实验设计与数据处理论文

实验设计与数据处理课程论文
陈彰旭
（环境与生命科学系指导教师：陈彰旭）
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，也可供广大分析化学工作者应用。

关键词：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
Experimental design and data processing course work
Chen Zhangxiu
（Environment and Life Science Department, Supervisor: Chen Zhangxiu）
Abstract:The experimental design and data processing "this course are typical examples introduced some usual experimental design and experiment data processing methods in scientific research and practical applications of industrial production, focusing on the many factors optimization experiment design--orthogonal design method, regression analysis to the objective function for modeling processing. It is suitable for the technology, engineering undergraduate use, especially used in chemical industry, mineral processing, medical and environment of the subjects such as undergraduates use. To do the experiment design can provide a lot of help, also can be the analytical chemistry workers applications.
Keywords:optimization design of experiment; standard function modeling processing; orthogonal design; regression analysis method
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TiO2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Na2S、NaNO2、Na2S2O33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、NaNO2、Na2S2O3 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，NaNO2与Na2S对菌群固碳能力有互相抑制的作用，Na2S与Na2S2O3则起到相互促进的作用。

NaNO2单独作用时，对微生物的固碳有较大的促进作用，而Na2S2O3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，这篇文章重点研究了Fe3+、Al3+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。

2.2 主要试剂与仪器
实验设计是关于如何利用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：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TiO2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个因素为正交实验的因素，故本实验采用正交法L9(34)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(33)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SBR系统的水力负荷较低；而采用短周期运行，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CO2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。

图1：NDMA的形成和氯胺的减少与时间的关系、各个处理单元NDMA形成与时间的关系、各个单元的NDMA的形成与氯胺接触时间的关系、各个处理单元氯离子含量与时间的关系。

对于图1中的各种实验对于他们的样品有的加入缓冲溶液由的没有加，对于这种情况本人觉得应该统一下（都加或者不加）或者把试样pH调节到统一的pH值。

在这里作者应该稍加说明一下。

图2：各个处理单元NDMA形成与氯胺初始剂量的关系。

每个处理单元应该多取几个氯胺的剂量，这样具有代表性，并且文章的图中取得剂量个数不统一，有的三个有的两个，本人觉得应该个数统一并且多取几个剂量。

图3：NDMA前体分析结果和检测到的NDMA的量的回归关系。

这个实验设计本人觉得做的散点有点偏少，并且只取了两个处理单元的污水分析结果进行分析，不具有代表性。

图4：a，地表水NDMA形成与时间的关系。

b，地表水NDMA形成与氯胺接触时间的关系。

图5：NDMA形成与实验存储时间的关系。

保存对测试没有影响，但保存超过两天的时候必须做稳定性试验来评价其基质效应。

图6：NDMA的形成与pH值的关系。

天然水 pH=6-8 产生最多，较小的pH值变化对污水是没有影响的。

对于实验设计方面，应该增加代表性，就是再多找几个取样地点。

这样得出的结论具有代表性。

比如多找几个水库或者河流，多几个污水厂。

并且还要考虑一下在天然水取样中，所取水样的水体中是否被排放了污水厂处理后的水。

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。

c 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TiO2光催化-SBR工艺处理印染废水的研究一文中关于光催化实验数据的分析，
在极差分析结果中，催化剂投加量、pH、溶解氧浓度为因素，因素有三个水平，文中计算出了K 值，极差，最后作出了最有水平组合及主要影响因素。

既然有极差分析，应该也做一下方差分析，这样得出的结论会更准确。

在SBR工艺处理实验结果的数据中，由于只有两个因素，试验指标只有一个，因此没有做正交实验，只作了线性相关实验，在给出的图中，可以较明显的看到两个因素对降解效果的影响。

本实验进行了单独工艺的处理研究，然后再进行了联合工艺的研究，印染废水通过光催化处理后色度得到了大量的去除，同时B /C 的值也得到了提高，表明光催化反应器提高了废水的可生化性能，为后续的生物反应器的处理效果奠定了基础；同时因为一部分COD Cr、BOD5得到去除，使得后续的SBR工艺的进水负荷得到降低，大大提高了后续工艺的处理效果，使得整个工艺脱色率达到90%，COD Cr去除率达到85%，其处理效果比单独使用光催化或SBR均显著，保证了出水的达标排放。

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，此文献中，运用模型函数来分析数据的可靠性，试验得出的数据表明，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。

电子供体三因素两水平的析因实验模型函数如下：Y = a0 + a1 X1 + a2 X2 + a3 X3 + a1，2X1 X2 +a1，3X1 X3 + a2，3X2 X3 +
a1，2，3X1 X2 X3 （1）
式中，Y 代表不同电子供体的相应值，即培养96 h后培养基中的TOC( mg·L -1 )； X1、X2、X3分别代表Na2S、NaNO2、Na2 S2O3 3种电子供体的浓度( g·L -1 )，为函数的自变量；a0到a1，2，3为3个电子供体浓度水平范围下得出的模型函数的回归系数。

通过Design Expert 软件完成实验设计、数据分析及模型函数的回归运算。

文中每个水平作了两次重复实验，重复性不高，一般至少重复三次，得出的数据才比较有说服力。

此实验另一个比较好的地方是利用了DGGE图谱分析，很好的阐明电子供体变化导致的菌群群落结构变化与固碳效率变化之间的关系。

因而，得出结论加入电子供体后菌群结构发生了明显的变化。

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中涉及到Al3+和Fe3+的浓度在对活性污泥呼吸速率的影响以及对活性污泥中不同菌种活性的影响。

由文献中的图可以看出文中的数据是可靠的。

文中利用图表的形式对实验所得的数据进行了很好的说明，也得出了比较准确的结论。

文中图7的纵坐标的单位长度应该与其它两个图一致起来，这样才有对比性，看起来也比较直观。

氯化给水和污水中产生亚硝基二甲胺的前体的研究。

本文对于数理统计方面的工作做的很好，基本上每个样都做了好几个平行实验，给出了均值和一倍的标准差。

并且对于检验一个因素是否显著均采用假设检验中的t检验。

得出的结论具有说服力。

3 结果与分析
在徐高田等的纳米TiO2光催化-SBR工艺处理印染废水的研究中，光催化氧化从反应机理方面分析了催化剂用量对降解效果的影响，过多或者过少都不会取得好的效果。

溶液的pH值对染料的TiO2光催化降解影响显著，pH值的高低既影响催化剂表面的带电状态，又影响溶液中羟基自由基∀ OH 的多少。

在进行光催化处理工程中，进水的pH 值存在最佳的范围值，又考虑到下一步进入SBR 反应器进行生物处理，微生物有着其生存的最佳pH 范围，因此，选取了3个进水pH 水平，实验表明，最佳pH值为8.0，该结果也验证了文献理论。

SBR生物后续处理实验结果分析在SBR工艺中，曝气时间对于COD Cr的降解效果有着直接的关联。

SBR工艺的几个运行阶段，其中曝气是工艺处于反应阶段的一个重要条件，在该阶段存在最佳的曝气时间，这是因为随着曝气作用的进行，活性污泥吸附的和水中溶解的有机物最后被降解得越彻底，在进入下一个周期时吸附和降解有机物的能力也越强。

但曝气时间的增大会提高能耗。

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，文中运用了Design Expert 软件，对所得出的实验数据进行了很好的分析，结果是符合假设的，即此模型可以较好的表达非光合微生物生长的实际情况。

同时利用此软件对好氧模型进行了方差分析，得出了实验要验证的结论。

电子个体的交互作用是利用析因实验的方差分析得出的。

不同电子供体对微生物群落结构的影响则运用DGGE 图谱进行分析的。

此实验中运用了多种分析方法，每个分析方法都比较合理准确的得出了实验结论。

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的分析，实验中基本运用的是对比分析，在图1和图2的中，只考察了Fe3+对两厂活性污泥呼吸速率的影响，因为两厂的污泥性状差异较大，因此结果具有不确定性，要确定造成结论不同的原因，可以做进一步的实验研究，将两厂的污泥性状调节到基本一致，在进行相同的实验，便可得到需要的结论。

图3和图4表示了投加AlCl3对两座污水处理厂的活性污泥呼吸速率的影响。

说明Al3+对活性污泥的抑制作用比较明显。

但是后面得出的结论“AlCl3较FeCl3对污泥呼吸速率的抑制作用更大一些”则很牵强，虽然对B厂此结论是正确的，但是对于A厂，就没法比较了，实验中所用的Fe3+和Al3+的浓度不同，没有比较的意义，且A、B两厂的差距太大，其中一定有其他很重要的因素没有排除掉，因此设计方法有一定的问题。

另外，在进AlCl3的投加对污水处理厂活性污泥中不同菌种活性的影响这一实验时，只对A厂的活性污泥做了研究，对B厂则没有，这样就没有考虑其中的偶然因素，没有考虑两厂之间活性污泥环境的差异，缺乏一定的对比，因此，试验结论不可靠。

氯化给水和污水中产生亚硝基二甲胺的前体的研究。

对于结果的分析的方法均采用标准方法，判断均采用数理统计的原理中假设检验的方法，具有很高可信度。

但是由于实验的每个样的个数偏少，这给在做回归分析时带来的误差是巨大的，甚至使结论不可靠。

还有就是可以通过相关性的分析的方法考察一下哪两个因素的相关性较为密切，从而优化实验条件。

4结论
1、这三篇文章在实验设计，数据表达，结果分析中充分利用了数理统计中的相关原理，体现了这门课程的重要性。

如第一篇文章中用极差分析方法分析了纳米TiO2光催化-SBR工艺处理对印染废水影响，并用线性相关分析方法分析了曝气时间、沉淀时间与降解效果之间的关系。

第二篇文章用析因实验分析方法分析了混合电子供体对好氧非光合微生物菌群固碳效率的影响。

第三篇文章用到了对比分析这一原理。

但同时在实验设计过程中环境条件的考虑方面欠妥，并不能有力的说明结论，另外每次实验进行3次平行实验，重复性较好，有利于数据的准确表达。

第四篇文章在作回归分析时，试验的重复性不够，因此结论不是很可靠。

2、不同的文章根据实验内容和要求的不同运用的实验原理也不相同，第二篇数据更具说服力，虽然重复次数不多，但运用了多种恰当的实验分析方法，值得以后的研究中学习。

致谢：
我的毕业论文试验让陈老师花费大量的心血，在此感谢陈试验方面的耐心指导与帮助；同时我还要感谢其他老师和同学的热心帮助与支持。

参考文献：
[1] 徐高田*,校华,曾旭,徐静纳米TiO2光催化SBR工艺处理印染废水的研究[J].环境科学学报,2007,27 (9):1444-1450.
[2] 侯艳玲,刘艳臣,邱勇,何苗,施汉昌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[J].给水排水:2010,06(36):38-41.
[3] 武满满,孙佩哲,胡佳俊,等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[J].环境科学学报:2011,31(6):1220-1226.
[4] William A. Mitch, Andreas C. Gerecke, David L. Sedlak* A N-Nitrosodimethylamine (NDMA) precursor analysis for chlorination of water and wastewater[J].Water Research:2003,37:3733-3741.
实验设计与数据处理课程论文
姓名袁陈春
学院环境与生命科学系
学号910304224
指导教师陈老师
下面是赠送的团队管理名言学习，
不需要的朋友可以编辑删除！！！谢谢！！！
1、沟通是管理的浓缩。

2、管理被人们称之为是一门综合艺术--“综合”是因为管理涉及基本原理、自我认知、智慧和领导力；“艺术”是因为管理是实践和应用。

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4、管理工作中最重要的是：人正确的事，而不是正确的做事。

5、管理就是沟通、沟通再沟通。

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8、管理者的最基本能力：有效沟通。

9、合作是一切团队繁荣的根本。

10、将合适的人请上车，不合适的人请下车。

11、领导不是某个人坐在马上指挥他的部队，而是通过别人的成功来获得自己的成功。

12、企业的成功靠团队，而不是靠个人。

13、企业管理过去是沟通，现在是沟通，未来还是沟通。

14、赏善而不罚恶，则乱。

罚恶而不赏善，亦乱。

15、赏识导致成功，抱怨导致失败。

16、世界上没有两个人是完全相同的，但是我们期待每个人工作时，都拥有许多相同的特质。

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18、首先要说的是，CEO要承担责任，而不是“权力”。

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19、团队精神是从生活和教育中不断地培养规范出来的。

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20、团队精神要从经理人自身做起，经理人更要带头遵守企业规定，让技术及素质较高的指导较差的，以团队的荣誉就是个人的骄傲启能启智，互利共生，互惠成长，不断地逐渐培养员工的团队意识和集体观念。