基于响应曲面法优化低温热碱预处理剩余污泥的操作参数

The effect of exccas sludge disintegration on time

2.2 响应曲面的实验结果

采用DesignExpert进行试验设计以及数据分析，试验值、预测值及误差见表6，对表6试验数据进行多元回归拟合，得到低温热碱对剩余污泥溶胞率影响的二次多项回归模型方程：

Y=39.01-0.57*A+7.57*B-1.12*C-1.45*A*B-0.69*A*C+0.50*B*C-7.10*A²+1.25*B²-0.51*C²（1）

对该模型方程进行方差分析和显著性检验，从分析结果知模型的F-value为18.91，P-value(Prob>F)<0.05，说明回归方程描述温度、pH、处理时间三个因素因子与响应值之间的非线性方程关系是显著的，即这种实验方法是可靠的，对剩余污泥溶胞率的效应显著，各因子间交互作用比较明显。在试验设计范围内，该模型回归显著,模型的R-Squared=0.9629，AdjR-Squared=0.9153，Pred R-Squared=0.4167，说明该模型能解释91.53％响应值的变化，模型具有较好的回归性。AdeqPrecision衡量了噪音比的信号，该值大于4才可以用于模拟。本试验Adeq Precision=15.434，说明该模型具有足够的信号来用响应该设计。Sheng-Ying Ye 等人^[5]研究表明，当R-Squared>0.95，这个效应是精确的，即该模型与试验结果拟合良好。

表6 响应曲面试验设计与结果

Table 3 Response surface designand results of lysis rate

注：-1= 负水平, 0=中心水平,+1=正水平, A，B，C代表因子代码；
 

2.3 响应曲面的分析

联系回归方程式(1)环境保护论文，各个因素之间关系两两作图，等高线图以及3D图如图1～3所示。从颜色渐变中可以直观地看出剩余污泥溶胞率的变化情况^[6,7]。等高线的形状可以反映出交互效应的强弱，椭圆形表示二个因素交互效应显著，圆形与之相反，观察这三幅图，可以明确的看出，都是椭圆形状，说明各个因素交互效应显著。

图1反映了温度和pH值对剩余污泥溶胞率的交互效应。结果表明，剩余污泥溶胞率和pH值基本呈线性关系，溶胞率随pH值的增大而增大，当达到12时，达到最高点。从平行pH值轴的椭圆轴的趋势可以看出，如果增大pH值，可以增大剩余污泥溶胞率，但是考虑到后续处理条件，本实验pH值选择极值为12。温度对剩余污泥溶胞率的影响是抛物线形式，剩余污泥溶胞率随温度的升高先升高后降低，从等高线的弯曲程度可以看出，当温度为92℃的时候，高度最高，同时，曲线的弯曲程度最大，说明效果最好论文提纲怎么写。从图中可以看出，两因素存在一定的协同作用，只有在一定的范围内才能达到最好的处理效果。从图中还可以看出，两因素存在一定的交互效应，而且存在一个最优的溶胞率区域，即图中温度82-97℃，pH值11.3-12的一椭圆形区域，这一区域内，剩余污泥溶胞率均在44.09%以上。

图1 温度和pH的响应曲面图

Fig.1 Response surface plots of temperature and pH

图2反映了处理时间和温度对剩余污泥溶胞率的交互效应。从图中可以看出，温度对剩余污泥溶胞率的影响和图1中的趋势是一样的，随温度的升高先升高后降低，不同的是，这时在温度为88.7℃达到最高；剩余污泥溶胞率和处理时间呈一条直线关系，且斜率不大，说明剩余污泥溶胞率随处理时间的改变不明显，处理时间对剩余污泥溶胞率的影响不大，处理时间是一个次要因素。从图中可以看出，温度和处理时间存在一定的交互效应，在温度85-95℃，时间为60-98min的一个椭圆区域内内，剩余污泥溶胞率达到37.86%以上。

图2 温度和处理时间的响应曲面图

Fig.2 Response surface plots of temperature and time

图3反应了处理时间和pH值对剩余污泥溶胞率的交互效应。结果表明，剩余污泥溶胞率随pH值的增大而增大，当达到12时，进入红色区域。处理时间对剩余污泥溶胞率的影响，同图2中反映的情况相似，影响不是很大，但是，从图中可以看出，处理时间和pH值存在一定的交互效应，但还是pH值起主导作用。

图3 pH和处理时间的响应曲面图

Fig.3Response surface plots of pH and time

温度、pH值和处理时间三个自变量因素对剩余污泥溶胞率的影响从大到小依次为：pH，温度，处理时间。

在选取的3个因素各自的范围内，利用回归模型通过Design-Expert软件分析得出，得到溶胞率最大值的优化条件是:温度为88.83℃环境保护论文，pH值为12.00，时间为73.79min，剩余污泥溶胞率的预测值为48.10%。为了试验操作方便，可以选定温度为89℃，pH为12.00，时间为74min。

2.4 模型的验证

依据最佳试验条件的确定结果，即在温度为89℃，pH值为12.00，时间为74min的试验条件下进行了3次重复试验．得到的剩余污泥溶胞率分别为47.97%。48.05%，48.07%，优化效果显著，进一步证明该回归模型是有效可靠的。

2.5 实验对比

至今已有很多研究考察热碱预处理对污泥的破解效果。本实验在温度为89℃、pH=12.00、反映时间为74min的最佳试验条件下处理剩余污泥，溶胞率达到48%（SCOD为16527mg/L）；陈路全^[8]在pH=11条件下超声污泥40min，溶胞率达到20.40%；何玉凤^[4]在反应温度为170℃、pH=13、反应时间为75 min的条件下处理剩余污泥，SCOD达到最大融出量17956mg/L；Lise Appels等人^[9]在温度为90℃、处理时间为60min的条件下处理污泥，SCOD溶出量为10250mg/L。综上所述，本实验的试验参数和试验结果良好。

3 结论

（1）通过单因素试验确定温度、pH、处理时间的探测范围分别为[80℃，100℃]、[10，12]、[60min，120min]。

（2）采用Design-Expert试验设计软件，根据Box-Benhnken实验设计原理建立低温热碱预处理对剩余污泥溶胞率影响的二次多项式数学模型为：

Y=39.01-0.57*A+7.57*B-1.12*C-1.45*A*B-0.69*A*C+0.50*B*C-7.10*A²+1.25*B²-0.51*C²

方差分析结果表明，拟合检验显著，决相关系数达0.9629，该方程能较好的预测剩余污泥溶胞率随各因素的变化规律。

（3） 通过软件分析，低温热碱预处理对剩余污泥溶胞率的最佳操作参数为：温度为88.83℃，pH为12.00，处理时间为73.79min，在此条件下剩余污泥模拟溶胞率为48.10%。

（4） 通过模型验证，在分析得到的最佳试验条件下进行了3次重复试验．得到的剩余污泥溶胞率分别为47.97%。48.05%，48.07%，优化效果显著，进一步证明该回归模型是有效可靠的。

参考文献
[1]郭亮.污水厂剩余污泥水解及其厌氧发酵产氢技术研究:(博士学位论文).湖南.湖南大学，2009.
[2]王芬.剩余污泥超声破解的性能与机理研究:(硕士学位论文).天津:天津大学,2004.
[3]本益,刘俊新.污水处理系统剩余污泥碱处理融胞效果研究.环境科学,2006,27(2):19—23.
[4]何玉凤.热碱处理促进剩余污泥水解的试验研究.(硕士学位论文).大连:大连理工学,2007.
[5]Sheng-YingYe,Yuan-XinQiu,Xian-LiangSong,Shu-CanLuo.Optimizationofprocessparametersfortheinactivationof Lactobacillus sporogenes in tomatopastewithultrasoundand60Co-g irradiation using responsesurfacemethodology .Radiation Physics andChemistry 78 (2009) 227–233.
[6]严建刚,张名位.芹菜黄酮的提取条件及其抗氧化活性研究.西北农林科技大学学报:自然科学版,2005,33(1):131-135.
[7]Stat-Ease Inc.Design2Expert 7 User’s Guide[EB/OL]. [2005209207]. http://www. statease. Com.
[8]陈路全.加碱和超声破解预处理对剩余污泥厌氧消化的影响.(硕士学位论文).天津：天津大学,2008.
[9]Lise Appels,Jan Degrève,Bart Van der Bruggen,Jan Van Impe,Raf Dewil.Influence of lowtemperature thermal pre-treatmenton sludge solubilisation,heavy metal release and anaerobic digestion.Bioresource Technology 2010.
 

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