改进秩和比法在城镇污水处理工艺优选中的应用

潘伟亮，吴齐叶，龚文静，蒋晖，练春江，毛羽丰

(1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室,重庆 400074；2.国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074)

随着我国经济的迅速发展，大量污废水不合理的排放,污染了周边的环境[1-2]。多年来，我国发展应用了诸多污水处理工艺[3-4]。但选用时受限于基建运行费用、处理效果、施工难易等因素，难以选出最优处理工艺[5]。运用综合评估法选出较为适合的处理工艺受到广泛关注[6]。综合评估方法对多指标进行量化分析，为待选工艺排序得出最优方案[7]。

针对河北省城镇污水处理工艺选择存在的主观性问题，以改进秩和比(Rank-sum ratio，简称RSR法)法为基础，结合熵权法和层次分析法求权重，对处理工艺的选择进行综合评估，研究结果可为城镇污水处理适用工艺选择提供一定的技术参考[8-9]。

1 材料与方法

秩和比法是1988年对医学背景下的数据信息进行评估而提出的，被采用后广泛应用于社区卫生服务等综合评价中，该方法因充分考虑到原始数据的重要性，从而对原始数据进行综合统计，传统秩和比法将信息转化为秩次的形式进行量化比较，结合数学统计理论简单有效的为目标信息排序，结果具有客观性[10]。

1.1 改进RSR法原理

改进RSR法克服了传统RSR法编秩上的不足，所得秩次能更好地表征原始数据中包含的信息，增加了秩次排序的客观可信度，被称为“非整秩次RSR法”[11]。具体步骤如下：

(1)编秩方法如下：

对于高优秩指标

(1)

对于低优秩指标

(2)

式中R为秩次，N为处理工艺数量，X为指标的原始数据。

(2)当各评价指标的权重不同时，计算加权秩和比(WRSR)：

(3)

式中，i=1～5;j=1～7;Rij为各评价指标的秩次值。

(4)以SPSS软件分析得出RSRw值与Probit的回归方程。

(5)按合理分档和最佳分档原则进行分档。

1.2 权重的分配

研究表明组合赋权值的方法优于采用单一方法定权值，因此对于权重的赋值采用层次分析法和熵权法相结合[12-13]。层次分析法[14]确定权值：(1)根据指标的重要性建立判断矩阵；(2)计算权重向量并归一化得各指标权值向量W1；(3)对判断矩阵进行一致性检验。熵权法[15]确定权值：(1)建立无纲量矩阵；(2)确定各指标的熵值；(3)计算各指标权值向量W2。

根据数理统计理论，将层次分析法和熵权法加权，确定最终权值为：

(4)

1.3 评价对象及指标的选取

污水处理工艺的优选是在多个待选方案中选取一个较优的方案[16]，基于《2016年城镇排水统计年鉴》中的数据，对河北省城镇污水处理工艺的选用进行评估，主要处理工艺有5类：A为AAO及其变型工艺，B为SBR及其变型工艺，C为其他工艺，D为生物膜法，E为氧化沟工艺。5类主要工艺所包含的具体工艺见表1下的注。

根据河北城镇污水工艺的特点，对排水统计年鉴的相关数据进行筛选，考虑3个方面的因素，即经济指标、技术指标和管理指标[17]。最终确定7个指标：单位水量运行成本X1，单位干污泥脱水药耗X2，COD削减率X3，氨氮削减率X4，可持续性X5，排放标准X6，管理难度X7，具体见表1。

表1 5类工艺对应各指标下的评分

2 结果与讨论

2.1 指标权值的确立

2.1.1 层次分析法确定权值

2.1.1.1 建立判断矩阵 根据参考文献的成果及相关专家的意见[18]，运用五级评价值(表2)，对选择工艺，影响因素的重要程度两两比较，建立因素层的判断矩阵；对每个因素下所含的指标的重要性进行两两比较，建立指标层的判断矩阵。

表2 5级评价值

2.1.1.2 计算权重向量并归一化 得各因素层W0、各指标层的权值向量W1。

表3 各层权值表

2.1.1.3 对判断矩阵进行一致性检验 为检验各层判断矩阵的建立是否合理，对其进行一致性检验，结果表明，各层判断矩阵均满足CR<0.1，符合检验，矩阵一致性可以被接受，无需对其进行修正[19]。

2.1.2 熵权法确定权值

2.1.2.1 建立无量纲矩阵 对原始数据标准化处理，得矩阵

2.1.2.2 确定各指标的熵值E

Ej=(0.83，0.73，0.83，0.86，0.81，0.86，0.82)

2.1.2.3 计算各指标权值向量W2

W2=(0.13，0.22，0.13，0.11，0.15，0.11，0.14)

2.2 非整秩次RSR法

2.2.1 编秩 将各指标原始数据标准化，以不同秩次表示原始数据的大小。按COD削减率X3、氨氮削减率X4、排放标准X5、可持续性X6、管理难度X7为高优秩，单位水量运行成本X1，单位干污泥脱水药耗X2为低优秩划分，高优秩表示在该指标中秩次越高越优，低优秩表示在该指标中秩次越低越优。5类工艺在各个指标下的具体秩次见表4。

表4 5类工艺在各个指标下的RSR值

2.2.2 加权秩和比的计算 主观赋值难以排除个人经验对指标权值的影响，在决策时赋值可能不符合实际情况，定量分析精度较差；客观赋值计算结果相对客观，但只能反映数据之间的重要程度，而模糊了各指标实际的重要程度。两者结合求得权值，既能反映原始数据信息，又符合实际应用[20]。将层次分析法与熵权法所得权值相结合，为最终各个指标权值W=(0.089 3，0.288 4，0.263 8，0.122 6，0.092 0， 0.041 1，0.102 8)。

表5 RSR值分布

2.2.4 计算回归方程 以SPSS软件分析得出RSRw值与Probit线性相关，线性回归方程为RSRw=0.685 3*Probit+0.300 9，相关系数R2=0.949 6，回归方程检验结果为统计量F=56.555,F检验的结果为0.004 87，T检验的结果为P=0.004 87，回归方程具有统计意义。

2.2.5 排序分档 根据RSR值，将5类工艺分为优良差三档，结果见表6。

表6 河北省5类工艺分档与排序结果

对上述结果进行回归分析，结果显示，F检验小于0.01，T检验小于0.01，分档具有显著性。

由表6可知，氧化沟工艺为优选工艺，其次是AAO及其变型工艺、其他工艺、生物膜法、SBR及其变型。分析原因如下：氧化沟工艺出水水质稳定，COD、氨氮削减率反映出该工艺处理效果良好，且管理难度一般，便于污水厂的推广使用，在河北省城镇污水处理工艺中属于优选方案。AAO及其变型工艺COD及氨氮削减率较高，但单位水量电耗较高，长期运行费用高且运行灵活性差；其他工艺(如传统活性污泥法，百乐可)技术成熟，但单位电耗较高，且管理较为困难，就长期运行来看，提高了运行管理费用；SBR及其变型工艺流程简单，污泥量少，但COD和氨氮削减率与其他工艺相比较低，管理难度与维修费用较高。应用该方法仍存在一些不足之处，如近年大力提倡生态环保建设，但由于缺乏有关资料数据，计算时并未深入考虑。选择不同指标将影响权重的赋值，进而影响待选污水处理工艺的评估。因此，在运用RSR法时尚需结合当地情况合理选择评估指标。

3 结论

(1)污水处理技术的选择是一个复杂的问题，涉及因素繁多。改进秩和比法通过构建客观的评估体系，能简便、快速量化各影响指标的权重，计算过程中避免了主观的影响，可用于确定城镇污水处理优选工艺。

(2)对于城镇污水处理工艺的选择时，除了参考非整秩次RSR法的技术综合评价得分外。还应充分考虑当地的经济、环境和社会性能等各方面的因素，合理选择污水处理工艺。