左金龍，黃宗毅，宋雨薇，常詩穎，顏夢潔，尹楚淇

(哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院環(huán)境工程系，哈爾濱 150028)

由于我國工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展以及人口基數(shù)大的特點，所產(chǎn)生的生活、工業(yè)等污水量持續(xù)增多.另外，城市內(nèi)所面臨大量的生活和工業(yè)廢水需要處理，黑臭水體在城鄉(xiāng)均廣泛分布[1-3].目前，處理生活污水、工業(yè)廢水的主要處理工藝是活性污泥法，活性污泥法的處理效果受到pH、DO等諸多環(huán)境因素影響，如果大量的污水和廢水未經(jīng)有效處理就排入河流，將會造成嚴重的水污染.黑臭水體的成因[4]以及處理城市污水的研究主要涉及COD、氨氮以及磷酸鹽.大部分的天然礦物具有表面效應、結(jié)構(gòu)效應、孔道效應、晶體結(jié)構(gòu)等性質(zhì)[5].具有較好的陽離子交換性能，能快速凈化水體，抑制黑臭現(xiàn)象和修復環(huán)境.本文以天然沸石、改性沸石的實驗數(shù)據(jù)作為Matlab模擬仿真的訓練集和驗證集.

1 沸石的應用

沸石是一種具有分子篩作用的晶體硅鋁酸鹽物質(zhì).因此沸石能根據(jù)其有效孔徑，可篩分不同大小的流體分子.沸石中二氧化硅和三氧化二鋁的物質(zhì)的量的比的差異使其孔結(jié)構(gòu)和性能也不相同.見圖1.沸石硅鋁酸鹽微晶結(jié)構(gòu)使得鋁離子易取代硅原子，整個結(jié)構(gòu)帶負電，為中和負電會吸引金屬陽離子結(jié)合與之結(jié)合.但這些結(jié)合不穩(wěn)定易與水溶液中陽離子交換.這一特性可以實現(xiàn)污染物的去除和重復利用[6].Cheng等人[7]在沼液中投入NaCl改性沸石進而去除氮磷，實驗表明，鈉改性沸石使用量的范圍在0.5～5 g/100 mL內(nèi)時，游離氨、銨離子和PO3-4-P的去除率范圍分別為5.19%～94.94%和72.16%～91.63%.由此可知沸石的投加量對于去除氨氮影響較大，對于去除磷的總成效較優(yōu).張璐[8]不使用混凝劑而用鑭改性沸石替代進行混凝實驗，通過分別用這些沸石顆粒制成過濾柱模擬沉淀過程，結(jié)果顯示，未加入絮凝劑時，加入0. 05 g鑭改性沸石處理含磷質(zhì)量濃度為2 mg /L、NO3—N的質(zhì)量濃度為2.3 mg /L、游離氨和銨離子的質(zhì)量濃度為 5 mg /L 的廢水，去除效率分別達到90%、75%、87%.

圖1 沸石結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of zeolite structure

2 材料與方法

2.1 原水水質(zhì)

天然沸石、改性沸石對廢水處理的試驗數(shù)據(jù)作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模擬，所采用數(shù)據(jù)的試驗條件不同，各個考察參數(shù)及其范圍如表1所示.

表1 考察參數(shù)及范圍表Table 1 Investigation parameters and scope table

2.2 試驗方法

所采用數(shù)據(jù)的試驗方法原理相同，方法如下：

將廢水或模擬廢水置于容器(燒杯、離心管、錐形瓶)中，通過磁力攪拌器(恒溫振蕩器)在恒溫條件，調(diào)節(jié)pH下，以一定轉(zhuǎn)速對廢水進行降解.取上層清液，經(jīng)過離心分離后，用濾膜過濾，進行分析監(jiān)測.

2.3 分析方法

分析檢測的項目有：氨氮(NH4+—N)、磷酸鹽(PO4+—P)、pH、溫度.

所用試驗數(shù)據(jù)所檢測項目的監(jiān)測方法有：

1)氨氮：分析方法為國家或行業(yè)的標準方法，納氏試劑光度法，水楊酸次氯酸鹽分光光度法；

2)磷酸鹽：分析方法為鉬酸銨分光光度法，鉬銻抗分光法；

3)pH：采用不同類型的pH計檢測，采用不同類型的酸度計檢測；

4)溫度：采用搖床設(shè)定恒定溫度；采用溫度計測定；采用恒溫振蕩器設(shè)定恒定溫度；采用磁力攪拌器設(shè)定恒定溫度；

在城市建設(shè)當中，房地產(chǎn)開發(fā)很重要。當前我國實行了城市化政策，需要提供大量的保障措施跟進。還需要制定科學合理的開發(fā)規(guī)劃，這樣才可以解決在經(jīng)濟發(fā)展當中所帶來的相關(guān)城市病，如環(huán)保、房價高等問題，也能促進公共基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，調(diào)動與其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。怎樣才可以推動房地產(chǎn)行業(yè)的健康發(fā)展，需要看總體規(guī)劃是否合理，施工過程是否高效，后期銷售是否理性，各個階段的風險管控措施是否到位等。而在這么多需要考慮的內(nèi)容當中，風險管理又是其中的重點。

3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建

Matlab是一款具有通用科學計算、圖形交互系統(tǒng)和程序設(shè)計語言的優(yōu)秀科技應用軟件，其應用范圍包括：仿真模擬、算法推導、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果的可視化等，作為各個領(lǐng)域的專家學者在研究和工程應用中的分析應用工具.

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要結(jié)構(gòu)為神經(jīng)元、層、網(wǎng)絡(luò)、連接權(quán)重.神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最基本的單元，一個經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是包含輸入層、隱藏層、輸出層，每一個層都由神經(jīng)元組成，輸入層、隱藏層、輸出層連接構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).見圖2.

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of neural network structure

輸入層由輸入神經(jīng)元組成，負責從外部接收信息，輸入神經(jīng)元相當于自變量，為隱藏層傳遞信息；隱藏層進行分析計算，聯(lián)系輸入層和輸出層的數(shù)據(jù)，得到適配的函數(shù)關(guān)系；輸出層由適配的函數(shù)關(guān)系輸出最終的結(jié)果，輸出單元會對應到特定的分類.

3.2 輸入層與輸出層

城市污水及黑臭水體的影響因素[4]主要涉及生化需氧量(COD)、氨氮(NH4+—N、NH3—N)、磷酸鹽(PO4+—P).其中石粉的投加量、pH、水體溫度將影響水體的處理效果.為探究天然石粉對城市污水以及黑臭水體的處理效果，將實驗的發(fā)生條件：溫度、投加量、pH、氨氮質(zhì)量濃度、磷酸鹽質(zhì)量濃度作為輸入層參數(shù);將實驗出水水質(zhì)條件：氨氮質(zhì)量濃度、磷酸鹽質(zhì)量濃度為輸出層參數(shù).

隱藏層中神經(jīng)元數(shù)根據(jù)經(jīng)驗公式進行計算：

其中：Ni是輸入層神經(jīng)元個數(shù)；N0是輸出層神經(jīng)元個數(shù)；Hs是訓練集的樣本數(shù)；α為任意自取量，通常范圍為2～10.

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習訓練

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習根據(jù)訓練數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的連接關(guān)系以及每個功能神經(jīng)元的閾值.在隱藏層中包含激活函數(shù)，經(jīng)激活函數(shù)輸出值結(jié)果正確，增多連接關(guān)系，即增大連接權(quán)值；如經(jīng)激活函數(shù)輸出值不正確，則減少連接權(quán)值，減少學習中的錯誤，從而達到迫近能夠反映現(xiàn)實的函數(shù).見圖3.

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Figure 3 Neural network model

本文將天然沸石以及改性沸石對廢水的實驗條件以及實驗結(jié)果到Matlab中進行仿真模擬，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練所采用的輸入和輸出數(shù)據(jù)均來自試驗數(shù)據(jù)[9-17]，共使用128組數(shù)據(jù),采用76組訓練集，采用26組進行驗證，采用Levenberg-Marquardt訓練方式進行訓練.

4 結(jié)果與討論

4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練的誤差變化過程Figure 4 Error change process of neural network training

4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預測與分析

4.2.1 沸石投加量對氨氮和磷酸鹽同步去除效果的影響

基于完成訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模擬仿真沸石處理污水的效果，探究不同沸石投加量對氨氮和磷酸鹽的去除效果.設(shè)置試驗條件為：氨氮質(zhì)量濃度=50 mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度=50 mg/L，pH=7，溫度=25 ℃.分別投加1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 g/L沸石.預測結(jié)果如圖5所示.

從圖5可以看出，隨著沸石投加量增加，沸石對磷酸鹽的去除效率越高，去除率從21.09%提高至61.8%；沸石對氨氮的去除效率沒有明顯變化，去除率在64%左右.因此，沸石投加量對氨氮去除沒有顯著影響，沸石投加量對磷酸鹽的去除有顯著影響.

圖5 預測沸石投加量對氨氮和磷酸鹽去除的影響效果Figure 5 Predict the effect of zeolite dosage on the removal of ammonia nitrogen and phosphate

4.2.2 水質(zhì)溫度對氨氮和磷酸鹽同步去除效果的影響

基于完成訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模擬仿真沸石處理污水的效果，探究不同水質(zhì)溫度對氨氮和磷酸鹽的去除效果.設(shè)置試驗條件為：氨氮質(zhì)量濃度=50 mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度=50 mg/L， pH=7，投加量=1 g/L.水質(zhì)溫度分別設(shè)置為0、5、10、15、20、25、30 ℃.預測結(jié)果如圖6所示.

從圖6可以看出，沸石對氨氮以及磷酸鹽的處理效果隨溫度增加而提高.在模擬仿真條件下，在氨氮質(zhì)量濃度為50 mg/L時，沸石對氨氮的處理效果合理，去除率由56%提高到61%；在磷酸鹽質(zhì)量濃度為50 mg/L時，水質(zhì)溫度對磷酸鹽的去除符合規(guī)律，但模擬仿真處理效果超出設(shè)置磷酸鹽質(zhì)量濃度.

圖6 預測水質(zhì)溫度對氨氮和磷酸鹽去除的影響效果Figure 6 Predict the effect of water quality and temperature on the removal of ammonia nitrogen and phosphate

4.2.3 pH對氨氮和磷酸鹽同步去除效果的影響

基于完成訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模擬仿真沸石處理污水的效果，探究不同水質(zhì)溫度對氨氮和磷酸鹽的去除效果.設(shè)置試驗條件為：氨氮質(zhì)量濃度=50 mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度=50 mg/L， 投加量=1 g/L.水質(zhì)溫度為25 ℃.pH分別設(shè)置為3、4、5、6、7、8、9、10、11、12.預測結(jié)果如圖7所示.

圖7 預測pH對氨氮和磷酸鹽去除的影響效果Figure 7 Predict the effect of pH on the removal of ammonia nitrogen and phosphate

從圖7可以看出，在相同pH范圍下，沸石對氨氮和磷酸鹽的處理效果不同.在pH值為3～8時，沸石對氨氮的處理效果逐漸提升，在pH=8時去除率達到最高；沸石對磷酸鹽的處理效果逐漸降低，在pH=3時去除率達到最高.在pH值為9～12時，沸石對氨氮的處理效果逐漸降低；沸石對磷酸鹽的處理效果先升高再降低，沸石在pH=10時的去除率小于pH=3時的去除率.在模擬仿真條件下，沸石對氨氮的處理效果合理，符合規(guī)律；沸石對磷酸鹽的去除效果超出設(shè)置的磷酸鹽質(zhì)量濃度，但符合規(guī)律.

4.3 誤差分析

采用訓練好的Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行預測分析沸石對污水的處理效果，考察投加量、pH、水質(zhì)溫度對去除氨氮和磷酸鹽的效果.從圖5發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模擬輸出的磷酸鹽去除效果以及氨氮去除效果在設(shè)置背景質(zhì)量濃度50 mg/L內(nèi)；從圖6發(fā)現(xiàn)，輸出的磷酸鹽去除效果均高于50 mg/L，最高達到90 mg/L，遠遠超出所設(shè)置的磷酸鹽質(zhì)量濃度50 mg/L；從圖7發(fā)現(xiàn)，輸出的磷酸鹽去除效果范圍在85～105 mg/L，超出設(shè)置磷酸鹽質(zhì)量濃度50 mg/L.試驗數(shù)據(jù)采用的天然沸石和改性沸石的試驗樣本量共128組，訓練集76組，驗證集26組.采用的樣本量少，所用數(shù)據(jù)在實際試驗中也存在干擾，導致預測結(jié)果有偏差，但吸附規(guī)律與樣本集試驗結(jié)果一致，即：1)沸石投加量從1 g/L增加至10 g/L，沸石投加量對氨氮去除沒有顯著影響，去除率為64%左右，沸石投加量對磷酸鹽的去除有顯著影響，去除率從21%上升至62%.2)水質(zhì)溫度從0 ℃上升至30 ℃，沸石對氨氮以及磷酸鹽的處理效果隨溫度增加而提高.3)在pH范圍為3～12時，沸石對氨氮的處理效果符合正態(tài)分布，在pH=8時去除效果最高.沸石對磷酸鹽在pH=3去除效果最高，隨后去除效果降低再升高，pH=10時達到峰值，隨后去除效果降低.

5 結(jié) 語

通過訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測沸石對廢水的處理效果，發(fā)現(xiàn)沸石具有良好的穩(wěn)定性，在較大水質(zhì)溫度、酸堿范圍條件下能對廢水進行有效處理.沸石作為廉價易得的天然礦石對降低治理黑臭水和城市廢水的處理成本有廣泛的應用前景和實際意義.