正交设计法快速安排实验步骤

怎样利用正交表来安排与分析多因素实验呢？下面通过具体实例来说明。

垃圾渗滤液是很难处理的高浓度有毒有害的有机废水，为了强化垃圾渗滤液的混凝预处理，实验研究3种混凝剂对某垃圾卫生填埋场渗滤液的絮凝预处理，分别是聚合氯化铝（PAC），溶液质量分数为8.1%（以氧化铝量计算）；聚合硫酸铁（PFS），溶液质量分数为10%（以铁量计算）；聚丙烯酰胺（PAM）溶液质量分数为1%的溶液。

（一）实验方案制订与实验

1.明确实验目的，确定评价指标

即根据水处理工程实践明确本次实验要解决的问题，同时，要结合工程实际选用能定量、定性表达的突出指标作为实验分析的评价指标。指标可能有一个，也可能有几个。本实验是为了找出最佳混凝剂用量以及最佳反应条件。

2.挑选因素

影响实验成果的因素很多，但是，我们不是对每个因素都进行考查。例如，对于不可控因素，由于无法测出因素的数值，所以看不出不同水平的差别，难以判断该因素的作用，所以不能列为被考查的因素。对于可控因素则应挑选那些对指标可能影响较大，但又没有把握的因素来进行考查，特别注意不能把重要因素固定（即固定在某一状态上）不进行考查。

本实验中混凝剂PFS、PAC及PAM的用量及pH对混凝效果的影响较大，取上述4个因素为正交实验的考查因素。

3.确定各因素的水平

因素的水平分为定性与定量两种，水平的确定包括两个含义，即水平个数的确定和各个水平的数量确定。定性因素要根据实验具体内容，赋予该因素每个水平以具体含义。如药剂种类、操作方式或药剂投加次序等；定量因素的量大多是连续变化的，这就要我们根据有关知识或经验及有关文献资料等，首先确定该因素数量的变化范围，而后根据实验的目的及性质，并结合正交表的选用来确定因素的水平数和各水平的取值，每个因素的水平数可以相等也可以不等，重要因素或特别希望详细了解的因素，其水平可多一些，其他因素的水平可少一些。

针对本实验，经分析后决定对混凝剂PFS、PAC及PAM的用量及pH四因素进行考查，并确定了各因素均为三水平和每个水平的数值，此时可以列出因素水平表。在300mL，垃圾渗滤液中投加的混凝剂PFS、PAC及PAM的用量及pH如表3-8所示。

表3-8　垃圾渗滤液混凝剂复配预处理实验因素水平

4.选用正交表

常用的正交表有几十个，究竟选用哪几个正交表，需要综合分析后决定，一般是根据因素和水平的多少、实验工作量大小和允许条件而定，实际安排实验时，挑选因素、水平和选用正交表等步骤有时是结合进行的。本实验中，根据实验目的，选好四个因素，若每个因素取四个水平，则需用L16（44）正交表，要做16次实验。但是由于时间上和经费上的原因，希望减少实验次数，所以，改为每个因素3个水平，则改用L9（34）正交表，做9次实验就够了。

5.确定实验方案(www.xing528.com)

根据已定的因素、水平及所选用的正交表，实现因素顺序上列和水平对号入座，得到正交实验方案见表3-9。

表3-9　垃圾渗滤液混凝剂复配预处理实验方案表L9（34）

（二）实验结果分析

通过实验获得大量的实验数据后，如何科学地分析这些数据，从中得到正确的结论，是实验设计法不可分割的组成部分。垃圾渗滤液混凝剂复配预处理实验结果及分析见表3-10。

通过表3-10，把各个相同因素水平下的COD去除率加和后取平均值，得到该因素水平下的平均去除率，根据以下公式计算各列的Ki，i和R值，并填入表3-10。

表3-10　垃圾渗滤液混凝剂复配预处理实验结果分析[L9（34）正交实验]

Kij（第j列）=第j列中数字与“i”对应的指标值之和

R称为极差，极差是衡量数据波动大小的重要指标，极差越大的因素越重要。

求出极差后依据极差值大则对混凝沉淀影响大的原理知：PAC、PFS、pH值对混凝沉淀的影响大。根据平均值的大小，选择出最佳混凝剂的投量和pH值条件，从表3-10可知：300mL溶液中加入6mL PAC，3mL PFS，5mL PAM和pH值为8时，也即在PAC的质量浓度是1.9g/L（以氧化铝质量计算），PFS的质量浓度是1.2g/L（以铁的质量计算），PAM的质量浓度是0.16g/L、pH值为8时处理效果最好。

另外，也可通过以上结果作因素与指标的关系图，对结果直观分析。即以指标的为纵坐标，因素水平为横坐标作图。该图可反映其他因素变化情况基本相同的条件下，该因素与指标的关系。

垃圾渗滤液混凝剂复配预处理实验结果表3-10中所列的指标与A、B、C、D四因素的关系可绘得图3-19。图3-19使我们很直观地看出四因素中，对污染物去除率影响最大的是混凝剂PAC投加量，影响最小的是混凝剂PAM投加量。比较各因素的极差R，影响污染物去除率大小的三因素的主次顺序为：PAC投加量→pH→PFS投加量→PAM投加量。

图3-19　指标与A、B、C、D四因素的关系

应该注意，实验分析得到的因素的主次、水平的优劣，都是相对于某具体条件而言。在一次实验中是主要因素，在另一次实验中，由于条件变了，就可能成为次要因素。反过来，原来次要的因素，也可能由于条件的变化而转化为主要因素。