实验设计与数据处理

《实验设计与数据处理》

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实验设计与数据处理在水处理学科中的应用

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摘要：实验设计与数据处理是以概率论、数理统计及线性代数为理论基础，经济地、科学地安排实验和分析处理实验结果的一项科学技术。其主要内容是讨论如何合理安排实验和科学地分析处理实验结果，从而达到解决生产中和科学研究中的实际问题。它要求除具备概率论、数理统计及线性代数等基础知识外，还应有较深和较广的专业知识和丰富的实践经验。只有这三者紧密地结合起来，才能取得良好的效果。本文主要讨论实验设计与数据处理的理论基础及其应用实例。 关键词：正交试验设计；理论基础；初滤水；浊度；工艺参数。

Experimental design and data processing in water

treatment science application

Abstract: The design of experiments and data processing is based on theory of

probability and mathematical statistics and linear algebra as the theoretical basis, and economic, scientific experiments and analysis to arrange of experiment results a science and technology. Its main content is to discuss how to arrange experiments and scientific analysis processing experimental results, so as to achieve production and scientific research to solve the actual problem. It requires is divided have probability theory, mathematical statistics and linear algebra basic knowledge outside, also should have the deep and a wide of the professional knowledge and rich experience. Only these three closely combined, can obtain good effect. This paper

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mainly discusses the design of experiments and data processing theory base and its application example.

Key words: Orthogonal test design; Theoretical basis; Filter water at the

beginning; Turbidity; Process parameters.

前言：化学试验设计与优化方法已成为统计学中的重要实验设计体系, 并成为化学计量学中应用广泛的设计方法, 主要有因子设计及部分因子设计、正交试验设计、最优设计和单纯形设计方法。从目前的情况看, 整个化学学科还是一门以实验研究为主的自然科学的分支科学。有关如何通过试验设计的方法来最有效的获取相应化学信息, 以 达到最优化学反应的条件, 是化学及化工研究中一个十分重要的问题。就分析化学而言, 通过试验设计以找到最优的量测试验条件, 一直是化学计量学研究的一个重要内容。可以说, 对于化学量测实验, 实验设计的成败, 关系到实验能否得到包含所需信息的化学量测数据, 一个失败的试验设计将导致所得到的数据中包含的信息量极低,任何卓有成效的处理数据的化学计量学方法也无法从中提取有用的信息。 1. 背景

目前, 多数水厂对初滤水处理的方法是直接排放到清水池中, 由于初滤水量占过滤总量的比例很小, 被“稀释”后, 最终出水的浊度、大肠杆菌、细菌总数及其他水质指标一般都能符合要求, 所以过去一些给水厂在新建滤池时基于成本考虑, 取消了初滤水排放管。事实上, 初滤水含有大量滤层中的杂质,浊度高, 水中非溶解性物质和微生物的含量也高, 如果水源受到病原微生物的污染, 在滤池内会截流大量

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原生动物的孢囊和卵囊, 虽反冲洗时大部分会被冲出滤池, 但也会残留存于初滤水中, 可能对饮用水的安全性构成威胁。因此降低初滤水浊度是提高出水水质, 保证水质安全的关键之一。

以深圳水库水作为原水进行初滤水浊度控制的研究。采用正交试验的方法, 将四种影响初滤浊度的控制方法进行优化组合, 确定各种技术对控制初滤水浊度的影响程度并选取优化方法以确保全流程水质安全性。

2．试验设备与方法 2.1 实验设备

工艺流程见图1。水厂沉淀池出水经过潜水泵进入试验用水箱, 通过清水泵进入有机玻璃滤柱, 滤柱直径为340 mm, 滤层厚为1.2 m, 滤料为均质石英砂, 粒径为0.6-1.0 mm。由于聚氯化铝(PAC)具有强烈的电中和脱稳能力及快速的絮凝反应动力学特征, 对于处理低浊水中的有机物是有效的，因此试验采用PAC ( Al2O3 含量为9.8%) 做微絮凝剂。浊度检测采用美国HACH公司2100SP型在线浊度仪, 精度0,001NTU。

[1]

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2.2 试验方法

试验采用三种控制初滤水浊度的方法

[2,3]

:①改善待滤水的过滤

性能, 即向沉后水中投加微絮凝剂,进行二次微絮凝过滤;②降低过滤初期滤前水的浊度, 即向反冲洗后期的残留水中投加微絮凝剂;③通过调节过滤初期流速, 延长停留时间, 降低初滤水浊度。另外, 沉后水浊度对滤后水浊度的控制有很大的影响, 因此通过正交试验, 将以上4 种控制初滤水浊度的因素进行优化组合, 并测定每次试验初滤水浊度最大峰值和过滤初期浊度达到稳定所需时间。 3. 正交试验设计

3.1 因素及水平因素的确定

试验过程中, 待滤水为水厂沉后水, 浊度1-2.5NTU,因此选择水平值为1NTU、1.5NTU、2NTU、2.5NTU;根据文献选择二次微絮凝投药量为0、0.05mg/L、0.1mg/L、0.2mg/L;通过中试确定反冲洗投药量为0、5mg/L、10mg/L、15mg/L,调节初滤水流速从3m/h到8m/h,时间间隔为0、10min、20min、30min。以此为试验参数进行正交试验,并确定各个因素的4个水平, 见表1。

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