污水處理廠運(yùn)行效果評價模型的研究

張愛民 李源鋒

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，污水處理的綠色綜合評價已經(jīng)成為人們實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然抉擇，但綠色概念不僅要求處理工藝能耗、物耗最小化，還要求對環(huán)境的影響最小化，因此，研究開發(fā)低能耗、少污染和高效率的污水處理綠色工藝的指標(biāo)評價體系是綜合評價污水處理廠環(huán)境影響負(fù)荷的新思路，成為近年來國際上環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點之一。污水處理廠運(yùn)行管理的效果與其所接納污水的水量、水質(zhì)、物耗和能耗有關(guān)。通常情況下，評價指標(biāo)取污水處理廠的I1=污水處理量(m3/d)，I2=BOD5去除率(%)，I3=SS去除率(%)，I4=TP去除率(%)，I5=氣水比(處理1 m3的污水所需要的空氣量)，I6=NH3-N去除率(%)，I7=能耗(去除1 kg的BOD5的耗電數(shù)，kW·h)，實現(xiàn)對污水處理廠運(yùn)行效果的綜合評價與客觀定量分析，為其投資決策和運(yùn)行管理提供參考。

1 未確知測度評價模型

建立評價對象空間 X={x1，x2，x3，…，xn}，xi表示第 i個污水處理樣本;設(shè)指標(biāo)空間為 I={I1，I2，…，Im}，Im表示評價 xi所需要測量的m個指標(biāo);設(shè)xij表示第i個污水處理樣本xi關(guān)于第j個指標(biāo)Ij的測量值，對于 xij有 k個評價等級 c1，c2，…，ck，評價空間記作 U，則 U={c1，c2，…，ck}(k=1，2，…，5)，與其對應(yīng)的是{很好，好，中，差，很差}。顯然，ck優(yōu)越度要高于 ck+1，記作 ck＞ck+1，稱{c1，c2，c3，c4，c5}是評價空間 U 的一個有序分割類。

令λijk=λ(xij∈ck)表示測量值xij屬于第k個評價等級的程度，0≤λ(xij∈ck)≤1體現(xiàn)λ對U的歸一性，λ(xij∈U)=1體現(xiàn)λ對U的可加性，同時滿足的的λ為未確知測度，簡稱測度，稱矩陣a為單指標(biāo)測度評價矩陣。

矩陣a:

矩陣b:

1.1 指標(biāo)權(quán)重與多指標(biāo)效果的綜合測度

在評價指標(biāo)中，指標(biāo)Ij相對于其他評價指標(biāo)的重要程度記為Wj，即 Wj是 Ij的權(quán)重，其中設(shè)λik= λ(xi∈ck)表示第i個研究對象xi屬于第k個評價等級ck的程度，則λik=可知上述矩陣確定的λij為未確知測度，稱矩陣b為效果的綜合測度評價矩陣，矩陣b中的第i個行向量稱為xi的綜合測度評價向量。

1.2 置信度識別準(zhǔn)則、評分準(zhǔn)則與排序

因為{c1，c2，c3，c4，c5}只是評價空間 U 的一個有序分割類，因此，最大隸屬識別準(zhǔn)則難以得到有效權(quán)衡，采取以下置信度識別準(zhǔn)則較準(zhǔn)確地判定評價對象所屬級別。置信度識別準(zhǔn)則:設(shè)μ為置信度(μ ＞0.5，常數(shù) μ=0.6 或0.7)，當(dāng) c1＞c2＞… ＞cp時，令:

如 xi的綜合測度評價向量為(0，0.4，0.2，0.3，0.1)，取 μ =0.6，則判 xi屬于 c3，其直觀解釋為“xi不低于 c3有六成把握”。按較常用的“最大隸屬度”識別準(zhǔn)則，則判xi屬于c2，但是，這只有四成理由，而有六成理由說xi不屬于c2，可見，最大隸屬度識別準(zhǔn)則在此不適用。若c1＞c2＞… ＞cp，nl表示cl的“分值”，nl＞nl+1(l=1，2，…，p － 1)，則，稱 qxi為處理樣本的得分，可以按照其大小對樣本結(jié)果進(jìn)行排序。

2 應(yīng)用實例

2.1 基本數(shù)據(jù)

根據(jù)DB 23/485-1998黑龍江省地面水環(huán)境質(zhì)量功能區(qū)劃分和水環(huán)境質(zhì)量補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的要求，雙城市某污水處理廠執(zhí)行GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級B標(biāo)準(zhǔn)，其實際處理情況的指標(biāo)測值的等級劃分見表1，該污水處理廠第二季度平均測值見表2。

表1 雙城市某污水廠處理指標(biāo)測值的等級劃分

表2 雙城市某污水廠第二季度評價指標(biāo)的平均測值

2.2 評價過程

2.2.1 確立單屬性測度矩陣

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，運(yùn)用未確知測度模型對xi屬于哪一類的ck進(jìn)行判別，之后對xi進(jìn)行相應(yīng)的排序。設(shè)第i個污水樣本的第j個屬性xij屬于ck類的未確知測度λijk=λ(xij∈ck)，假定aj1＜aj2＜aj3＜aj4＜ aj5，則 xij≤aj1時，取 λij1=1，λij2=…λijk=0;xij≥aj1時，取 λijk=1，λij1=…λijk=0;當(dāng) ajl≤xij≤ajl+1 時，取且當(dāng) k＜1或 k＞l+1時，λijk=0。

根據(jù)表1所列等級劃分的七個指標(biāo)測值，表2所列的污水樣本9個指標(biāo)平均測值xij，結(jié)合污水樣本關(guān)于指標(biāo)測值屬于等級ck類的未確知測度λijk=λ，求出各單項指標(biāo)效果測度。以第四個污水樣本為例，x43=86.7，表示x4關(guān)于 I2的測量值是86.7，在測度函數(shù)中，82＜x44＜87，對于c2級的測度函數(shù)，對于c3級的測度函數(shù)，即 λ442=0.06，λ443=0.94，λ441=λ444=λ445=0，因此，可以得到測試 x44=86.7的單指標(biāo)效果測度的評價向量:(λ441，λ442，λ443，λ444，λ445)=(0，0.06，0.94，0，0)。同理可以求得其他污水樣本指標(biāo)測值 x41，x42，x43，x45，x46，x47的單指標(biāo)測度評價向量，構(gòu)成污水樣本x4的效果評價矩陣c:

矩陣c:

矩陣d:

2.2.2 多指標(biāo)綜合測度

可以求得其余8個樣本指標(biāo)效果評價矩陣，結(jié)合專家給出的相關(guān)的指標(biāo)權(quán)重(w1，w2，w3，w4，w5，w6，w7)=(0.20，0.15，0.15，0.10，0.10，0.10，0.20)，以及相關(guān)公式，可以得到多指標(biāo)效果綜合測度的評價矩陣d。

2.3 識別與得分

取置信度μ=0.6，結(jié)合各污水樣本相關(guān)指標(biāo)綜合測度評價矩陣及公式，求得其的評價級別，見表3;取nk=5－k，代入相關(guān)公式，可以獲得分qxi，根據(jù)其得分優(yōu)略進(jìn)行排序，見表3。

表3 樣本的等級、得分和排序

3 評價結(jié)果與分析

該污水處理廠第二季度前一個月的運(yùn)行效果在c3與c2之間徘徊，后兩個月主要集中在c3，c4之間，從第二個月開始總體運(yùn)行效果欠佳，一方面是因為BOD5，COD和TP的去除率較低，另一方面的主要問題集中在耗電多。通過比較定級與排序的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):x1，x3分別屬于c3，c2等級，定級與得分排序保持一致;x4屬c4，x5屬c3，但是x4的得分比x5多，定級與得分排序不一致，這種情況是正常的;x4屬于c4的測度較小，為0.067，屬于c2和c3等級的測度較大，說明x4升入c1等級難度較大;x4雖處于c4級，就級別而言，不如 x1，但是離 c3較近，且其屬于 c1的測度達(dá)到0.242，由此看來，對于污水樣本 x6，改善一下相關(guān)指標(biāo) I2，I3，其就能直接升入c3，甚至向更優(yōu)處發(fā)展，因此，盡管x4等級靠后，但因頗具潛力，得分綜合名次應(yīng)在x1之前。評價等級與得分優(yōu)略可以從不同的角度來評價污水樣本xi，二者結(jié)合運(yùn)用，從而可以減少在評價過程中的誤判。為了更科學(xué)的評價污水處理廠的運(yùn)行管理，可以根據(jù)污水廠的具體情況，增減若干評價指標(biāo)，按照月、季、年的各種指標(biāo)測量平均值評價運(yùn)行管理效果，統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對采取不同污水處理工藝污水廠運(yùn)行效果進(jìn)行等級評定和排序。

4 結(jié)語

相對于灰色聚類分析模型與模糊數(shù)學(xué)綜合評價模型，未確知測度評價模型具有一定的優(yōu)越性，其理論嚴(yán)謹(jǐn)，單指標(biāo)測度函數(shù)構(gòu)造嚴(yán)謹(jǐn)，并且對評價空間實現(xiàn)了有序分割，建立置信度識別準(zhǔn)則與評分準(zhǔn)則，在評價污水處理廠運(yùn)行管理效果方面，提高了評價對象相關(guān)于若干指標(biāo)的分辨率，使評價結(jié)果更具客觀性、合理性。因此，未確知測度模型在污水處理廠運(yùn)行管理效果評價和工藝運(yùn)行參數(shù)中具有很好的指導(dǎo)作用，是一種客觀實用的污水處理廠運(yùn)行效果評價模型。

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