某化工園區污水水質模糊綜合評價

白曉瑞,唐景春,王 敏 ,王如剛

(南開大學環境科學與工程學院/環境污染過程與基準教育部重點實驗室,天津 300071)

人類的活動使得大量的工業、農業和生活廢棄物排入江河湖海中,使水體受到嚴重污染。目前,全世界每年約有超過 4.2×1011m3的污水排入江河湖海中,污染了 5.5×1012m3的淡水,導致了嚴重的環境災害[1]。化工園區聚集了大量的企業,各個企業從事的生產活動多樣,工業廢水中污染物種類繁多,使得污水處理廠污染負荷超標。

自美國控制論專家 L.A.Zadeh在 20世紀 60年代提出模糊集以來[2～3],模糊數學在各行各業都得到了廣泛的應用。模糊綜合評價法在水環境評價中的應用也快速發展[4～6]。在實際應用中主要是以單因子超標倍數或污染因子等權法為主,同時考慮污染因子不等權性、模糊性和隨機性的綜合定量研究則較少[7～8]。文中采用模糊綜合評價法建立污水水質評價指標,計算各企業污水與相關標準級別的隸屬度,從而評判化工園區排放污水水質情況。

1 評價步驟

模糊綜合評價就是以模糊數學為基礎,應用模糊關系合成原理,將一些邊界不清,不易定量的因素定量化、進行綜合評價的一種方法。它是通過構造等級模糊子集把反映被評事物的模糊指標進行量化 (即確定隸屬度),利用模糊變換原理對各指標進行綜合評價。

1.1 確定評價指標

評價指標的確定是根據污水綜合排放標準(污水綜合排放標準 GB8978-1996)及園區內各個企業主要污染物而設置的。共設置 5項評價指標:總懸浮固體 (SS)x1,化學耗氧量 (COD)x2,生物需氧量 (BOD5)x3,氨氮 x4,總磷 x5,共同組成評價指標集:U (x1,x2,x3,x4,x5)如表 1所示。

表 1 某工業園區各企業污水評價指標值 (mg/L)

1.2 建立評價集

評價集是與評價指標集中評價因子相應的評價標準集合,在環境質量評價中,評價集是各個污染因子相應的環境質量標準等級的集合。根據污水綜合排放標準 GB8978-1996,將污水水質分為 {一級,二級,三級}三個評價集。

表 2 污水排放標準 (mg/L)

1.3 建立隸屬函數

由于污水污染程度和污水排放標準都是模糊的,用隸屬度刻畫分級界限較為合理。根據各指標的 3級排放標準,做出 3個級別的隸屬函數。常用的隸屬函數的確定方法有模糊統計法、三分法和套用 F分布法等,文中采用套用 F分布的降半梯形函數。

1.4 建立模糊關系矩陣

參與水質評價的評價因子有m個,水質評價標準由 n個級別組成。設 rij表示第 i種污染物的環境質量數值可以被評價為第 j類環境質量的可能性,將各個企業實際監測值代入相應的隸屬函數,計算隸屬度得到水質評價因子與水質類別的模糊關系矩陣 R。

這里 rij為第 i個評價指標隸屬于第 j等級的隸屬度。

1.5 模糊權向量

根據污染物對水質的污染大權重應大和污染物小權重應小的原則,決定各指標權重的大小,其計算公式為:

ai為第 i種評價指標的權重,ci為第 i種指標的實測值,si為多級濃度標準值的最大值。

為了進行模糊復合運算,單因素權重必須作歸一化處理,wi=計算出權重后組成模糊權重向量集A,

1.6 模糊關系合成算子的選擇

算子的選擇很多,通過實際驗算選用算子 M(·,+)可避免丟失過多的信息,突出考慮諸污染因子的綜合作用,使計算結果更符合實際情況。M(·,+)算子含義如下式:

將與A與R合成得到模糊綜合評價結果向量B,bn即為模糊復合運算結果,表示各級水質的隸屬度,結果采取隸屬度最大原則,即在評價結果向量中取最大值對應的級別為模糊分級評價結果[9～10]。

2 結果討論

文中數據來源于對污水 3次采樣的實際檢測結果的平均值。根據各個企業生產所用原材料及添加劑總結出各個企業主要排放污水中的主要污染物,分析采用《水和廢水分析方法 (第四版)》中的測定方法,并結合相關國家標準。

表 3 化工園區各企業排放污水水質評價結果

由表 3可以看出該化工園區內各個企業排放污水水質多數為三級標準,企業 6達到二級標準,按規定個別企業應執行二級標準。盡管多數企業污水水質符合排放要求,但是個別指標存在嚴重超標現象。COD分析,企業 1、企業 2、企業 4及總污水口都超過三級標準。總懸浮物分析,所有水樣都符合三級標準,其中總污水口及企業 2出水較大。BOD5分析,除了總污水口外,其它排放口污水水質排放均符合三級排放標準,其中企業 1和企業 5較大。氨氮分析,企業 1、企業 2、企業 3等以及總污水口超標,最大是企業 1超標 10倍,其余超標在 5倍左右。總磷分析,只有 3個企業達到三級排放標準,分別是企業 1、企業 6及企業 7,最大是企業 3超標達 60倍。

為了進一步分析各個企業污水水質對總排污口的影響特性,用 SpssS軟件對所有原始數據進行了相關性分析,結果如圖 1所示。由圖 1可以看出企業 6的污水水質與總排污口相關性最大,影響也最大,企業 2與企業 7的相關性最小,都為 0.7,表明其水質對總排污口污水水質影響較小。

3 總結

借助模糊綜合評價法對化工園區各企業排放污水水質進行分級,其評價結果表明:各個企業排放污水都達到污水綜合排放三級標準,但多數企業一些排放指標嚴重超標,增加了污水處理廠處理負荷,故而應加大對企業的監督管理力度,使企業排放污水符合國家標準。

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