多層次模糊灰色耦合模型在某污水處理廠改擴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工藝方案選擇采用基于技術政策的評價方法（經驗法）。為避免經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驗法篩選出的改良型A2/O和CASS兩種備選工藝，從經濟效益、技術性能和管理效益三個大的方面進行了綜合評價。經過計算得到，改良型A2/O工藝的綜合關聯度為0.686，CASS工藝的綜合關聯度為 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，與經驗法的選擇結果一致。

關鍵詞：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? ? 文獻標識碼：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

原建設部、原國家環境保護總局和科學技術部聯合發布的《城市污水處理及污染防治技術政策》對選擇污水處理工藝的基本原則做了明確規定，成為了城市污水處理廠的設計過程中對于污水處理工藝方案的選擇的主要技術依據。

盡管《城市污水處理及污染防治技術政策》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用，但多是結合經驗作定性的分析，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，如何將工藝優選工作系統化、理論化，并借助數學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。國內外學者在這方面進行了有效的探索，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系確定加權系數，或者對各指標因素的影響同等看待（各指標的權重系數均為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濟、技術、操作管理和環境影響等諸多不確定性因素，蔣茹提出了結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體系的基礎上，將模糊數學中的不確定性指標模糊隸屬度概念與多層次指標權重分析方法，灰色關聯分析方法結合，為決策提供科學的依據。筆者在原項目可行性研究的基礎上，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行了分析、評價，選出相對較理想的處理工藝。研究結果表明，這種定量化與定性化相結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? ? 某污水處理廠現狀分析

1.1? ? 擴建需求分析

某污水處理廠規劃總面積超過40km2，規劃遠期人口超過27萬人[1]。由該污水處理廠現服務范圍的實際處理水量統計數據，以及片區污水管網、泵站、排洪渠改造的研究成果，可得該污水處理廠規劃服務范圍內的近、遠期水量如下表：

現狀該污水處理廠的處理能力為8萬m3/d，即近期須擴建規模至少為4.6萬m3/d。

1.2? ? 進水水質的確定

考慮A片區近期工業廢水量占總排放量的40%，B片區工業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，工業廢水的污染物濃度按排入下水道標準，按現狀水樣85%保證率，以2018-2019年的進水水質資料為基數，采用加權平均的方法預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

根據該污水處理廠改擴建項目環境影響報告書的批復要求，該廠改擴建工程的出水水質應達到國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的二級標準以及廣東省地方標準《水污染排放限值》（DB44/26-2001）第二時段的二級排放標準之嚴者。同時考慮該污水處理廠改擴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建工程的出水水質見表3：

根據污水處理廠進水水質和所要求達到的出水水質，可確定污水處理程度如表4：

根據本工程的進出水水質要求，主要是氨氮、磷的去除，結合節省占地和節省運行費用的考慮，決定了所選工藝必須為反應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用

如何將工藝優選工作系統化、理論化，并借助數學手段簡便快速地做出正確的決策，國內外學者進行了大量研究，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]進行比選。該模型采用耦合途徑，在建立多層次評價指標體系的基礎上，將模糊數學中的不確定性指標模糊隸屬度概念與多層次指標權重分析方法，灰色關聯分析方法結合，能為決策提供科學的依據[7]。

2.1? ? 污水處理工藝方案選擇的多層次評價指

標體系

城市污水處理廠工藝方案的選擇具有多指標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體系評價指標：

2.2? ? 指標層指標值的定量化

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

2.3? ? 指標層指標值的標準化

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

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

對于效益型指標：Xij=[Sijmax{si}]? ? ? （1）

對于成本型指標：Xij=[min{Sij}Sij]? ? ?（2）

則指標層指標值及其標準化處理如表6：

顯然，0[π]Xij[π]1，且Xij的值越大方案越優。

2.4? ? 各層次指標權重的確定

由圖1可見，城市污水處理方案的選擇是一個多指標、多層次、定性與定量因素相結合的復雜系統，解決這類多目標決策問題的各評價指標權重的有效方法是層次分析法。其基本步驟為：建立遞階層次結構后，根據1～9的比率度，由專家各層次中的指標權重作出判斷;構造判斷矩陣A=（[a]ij）n×n進行排序計算，求解判斷矩陣A的特征根。據AW=[λ]maxW，計算最大特征根[λ]max，找出它所對應的特征向量W，即為同一層各指標相對上一層某指標的相對權重，然后進行一致性檢驗。根據數理統計理論，只要矩陣A與其特征向量W之間檢驗具有隨機一致性，那么W即為所求的n個指標的權重分配向量，其中W的元素叫Wi就代表了各個指標相對于其上層隸屬指標的權重。準則層P的指標權重向量記為W（P）（w1，w2，w3），其中Ws（s=1，2，3）為準則層第s個指標P相對總目標V的權重。同理，指標層M的指標權重向量記為Ws（M）（ws1，ws2，wsp），其中P為隸屬于指標Ps的指標層指標的總數。

2.5? ? 參考方案指標序列的確定

參考方案是理想狀態下出現的最好方案，它可以是一個虛擬的最優方案。考慮到經標準化處理后，各指標的最優值均為1，所以參考方案的指標序列表示為S0=（X01，X02，K，X0n）=（1，1，K，1）。

2.6? ? 灰色關聯分析

2.6.1? ? 指標層指標關聯度計算

根據灰色理論，參考方案的指標序列S0與備選方案的指標序列Si，在各指標j處的關聯度為：

（3）

i=1，2，···，m;? ?j=1，2，···，n;

因參考方案指標序列的指標值均為1，故恒有[minj][mini]/X0j-Xij/=0，上式關聯度計算公式可改為：

（4）

由此可得隸屬于準則層指標Ps的指標層指標的關聯度矩陣為：

（5）

根據前面介紹的灰色理論及式5，參考方案的指標序列S0與備選方案的指標序列Si，在各指標j處的關聯度計算結果如表7所示。

其中：兩級最大值為0.700，兩級最小值為0.000。

2.6.2? ? 準則層指標關聯度計算

對準則層指標Ps，設其所屬的指標層指標為M [ps]，則準則層指標Ps中各個指標M [ps]之間的綜合關聯度為

（6）

對上式得到的[δ]s（i）（s=1，2，3）進行標準化處理，得準則層指標的關聯度矩陣為

（7）

其中[ζ]vj（i）為由[δ]s（i）的標準值與相應序列的標準值計算而得的關聯度，將表7中數據代入，得出準則層指標值關聯度計算表如下：

2.6.3? ? 綜合關聯度分析

綜上所述，備選方案的綜合關聯度為

（8）

代入數據，則計算得備選方案的綜合關聯度為：

（9）

即綜合關聯度分別為：[ε]1=0.492，[ε]2=0.686。兩條曲線越相似，其關聯度越大，即備選方案與參考方案越接近，反之關聯度越小。有計算結果可得[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。分別從經濟效益、技術性能和管理效益三個大的方面進行了綜合評價，其中的評價指標涉及項目總投資、經營成本、占地面積、處理效果、生物污泥量、運行可靠性、運作人員技術素質要求、技術先進性和成熟性、設備利用率、操作管理及維護等10個方面。

（2）經過多層次模糊灰色耦合模型的計算，改良型A2/O工藝的綜合關聯度為0.686，CASS工藝的綜合關聯度為 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工藝里，經濟效益、技術性能和管理效益的綜合關聯度分別為0.995、0.628 和 0.538，可以看出，該工藝的管理性能優勢不大，而經濟效益和技術效益有比較大的優勢。

參考文獻

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[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[J].環境工程，2000，18（1）：61-63.

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[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用[J].淮南工業學院學報，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，環境工程碩士，主要研究方向為污水處理。