应用响应曲面法优化某水库底泥中氮磷释放的最佳条件

黄 琼 汪贵明 宋 瑶

(1.西安益通热工技术服务有限责任公司,西安 710054;2.陕西蔚蓝节能环境科技集团有限责任公司,西安 710005)

水源水库(湖泊)水质污染与富营养化控制理论及技术的研究是近年来国内外城镇供水安全领域关注的前沿课题之一。沉积物是水环境的重要组成部分,既是水中污染物的“汇”,又是水体二次污染的“源”[1]。沉积物中氮磷的释放对水质有较大影响,因此,污染底泥内源污染控制,对改善水体水质有着非常重要的作用,尤其是对水体功能要求较高的水库[2-3]。本文研究对象为浙江省某水库,该水库属大型水库,据调查研究,该水库先后出现过多次大、小规模的藻类爆发现象,氮、磷超标严重。

经过分析研究,该水库属于典型的深水分层水库,水库底部的沉积物富集了大量的有机污染物,在夏季会因为洪水对其的扰动以及翻库作用而产生释放,这是造成该水库常年水质不佳和藻类爆发事件的主要原因[4-5]。因此,本研究使用响应曲面法进行实验设计[6-9],通过实验室静态模拟底泥中氮磷的释放,及其氮磷释放多元回归方程的拟合,优化释放条件,对于研究底泥对水质的影响具有重要的实际意义。

1 材料与方法

1.1 响应曲面法简介

响应面优化法是将实验得出的数据结果,进行响应面分析,得到的预测模型,通常包括实验设计、模型拟合和过程优化。常用的实验设计方法为中心复合设计法(Central Composite Design,CCD),通过试验评估输出变量(评价指标)和因素之间的非线性关系,设计流程如下图1。

图1 中心复合设计流程图

1.2 实验方案设计

本文选取温度和溶解氧两个对底泥中氮、磷释放有影响的因素作为自变量,总氮、总磷和氨氮三项指标作为响应值,设计一套拟合二阶模型的试验方案,对于拟合二阶模型的实验设计,每个因素必须至少有三个水平,因此将自变量温度和溶解氧均设三个水平,对这两个影响因素进行优化,把自变量和响应值的关系函数化,可依次对函数进行面分析,定量地分析各因子间交互作用对响应值的影响,使污染物质的释放量达到最低,为水库底泥释放污染物的控制打下良好的基础[10]。温度、溶解氧分别为自变量A、B,实验设计工况见表5,共13组试验。

1.3 实验材料

实验所用底泥样品取自该水库取水口处表层底泥,实验采用蒸馏水作为底泥上覆水的原水,目的是使底泥上覆水的pH值保持中性,并且确定释放达到平衡时上覆水中的污染物均来自底泥释放。

1.4 污泥特性

实验所用底泥的相关性质见表1,底泥各指标检测方法与仪器见表2。

表1 实验所用底泥的主要性质

表2 底泥各指标检测方法及仪器

1.5 水库底泥中氮磷释放实验方法

本实验在250 mL锥形瓶中加25 g底泥,用蒸馏水标定至标线,按照实验设计工况,见表5,每天定时测定上覆水中各指标含量,每次实验设三个平行取平均值,最终取释放达到平衡时的测定数据,上覆水中各指标含量不再增加视为释放达到平衡点。取水样时采用注射器中位取水,抽滤之后测定总氮、总磷、氨氮三个指标。水质检测方法与仪器见表3,实验条件控制方法见表4。

表3 水质指标监测方法与仪器

表4 实验条件控制方法

表5 CCD试验设计及实测值

2 结果与讨论

2.1 CCD实验工况及测定结果

13组工况下总氮、总磷和氨氮的测定结果见表5。

2.2 回归方程拟合

利用CCD模块对试验数据进行多元回归拟合,得出温度(A)、溶解氧(B)与总氮、总磷和氨氮的二次多项式回归模型如下:

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

采用方差分析法检验模型的显著性,并给出几种决定系数以辅助确定模型的拟合优度,F值和P值是判断该项因素是否显著的主要值,P值小于5%则说明该项系数显著,F值越大说明显著性越好;失拟误差越小,表明拟合效果越好;信噪比是用最大预测响应与最小预测响应的差除以所有预测响应的平均标准偏差计算得到,这个量的值大一些是较为理想的,大于4即为期望值;决定系数R2越接近于1则表明R2(adj)和R2(pred)的值很相似[11-12],检验结果见表6。

表6 模型显著性检验的决定系数

由显著性检验结果可以看出三个模型的F值均比较大,P值均小于5%,则说明模型是显著的;失拟误差均比较小,失拟的显著性均很低,说明拟合效果很好;信噪比均远高于期望值,即该三个模型在预测方面具有相当好的性能;决定系数R2分别为0.908、0.936、0.918,表明因变量的可变性超过90%可以由回归模型解释,因此各验证指标均符合模型的精度要求,说明三个模型均可用于预测。

2.3 底泥释放与影响因素交互影响的三维响应曲面图及等值线图

根据得到的拟合方程,绘制出反应温度、溶解氧两个因素条件下对底泥中总氮、总磷、氨氮释放交互影响的三维响应曲面图及等值线图,如图2至图7。

图2 温度和溶解氧对总氮释放影响的等值线图 图3 温度和溶解氧对总氮释放影响的响应曲面图

图4 温度和溶解氧对总磷释放影响的等值线图 图5 温度和溶解氧对总磷释放影响的响应曲面图

图6 温度和溶解氧对氨氮释放影响的等值线图 图7 温度和溶解氧对氨氮释放影响的响应曲面图

从响应曲面图及等值线图可以看出,溶解氧和温度分别在1～8 mg/L和8～20℃范围内时,溶解氧一定的情况下,温度越高,释放量越大;温度为定值时,溶解氧越高,释放量越低;溶解氧为1 mg/L、温度为20℃时,总氮、总磷、氨氮的释放量分别可至2.0 mg/L、0.37 mg/L、1.0 mg/L以上;溶解氧为8 mg/L、温度为8℃时,总氮、总磷、氨氮的释放量分别可低至0.7 mg/L以下、0.13 mg/L以下、0.35 mg/L以下。响应曲面能迅速地、直观地看出温度、溶解氧和各释放指标之间的独立关系,确定出各指标独立释放量较小时的影响因素取值范围,但不能够得出具体值,且不能直观看出各指标联合释放量最优值,必须通过拟合模型进行优化,从而确定最佳方案。

2.4 优化方案和最不利情况的预测及结果验证

2.4.1 优化方案和结果的验证

本研究中总氮、总磷、氨氮释放量最小时则为最优,采用上述所得拟合模型预测温度和溶解氧的最优值,在模型中设定三项指标最小值作为优化标准,预测的最佳释放条件为温度为9.87℃,溶解氧为7.93 mg/L,预测的总氮、总磷、氨氮的最佳释放量分别为0.677 mg/L、0.115 mg/L、0.325 mg/L,可取系数为1。该优化结果是一个预测的结果,需要做实验加以验证,如果根据预测的实验条件,能够得到与相应的预测结果一致的实验结果,则说明进行响应面优化分析是成功的;如果不能够得到与预测结果一致的实验结果,则需要改变响应面方程,或是重新选择合理的实验因素与水平。

通过在最佳条件下对释放试验进行验证,所得结果为见表7,实测值与预测值误差均在5%以内,说明预测的优化结果可靠。

表7 优化条件及结果验证

2.4.2 最不利情况及结果验证

本研究中,总氮、总磷、氨氮释放量最大时为最不利情况,因而在模型中设定三项指标选取最大值,预测出最不利释放条件为温度为19.64℃,溶解氧为1.12 mg/L,并且预测出总氮、总磷、氨氮在最不利情况下的释放量分别为2.039 mg/L、0.4 mg/L、1.135 mg/L,可取系数为0.866。在最不利条件下进行释放试验验证,所得结果见表8,实测值与预测值亦非常相近,误差也在5%以内,结果表明预测结果可靠,因此,对于该水库取水口,应进行温度及溶解氧的控制,避免最不利情况的发生。

表8 最不利释放条件及结果验证

3 结论

(1)采用中心复合设计法得出该水库取水口处温度(A)、溶解氧(B)与总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)的二次多项式回归模型,模型的决定系数R2分别为0.908、0.936、0.918,拟合度良好,模型准确可靠,并通过试验对三个模型进行验证,结果均为可用于预测。

(2)响应曲面图及等值线图表现出底泥污染物释放与环境因子之间的规律,该水库底泥中污染物释放浓度受上覆水体温度、溶解氧浓度影响,温度越高,溶解氧含量越低,底泥中污染物释放浓度越大。

(3)通过拟合模型预测出取水口处底泥释放的最佳条件是温度为9.87℃,溶解氧为7.93 mg/L,总氮、总磷及氨氮的释放量分别为:0.658 mg/L、0.120 mg/L及0.319 mg/L。取水口处底泥释放的最不利条件是温度为19.64℃,溶解氧为1.12 mg/L,总氮、总磷及氨氮的释放量分别为:2.138 mg/L、0.381 mg/L及1.109 mg/L。