污水處理廠運行效果評價模型的研究

張愛民 李源鋒

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

隨著現代科學技術的發展，污水處理的綠色綜合評價已經成為人們實施可持續發展戰略的必然抉擇，但綠色概念不僅要求處理工藝能耗、物耗最小化，還要求對環境的影響最小化，因此，研究開發低能耗、少污染和高效率的污水處理綠色工藝的指標評價體系是綜合評價污水處理廠環境影響負荷的新思路，成為近年來國際上環境保護領域的研究熱點之一。污水處理廠運行管理的效果與其所接納污水的水量、水質、物耗和能耗有關。通常情況下，評價指標取污水處理廠的I1=污水處理量(m3/d)，I2=BOD5去除率(%)，I3=SS去除率(%)，I4=TP去除率(%)，I5=氣水比(處理1 m3的污水所需要的空氣量)，I6=NH3-N去除率(%)，I7=能耗(去除1 kg的BOD5的耗電數，kW·h)，實現對污水處理廠運行效果的綜合評價與客觀定量分析，為其投資決策和運行管理提供參考。

1 未確知測度評價模型

建立評價對象空間 X={x1，x2，x3，…，xn}，xi表示第 i個污水處理樣本;設指標空間為 I={I1，I2，…，Im}，Im表示評價 xi所需要測量的m個指標;設xij表示第i個污水處理樣本xi關于第j個指標Ij的測量值，對于 xij有 k個評價等級 c1，c2，…，ck，評價空間記作 U，則 U={c1，c2，…，ck}(k=1，2，…，5)，與其對應的是{很好，好，中，差，很差}。顯然，ck優越度要高于 ck+1，記作 ck＞ck+1，稱{c1，c2，c3，c4，c5}是評價空間 U 的一個有序分割類。

令λijk=λ(xij∈ck)表示測量值xij屬于第k個評價等級的程度，0≤λ(xij∈ck)≤1體現λ對U的歸一性，λ(xij∈U)=1體現λ對U的可加性，同時滿足的的λ為未確知測度，簡稱測度，稱矩陣a為單指標測度評價矩陣。

矩陣a:

矩陣b:

1.1 指標權重與多指標效果的綜合測度

在評價指標中，指標Ij相對于其他評價指標的重要程度記為Wj，即 Wj是 Ij的權重，其中設λik= λ(xi∈ck)表示第i個研究對象xi屬于第k個評價等級ck的程度，則λik=可知上述矩陣確定的λij為未確知測度，稱矩陣b為效果的綜合測度評價矩陣，矩陣b中的第i個行向量稱為xi的綜合測度評價向量。

1.2 置信度識別準則、評分準則與排序

因為{c1，c2，c3，c4，c5}只是評價空間 U 的一個有序分割類，因此，最大隸屬識別準則難以得到有效權衡，采取以下置信度識別準則較準確地判定評價對象所屬級別。置信度識別準則:設μ為置信度(μ ＞0.5，常數 μ=0.6 或0.7)，當 c1＞c2＞… ＞cp時，令:

如 xi的綜合測度評價向量為(0，0.4，0.2，0.3，0.1)，取 μ =0.6，則判 xi屬于 c3，其直觀解釋為“xi不低于 c3有六成把握”。按較常用的“最大隸屬度”識別準則，則判xi屬于c2，但是，這只有四成理由，而有六成理由說xi不屬于c2，可見，最大隸屬度識別準則在此不適用。若c1＞c2＞… ＞cp，nl表示cl的“分值”，nl＞nl+1(l=1，2，…，p － 1)，則，稱 qxi為處理樣本的得分，可以按照其大小對樣本結果進行排序。

2 應用實例

2.1 基本數據

根據DB 23/485-1998黑龍江省地面水環境質量功能區劃分和水環境質量補充標準的要求，雙城市某污水處理廠執行GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準中的一級B標準，其實際處理情況的指標測值的等級劃分見表1，該污水處理廠第二季度平均測值見表2。

表1 雙城市某污水廠處理指標測值的等級劃分

表2 雙城市某污水廠第二季度評價指標的平均測值

2.2 評價過程

2.2.1 確立單屬性測度矩陣

根據以上數據，運用未確知測度模型對xi屬于哪一類的ck進行判別，之后對xi進行相應的排序。設第i個污水樣本的第j個屬性xij屬于ck類的未確知測度λijk=λ(xij∈ck)，假定aj1＜aj2＜aj3＜aj4＜ aj5，則 xij≤aj1時，取 λij1=1，λij2=…λijk=0;xij≥aj1時，取 λijk=1，λij1=…λijk=0;當 ajl≤xij≤ajl+1 時，取且當 k＜1或 k＞l+1時，λijk=0。

根據表1所列等級劃分的七個指標測值，表2所列的污水樣本9個指標平均測值xij，結合污水樣本關于指標測值屬于等級ck類的未確知測度λijk=λ，求出各單項指標效果測度。以第四個污水樣本為例，x43=86.7，表示x4關于 I2的測量值是86.7，在測度函數中，82＜x44＜87，對于c2級的測度函數，對于c3級的測度函數，即 λ442=0.06，λ443=0.94，λ441=λ444=λ445=0，因此，可以得到測試 x44=86.7的單指標效果測度的評價向量:(λ441，λ442，λ443，λ444，λ445)=(0，0.06，0.94，0，0)。同理可以求得其他污水樣本指標測值 x41，x42，x43，x45，x46，x47的單指標測度評價向量，構成污水樣本x4的效果評價矩陣c:

矩陣c:

矩陣d:

2.2.2 多指標綜合測度

可以求得其余8個樣本指標效果評價矩陣，結合專家給出的相關的指標權重(w1，w2，w3，w4，w5，w6，w7)=(0.20，0.15，0.15，0.10，0.10，0.10，0.20)，以及相關公式，可以得到多指標效果綜合測度的評價矩陣d。

2.3 識別與得分

取置信度μ=0.6，結合各污水樣本相關指標綜合測度評價矩陣及公式，求得其的評價級別，見表3;取nk=5－k，代入相關公式，可以獲得分qxi，根據其得分優略進行排序，見表3。

表3 樣本的等級、得分和排序

3 評價結果與分析

該污水處理廠第二季度前一個月的運行效果在c3與c2之間徘徊，后兩個月主要集中在c3，c4之間，從第二個月開始總體運行效果欠佳，一方面是因為BOD5，COD和TP的去除率較低，另一方面的主要問題集中在耗電多。通過比較定級與排序的結果，可以發現:x1，x3分別屬于c3，c2等級，定級與得分排序保持一致;x4屬c4，x5屬c3，但是x4的得分比x5多，定級與得分排序不一致，這種情況是正常的;x4屬于c4的測度較小，為0.067，屬于c2和c3等級的測度較大，說明x4升入c1等級難度較大;x4雖處于c4級，就級別而言，不如 x1，但是離 c3較近，且其屬于 c1的測度達到0.242，由此看來，對于污水樣本 x6，改善一下相關指標 I2，I3，其就能直接升入c3，甚至向更優處發展，因此，盡管x4等級靠后，但因頗具潛力，得分綜合名次應在x1之前。評價等級與得分優略可以從不同的角度來評價污水樣本xi，二者結合運用，從而可以減少在評價過程中的誤判。為了更科學的評價污水處理廠的運行管理，可以根據污水廠的具體情況，增減若干評價指標，按照月、季、年的各種指標測量平均值評價運行管理效果，統一規范和標準，對采取不同污水處理工藝污水廠運行效果進行等級評定和排序。

4 結語

相對于灰色聚類分析模型與模糊數學綜合評價模型，未確知測度評價模型具有一定的優越性，其理論嚴謹，單指標測度函數構造嚴謹，并且對評價空間實現了有序分割，建立置信度識別準則與評分準則，在評價污水處理廠運行管理效果方面，提高了評價對象相關于若干指標的分辨率，使評價結果更具客觀性、合理性。因此，未確知測度模型在污水處理廠運行管理效果評價和工藝運行參數中具有很好的指導作用，是一種客觀實用的污水處理廠運行效果評價模型。

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