试验设计与数据处理-课程论文

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1、课程论文课程名称 试验设计与数据处理 专 业 2012 级网络工程 学生姓名 孙贵凡 学 号 201210420136 指导教师 潘 声 旺 职称 副 教 授 1成绩 科学研究与数据处理学院 信息科学与技术学院 专业 网络工程 姓名 孙贵凡 学号：201210420136摘要：实验设计与数据处理这门课程列举典型实例介绍了一些常用的实验设计及实验数据处理方法在科学研究和工业生产中的实际应用，重点介绍了多因素优化实验设计正交设计、回归分析方法以对目标函数进行模型化处理。其适于工艺、工程类本科生使用，尤其适用于化学化工、矿物加工、医学和环境学等学科的本科生使用。其对行实验设计可提供很大的帮助，也可供

2、广大分析化学工作者应用。关键字：优化实验设计; 标函数进行模型化处理; 正交设计; 回归分析方法 1 引言 实验是一切自然科学的基础,科学界中大多数公式定理是由试验反复验证而推导出来的。只有经得起试验验证的定理规律才具有普遍实用性。而科学的试验设计是利用自己已有的专业学科知识，以大量的实践经验为基础而得出的既能减少试验次数，又能缩短试验周期，从而迅速找到优化方案的一种科学计算方法，就必然涉及到数据处理，也只有对试验得出的数据做出科学合理的选择，才能使实验结果更具说服力。实验设计与数据处理在水处理中发挥着不可估量的作用，通过科学合理的实验设计过程加上严谨规范的数据处理方法，可以使水处理原理，内在

3、规律性被很好的发现，从而更好的应用于生产实践。2 材料与方法2.1 供试材料 1. 论文所围绕的目标和假设研 究 的 目 标 就 是 实 验 的 目 的 ， 我 们 设 计 了 这 个 实 验 是 想 来 做 什 么 以 及 想 得 到 什 么 样 的 结 论 。 要 正 确的 识 别 问 题 和 陈 述 问 题 ， 这 些 需 要 专 业 知 识 和 大 量 的 阅 读 文 献 综 述 等 方 法 来 获 得 我 们 所 要 提 出 的2问 题 。 需 要 对 某 一 个 具 体 的 问 题 ， 并 且 对 这 个 具 体 的 问 题 提 出 假 设 。 如 水 处 理 中 混 凝 剂 的

4、最 佳 投加 量 ， 混 凝 剂 的 最 佳 投 加 量 有 一 个 适 宜 的 PH值 范 围 。纳米TiO 2光催化-SBR工艺处理印染废水的研究， 这 篇 文 章 的 目 标 就 是 采 用 偶 联 剂 法 将 纳 米 TiO2附于 聚 丙 烯 多 面 小 球 上 制 备 出 小 球 填 料 ， 运 用 自 行 设 计 的 “TiO2光 催 化 -SBR”联 合 工 艺 对 实 际 印 染废 水 进 行 处 理 ， 假 设 ： 1、 在 正 交 实 验 中 光 源 强 度 和 反 应 时 间 两 个 因 素 都 选 取 了 由 单 因 素 实 验 确 定的 最 佳 水 平 进 行 实 验

5、 操 作 。 光 源 强 度 为 4*30W， 光 照 时 间 为 120min。 2、 进 水 水 质 稳 定 ， SBR 系 统的 水 利 负 荷 较 低 ， 短 周 期 运 行 ， 则 微 生 物 数 量 和 性 能 、 溶 解 氧 都 相 对 恒 定 。 3、 纳 米 TiO2光 催 化小 球 膜 层 相 对 均 匀 ， 不 易 脱 落 。 4、 两 者 其 他 条 件 相 同 ， 光 催 化 实 验 设 计 只 考 虑 催 化 剂 添 加 量 、pH值 、 溶 解 氧 浓 度 三 个 因 素 ； SBR工 艺 的 实 验 设 计 只 考 虑 暴 气 时 间 和 沉 淀 时 间 对 实

6、 验 结 果 的 影 响 。 混合电子供体对好氧非光合微生物菌群固碳效率影响的析因实验分析，这篇文章研究的目标是通过混合电子供体析因实验，定量描述Na 2S、NaNO 2、Na 2S2O3 3种无机物的用量和比例与非光合微生物固碳量之间的关系及3种电子供体之间的两两交互作用。这个实验的假设，实验室前期研究表明，Na2S、NaNO 2、Na 2S2O3 3 种无机物均可促进非光合固碳微生物菌群的固碳效率，但绝对固碳效率仍较低。由于混合菌群中不同微生物种对不同的电子供体的响应可能不同，混合电子供体可能是一种理想的选择，这就是本实验的假设。因此，本实验设计混合电子供体析因实验，通过构建模型定量描述电

7、子供体浓度与微生物固碳量之间的关系，并分析几种电子供体间的交互作用及对微生物群落结构的影响。以期为明确电子供体对微生物固碳效率的影响，构建合适的混合电子供体浓度与比例，提升微生物的固碳效率提供指导。得出的主要结论是，电子供体析因实验的模型具有较好的拟合度，能对混合电子供体的固碳效率进行较好地预测。电子供体交互作用分析结果表明，NaNO 2与Na 2S对菌群固碳能力有互相抑制的作用，Na 2S与Na 2S2O3则起到相互促进的作用。NaNO 2单独作用时，对微生物的固碳有较大的促进作用，而Na 2S2O3的加入则产生了一定的抑制效应。化学除磷药剂中三价铁铝对生物系统活性污泥活性影响的研究，这篇文

8、章重点研究了Fe 3+、Al 3+的投加对活性污泥呼吸速率的影响，并对我国南、北方两座典型污水处理厂活性污泥呼吸速率的影响情况进行对比分析，其结果对指导污水处理厂辅助化学除磷过程中的药剂投加量具有现实的指导意义。文中没有假设，只是通过实验来得出了结论。对 氯 化 给 水 和 污 水 中 产 生 亚 硝 基 二 甲 胺 的 前 体 的 研 究 ， 这 篇 文 章 中 的 主 题 就 是 对 NDMA的 前 体的 测 定 。 在 给 水 和 废 水 氯 化 处 理 过 程 产 生 的 一 种 定 量 的 NDMA,测 定 NDMA有 机 前 体 的 方 法 是 把 高 剂量 的 单 氯 胺 加 到

9、 PH缓 冲 溶 液 中 进 行 十 天 的 接 触 时 间 ， 在 这 段 时 间 内 单 氯 胺 以 一 种 与 试 样 浓 度 无 关 的速 率 衰 减 。 通 过 对 给 水 和 城 市 污 水 试 样 的 分 析 发 现 在 广 泛 的 条 件 下 这 个 测 定 NDMA的 方 法 健 壮 性 和重 复 性 较 好 。 对 于 二 甲 胺 中 的 GC/CI/MS/MS的 分 析 方 法 也 被 描 述 和 应 用 ， 并 用 于 证 明 在 给 水 和 排 水中 并 非 由 二 甲 胺 的 浓 度 单 独 导 致 了 N的 产 生 。32.2 主要试剂与仪器实验设计是关于如何利用

10、统计学基本知识对实验进行有效率和科学地设计和数据汇报的科学，直接影响实验结果的准确性、可靠性，严密性和代表性，是实验数据的前提，决定科学研究的成败。一篇论文的题目就很大程度说明实验要做的内容。2.3 测定项目与方法2.3.1 实验设计基本原则（1）随机化原则：以随机顺序开展实验，是使用统计方法的基石，可以保证观测值(或误差)是独立分布的随机变量，抵消潜在因素效应保证非处理因素均衡一致。（2）重复的原则：每个因子水平组合的独立重复，可以使样本均值更接近真值，能够反映实验间与实验内的变异。（3）区组化原则：用以处理讨厌因素，区组化解决可控因子。2.3.2 实验设计和实验过程包括：a 各种测定的因素

11、：是单因素还是多因素实验？实验的取值即水平，测定所需要的仪器和测定方式。b 样品的采集方式。c 实验重复次数：应该做适当的重复实验，以减少实验偶然误差带来的影响。d 实验的材料和设备：通常有图示，判断实验程序是否可靠，帮助他人重现实验。e 质量控制：空白的选取和对照的选取等，这样可以减小实验仪器或者操作所带来的误差。在徐高田 1等的纳米TiO 2光催化-SBR工艺处理印染废水的研究中，实验分为两个部分的设计，一个是光催化实验设计，另一个是SBR工艺的实验设计。在光催化实验设计中由于光催化的影响因素较多，文中依据前期进行的单因素实验的结果，最终选取了催化剂添加量、pH值、溶解氧浓度3个因素为正交

12、实验的因素，故本实验采用正交法L9(3 4)进行实验设计，以确定印染废水光催化预处理工艺的最佳工艺条件。此实验用到了正交实验设计，所谓正交实验设计就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。该实验中选取了3个主要因素，3个水平，那么就应该是L9(3 3)共27种组合，选取其中的9个实验点，文献中的正交表符合正交表的基本性质。因此具有代表性，实验是比较可靠的。SBR工艺的实验设计中，影响SBR 工艺处理效果的因素较多，主要是进水时间、曝气方式、污泥沉降性能的控制、运行周等。就本实验而言，由于进水水质较恒定，且废水经过光催化预处理，则SBR4系统的水力负荷较低；而采用短周期运行，

13、则微生物数量和性能、溶解氧都相对恒定。因此，本研究仅简单讨论SBR工艺的曝气时间和沉淀时间对实验结果的影响。武满满 2等的混合电子供体对好氧非光合微生物菌群固碳效率影响的析因实验分析中用到了析因实验设计，析因实验是一种多因素的交叉分组实验，它不仅可检验每个因素各水平间的差异，而且可检验各因素间的交互作用，并已在很多领域都得到了应用。本实验采用三因素两水平的析因实验设计，选用1个较低的电子供体浓度水平，目的是讨论混合电子供体对微生物固定CO 2效率的影响。侯 艳 玲 3等 化 学 除 磷 药 剂 中 三 价 铁 铝 对 生 物 系 统 污 泥 活 性 影 响 的 研 究 分 析 可 知 ， 试

14、验 中 采 用了 对 照 方 法 ， 在 相 同 条 件 下 进 行 单 一 因 素 的 对 比 ， 并 进 行 了 对 比 分 析 。 然 而 方 法 中 有 些 不 足 ， 在 对比 三 价 铁 和 铝 对 活 性 污 泥 的 影 响 时 ， 应 该 选 在 同 一 个 水 厂 进 行 比 较 ， 因 A、 B两 厂 的 环 境 差 异 比 较大 ， 因 此 得 出 的 结 论 有 些 牵 强 。 另 外 ， Al3+对 不 同 菌 种 活 性 的 影 响 实 验 中 ， 没 有 对 B厂 进 行 相 同 实验 结 论 的 论 证 不 够 。 因 此 ， 此 文 献 的 方 法 方 面 存

15、 在 缺 陷 。在氯化给水和污水中产生亚硝基二甲胺的前体的研究一文中。通过前人的研究可以知道NDMA的产生是单氯胺和二甲胺缓慢的反应产生一个偏二甲肼的中间体。偏二甲肼迅速的被单氯胺或者其他氧化性物质氧化成NDMA。pH=6-8产生的速率最高。除了二甲胺，叔胺类物质也包含二甲胺官能团作为NDMA的前躯体,这些物质的在氯化中形成的NDMA比二甲胺少一个数量级。其他含胺的物质如氨酸，蛋白质，氯化时不会产生NDMA。NDMA形成有两类关键物质，单氯胺和有机氮化合物（不包括二甲胺和叔胺类物质） ，NDMA的前驱物的分析表明延长接触时间使用高剂量的单氯胺是有机的NDMA前驱物转化为NDMA。实验在用的分析

16、方法和手段均为标准方法。实验采集了两个污水厂的不同处理单元的污水和两个水库的天然水体进行分析。2.4 数据分析实验数据的基本特点：（1）总是以有限次数给出并具有一定波动性。（2）总存在误差，且是综合性的，即随机误差、系统误差、过失误差同时存在。（3）数据大都具有一定的统计规律性。（4）实验过程是一个随机过程，实验结果( 响应因子) 是随机变量。实验数据的汇报几种方式：a 文字阐述：通过数据汇报同时阐述它的意义。b 图最好，表格其次，使用excel/spss 等分析软件进行分析。5c 运用统计学原理进行分析，聚类分析，相关性分析，主成分分析，因子分析，判别分析，数据挖掘。同时注意数据的准确性，比如有效数字，误差，精密度等。在徐高田等的纳米TiO 2光催化-SBR工艺处理印染废水的研