中,總氮、總磷、氨氮釋放量最大時(shí)為最不利情況,因而在模型中設(shè)定三項(xiàng)指標(biāo)選取最大值,預(yù)測出最不利釋放條件為溫度為19.64℃,溶解氧為1.12 mg/L,并且預(yù)測出總氮、總磷、氨氮在最不利情況下的釋放量分別為2.039 mg/L、0.4 mg/L、1.135 mg/L,可取系數(shù)為0.866。在最不利條件下進(jìn)行釋放試驗(yàn)驗(yàn)證,所得結(jié)果見表8,實(shí)測值與預(yù)測值亦非常相近,誤差也在5%以內(nèi),結(jié)果表明預(yù)測結(jié)果可靠,因此,對(duì)于該水庫取水口,應(yīng)進(jìn)行溫度及溶解氧的控制,避免最不利情況的發(fā)生。

表8 最不利釋放條件及結(jié)果驗(yàn)證

3 結(jié)論

(1)采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)法得出該水庫取水口處溫度(A)、溶解氧(B)與總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)的二次多項(xiàng)式回歸模型,模型的決定系數(shù)R2分別為0.908、0.936、0.918,擬合度良好,模型準(zhǔn)確可靠,并通過試驗(yàn)對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果均為可用于預(yù)測。

(2)響應(yīng)曲面圖及等值線圖表現(xiàn)出底泥污染物釋放與環(huán)境因子之間的規(guī)律,該水庫底泥中污染物釋放濃度受上覆水體溫度、溶解氧濃度影響,溫度越高,溶解氧含量越低,底泥中污染物釋放濃度越大。

(3)通過擬合模型預(yù)測出取水口處底泥釋放的最佳條件是溫度為9.87℃,溶解氧為7.93 mg/L,總氮、總磷及氨氮的釋放量分別為:0.658 mg/L、0.120 mg/L及0.319 mg/L。取水口處底泥釋放的最不利條件是溫度為19.64℃,溶解氧為1.12 mg/L,總氮、總磷及氨氮的釋放量分別為:2.138 mg/L、0.381 mg/L及1.109 mg/L。