城鎮污水處理廠清潔生產等級評價二元語義模型與方法

王麗玲,張樹深,張 蕓 (大連理工大學環境學院,工業生態與環境工程教育部重點實驗室,遼寧 大連 116024)

城鎮污水處理廠清潔生產等級評價二元語義模型與方法

王麗玲,張樹深*,張 蕓 (大連理工大學環境學院,工業生態與環境工程教育部重點實驗室,遼寧 大連 116024)

為解決城鎮污水處理廠清潔生產等級評價問題,采用定性分析與定量計算相結合的方法,著重構建了城鎮污水處理廠清潔生產等級評價指標體系及其權重確定方法;利用線性加權綜合評價方法、模糊數學和二元語義概念,建立了城鎮污水處理廠清潔生產等級評價模糊綜合模型,并據此提出級別特征值概念,進而建立城鎮污水處理廠清潔生產等級評價的二元語義模型與方法.實例計算分析說明,文中建立的清潔生產等級評價二元語義模型與方法可操作性強,等級評定結果比采用隸屬度最大原則更直觀、更便于解釋,具有很好的應用與推廣價值.

污水處理；清潔生產；模糊綜合模型；二元語義；等級評價

污水處理廠是現代化城鎮必須配套建設的一項重要的基礎設施,污水處理尤其是深度處理對于緩解水域污染、改善水環境至關重要[1-3].但是,污水處理廠不同的處理工藝和管理模式(管理水平)在投入與處理效果方面區別較大.此外,對環境產生的二次影響也有較大差異.因此,對污水處理廠提出一套包含處理工藝、環境管理、污染物產生與排放等的清潔生產等級評價指標體系,進而建立污水處理廠的清潔生產等級評價模型是很有必要的[4-6].

近年來,我國的清潔生產工作廣泛開展,環境保護部等相關部委相繼出臺了50多個行業的《清潔生產指標體系》和《清潔生產標準》.但目前清潔生產工作的重點還是放在制定各類工業企業的清潔生產指標與標準上,而缺乏工業企業清潔生產等級評價模型與方法等方面的研究.如何合理構建工業企業的指標體系與等級評價模型是國內外一個亟待解決的重要理論和實際課題[7-10].為此,本文以污水處理廠清潔生產為研究背景,在合理構建城鎮污水處理廠清潔生產等級評價指標體系的基礎上,利用模糊多屬性(或指標、因素)[11]綜合評價模型與二元語義概念[12-13],建立污水處理廠清潔生產等級評價的綜合模型及方法,旨在為我國新型城鎮化進程中環保治理企業的清潔生產等提供一條新的發展途徑.

1 污水處理廠清潔生產等級評價指標體系構建

本文根據污水處理的特點[14-15],構建了城鎮污水處理廠清潔生產等級評價指標體系.具體地,本文構建的城鎮污水處理廠清潔生產等級評價指標體系是一個包含三層次三等級的遞階結構,其中一級評價指標有6個,包括處理工藝與設備要求(O1)、資源與能源利用(O2)、出水控制(O3)、污染物產生控制(O4)、廢物回收利用(O5)和環境管理要求(O6);二級評價指標包括污水處理工藝總體要求(O11)、消毒工藝(O12)等24個;三級評價指標包括BOD5(O311)、COD(O312)、COD去除率(O322)等13個;評價等級分為3個級別:Ⅰ級(e1),Ⅱ級(e2)和Ⅲ級(e3).

污水處理廠清潔生產各級評價指標基準值取值原則是根據當前國際及國內污水處理廠的實際運行和管理情況,合理確定Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級基準值.確定Ⅰ級基準值時,參考國際清潔生產指標領先水平,以當前國內5%的企業達到該基準值要求為取值原則.確定Ⅱ級基準值時,以當前國內20%的企業達到該基準值要求為取值原則.確定Ⅲ級基準值時,以當前國內50%的企業達到該基準值要求為取值原則.對于定性評價指標基準值無法劃分級別時,統一給出一個基準值[16].通過查閱文獻資料及調查國內外污水處理廠的實際運行數據及管理情況[17-18],確定各個清潔生產等級評價指標要求或標準值,見表1.

2 清潔生產等級劃分標準與評價指標權重的確定

2.1 清潔生產評價等級與劃分標準

用ek(k=1,2,…,h )表示清潔生產的第k個等級,且規定并符號上表示為:ek>ek+1,即清潔生產的第k個等級ek比第k+1個等級ek+1強(或好).

根據當前污水處理行業工藝技術、設備水平、管理水平、污水處理相關標準及清潔生產的要求,將評價等級分為3個級別即h=3,其中等級e1代表國際清潔生產先進水平、e2代表國內清潔生產先進水平、e3代表國內清潔生產一般水平.

2.2 清潔生產評價指標權重的確定

根據污水處理廠實際數據和清潔生產評價指標對污水處理行業清潔生產實際效益和水平的影響程度及實施的難易程度,并咨詢行業領域專家的意見,確定污水處理廠清潔生產評價指標權重,見表1.

表1 城鎮污水處理廠清潔生產指標及其要求Table 1 Cleaner production evaluation indexes and requirements of town sewage treatment plants

續表1

3 清潔生產評價指標等級隸屬函數的確定

清潔生產評價指標通?？煞譃槎颗c定性評價指標兩大類.

3.1 定性評價指標等級隸屬函數的確定

對于定性評價指標,根據污水處理行業清潔生產的實際特點與要求,污水處理廠At(t= 1,2,…,N)關于定性評價指標Oijl(l=1,2…,Lij)的等級隸屬函數可定義為:

式中:μtijlk表示污水處理廠tA關于第i個一級評價指標Oi(i=1,2,…,m)下第j個二級評價指標Oij(j=1,2,…,ni)的第l個三級評價指標(定性)Oijl隸屬于第k個清潔生產等級ek的程度.在本文中,考慮3個污水處理廠即N=3,并分別記為A1、A2和A3,且由表1可知,m=6,n1=8,n2=3, n3=2,n4=4,n5=2,L31=7,L32=6,其他Lij=0.

式(1)是針對三級評價指標給出的等級隸屬函數.但從表1可見,除評價指標O3(即出水控制)有三級評價指標以外,其他5個一級評價指標都只有二級評價指標.不難看出,式(1)同樣適用于二級定性評價指標的等級隸屬函數確定問題.

3.2 定量評價指標等級隸屬函數的確定

對于效益型評價指標(即評價指標值越大,清潔生產等級越高),污水處理廠At關于定量評價指標Oijl的等級隸屬函數可分別選取為:

圖1 效益型評價指標的等級隸屬函數Fig.1 Grade membership function of profit evaluation index

式中:ytijl表示污水處理廠At關于第l個三級(定量)評價指標Oijl的值;aijlk表示Oijl屬于等級ek(k=1,2,…,h )的基準值,在本文中h=3(否則可類似處理);μtijlk的含義與式(1)相同,見圖1.

類似地,對于成本型評價指標(即評價指標值越小,清潔生產等級越高),污水處理廠At關于定量評價指標Oijl的等級隸屬函數可分別選取為:

如圖2所示.

圖2 成本型評價指標的等級隸屬函數Fig.2 Grade membership function of cost evaluation index

當定量評價指標的等級基準(或劃分)值為同一數值或同一區間值時,污水處理廠At關于定量評價指標Oijl的等級隸屬函數可選取為:

4 清潔生產等級評價綜合模型及其二元語義方法

根據清潔生產與城鎮污水處理廠的實際情況及特點,針對定性與定量評價指標,分別利用式(1)～式(8),可計算得到污水處理廠At關于評價指標Oijl的等級隸屬度μtijlk,通常用等級隸屬度矩陣表示為μtij=(μtijlk)Lij×h.這是進行城鎮污水處理廠清潔生產等級評價的基礎數據.

類似地,表1可把一、二、三級評價指標的權重分別表示為下面的權重向量:

4.1 清潔生產等級評價模糊綜合模型與方法

模糊線性加權綜合評價方法是一種原理比較簡單、便于計算的常用方法.本文針對清潔生產等級評價的內在要求及其具有的三層評價指標結構特征,借鑒模糊線性加權綜合評價方法的思想,提出了城鎮污水處理廠清潔生產等級評價模糊綜合模型與方法.具體方法與步驟如下:

第一步:計算污水處理廠tA關于二級評價指標Oij對于等級ek的綜合隸屬度為:

式中:μ=(μ,μ,…,μ)T為等級隸屬度矩Lijk陣μtij的第k個列向量.于是,可得到At關于Oij對于所有等級ek的綜合隸屬度向量utij=(utijk)1×h.因此,可得At關于Oi下所有二級評價指標的等級隸屬度矩陣μ?ti=(utijk)ni×h.為敘述方便,仍把μ?ti記為μti.

第二步:計算污水處理廠At關于一級評價指標Oi對于等級ek的綜合隸屬度為:

式中:μ=(μ,μ,…,μ)T為等級隸屬度矩

ik陣μti的第k個列向量.于是,可得到At關于Oi對于所有等級ek的綜合隸屬度向量uti=(utik)1×h.因此,可得At對于所有m個一級評價指標的等級隸屬度矩陣μt=(utik)m×h.為統一起見,把μt中的元素utik仍記為μtik.

第三步:計算污水處理廠At對于等級ek的綜合隸屬度為:

式中:μ=(μtkt1,μkt2,…,μktmk)T為等級隸屬度矩陣μt的第k個列向量.于是,可得到At對于所有等級ek的綜合隸屬度向量ut=(utk)1×h.

在一般的等級評價問題中,最大隸屬度原則是一種比較常用的規則,即根據等級隸屬度utk的大小,對城鎮污水處理廠At做出清潔生產等級評定.不過,最大隸屬度原則有時會出現一些不合理的現象.為此,本文將在下面小節中引入級別特征值概念,并結合二元語義概念[13,19],提出城鎮污水處理廠清潔生產等級評價二元語義方法.

4.2 清潔生產等級評價二元語義方法

把清潔生產等級ek的下標k稱為級別變量.于是,可把城鎮污水處理廠At的級別特征值定義為:

則由式(12)可知,污水處理廠At的級別特征值υt是1個無量綱的數量指標,介于清潔生產第1個等級(即e1)與第h個等級(即eh)之間,反映了清潔生產等級評價綜合隸屬度與清潔生產等級(即級別位置)2個方面的重要信息.

用記號[υt]表示不大于υt的最大整數.通常地,若[υt]=q,則可以評定污水處理廠At屬于清潔生產的第q個等級(即eq).一般地,采用級別特征值υt取最大整數方法評定污水處理廠清潔生產等級要比利用最大隸屬度原則更加全面和客觀.然而,仔細分析可以發現,不同的級別特征值可能會取相同的一個最大整數.例如,級別特征值υ1=2.03和υ2=2.97的最大整數都是2,對應的污水處理廠A1和A2都應評定為清潔生產等級e2.但是,很顯然,A1和A2不應屬于清潔生產的同一等級.直觀上,A1和A2分別評定為清潔生產等級e2、e3要更合理、準確.同樣,級別特征值υ3=2.01和υ4=1.99的最大整數分別是2和1,對應的污水處理廠A3和A4應分別評定為清潔生產等級e2和e1.不過, υ3=2.01和υ4=1.99的差異很小且均接近于2,其對應的污水處理廠卻被評定為不同的清潔生產等級,顯然是不合理的.直觀上, υ4對應的污水處理廠A4也應評定為清潔生產等級e2.上述兩方面的分析表明,采用級別特征值取最大整數方法雖然比利用最大隸屬度原則可以更好地反映污水處理廠清潔生產等級綜合情況,但也會出現一些不合理現象,導致錯誤評定其清潔生產等級或無法清楚區分污水處理廠之間清潔生產的差異程度[20].

為了既能正確地評定城鎮污水處理廠清潔生產等級,又能準確地反映相同清潔生產等級下各個污水處理廠清潔生產的差異程度,本文引入下面的二元語義概念[12,18],并據此建立污水處理廠清潔生產等級評價二元語義方法.

若污水處理廠At的級別特征值υt滿足:

則評定At的清潔生產等級為第s個等級(即es).

為了刻畫屬于相同清潔生產等級的不同污水處理廠清潔生產的差異程度,把級別特征值υt與其相應的清潔生產級別s(即等級es的下標s)之間的偏差值表示為αts=υt?s ,如圖3所示.顯然,?0.5≤αts<0.5.

圖3 二元語義與級別特征值關系Fig.3 Relation between two-tuple semantic and grade eigenvalue

城鎮污水處理廠清潔生產等級評價二元語義方法的基本思想是:首先,把污水處理廠At的級別特征值υt表示為二元有序組(es, αts),其中es為清潔生產等級和αts∈[?0.5,0.5);其次,按照(es, αts)中的es大小,評定污水處理廠At的清潔生產等級;然后,根據(es, αts)中的αts大小,調整、確定污水處理廠At清潔生產的差異程度(即確定相同清潔生產等級的污水處理廠的優先排序).

顯然,αts在清潔生產等級評定中起到一種調整的信號作用,反映清潔生產級別s比υt大還是小.因此,常稱(es, αts)為二元語義,而稱αts為語義符號.

為了使污水處理廠清潔生產等級評價二元語義方法便于操作與計算機實現,規定二元語義的大小如下:

(1)若es>ed(即s(ed,αrd),即污水處理廠At的清潔生產等級高于Ar,其中(es, αts)、(ed, αrd)分別是污水處理廠At、Ar的級別特征值υt和υr對應的二元語義;

(2)若es=ed(即s=d),則污水處理廠At與Ar的清潔生產等級相同,這時可根據語義符號調整、確定它們的差異程度,具體做法:①當αts=αrd時,有(es,αts)=(ed,αrd),即At與Ar的清潔生產程度完全一樣;②當αts>αrd時,有(es,αts)<(ed,αrd),即At的清潔生產程度比Ar差(盡管都屬于相同的清潔生產等級),或者說,At的優劣排序在Ar之后;③當αts<αrd時,有(es,αts)>(ed,αrd),即At的清潔生產程度比Ar好,也即At的優劣排序在Ar之前.

顯然,這樣規定的二元語義排序方法既可以評定污水處理廠的清潔生產等級,又能區分相同清潔生產等級的污水處理廠清潔生產的差異程度.

5 城鎮污水處理廠清潔生產等級評價實例分析

選取大連市3家污水處理廠A1、A2和A3作為清潔生產等級評價對象.污水處理廠A1建于1997年,采用A/O處理工藝,出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)[21]中二級標準后排海.污水處理廠A2建于2007年,系國家863項目“水環境質量改善技術與綜合示范”的重點示范工程之一,采用水解池+DN生物濾池+CN生物濾池的SBR處理工藝,出水達到一級B標準[21]后全部作為景觀水回用.污水處理廠A3建于2006年,采用水解池+DN生物濾池+CN生物濾池的處理工藝,出水達到一級B[21]標準后一部分回用、剩余部分排海.通過實際測量、獲取在線監測數據與實地調查等方法,得到3家污水處理廠實際的清潔生產評價指標值,見表2.

根據式(1)～式(8)和表2,可計算得到污水處理廠A1關于二、三級評價指標的等級隸屬度矩陣,以μ11和μ131為例,結果如下:

表2 三家污水處理廠各清潔生產評價指標值Table 2 Evaluation index values of cleaner production of three town sewage treatment plants

利用式(9),并結合表2的評價指標權重,可算得污水處理廠A1關于二級評價指標O31對于清潔生產等級e1、e2、e3的綜合隸屬度分別為:u1311=0.276,u1312=0.366,u1313=0.358,從而可得A1關于O31的等級綜合隸屬度向量為u131=(0.276,0.365,0.358).

類似地,可得到污水處理廠A1關于二級評價指標O32對于清潔生產等級e1、e2、e3的綜合隸屬度分別為:u1321=0.344,u1322=0.327,u1323=0.329,也即得到A1關于O32的等級綜合隸屬度向量u132=(0.344,0.327,0.329).

于是,得到了污水處理廠A1關于一級評價指標O3下所有二級評價指標的等級隸屬度矩陣為:

利用式(10)和表1的評價指標權重,可計算得到污水處理廠A1關于一級評價指標O3對于清潔生產等級e1、e2、e3的綜合隸屬度分別為:u131=0.31,u132=0.35,u133=0.34,即得到A1關于O3的等級綜合隸屬度向量u13=(0.31,0.35,0.34).

類似地,可計算得到污水處理廠A1關于一級評價指標Oi(i=1,2,4,5,6)的等級綜合隸屬度向量分別為:u11=(0.19,0.35,0.46),u12=(0.34,0.39, 0.27),u13=(0.31,0.35,0.34),u14=(0.26,0.32,0.42), u15=(0.02,0.18,0.80),u16=(0.31,0.38,0.31).于是,得到了A1關于一級評價指標的等級隸屬度矩陣為:

利用式(11)和表1的指標權重,計算得到A1對于清潔生產等級e1、e2、e3的綜合隸屬度分別為:u11=0.26,u12=0.33,u13=0.41,即得到了A1的等級綜合隸屬度向量u1=(0.26,0.33,0.41).同樣可計算得到u2=(0.40,0.36,0.24),u3=(0.35, 0.38,0.27).

利用式(12),計算得到A1的級別特征值為: υ=(1,2,3)uT=(1,2,3)(0.26,0.33,0.41)T=2.15.

類似地,可計算得到A2和A3的級別特征值分別為:υ2=1.84,υ3=1.92.

根據式(13),可把污水處理廠A1、A2和A3的級別特征值分別表示為下面的二元語義:

υ1=(2,0.15),υ2=(2,?0.16),υ3=(2,?0.08).按照前面規定的二元語義大小關系,可評定污水處理廠A1、A2和A3的清潔生產等級均為e2(即國內清潔生產先進水平),但它們清潔生產程度不是完全一樣的,其優劣排序為:A2>A3>A1,即A2比較好、A3居中、A1比較差.

從上述3個污水處理廠的各單項指標對比來看,污水處理廠A2各項指標值總體上要明顯好于A1和A3,而A1的各單項指標值相對來說是最差的.計算得到的排序結果與單項指標的對比情況相一致,但通過計算得出的結論顯得更嚴謹、更可靠、更直觀.

若采用最大隸屬度原則,則污水處理廠A1、A2和A3的清潔生產等級可分別評定為:A1屬于等級e3;A2屬于等級e1;A3屬于等級e2.然而,A2屬于等級e1和屬于等級e2的隸屬度相差不多,且屬于等級e2、e3的隸屬度之和大于其屬于等級e1的隸屬度,即:u22+u23=0.36+0.24=0.60>0.40=u21.因此,把污水處理廠A2的清潔生產等級評定為等級e1是不合適的,應該評定為等級e2,這樣才會更加符合A2的清潔生產實際情況.類似地,把污水處理廠A1的清潔生產等級評定為e3也是不合理.究其原因在于最大隸屬度原則僅僅考慮等級隸屬度的相對大小,而忽略了各個清潔生產等級的位置差異.

若采用對級別特征值取最大整數方法,由于[υ1]=2、[υ2]=1和[υ3]=1,則可評定污水處理廠A2和A3的清潔生產等級均為e1、A1的清潔生產等級為e2.分析發現,級別特征值υ1=2.15和υ3=1.92比較接近2,且相差并不大,但對應的污水處理廠卻被評定為不同的清潔生產等級,這是不合理的.直觀上,由于υ3與2很接近,應把A3的清潔生產等級評定為e2.這表明,采用對級別特征值取最大整數方法評定污水處理廠清潔生產等級也會出現一些與利用最大隸屬度原則一樣的不合理現象.

6 結語

構建了城鎮污水處理廠清潔生產等級評價遞階指標體系及其定性與定量評價指標的等級隸屬函數,據此建立了污水處理廠清潔生產等級評價模糊綜合模型,進而提出城鎮污水處理廠清潔生產等級評價二元語義方法.理論分析與實例計算分析表明,本文提出的污水處理廠清潔生產等級評價二元語義方法不僅符合等級評價的概念要求,而且是可行、有效的,具有更好的適用性,并便于計算機進行符號運算與處理,可為解決清潔生產等級評價問題提供一條新途徑,也可推廣應用于類似的等級評價問題.

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Two-tuple semantic model and method of cleaner production grade evaluation for town sewage treatment plants.

WANG Li-ling, ZHANG Shu-shen*, ZHANG Yun (Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering, Ministry of Education, School of Environmental Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2976～2984

The cleaner production grade evaluation problem of wastewater treatment plants was studied through the method of combining qualitative analysis with quantitive computation. The index system of cleaner production grade evaluation for urban sewage treatment plants and corresponding weights’ determination method were proposed. The fuzzy comprehensive model of the cleaner production grade evaluation for town sewage treatment plants was established and the two-tuple semantic model and method through introducing the concept of the grade eigenvalue were developed through using the linear weighted comprehensive method, fuzzy mathematics and the concept of two-tuple semantic. It was illustrated with a real example that the established two-tuple semantic model and method of the cleaner production grade evaluation were more operational, intuitionistic and easily explained. Thus, the two-tuple semantic model and method proposed in this paper were of good applicability and generalization value.

sewage treatment；cleaner production；fuzzy comprehensive model；two-tuple semantic；grade evaluation

X32

A

1000-6923(2014)11-2976-09

王麗玲(1978-),女,遼寧大連人,工程師,博士,主要從事工業生態與環境規劃方面的研究.發表論文5篇.

2014-02-13

國家自然科學基金項目(71231003,71171055)

* 責任作者, 教授, zhangss@dlut.edu.cn