多層次模糊灰色耦合模型在某污水處理廠改擴(kuò)建工程工藝方案比選的研究

周贊民 楊瓊

摘要：工藝方案選擇是城市污水處理廠建設(shè)中的重要步驟，它對城市污水處理廠的投資費用、運行費用、出水效果、操作管理等起著決定性作用。通常，城市污水處理廠建設(shè)工藝方案選擇采用基于技術(shù)政策的評價方法（經(jīng)驗法）。為避免經(jīng)驗法存在較大的主觀隨意性，本文采用了多層次模糊灰色耦合模型對經(jīng)驗法篩選出的改良型A2/O和CASS兩種備選工藝，從經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)性能和管理效益三個大的方面進(jìn)行了綜合評價。經(jīng)過計算得到，改良型A2/O工藝的綜合關(guān)聯(lián)度為0.686，CASS工藝的綜合關(guān)聯(lián)度為 0.492，所以選定改良型A2/O工藝為該污水處理廠的最終處理工藝，與經(jīng)驗法的選擇結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：污水處理廠;工藝方案比選;改良型A2/O;多層次模糊灰色耦合模型

中圖分類號：X703.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-672X（2021）01-0097-06

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.016

A comparative study on selection of techniques for reconstruction and extension projects of a sewage treatment plant by multilayer illegibility ashen coupling model

Zhou Zanmin， Yang Qiong

（Zhuhai Urban Drainage Limited Company， Zhuhai Guangdong 519020， China）

Abstract：Comparasion and selection of process scheme is an important stage in the construct of urban sewage treatment plant， which decides investment cost， running cost， effluent quality， operation supervision and so on. Usually， The method which is based on technology policies （experiential method） was applied to evaluate A comparative study on selection of techniques for projects of sewage treatment plant. For avoiding that the experiential method has a existence of larger subjective casualness， The multilayer illegibility ashen coupling model was used to evaluate comprehensively the two options from three major aspects including the perspective of economic efficiency、technical performance and management effectiveness. By the calculated result， the comprehensive correlative degree of innovated A2/O process is 0.686 and that of CASS process is 0.492.Therefore， the innovated A2/O was selected for the final disposal of sewage treatment plant technology， which was consistent with the experiential method.

Key words：Sewage treatment plant; Comparative selection of techniques; Innovated A2/O; Multilayer illegibility ashen coupling model

原建設(shè)部、原國家環(huán)境保護(hù)總局和科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合發(fā)布的《城市污水處理及污染防治技術(shù)政策》對選擇污水處理工藝的基本原則做了明確規(guī)定，成為了城市污水處理廠的設(shè)計過程中對于污水處理工藝方案的選擇的主要技術(shù)依據(jù)。

盡管《城市污水處理及污染防治技術(shù)政策》提出的城市污水處理工藝選擇的基本原則在實際中得到了較多的應(yīng)用，但多是結(jié)合經(jīng)驗作定性的分析，而對影響方案的各種因素缺乏定量的比較評價，個人經(jīng)驗、知識及偏好的差異，帶來較大的主觀隨意性。因此，如何將工藝優(yōu)選工作系統(tǒng)化、理論化，并借助數(shù)學(xué)手段簡便快速地做出正確的決策成為迫切需要解決的問題。國內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了有效的探索，例如利用層次分析法、模糊綜合評判法、物元分析法等求解手段進(jìn)行了大量研究，但還存在以下不足：這些方法在一定程度上過分依賴因素的權(quán)重，這就要求決策者對問題有較深入的了解，按各因素間的支配關(guān)系確定加權(quán)系數(shù)，或者對各指標(biāo)因素的影響同等看待（各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)均為1），沒有突出某些影響因素的重要性，與實際不符。

因為“隨機(jī)性、模糊性和灰色性”往往共存于所研究的對象和問題之中，且污水處理工藝方案的選擇涉及到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、操作管理和環(huán)境影響等諸多不確定性因素，蔣茹提出了結(jié)合層次分析法的模糊灰色耦合模型，即所謂的多層次模糊灰色耦合模型。該模型采用耦合途徑，在建立多層次評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，將模糊數(shù)學(xué)中的不確定性指標(biāo)模糊隸屬度概念與多層次指標(biāo)權(quán)重分析方法，灰色關(guān)聯(lián)分析方法結(jié)合，為決策提供科學(xué)的依據(jù)。筆者在原項目可行性研究的基礎(chǔ)上，運用多層次模糊綜合評判模型對某污水處理廠工藝方案進(jìn)行了分析、評價，選出相對較理想的處理工藝。研究結(jié)果表明，這種定量化與定性化相結(jié)合的模糊綜合評判模型也是目前污水廠工藝方案選擇的一種理想方法。

1? ? 某污水處理廠現(xiàn)狀分析

1.1? ? 擴(kuò)建需求分析

某污水處理廠規(guī)劃總面積超過40km2，規(guī)劃遠(yuǎn)期人口超過27萬人[1]。由該污水處理廠現(xiàn)服務(wù)范圍的實際處理水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及片區(qū)污水管網(wǎng)、泵站、排洪渠改造的研究成果，可得該污水處理廠規(guī)劃服務(wù)范圍內(nèi)的近、遠(yuǎn)期水量如下表：

現(xiàn)狀該污水處理廠的處理能力為8萬m3/d，即近期須擴(kuò)建規(guī)模至少為4.6萬m3/d。

1.2? ? 進(jìn)水水質(zhì)的確定

考慮A片區(qū)近期工業(yè)廢水量占總排放量的40%，B片區(qū)工業(yè)廢水量占總排放量的15%，生活污水的污染物濃度按該污水處理廠2019年平均值，工業(yè)廢水的污染物濃度按排入下水道標(biāo)準(zhǔn)，按現(xiàn)狀水樣85%保證率，以2018-2019年的進(jìn)水水質(zhì)資料為基數(shù)，采用加權(quán)平均的方法預(yù)測近期城市污水的污染物濃度見表2：

1.3? ? 污水處理程度的確定

根據(jù)該污水處理廠改擴(kuò)建項目環(huán)境影響報告書的批復(fù)要求，該廠改擴(kuò)建工程的出水水質(zhì)應(yīng)達(dá)到國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）的二級標(biāo)準(zhǔn)以及廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染排放限值》（DB44/26-2001）第二時段的二級排放標(biāo)準(zhǔn)之嚴(yán)者。同時考慮該污水處理廠改擴(kuò)建工程的出水作為城市排洪渠觀賞性景觀用水的可能。綜合確定某污水處理廠改擴(kuò)建工程的出水水質(zhì)見表3：

根據(jù)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)和所要求達(dá)到的出水水質(zhì)，可確定污水處理程度如表4：

根據(jù)本工程的進(jìn)出水水質(zhì)要求，主要是氨氮、磷的去除，結(jié)合節(jié)省占地和節(jié)省運行費用的考慮，決定了所選工藝必須為反應(yīng)速率高的脫氮除磷或集約型工藝，由此從二級處理工藝中篩選出改良A2/O和CASS兩種工藝進(jìn)行工藝流程比選。

2? ? 多層次模糊灰色耦合模型在污水處

理工藝方案選擇中的應(yīng)用

如何將工藝優(yōu)選工作系統(tǒng)化、理論化，并借助數(shù)學(xué)手段簡便快速地做出正確的決策，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，利用了諸如層次分析法、模糊綜合評判法、物元分析法等求解手段[2～5]。本文選用蔣茹提出的結(jié)合層次分析法的模糊灰色耦合模型，即所謂的多層次模糊灰色耦合模型[6]進(jìn)行比選。該模型采用耦合途徑，在建立多層次評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，將模糊數(shù)學(xué)中的不確定性指標(biāo)模糊隸屬度概念與多層次指標(biāo)權(quán)重分析方法，灰色關(guān)聯(lián)分析方法結(jié)合，能為決策提供科學(xué)的依據(jù)[7]。

2.1? ? 污水處理工藝方案選擇的多層次評價指

標(biāo)體系

城市污水處理廠工藝方案的選擇具有多指標(biāo)性和多層次性的特點，本研究中建立如下圖所示的多層次遞階的評價指標(biāo)體系評價指標(biāo)：

2.2? ? 指標(biāo)層指標(biāo)值的定量化

圖1中確定性指標(biāo)，如項目總投資及經(jīng)營成本以投資現(xiàn)值表示。對于不確定指標(biāo)，即用定性評語（模糊語言）描述的指標(biāo)，用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度（0～10）來表示，本研究采用5級劃分法，即優(yōu)、良、中、差、劣5個等級，相應(yīng)的隸屬度為0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。兩方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)指數(shù)見表5：

2.3? ? 指標(biāo)層指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)化

計算值越小越好的成本型指標(biāo)和計算值越大越好的效益型指標(biāo)在采用線性變換的規(guī)范處理時所采用的基點不同，使變換后最好的效益目標(biāo)和成本目標(biāo)有不同的值，缺乏一致性，不便于比較。故采用如下方法作規(guī)范化處理，將其化為[0，1]區(qū)間內(nèi)的數(shù)。

對各方案Si（i=1，2，K，m），分別有j個評價指標(biāo)Sij（j=1，2，K，n），則各備選方案的指標(biāo)序列可表示如下：Si（si1，si2，K，si，n）。

對于效益型指標(biāo)：Xij=[Sijmax{si}]? ? ? （1）

對于成本型指標(biāo)：Xij=[min{Sij}Sij]? ? ?（2）

則指標(biāo)層指標(biāo)值及其標(biāo)準(zhǔn)化處理如表6：

顯然，0[π]Xij[π]1，且Xij的值越大方案越優(yōu)。

2.4? ? 各層次指標(biāo)權(quán)重的確定

由圖1可見，城市污水處理方案的選擇是一個多指標(biāo)、多層次、定性與定量因素相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)，解決這類多目標(biāo)決策問題的各評價指標(biāo)權(quán)重的有效方法是層次分析法。其基本步驟為：建立遞階層次結(jié)構(gòu)后，根據(jù)1～9的比率度，由專家各層次中的指標(biāo)權(quán)重作出判斷;構(gòu)造判斷矩陣A=（[a]ij）n×n進(jìn)行排序計算，求解判斷矩陣A的特征根。據(jù)AW=[λ]maxW，計算最大特征根[λ]max，找出它所對應(yīng)的特征向量W，即為同一層各指標(biāo)相對上一層某指標(biāo)的相對權(quán)重，然后進(jìn)行一致性檢驗。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論，只要矩陣A與其特征向量W之間檢驗具有隨機(jī)一致性，那么W即為所求的n個指標(biāo)的權(quán)重分配向量，其中W的元素叫Wi就代表了各個指標(biāo)相對于其上層隸屬指標(biāo)的權(quán)重。準(zhǔn)則層P的指標(biāo)權(quán)重向量記為W（P）（w1，w2，w3），其中Ws（s=1，2，3）為準(zhǔn)則層第s個指標(biāo)P相對總目標(biāo)V的權(quán)重。同理，指標(biāo)層M的指標(biāo)權(quán)重向量記為Ws（M）（ws1，ws2，wsp），其中P為隸屬于指標(biāo)Ps的指標(biāo)層指標(biāo)的總數(shù)。

2.5? ? 參考方案指標(biāo)序列的確定

參考方案是理想狀態(tài)下出現(xiàn)的最好方案，它可以是一個虛擬的最優(yōu)方案。考慮到經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，各指標(biāo)的最優(yōu)值均為1，所以參考方案的指標(biāo)序列表示為S0=（X01，X02，K，X0n）=（1，1，K，1）。

2.6? ? 灰色關(guān)聯(lián)分析

2.6.1? ? 指標(biāo)層指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算

根據(jù)灰色理論，參考方案的指標(biāo)序列S0與備選方案的指標(biāo)序列Si，在各指標(biāo)j處的關(guān)聯(lián)度為：

（3）

i=1，2，···，m;? ?j=1，2，···，n;

因參考方案指標(biāo)序列的指標(biāo)值均為1，故恒有[minj][mini]/X0j-Xij/=0，上式關(guān)聯(lián)度計算公式可改為：

（4）

由此可得隸屬于準(zhǔn)則層指標(biāo)Ps的指標(biāo)層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度矩陣為：

（5）

根據(jù)前面介紹的灰色理論及式5，參考方案的指標(biāo)序列S0與備選方案的指標(biāo)序列Si，在各指標(biāo)j處的關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果如表7所示。

其中：兩級最大值為0.700，兩級最小值為0.000。

2.6.2? ? 準(zhǔn)則層指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算

對準(zhǔn)則層指標(biāo)Ps，設(shè)其所屬的指標(biāo)層指標(biāo)為M [ps]，則準(zhǔn)則層指標(biāo)Ps中各個指標(biāo)M [ps]之間的綜合關(guān)聯(lián)度為

（6）

對上式得到的[δ]s（i）（s=1，2，3）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得準(zhǔn)則層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度矩陣為

（7）

其中[ζ]vj（i）為由[δ]s（i）的標(biāo)準(zhǔn)值與相應(yīng)序列的標(biāo)準(zhǔn)值計算而得的關(guān)聯(lián)度，將表7中數(shù)據(jù)代入，得出準(zhǔn)則層指標(biāo)值關(guān)聯(lián)度計算表如下：

2.6.3? ? 綜合關(guān)聯(lián)度分析

綜上所述，備選方案的綜合關(guān)聯(lián)度為

（8）

代入數(shù)據(jù)，則計算得備選方案的綜合關(guān)聯(lián)度為：

（9）

即綜合關(guān)聯(lián)度分別為：[ε]1=0.492，[ε]2=0.686。兩條曲線越相似，其關(guān)聯(lián)度越大，即備選方案與參考方案越接近，反之關(guān)聯(lián)度越小。有計算結(jié)果可得[ε]1<[ε]2，因此對某污水處理廠而言，采用改良型A2/O工藝為最佳方案。

3? ? 結(jié)論

（1）采用了多層次模糊灰色耦合模型對某污水處理廠改擴(kuò)建工程的兩個備選工藝----CASS工藝和改良型A2/O工藝。分別從經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)性能和管理效益三個大的方面進(jìn)行了綜合評價，其中的評價指標(biāo)涉及項目總投資、經(jīng)營成本、占地面積、處理效果、生物污泥量、運行可靠性、運作人員技術(shù)素質(zhì)要求、技術(shù)先進(jìn)性和成熟性、設(shè)備利用率、操作管理及維護(hù)等10個方面。

（2）經(jīng)過多層次模糊灰色耦合模型的計算，改良型A2/O工藝的綜合關(guān)聯(lián)度為0.686，CASS工藝的綜合關(guān)聯(lián)度為 0.492，所以選定改良型A2/O工藝為該污水處理廠的最終處理工藝。在改良型A2/O工藝?yán)铮?jīng)濟(jì)效益、技術(shù)性能和管理效益的綜合關(guān)聯(lián)度分別為0.995、0.628 和 0.538，可以看出，該工藝的管理性能優(yōu)勢不大，而經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效益有比較大的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]前山片區(qū)市政工程控制性詳細(xì)規(guī)劃（初稿）.中國市政工程西南設(shè)計院，2004.

[2]張建鋒，黃廷林.關(guān)中地區(qū)污水處理工藝選擇的系統(tǒng)分析[J].環(huán)境工程.1999，17（3）：61-64.

[3]吳育華，鄭道英.?？陂L流污水廠工藝方案多目標(biāo)評價與選擇[J].中國給水排水，1999，15（4）：41-43.

[4]胡天覺，陳維平，曾光明等.運用層次分析法對株洲霞灣污水處理廠污水處理工藝方案擇優(yōu)[J].環(huán)境工程，2000，18（1）：61-63.

[5]高湘，徐良.層次分析法在西安咸陽國際機(jī)場污水處理投標(biāo)方案選擇中的應(yīng)用.http：//211.147.14.17/Paper/viewPaPer.asP？id=660，2000-11-l.

[6]李如忠.多層次模糊綜合評判模型在城市污水處理中的應(yīng)用[J].淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2000，20（4）：l-4.

收稿日期：2020-09-09

作者簡介：周贊民（1970-），男，湖南湘潭人，環(huán)境工程碩士，主要研究方向為污水處理。