固廢建材重金屬溶出趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

摘 要：【目的】針對(duì)固廢建材中重金屬的溶出量的預(yù)測(cè)控制效果不佳問題，提出了一種基于長(zhǎng)短期記憶（Long Short-Term Memory，LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重金屬溶出預(yù)測(cè)模型。【方法】首先采用該模型對(duì)顆粒狀及塊狀免燒磚中Cr、Zn和Pb等重金屬元素的溶出量進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。其次為進(jìn)一步提高模型的適用性和訓(xùn)練收斂速度，對(duì)Adam算法的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。最后采用改進(jìn)的預(yù)測(cè)模型對(duì)塊狀免燒磚中的Cr、Zn和Pb的溶出量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)驗(yàn)證。【結(jié)果】在對(duì)塊狀免燒磚的重金屬溶出預(yù)測(cè)中，該模型對(duì)Cr、Zn和Pb預(yù)測(cè)的決策系數(shù)R2均大于0.97，預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。【結(jié)論】該模型對(duì)固廢建材中的重金屬釋放控制具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：固體廢物；重金屬；溶出；預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：X75" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）22-0078-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.016

Prediction and Analysis of Heavy Metal Leaching Trend in Solid Waste Building Materials

Abstract：[Purposes] Heavy metal leaching prediction model based on Long Short Term Memory （LSTM） neural network was proposed to address the poor predictive control effect of heavy metal leaching in solid waste building materials. [Methods] The model was used to predict and analyze the leaching amounts of heavy metal elements such as Cr， Zn， and Pb in granular and block shaped unburned bricks. To further improve the applicability and training convergence speed of the model， the parameters of the Adam algorithm were optimized. Adopting an improved prediction model to simulate and verify the leaching amounts of Cr， Zn， and Pb in block shaped unburned bricks. [Findings] The results indicate that the prediction of heavy metal leaching from block shaped unburned bricks， the decision coefficients R2 of the model for predicting Cr， Zn， and Pb are all greater than 0.97， which indicates a relatively accurate prediction result. [Conclusions] This study has significance for the control of heavy metal release in solid waste building materials.

Keywords： solid waste; heavy metal; leaching; prediction

0 引言

固體廢物是指在生產(chǎn)、生活和其他活動(dòng)過程中產(chǎn)生的喪失原有的利用價(jià)值或雖未喪失利用價(jià)值但被拋棄或者放棄的固體、半固體和置于容器中的氣態(tài)物品、物質(zhì)及法律、行政法規(guī)規(guī)定納入廢物管理的物品、物質(zhì)［1］。我國(guó)是固廢大國(guó)，建材行業(yè)一直都是固廢資源化、減量化、無害化的最大承接者［2］。在“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)過程中，建材產(chǎn)業(yè)一直是固體廢棄物綜合利用的主要途徑之一［3］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了固體廢棄物建材重金屬溶出的相關(guān)研究。有的學(xué)者針對(duì)不同材料中重金屬溶出影響因子展開研究［4-5］。有的學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型或基于物理模型對(duì)重金屬溶出進(jìn)行計(jì)算模擬［6-9］，但相關(guān)方法的準(zhǔn)確性不足，對(duì)重金屬長(zhǎng)期釋放量的預(yù)測(cè)容易出現(xiàn)較大的偏差。王圣偉等［10］利用LSTM原理構(gòu)造了對(duì)流域污染物重金屬含量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)模型；婁天瀧［11］提出了針對(duì)多元復(fù)雜非線性系統(tǒng)的PS-LSTM預(yù)測(cè)方法對(duì)環(huán)境重金屬含量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在重金屬溶出預(yù)測(cè)領(lǐng)域已有很多種研究方法，但是缺乏一種專業(yè)、穩(wěn)定、高精準(zhǔn)度的預(yù)測(cè)方法。本研究在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同溶出條件、不同材料特性、不同溶出時(shí)間的固廢建材重金屬溶出數(shù)據(jù)分析，提出一種基于LSTM模型的固廢建材重金屬長(zhǎng)期溶出趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型，以豐富固廢建材化的環(huán)境安全研究理論和實(shí)踐。

1 基本理論

1.1 LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

LSTM每個(gè)單元結(jié)構(gòu)包括遺忘門、輸入門和輸出門，如圖1所示。

其模型關(guān)系表達(dá)式如式（1）至式（6）。

式中：Ct表示t時(shí)刻狀態(tài)；Ct-1表示t-1時(shí)狀態(tài)信息；Wt、[Wi]、[WC]與[Wo]表示權(quán)重矩陣。[ot表示輸出門在t時(shí)刻的向量值；ft]表示遺忘門在t時(shí)刻向量值；ht-1表示t-1時(shí)刻的輸出；xt示遺忘門t時(shí)刻的輸入；bf、[bo]、[bi]與[bC]表示偏置系數(shù)；it表示更新概率；[σ]與RELU為激活函數(shù)。[?t]表示t時(shí)刻的輸出。

1.2 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

為評(píng)估模型性能，采用回歸模型評(píng)價(jià)中常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、平均絕對(duì)誤差（Mean Absolute Error，MAE）、平均絕對(duì)百分比誤差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）和決策系數(shù)R2評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)效果。具體計(jì)算公式見式（7）至式（10）。

式中：xi為重金屬溶出的真實(shí)值；[xi]為其平均值；yi為重金屬溶出預(yù)測(cè)值；n為測(cè)試樣本個(gè)數(shù)。

2 預(yù)測(cè)模型構(gòu)建及分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以溫度、時(shí)間、pH值、粒徑等影響重金屬溶出量因素為變量，設(shè)計(jì)重金屬溶出試驗(yàn)。試樣中重金屬元素額外添加，添加的重金屬種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Cr2O3、PbO、ZnO各0.4%。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

經(jīng)多次試驗(yàn)，共獲取試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)78組。為保證試驗(yàn)所用數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性檢查、無效數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)處理。由于樣本數(shù)據(jù)較為稀疏，在模型訓(xùn)練前，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行雙線性插值處理，以擴(kuò)充數(shù)據(jù)。

2.3 模型建立及預(yù)測(cè)

①在匯總整理有關(guān)固廢建材重金屬溶出的數(shù)據(jù)之后，選取溫度、時(shí)間、pH值、粒徑、重金屬溶出量作為參數(shù)，基于LSTM模型對(duì)不同粒徑（顆粒狀及塊狀）的免燒磚構(gòu)建重金屬溶出預(yù)測(cè)模型。

②將試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行訓(xùn)練，并利用驗(yàn)證數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型驗(yàn)證。預(yù)測(cè)效果達(dá)到評(píng)價(jià)指標(biāo)要求后，完成模型的訓(xùn)練。

③用訓(xùn)練好的模型對(duì)待測(cè)材料進(jìn)行重金屬溶出的預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)結(jié)果。

2.4 模型分析

顆粒狀免燒磚重金屬溶出模擬結(jié)果如圖2所示，重金屬溶出預(yù)測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)值見表1。

塊狀免燒磚重金屬溶出模擬結(jié)果如圖3所示，預(yù)測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)值見表2。

模型預(yù)測(cè)效果與RMSE、MAE和MAPE成反比，與R2成正比，故由表1和表2可知，在對(duì)顆粒狀免燒磚的初步模擬中Pb溶出率的預(yù)測(cè)效果較好；對(duì)塊狀免燒磚的初步模擬中Cr溶出率的預(yù)測(cè)效果較好，Pb溶出率的預(yù)測(cè)效果較差。對(duì)Pb的測(cè)試觀察可得，塊狀免燒磚的溶出結(jié)果中達(dá)到溶出量最大值的時(shí)間要比顆粒狀的靠后，分析其原因主要與不同粒徑的免燒磚對(duì)Pb的固定化作用有關(guān)。

3 模型優(yōu)化

為進(jìn)一步提高模型的適用性和訓(xùn)練收斂速度，針對(duì)原始數(shù)據(jù)的極值點(diǎn)問題，模型采用三階B樣條插值算法替換雙線性插值算法；同時(shí)，對(duì)Adam算法的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)過優(yōu)化后，本研究采用改進(jìn)的預(yù)測(cè)模型對(duì)另一組塊狀免燒磚中的Cr、Zn和Pb的溶出量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)驗(yàn)證，結(jié)果如圖4所示，評(píng)價(jià)指標(biāo)值見表3。由表3可知，優(yōu)化后模型的R2值整體優(yōu)于優(yōu)化前，優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)論

本研究基于LSTM建立固廢建材重金屬溶出模型，預(yù)測(cè)了Cr、Pb和Zn的溶出變化規(guī)律，結(jié)論如下。

①對(duì)顆粒狀及塊狀免燒磚的重金屬溶出預(yù)測(cè)表明，對(duì)塊狀免燒磚的預(yù)測(cè)結(jié)果較好，主要與材料自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。

②通過對(duì)模型優(yōu)化，Cr、Zn、Pb的決策系數(shù)R2分別達(dá)到0.973 4、0.999 7、0.997 1，提高了模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

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