改進秩和比法在城鎮污水處理工藝優選中的應用

潘偉亮，吳齊葉，龔文靜，蔣暉，練春江，毛羽豐

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074；2.國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074)

隨著我國經濟的迅速發展，大量污廢水不合理的排放,污染了周邊的環境[1-2]。多年來，我國發展應用了諸多污水處理工藝[3-4]。但選用時受限于基建運行費用、處理效果、施工難易等因素，難以選出最優處理工藝[5]。運用綜合評估法選出較為適合的處理工藝受到廣泛關注[6]。綜合評估方法對多指標進行量化分析，為待選工藝排序得出最優方案[7]。

針對河北省城鎮污水處理工藝選擇存在的主觀性問題，以改進秩和比(Rank-sum ratio，簡稱RSR法)法為基礎，結合熵權法和層次分析法求權重，對處理工藝的選擇進行綜合評估，研究結果可為城鎮污水處理適用工藝選擇提供一定的技術參考[8-9]。

1 材料與方法

秩和比法是1988年對醫學背景下的數據信息進行評估而提出的，被采用后廣泛應用于社區衛生服務等綜合評價中，該方法因充分考慮到原始數據的重要性，從而對原始數據進行綜合統計，傳統秩和比法將信息轉化為秩次的形式進行量化比較，結合數學統計理論簡單有效的為目標信息排序，結果具有客觀性[10]。

1.1 改進RSR法原理

改進RSR法克服了傳統RSR法編秩上的不足，所得秩次能更好地表征原始數據中包含的信息，增加了秩次排序的客觀可信度，被稱為“非整秩次RSR法”[11]。具體步驟如下：

(1)編秩方法如下：

對于高優秩指標

(1)

對于低優秩指標

(2)

式中R為秩次，N為處理工藝數量，X為指標的原始數據。

(2)當各評價指標的權重不同時，計算加權秩和比(WRSR)：

(3)

式中，i=1～5;j=1～7;Rij為各評價指標的秩次值。

(4)以SPSS軟件分析得出RSRw值與Probit的回歸方程。

(5)按合理分檔和最佳分檔原則進行分檔。

1.2 權重的分配

研究表明組合賦權值的方法優于采用單一方法定權值，因此對于權重的賦值采用層次分析法和熵權法相結合[12-13]。層次分析法[14]確定權值：(1)根據指標的重要性建立判斷矩陣；(2)計算權重向量并歸一化得各指標權值向量W1；(3)對判斷矩陣進行一致性檢驗。熵權法[15]確定權值：(1)建立無綱量矩陣；(2)確定各指標的熵值；(3)計算各指標權值向量W2。

根據數理統計理論，將層次分析法和熵權法加權，確定最終權值為：

(4)

1.3 評價對象及指標的選取

污水處理工藝的優選是在多個待選方案中選取一個較優的方案[16]，基于《2016年城鎮排水統計年鑒》中的數據，對河北省城鎮污水處理工藝的選用進行評估，主要處理工藝有5類：A為AAO及其變型工藝，B為SBR及其變型工藝，C為其他工藝，D為生物膜法，E為氧化溝工藝。5類主要工藝所包含的具體工藝見表1下的注。

根據河北城鎮污水工藝的特點，對排水統計年鑒的相關數據進行篩選，考慮3個方面的因素，即經濟指標、技術指標和管理指標[17]。最終確定7個指標：單位水量運行成本X1，單位干污泥脫水藥耗X2，COD削減率X3，氨氮削減率X4，可持續性X5，排放標準X6，管理難度X7，具體見表1。

表1 5類工藝對應各指標下的評分

2 結果與討論

2.1 指標權值的確立

2.1.1 層次分析法確定權值

2.1.1.1 建立判斷矩陣 根據參考文獻的成果及相關專家的意見[18]，運用五級評價值(表2)，對選擇工藝，影響因素的重要程度兩兩比較，建立因素層的判斷矩陣；對每個因素下所含的指標的重要性進行兩兩比較，建立指標層的判斷矩陣。

表2 5級評價值

2.1.1.2 計算權重向量并歸一化 得各因素層W0、各指標層的權值向量W1。

表3 各層權值表

2.1.1.3 對判斷矩陣進行一致性檢驗 為檢驗各層判斷矩陣的建立是否合理，對其進行一致性檢驗，結果表明，各層判斷矩陣均滿足CR<0.1，符合檢驗，矩陣一致性可以被接受，無需對其進行修正[19]。

2.1.2 熵權法確定權值

2.1.2.1 建立無量綱矩陣 對原始數據標準化處理，得矩陣

2.1.2.2 確定各指標的熵值E

Ej=(0.83，0.73，0.83，0.86，0.81，0.86，0.82)

2.1.2.3 計算各指標權值向量W2

W2=(0.13，0.22，0.13，0.11，0.15，0.11，0.14)

2.2 非整秩次RSR法

2.2.1 編秩 將各指標原始數據標準化，以不同秩次表示原始數據的大小。按COD削減率X3、氨氮削減率X4、排放標準X5、可持續性X6、管理難度X7為高優秩，單位水量運行成本X1，單位干污泥脫水藥耗X2為低優秩劃分，高優秩表示在該指標中秩次越高越優，低優秩表示在該指標中秩次越低越優。5類工藝在各個指標下的具體秩次見表4。

表4 5類工藝在各個指標下的RSR值

2.2.2 加權秩和比的計算 主觀賦值難以排除個人經驗對指標權值的影響，在決策時賦值可能不符合實際情況，定量分析精度較差；客觀賦值計算結果相對客觀，但只能反映數據之間的重要程度，而模糊了各指標實際的重要程度。兩者結合求得權值，既能反映原始數據信息，又符合實際應用[20]。將層次分析法與熵權法所得權值相結合，為最終各個指標權值W=(0.089 3，0.288 4，0.263 8，0.122 6，0.092 0， 0.041 1，0.102 8)。

表5 RSR值分布

2.2.4 計算回歸方程 以SPSS軟件分析得出RSRw值與Probit線性相關，線性回歸方程為RSRw=0.685 3*Probit+0.300 9，相關系數R2=0.949 6，回歸方程檢驗結果為統計量F=56.555,F檢驗的結果為0.004 87，T檢驗的結果為P=0.004 87，回歸方程具有統計意義。

2.2.5 排序分檔 根據RSR值，將5類工藝分為優良差三檔，結果見表6。

表6 河北省5類工藝分檔與排序結果

對上述結果進行回歸分析，結果顯示，F檢驗小于0.01，T檢驗小于0.01，分檔具有顯著性。

由表6可知，氧化溝工藝為優選工藝，其次是AAO及其變型工藝、其他工藝、生物膜法、SBR及其變型。分析原因如下：氧化溝工藝出水水質穩定，COD、氨氮削減率反映出該工藝處理效果良好，且管理難度一般，便于污水廠的推廣使用，在河北省城鎮污水處理工藝中屬于優選方案。AAO及其變型工藝COD及氨氮削減率較高，但單位水量電耗較高，長期運行費用高且運行靈活性差；其他工藝(如傳統活性污泥法，百樂可)技術成熟，但單位電耗較高，且管理較為困難，就長期運行來看，提高了運行管理費用；SBR及其變型工藝流程簡單，污泥量少，但COD和氨氮削減率與其他工藝相比較低，管理難度與維修費用較高。應用該方法仍存在一些不足之處，如近年大力提倡生態環保建設，但由于缺乏有關資料數據，計算時并未深入考慮。選擇不同指標將影響權重的賦值，進而影響待選污水處理工藝的評估。因此，在運用RSR法時尚需結合當地情況合理選擇評估指標。

3 結論

(1)污水處理技術的選擇是一個復雜的問題，涉及因素繁多。改進秩和比法通過構建客觀的評估體系，能簡便、快速量化各影響指標的權重，計算過程中避免了主觀的影響，可用于確定城鎮污水處理優選工藝。

(2)對于城鎮污水處理工藝的選擇時，除了參考非整秩次RSR法的技術綜合評價得分外。還應充分考慮當地的經濟、環境和社會性能等各方面的因素，合理選擇污水處理工藝。