基于灰色關聯分析城鎮污水處理工藝優化

李晨洋王立權汪恩良

（1.東北農業大學水利與建筑學院，黑龍江哈爾濱 150030；2.黑龍江省農墾總局水務局，黑龍江哈爾濱 150090）

基于灰色關聯分析城鎮污水處理工藝優化

李晨洋1王立權2汪恩良1

（1.東北農業大學水利與建筑學院，黑龍江哈爾濱 150030；2.黑龍江省農墾總局水務局，黑龍江哈爾濱 150090）

本文應用灰色關聯分析方法對城鎮污水處理工程工藝進行優化決策研究，最終決策出活性污泥法是適合東北地區污水處理的最佳工藝。

城鎮污水 灰色關聯分析 活性污泥法

1 城鎮污水治理工程典型工藝現存問題

由于我國華北、東北、西北地區冬季氣候寒冷漫長，冰凍期長。投資和運行費高，污水處理工藝和技術要求高，而且由于設計、運行、低溫等各方面的原因，試運行仍存在不穩定，甚至出現冬季部分設備無法運轉現象。所以開發一套在東北地區低溫地區能有效、穩定處理城市污水的工藝已經成為當務之急。

2 城鎮污水治理典型工藝指標研究

2.1 城鎮污水治理典型工藝經濟因素研究

城市污水處理廠需要較大的投資和運營費用。本節通過污水治理工藝方案經濟指標的分析、對不同工藝類型的不同費用函數的比較，提出城鎮污水治理工程工藝類型優選方案，給出城鎮污水處理廠建設投資與運行維護的決策優化指導。

評價指標涉及經濟效益、技術性能和管理效益3個方面，其中，經濟指標作為影響污水行業發展的重要因素，是一直以來的研究重點。包括建設投資和運行費用。

當然不同的工藝類型追求的費用目標也不同，本文擬對各種經濟指標進行比較，以確定對于城鎮污水治理工程來說，影響工藝方案優選的經濟性因素。以便下文進行工藝決策優選模型研究。經濟指標的主要范圍及影響因素見表1。

圖1 城鎮污水治理工程工藝指標體系Fig.1 sewage treatment works process indicator system

表1 污水治理工程工藝經濟指標

2.2 城鎮污水治理工藝技術因素研究

污水處理的基本作用是保證受納水體的使用功能，因而技術可持續性首先應以污水處理工藝能達到相應的污水排放標準為準則。最終確定城鎮污水治理工程工藝優化決策的技術指標為技術效果、工藝可靠性兩個。

2.3 城鎮污水治理典型工藝環境因素研究

對于污水處理工藝而言，除了需要達到國家規定的污水水質達標以外，還應考慮工藝中，碳的排放指標。因為污水處理是一個碳、磷等物質的轉化過程，由于碳排放會造成大氣污染，因此需要考慮碳的排放要求。對污水處理廠在整個生命周期階段，能量與資源的消耗，以及對環境的排放（如對全球變暖、臭氧耗竭的影響等）進行數據量化分析。

（1）能耗。污水處理工藝的能耗包括直接能耗與間接能耗。前者指處理過程耗費的能量，后者包括建材生產和運輸、建筑施工、耗用藥劑的生產和運輸、以及工藝拆除報廢階段的能耗。

（2）物耗。污水處理工藝的物耗由直接物耗與間接物耗兩部分組成，前者主要指處理工藝的藥耗和占地，后者包括建筑施工階段與拆除作業階段的耗用物質。成本效益分析中，采用運行費、征地費和材料費來反映物耗。

（3）二級處理系統占地是工藝占地的主要組成。通常各工藝的預處理流程與構筑物相似，并且各方案的道路、綠化等公共設施與輔助建筑物的占地面積類似。

2.4 城鎮污水治理典型工藝指標體系研究

通過對影響工藝的經濟、技術、環境因素的研究，最終可確定城鎮污水治理工程工藝指標體系，如圖1所示。根據建立的指標體系運用決策評價方法對城鎮污水治理工程進行工藝優化決策研究。

3 基于灰色關聯分析的城鎮污水處理工程工藝優化決策研究

污水處理工藝優選應當考慮經濟、技術、環境與社會諸方面，屬于多目標決策問題；一般而言，多目標決策問題難以借助人的主觀判斷得出決策結果。因此，通過建立城鎮污水處理工藝優選決策模型進行工藝優選，可以提高決策結果的客觀性與正確性。根據建立的城鎮污水治理工程工藝指標體系采用灰色關聯分析理論對城鎮污水治理工程工藝進行優選研究。

3.1 基于灰色關聯分析的城鎮污水處理工程工藝優選

通過活性污泥、SBR和A/O三種工藝各指標的灰色關聯度計算可知，三種工藝中各指標的灰色關聯度最好為活性污泥工藝，灰色關聯度為0.854，為最優方案，SBR次之，A/O再次之。即認為對于此東北地區城鎮污水治理廠而言，活性污泥工藝具有更好的技術經濟效益，更適合在此污水處理廠采用。而實際調研結果與評價結果相符。

3.2 城鎮污水治理工程工藝優化決策建議

城鎮污水處理投資大，運行費用高，為降低污水處理投資和運行成本，因地制宜地進行工藝方案（主要是生物處理方案）比較是必須的；通過多種工藝對比，從處理效果上講，通常活性污泥法的處理效率較高，生物膜法則較低，在活性污泥法中，SBR法、氧化溝法、AB法等處理效率更高。污水的有機物濃度高時，AB法、AO法等工藝比較有利。當有機物濃度低時，氧化溝、SBR法等延時曝氣工藝具有明顯的優勢；從占地面積來講，傳統活性污泥法占地面積較大。目前從世界各國的污水處理看，大型污水廠多用傳統活性污泥法，小型污水廠中氧化溝則占很大比例。

4 本章小結

為了使城鎮污水治理工程的工藝更具實用性、更符合城鎮特點，本文從技術、經濟、環境三個方面建立的指標體系為評價指標，并應用灰色關聯分析方法對城鎮污水處理工程工藝進行優化決策研究，最終得出活性污泥法為東北地區污水處理的最佳工藝。

［1］原培勝.城鎮污水處理廠運行成本分析［J］.環境科學與管理，2008，33（1）：107.

［2］杭世珺.小城鎮污水處理工程設計的反思與建議［J］.給水排水，2004，30（10）：17-21.

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12511039）

李晨洋（1978—），女，黑龍江哈爾濱人，東北農業大學水利與建筑學院副教授，研究生導師，博士，研究方向為管理科學與工程、農業工程。