运用模糊综合分析法和平行因子法综合评价污水厂运行的稳定性

严国兵，李卫华，徐　玲，刘怡心，帅　磊

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230022)



运用模糊综合分析法和平行因子法综合评价污水厂运行的稳定性

严国兵，李卫华，徐玲，刘怡心，帅磊

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230022)

摘要：采用模糊综合分析法对污水厂全年运行的稳定性进行评价，同时利用平行因子法提取三维荧光光谱中的类蛋白质荧光物质，并对每月的荧光强度得分变化进行对比分析，以更好地把握污水厂处理效果的总体动态。结果表明，通过模糊综合分析、常规化学指标分析以及荧光强度得分分析的结果基本一致，均显示该污水厂6、7、8月份的处理效果不佳，全年运行稳定性较差。该研究为如何实现直观、快速、准确、系统地评价污水厂运行的稳定性提供了可行的方案。

关键词：模糊综合分析法；平行因子法；三维荧光光谱 ；类蛋白物质 ；运行稳定性

0　引　　言

随着环境污染问题的日渐突出,污水处理越来越引起人们的广泛重视,城市污水处理厂的正常运行对于改善城市水环境，缓解水资源危机有着重要的作用。污水处理厂在原来广泛应用的基础上进一步加大建设.因此,污水处理厂运行效果的综合评价成为目前急需解决的一个问题[1]。目前，城市污水处理通常依靠常规水质监测和运行经验来进行污水厂的运行和评价。因此，如何进行系统、准确、直观的评价十分的重要。

由于三维荧光光谱具有直观和快速的优点，并且被广泛的应用在废水处理研究中。本研究拟通过结合各化学指标变化、三维荧光光谱表征和平行因子法对污水厂全年的整体运行情况进行详细地分析。三维荧光光谱通常由多个激发波长下而获得的荧光发射光谱矩阵组成，从而获得待测样品中所有荧光基团的光谱信息。不同的荧光基团在特定的激发发射波长区域有特征光谱贡献，根据低浓度条件下荧光物质浓度与荧光强度成正比的关系，可以直观地比较荧光基团浓度变化[2]。Baker等人用荧光光谱表征了受城市污水影响的英国奥斯本河水质变化[2]。吕洪刚等人利用三维荧光技术对给水的水质进行测定[3]。金乌吉斯古楞等人对城市污水处理过程中溶解性有机物及荧光物质的变化规律进行研究[4]。部分研究学者在此基础上利用平行因子法来分析水体中的溶解性有机物(DOM)和物质成分的特性研究[5-7]。

为了能进一步对污水厂的运行稳定性进行系统、量化的评价，把定性与定量因素结合起来，全部转化为定量数据进行量化，从而得到理性客观的评判结果。因此采用模糊分析法对污水厂运行的稳定性进行综合分析。自1965年美国California大学L.A.Zadeh教授提出模糊集以来,模糊数学在理论研究和应用上都得到了迅速的发展[8]。模糊综合评价的基本原理是从影响问题的诸因素出发，确定被评价对象从优到劣若干等级的评价集合评价指标的权重，对各指标分别做出模糊评价，确定隶属函数，形成模糊判断矩阵，将其与权重矩阵进行模糊运算，得到定量的综合评价结果。目前，黄绍娃等人利用模糊综合评判法对城市污水处理工艺加以确定[9]。龚宏伟等人对污水处理厂运行效果进行模糊综合评价[1]。孙雷在实例中运用主成分分析法和模糊综合分析法对水质进行综合评价[10]。而该研究主要在化学指标综合评价分析的基础上结合三维荧光光谱分析对污水厂的运行稳定性进行了更加系统、准确的评价，对研究污水厂实际运行效果的变化情况有更加直观和快速的反映。

1　实验部分

1.1样品采集与分析

水样取自合肥市某污水厂，该污水厂采用SBR工艺。取样时间为2013年1月～12月，每月取水样一次，分别在污水厂进水口、曝气池、二沉池、出水以及受纳水体排出口上游和下游附近共设置6个取样点，对每个月六个取样点的水样进行处理和荧光光谱的荧光强度得分分析，以反映污水厂全年的运行稳定性。

1.2实验方法

1.2.1常规的化学指标的测定

PO43--P 、TP采用钼锑抗分光光度法；TN采用过硫酸钾氧化法；NH3-N采用纳氏试剂氧化法；COD采用重铬酸钾法。

1.2.2三维荧光光谱和主要荧光物质荧光强度得分的测定

水质样品经12000 r·min-1离心5 min后，再通过0.45 μm滤膜过滤，扫描并获取其三维荧光光谱。采用日本日立公司F7000荧光分光光度计，其参数设定为：激发波长(Ex)250～450 nm，发射波长(Em)300～550 nm，狭缝宽度10 nm，PMT电压700 V，扫描速度2400 nm·min-1。三维荧光光谱图采用MATLAB软件绘制，处理后的激发发射光谱数据转为MATLAB中的三维矩阵进行平行因子分析计算[11]。

1.2.3模糊综合分析法

综合评价是通过多项指标来进行的。如果某项指标的数值能明确区分开各个被评价对象，说明该指标在这项评价上的分辩信息丰富，因而应给该指标以较大的权数；反之，若各个被评价对象在某项指标上的数值差异较小，那么这项指标区分各评价对象的能力较弱，因而应给该指标较小的权数。应用相对偏差最小法对污水厂每月运行的整体状况进行模糊综合评价，评价模型如下：

(2)建立相对偏差模糊矩阵R

(3)建立个评价指标的权数W={w1,w2…wn}

(4)建立模糊综合评价模型

若Ft< Fs则表示该污水厂第t个月比第s个月污水处理综合效果要好。

2　结果与讨论

2.1常规化学指标检测分析

每月的主要化学指标去除率的变化情况如图 1所示，图1(d)中可溶解性COD和氨氮的去除率的波动幅度不大，从而表明可溶解性COD和氨氮的去除率的变化趋势对综合评价污水厂运行的稳定性影响不大。由图1(a)、(b)、(c)分析可知前四个月总氮(TN)、氨氮(NH3—N)、总磷(TP)、正磷酸盐(orthophosphate)和可溶解性COD的去除率较高，说明前一季度污水厂处理较好。6、7、8三个月中总磷、正磷酸盐、总氮的去除率变化较大，例如6月份正磷酸盐和总磷的去除率分别为23.26%和38.55%，8月份总氮的去除率为25.36%。表明污水厂在6、7、8三个月运行的处理效果较差，这可能由于污水厂在该时间段内进行提标改造所造成的。综合分析可知污水厂全年运行的稳定性较差。

2.2三维荧光光谱和主要荧光物质荧光强度得分的分析

2.2.1各取样点三维荧光光谱分析

由于每月的三维荧光光谱绘制和分析方式基本一致，图2仅绘制出1月份各取样点的荧光光谱图并对其进行简要的分析。图2中存在一个明显的荧光峰，其激发发射波长Ex/Em位于280 nm/340 nm，它源于类蛋白质物质的荧光贡献[12-13]，在激发发射波长Ex/Em位于320 nm/420 nm区域源于类富里酸物质的荧光贡献[12]。

由图3可知水样的总体荧光强度变化为：进水的荧光强度最高，曝气池荧光强度急剧下降，曝气池、沉淀池和出水的荧光强度变化不明显，基本保持不变。此外，污水厂排污口上游比下游荧光强度强，这说明污水厂的出水并非是河流受污染的主要原因。

2.2.2主荧光物质荧光强度得分分析

由三维荧光光谱分析可知，类蛋白质物质是荧光峰的主要贡献者，而三维荧光光谱主要反应的是细胞外类蛋白质物质的浓度变化，因此，本研究采用平行因子法仅提取类蛋白质物质的荧光强度得分，并通过其每月份的得分变化情况来简要分析污水厂全年的运行状况。

从图3(b)、(c)可以看出，6、7、8三个月份该污水厂整个运行处理过程中水样的类蛋白质物质荧光强度得分基本没有改变。荧光强度得分曲线的变化趋势与其他月份差异较大，从而可以间接地反映污水厂全年运行稳定性较差。其分析结果与检测常规化学指标变化的分析结果一致。

2.3模糊综合分析法

假设该污水厂各月份投入的运行成本相差不大，即忽略污水厂的成本型参数指标。仅考虑该污水厂的效益型指标，效益型指标包括：正磷酸盐去除率、总磷去除率、氨氮去除率、总氮去除率、溶解性COD去除率，即通过分析污水厂12个月的5项常规化学指标除去率变化来反映其运行稳定性(见表1)。

表1　该污水厂1～12月各项化学指标的去除率

(2)相对偏差模糊矩阵R

W={0.2528,0.2280,0.0577,0.3162,0.1453}

经过上述计算后得出:

F=(0.255,0.264,0.244,0.179,0.203,0.559,0.823,0.787,0.398,0.540,0.441,0.186)

污水厂各月综合评价F值变化如图 4所示，该污水厂前半年1～5月份综合处理效果很好，F值最大不超过0.3。而6、7、8月份综合处理效果较差，这3个月F的均值0.723，后一季度的综合评价F值逐渐减小，污水厂的处理效果逐渐恢复。这与通过各项化学指标去除率的变化分析以及荧光强度得分分析的结果基本一致。结合12个月的综合评价F值的变化表明该污水厂全年运行状况不稳定。

在龚宏伟对污水处理厂运行效果的模糊综合评价中，每季度仅采取1次数据，数据量较少，以此数据反映污水厂运行的稳定性不准确，可信度低；而且权向量W={w1,w2…wn}的确定是模糊分析法的重点，在其文章中通过假设各项指标标准的权向量W={0.35,0.05,0.4,0.05,0.15}与实际计算W={0.2932,0.119,0.1656,0.3299,0.0995}偏差较大[1]。而该研究的优势主要在于采用大量的数据统计、准确的计算方法并综合三维荧光强度得分变化最终得到合理的评价结果，这将对污水厂的实际运行具有指导性意义。

3　结　　论

通过对该污水厂全年各月份水样的主要化学指标去除率变化情况进行分析，6、7、8月份的三种化学指标(正磷酸盐、总磷和总氮)的去除率相对较低，处理效果较差，从而影响了污水厂全年运行的稳定性。同时采用三维荧光光谱对污水中的荧光物质进行表征，结合平行因子法提取各月份样品中类蛋白质物质的荧光强度得分，并在此基础上对比分析各月份荧光强度得分的变化趋势。其分析结果与单独通过常规化学指标去除率的变化趋势分析结果基本一致，全年运行的稳定性较差。忽略该污水厂各月投入的成本型参数，综合主要化学指标去除率的效益型参数，建立模糊综合分析模型。其评价结果显示，全年中该污水厂6、7、8月份的综合评价F值相对较大，分别为0.559、0.823、0.787。根据评价模型可知F值越大处理的效果越差，故分析结果与上述分析结果相同。

综上所述，结合模糊分析法的定量性和准确性与三维荧光光谱的直观性和快速性，可以实现对污水厂运行的稳定性进行全面地、综合地评价。

参考文献

1龚宏伟. 污水处理厂运行效果的模糊综合评价[J]. 河北建筑工程学院学报, 2005, 23(4): 10-13.

2Baker A., Inverarity R., Charlton M., et al.Detecting river pollution using fluorescence spectrophotometry:case studies from the Ousebum,NE England[J]. Environmental Pollution, 2003, 124(1): 57-70.

3吕洪刚,欧阳二明,郑振华,等. 三维荧光技术用于给水的水质测定[J]. 中国给水排水, 2005, 21(3):91-93.

4金乌吉斯古楞,薛爽,王智,等. 城市污水处理过程中溶解性有机物及荧光物质的变化规律[J]. 环境科学学报, 2014, 34(9): 2298-2305.

5蔡文良,许晓毅,杜娴,等. 嘉陵江重庆段DOM三维荧光光谱的平行因子分析[J]. 环境科学研究,2012,25(3):276-281.

6甘淑钗,吴莹,鲍红艳,等.长江溶解有机质三维荧光光谱的平行因子分析[J].中国环境科学,2013,33(6):1045-1052.

7倪永年,蔡英俊.平行因子-同步荧光法测定食品中维生素B1，B2和B6[J].光谱学与光谱分析,2005,25(10):1641-1644

8楼世博,孙章,陈化成.模糊数学[M].北京:科学出版社,1983.

9黄绍娃,胡志光.模糊综合评判法确定城市污水处理工艺[J]. 工业用水与废水.,2004, 35(4): 12-14.

10孙雷. 主成分分析法和模糊综合分析法在水质评价中的实例比较[J]. 环境科学与管理,2011,36(8):178-181.

11Bro Rasmas.. PARAFAC .Tutorial and applications [J]. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 1997, 38(2): 149-171.

12Pons M N, Bonté S L, Potier O. Spectral analysis and fingerprinting for biomedia characterisation[J]. Journal of Biotechnology, 2004,113(1/3):211-230.

13Baker A, Ward D, Lieten S H, et al. Measurement of protein2-like fluorescence in river and waste water using a handheld spectrophotometer[ J ]. 2004,Water Research, 38(12): 2934-2938.

Comprehensive Evaluation of the Operation Stability of Sewage Treatment

Plant Using the Fuzzy Comprehensive Analysis and Parallel Factor Analysis

YAN Guobing，LI Weihua，XU Ling，LIU Yixin，SHAI Lei

(School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University ,Hefei, 230601,China)

Abstract:The operational stability of municipal sewage treatment plants (MSTP) of the whole year was evaluated using the fuzzy comprehensive analysis method. To better understand the overall dynamic effect of the sewage treatment plants, the protein-like substances were characterized using three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy combined with parallel factor analysis (PARAFAC), and its fluorescence intensity scores was acquired and evaluated. The results show that the analysis of fuzzy comprehensive evaluation is consistent with the general chemical index and fluorescence intensity. and the treatment effect of the MSTP in June, July and August is poor, which lead to unstable operation stability.This study provides an intuitive, rapid, accurate and systematic method to evaluate the operational stability of sewage treatment plant.

Key words:fuzzy comprehensive analysis; parallel factor analysis ; three-dimensional fluorescence spectra ; protein-like substances; operational stability

中图分类号：X832

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)05-071-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150516

作者简介：严国兵(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向：水污染控制。。

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2011ZX07303-002-04)

收稿日期：2015-03-16