多层次模糊灰色耦合模型在某污水处理厂改扩建工程工艺方案比选的研究

周赞民 杨琼

摘要：工艺方案选择是城市污水处理厂建设中的重要步骤，它对城市污水处理厂的投资费用、运行费用、出水效果、操作管理等起着决定性作用。通常，城市污水处理厂建设工艺方案选择采用基于技术政策的评价方法（经验法）。为避免经验法存在较大的主观随意性，本文采用了多层次模糊灰色耦合模型對经验法筛选出的改良型A2/O和CASS两种备选工艺，从经济效益、技术性能和管理效益三个大的方面进行了综合评价。经过计算得到，改良型A2/O工艺的综合关联度为0.686，CASS工艺的综合关联度为 0.492，所以选定改良型A2/O工艺为该污水处理厂的最终处理工艺，与经验法的选择结果一致。

关键词：污水处理厂;工艺方案比选;改良型A2/O;多层次模糊灰色耦合模型

中图分类号：X703.1    文献标识码：A    文章编号：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

原建设部、原国家环境保护总局和科学技术部联合发布的《城市污水处理及污染防治技术政策》对选择污水处理工艺的基本原则做了明确规定，成为了城市污水处理厂的设计过程中对于污水处理工艺方案的选择的主要技术依据。

尽管《城市污水处理及污染防治技术政策》提出的城市污水处理工艺选择的基本原则在实际中得到了较多的应用，但多是结合经验作定性的分析，而对影响方案的各种因素缺乏定量的比较评价，个人经验、知识及偏好的差异，带来较大的主观随意性。因此，如何将工艺优选工作系统化、理论化，并借助数学手段简便快速地做出正确的决策成为迫切需要解决的问题。国内外学者在这方面进行了有效的探索，例如利用层次分析法、模糊综合评判法、物元分析法等求解手段进行了大量研究，但还存在以下不足：这些方法在一定程度上过分依赖因素的权重，这就要求决策者对问题有较深入的了解，按各因素间的支配关系确定加权系数，或者对各指标因素的影响同等看待（各指标的权重系数均为1），没有突出某些影响因素的重要性，与实际不符。

因为“随机性、模糊性和灰色性”往往共存于所研究的对象和问题之中，且污水处理工艺方案的选择涉及到经济、技术、操作管理和环境影响等诸多不确定性因素，蒋茹提出了结合层次分析法的模糊灰色耦合模型，即所谓的多层次模糊灰色耦合模型。该模型采用耦合途径，在建立多层次评价指标体系的基础上，将模糊数学中的不确定性指标模糊隶属度概念与多层次指标权重分析方法，灰色关联分析方法结合，为决策提供科学的依据。笔者在原项目可行性研究的基础上，运用多层次模糊综合评判模型对某污水处理厂工艺方案进行了分析、评价，选出相对较理想的处理工艺。研究结果表明，这种定量化与定性化相结合的模糊综合评判模型也是目前污水厂工艺方案选择的一种理想方法。

1    某污水处理厂现状分析

1.1    扩建需求分析

某污水处理厂规划总面积超过40km2，规划远期人口超过27万人[1]。由该污水处理厂现服务范围的实际处理水量统计数据，以及片区污水管网、泵站、排洪渠改造的研究成果，可得该污水处理厂规划服务范围内的近、远期水量如下表：

现状该污水处理厂的处理能力为8万m3/d，即近期须扩建规模至少为4.6万m3/d。

1.2    进水水质的确定

考虑A片区近期工业废水量占总排放量的40%，B片区工业废水量占总排放量的15%，生活污水的污染物浓度按该污水处理厂2019年平均值，工业废水的污染物浓度按排入下水道标准，按现状水样85%保证率，以2018-2019年的进水水质资料为基数，采用加权平均的方法预测近期城市污水的污染物浓度见表2：

1.3    污水处理程度的确定

根据该污水处理厂改扩建项目环境影响报告书的批复要求，该厂改扩建工程的出水水质应达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的二级标准以及广东省地方标准《水污染排放限值》（DB44/26-2001）第二时段的二级排放标准之严者。同时考虑该污水处理厂改扩建工程的出水作为城市排洪渠观赏性景观用水的可能。综合确定某污水处理厂改扩建工程的出水水质见表3：

根据污水处理厂进水水质和所要求达到的出水水质，可确定污水处理程度如表4：

根据本工程的进出水水质要求，主要是氨氮、磷的去除，结合节省占地和节省运行费用的考虑，决定了所选工艺必须为反应速率高的脱氮除磷或集约型工艺，由此从二级处理工艺中筛选出改良A2/O和CASS两种工艺进行工艺流程比选。

2    多层次模糊灰色耦合模型在污水处

理工艺方案选择中的应用

如何将工艺优选工作系统化、理论化，并借助数学手段简便快速地做出正确的决策，国内外学者进行了大量研究，利用了诸如层次分析法、模糊综合评判法、物元分析法等求解手段[2～5]。本文选用蒋茹提出的结合层次分析法的模糊灰色耦合模型，即所谓的多层次模糊灰色耦合模型[6]进行比选。该模型采用耦合途径，在建立多层次评价指標体系的基础上，将模糊数学中的不确定性指标模糊隶属度概念与多层次指标权重分析方法，灰色关联分析方法结合，能为决策提供科学的依据[7]。

2.1    污水处理工艺方案选择的多层次评价指

标体系

城市污水处理厂工艺方案的选择具有多指标性和多层次性的特点，本研究中建立如下图所示的多层次递阶的评价指标体系评价指标：

2.2    指标层指标值的定量化

图1中确定性指标，如项目总投资及经营成本以投资现值表示。对于不确定指标，即用定性评语（模糊语言）描述的指标，用模糊数学中的隶属度（0～10）来表示，本研究采用5级划分法，即优、良、中、差、劣5个等级，相应的隶属度为0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。两方案经济技术指数见表5：

2.3    指标层指标值的标准化

计算值越小越好的成本型指标和计算值越大越好的效益型指标在采用线性变换的规范处理时所采用的基点不同，使变换后最好的效益目标和成本目标有不同的值，缺乏一致性，不便于比较。故采用如下方法作规范化处理，将其化为[0，1]区间内的数。

对各方案Si（i=1，2，K，m），分别有j个评价指标Sij（j=1，2，K，n），则各备选方案的指标序列可表示如下：Si（si1，si2，K，si，n）。

对于效益型指标：Xij=[Sijmax{si}]      （1）

对于成本型指标：Xij=[min{Sij}Sij]     （2）

则指标层指标值及其标准化处理如表6：

显然，0[π]Xij[π]1，且Xij的值越大方案越优。

2.4    各层次指标权重的确定

由图1可见，城市污水处理方案的选择是一个多指标、多层次、定性与定量因素相结合的复杂系统，解决这类多目标决策问题的各评价指标权重的有效方法是层次分析法。其基本步骤为：建立递阶层次结构后，根据1～9的比率度，由专家各层次中的指标权重作出判断;构造判断矩阵A=（[a]ij）n×n进行排序计算，求解判断矩阵A的特征根。据AW=[λ]maxW，计算最大特征根[λ]max，找出它所对应的特征向量W，即为同一层各指标相对上一层某指标的相对权重，然后进行一致性检验。根据数理统计理论，只要矩阵A与其特征向量W之间检验具有随机一致性，那么W即为所求的n个指标的权重分配向量，其中W的元素叫Wi就代表了各个指标相对于其上层隶属指标的权重。准则层P的指标权重向量记为W（P）（w1，w2，w3），其中Ws（s=1，2，3）为准则层第s个指标P相对总目标V的权重。同理，指标层M的指标权重向量记为Ws（M）（ws1，ws2，wsp），其中P为隶属于指标Ps的指标层指标的总数。

2.5    参考方案指标序列的确定

参考方案是理想状态下出现的最好方案，它可以是一个虚拟的最优方案。考虑到经标准化处理后，各指标的最优值均为1，所以参考方案的指标序列表示为S0=（X01，X02，K，X0n）=（1，1，K，1）。

2.6    灰色关联分析

2.6.1    指标层指标关联度计算

根据灰色理论，参考方案的指标序列S0与备选方案的指标序列Si，在各指标j处的关联度为：

（3）

i=1，2，···，m;   j=1，2，···，n;

因参考方案指标序列的指标值均为1，故恒有[minj][mini]/X0j-Xij/=0，上式关联度计算公式可改为：

（4）

由此可得隶属于准则层指标Ps的指标层指标的关联度矩阵为：

（5）

根据前面介绍的灰色理论及式5，参考方案的指标序列S0与备选方案的指标序列Si，在各指标j处的关联度计算结果如表7所示。

其中：两级最大值为0.700，两级最小值为0.000。

2.6.2    准则层指标关联度计算

对准则层指标Ps，设其所属的指标层指标为M [ps]，则准则层指标Ps中各个指标M [ps]之间的综合关联度为

（6）

对上式得到的[δ]s（i）（s=1，2，3）进行标准化处理，得准则层指标的关联度矩阵为

（7）

其中[ζ]vj（i）為由[δ]s（i）的标准值与相应序列的标准值计算而得的关联度，将表7中数据代入，得出准则层指标值关联度计算表如下：

2.6.3    综合关联度分析

综上所述，备选方案的综合关联度为

（8）

代入数据，则计算得备选方案的综合关联度为：

（9）

即综合关联度分别为：[ε]1=0.492，[ε]2=0.686。两条曲线越相似，其关联度越大，即备选方案与参考方案越接近，反之关联度越小。有计算结果可得[ε]1<[ε]2，因此对某污水处理厂而言，采用改良型A2/O工艺为最佳方案。

3    结论

（1）采用了多层次模糊灰色耦合模型对某污水处理厂改扩建工程的两个备选工艺----CASS工艺和改良型A2/O工艺。分别从经济效益、技术性能和管理效益三个大的方面进行了综合评价，其中的评价指标涉及项目总投资、经营成本、占地面积、处理效果、生物污泥量、运行可靠性、运作人员技术素质要求、技术先进性和成熟性、设备利用率、操作管理及维护等10个方面。

（2）经过多层次模糊灰色耦合模型的计算，改良型A2/O工艺的综合关联度为0.686，CASS工艺的综合关联度为 0.492，所以选定改良型A2/O工艺为该污水处理厂的最终处理工艺。在改良型A2/O工艺里，经济效益、技术性能和管理效益的综合关联度分别为0.995、0.628 和 0.538，可以看出，该工艺的管理性能优势不大，而经济效益和技术效益有比较大的优势。

参考文献

[1]前山片区市政工程控制性详细规划（初稿）.中国市政工程西南设计院，2004.

[2]张建锋，黄廷林.关中地区污水处理工艺选择的系统分析[J].环境工程.1999，17（3）：61-64.

[3]吴育华，郑道英.海口长流污水厂工艺方案多目标评价与选择[J].中国给水排水，1999，15（4）：41-43.

[4]胡天觉，陈维平，曾光明等.运用层次分析法对株洲霞湾污水处理厂污水处理工艺方案择优[J].环境工程，2000，18（1）：61-63.

[5]高湘，徐良.层次分析法在西安咸阳国际机场污水处理投标方案选择中的应用.http：//211.147.14.17/Paper/viewPaPer.asP？id=660，2000-11-l.

[6]李如忠.多层次模糊综合评判模型在城市污水处理中的应用[J].淮南工业学院学报，2000，20（4）：l-4.

收稿日期：2020-09-09

作者简介：周赞民（1970-），男，湖南湘潭人，环境工程硕士，主要研究方向为污水处理。