简析响应面法在污水处理工艺优化中的应用

赵志刚

摘要： 许多处理污水的主要方法是以去除污水的量为指标，所以提高去除污水率对处理污水具有不可估量的影响。一般的研究方法具有适应性差、能耗大、安全性低等不足。响应面法是在数学建模和逻辑分析的基础上研究出来的，通过研究各种可能的因素对工艺优化的作用，以最大程度提高优化效率，它被认为是一项高效且实用的处理工艺和处理方法，能够用于各种处理污水中的变量控制。本文分析了响应面法的污水处理工序和工艺优化原理，综合研究了响应分析法在各种处理污水优化中的作用，目的是研究出一种安全有效、环保节能的处理污水的优化工艺。

关键词： 响应面法； 污水处理； 工艺优化； 应用研究

响应面法是把数学建模和化学试验综合起来的研究方法，同时对优化参数、工艺处理和统计分析也进行了结合，一般应用于研究某种有价值的优化参数受不同变量作用的统计和建模方法，以完成提高污水去除率的任务。响应面法的应用时间短，却广受青睐，已经普遍应用于工艺优化与数理研究等方面。目前，对响应面法的研究在各个方面都受到重视。本文基于对响应面法的设计原理和实际应用的分析，综合论述了现阶段响应面法在各种污水处理优化工艺中的实际，旨在能够为处理废水的优化工艺贡献有价值的参考意见和研究方法。

1、 响应面法的基本原理

1. 1 数学建模的试验

在进行数学建模的过程中，要使模型可以获得比较接近实际的优化参数，在进行数学建模分析时一定检验其有效性和精确性。建模试验的有效性取决于决定系数：

R2 =回归平方和/总平方和

它是对期望值和参数近似值的表现。就某一非常接近于期望值的近似值模型来说，它的R2 的数值必须近似于1. 0。期望值和实际值存在的差值被叫做残差，在评价一个模型的有效性时，残差是主要的衡量标准。如果残差的分布是正向分布，残差点会在一条直线周围有规律地分布，证实这个数学模型非常理想。F值用来衡量各种变量的作用和重要性。如果F值越大那么 p和F 的差值就越小，证实该数学模型与个体的相关性大。若 p与F 的差值小于 0. 05，证实该模型处于95%的范围影响显著。数学模型在建模中相关数据的误差用失拟项来表现，失拟项越小越好。若失拟项比 F 值大，证实数据误差非常大，就必须对该模型进行完善。

1. 2 优化工艺的研究

高线图和三维曲面图通常被用来衡量多元二次回归模型的拟合结果，等高线图用来表示拟合数据的二维模型，响应曲面图则用来表示拟合结果的三维模型，这两个图能够直观地反映多种变量的响应情况。若存在三个以及多于三个的变量，高线图和三维曲面图就会出现一个常数值。所以，响应曲面分析法能够获取预期的响应的最大值和最小值，以及最优的参数值。如果出现多于三个的变量，则不容易获取与一切变量都符合的最优参数，此时不妨改变思路选择另一种优化工艺。

2、响应面法与传统方法的差异

传统的研究方法通过观察不同的变量对响应的不同作用来推断最优参数值，只分析了单一的因素发生变动之于响应的作用，却没有分析各种因素的相互作用。正交试验设计即使能够分析多种变量的共同作用，也不能在划定的范围内发现变量和响应值的明确的数量关系，所以就不能发现划定的范围内的最优参数值和最优响应值。但是响应面法能够基于相关数据建立回归方程，在对其进行分析，以寻得受不同变量作用的最优参数值和最优响应值。因为它试验的时间短、频率少、误差小，与单因素分析、比正交实验法、和均匀设计法等传统方法相比，具有莫大的优势。所以在实际运用中也比传统方法更受欢迎，应用也更为广泛。图1是响应面法在实际生活中的应用。

3、响应面法在废水处理的实际应用

3.1焦化和煤气化废水

焦化和煤气化废水是一种有机废水，不仅毒性强而且难以降解，它的来源多为焦炉煤气初冷和焦化生产过程中的产生的废水。这种废水的污染物含量大，毒性强，其主要成分多环芳烃不仅难以处理，而且往往毒性极强。对环境造成严重的污染的同时，还会对人体产生致癌物質。采用响应面法能够优化处理焦化和煤气化废水，找到最有效的试验条件。图2是废水处理的相应参数分析。

3. 2 垃圾渗滤液

垃圾渗滤液通常指垃圾填埋场中的垃圾本身含有的水分、进入填埋场的雨水和雪水，扣除垃圾层和覆土层的含水量，在垃圾层和覆土层产生的一种有机废水。渗滤液的污染物的分类极广，但它们普遍具有浓度高，毒性强，难以降解的特点，严重污染地表水和地下水的水质。采用响应面分析法进行工艺优化通常是处理这类废水的最佳选择。

4、结束语

响应面法已经广泛应用于相关的工艺优化，研究证实，通过响应面法进行工艺参数的优化准确度高，而且在实际的污水处理工艺优化上已经得到了普遍的应用。但是，这种分析方法还是具有一定的局限性。所以，工艺优化后的参数必须还要接受相关试验的检验，实际应用中的工艺效率值还有待提升，同时工艺优化试验中的预测值也要进行进一步的讨论。

参考文献：

[13]张国钟.响应面法应用于臭氧深度处理制药废水优化研究[J].给水排水，2013，39（ 11） ： 141-145.

[14]王红涛，王增长.催化超临界水氧化法处理制药废水的研究[J].水处理技术，2014，40（ 4） ： 92-94.

（作者单位：苏州中晟水处理有限公司）