摘 要：針對小型污水處理廠(chǎng)工藝優(yōu)化過(guò)程中的不確定性因素，研究模糊理論在工藝優(yōu)化過(guò)程中的耦合模型。與傳統的工藝方案決策方法不同，該耦合模型考慮了工藝決策過(guò)程中所存在的隨機性、模糊性等各種不確定性因素，較綜合、客觀(guān)，具有實(shí)際應用的意義。該模型基于模糊理論將層次分析及灰色關(guān)聯(lián)性分析進(jìn)行耦合。首先運用層次分析進(jìn)行各指標權重判斷，其中耦合了模糊評判將不確定性指標進(jìn)行定量化。最終運用灰色關(guān)聯(lián)性分析進(jìn)行判斷最優(yōu)方案以及重要影響因素。本文將該模型應用于小型污水處理廠(chǎng)工藝優(yōu)化中，在初步確定的兩個(gè)方案Carrousel氧化溝和倒置A2/O工藝中，通過(guò)模型進(jìn)行指標的綜合判斷。經(jīng)過(guò)理論的應用及評判，最終確定最優(yōu)方案，以此來(lái)探究耦合的模糊理論的適用性及在類(lèi)似工程中的推廣可能性。
關(guān)鍵詞：污水處理廠(chǎng) 工藝優(yōu)化 模糊理論 耦合 應用
中圖分類(lèi)號：X70 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0126-06
Abstract：Owing to uncertainty in optimization process of small town sewage treatment plant，the coupling model of fuzzy theory in process optimization is studied.Different from the traditional decision-making methods of process planning， the coupling model considering the randomness and fuzziness of various uncertain factors existed in the process of the decision-making process in a comprehensive， objective， practical significance.Based on fuzzy theory， the model is coupled with hierarchical analysis and grey relational analysis.First of all， AHP is used to judge the weight of each index， in which fuzzy evaluation is coupled to quantify the uncertainty index. Finally， the grey relational analysis is used to judge the optimal scheme and the important influencing factors.The application of the model is applied to a small sewage treatment plant process optimization.In the preliminary determination of the two schemes， Carrousel oxidation ditch and inverted A2/O process are employed.Comprehensive judgment is made by using the model.Through the application and evaluation of the theory， the optimal scheme is finally determined， in order to explore the applicability of the coupled fuzzy theory and the possibility of extension in similar projects.
Key Words：Sewage treatment plant； Process optimization； Fuzzy theory； Coupling； Apply
對于污水處理工藝方案的選擇與優(yōu)化，是城市污水處理工程在決策時(shí)將要面臨的主要問(wèn)題。污水處理工藝方案的優(yōu)化通常需要從整體的方面考慮，根據污水水質(zhì)的特點(diǎn)、處理的要求以及設計規模，選擇符合經(jīng)濟合理性和技術(shù)可行性等要求的工藝方案。由于認識水平的局限性，傳統的決策方法往往忽略了工藝決策過(guò)程中所存在的隨機性、模糊性等各種不確定性因素。
1 耦合的模糊理論
由于污水處理工藝決策過(guò)程存在著(zhù)指標多和不確定性等特點(diǎn)，國內外很多學(xué)者對污水處理工藝方案的優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。凌猛[1]等人在工藝方案優(yōu)選中提出了模糊理論的應用，運用模糊理論進(jìn)行評價(jià)標準的建立，并進(jìn)行量化，結合灰色關(guān)聯(lián)度分析優(yōu)選方案。這類(lèi)問(wèn)題中存在不能準確賦值的變量，屬于模糊因素，由于主觀(guān)因素的存在，使得變量間的關(guān)系存在著(zhù)不確定性，從而必須利用排序的方法、模糊的理論來(lái)進(jìn)行處理。模糊評價(jià)就是利用模糊數學(xué)的方法，對受到多個(gè)因素影響的事物，按照一定的評判標準，對事物進(jìn)行綜合評價(jià)，這有利于提高評價(jià)的科學(xué)性、準確性?；疑P(guān)聯(lián)度分析主要通過(guò)計算關(guān)聯(lián)系數體現因素之間的關(guān)聯(lián)程度，較適合動(dòng)態(tài)歷程分析，是一種定量化方法。層次分析法是通過(guò)對重要度的計算，判斷因素相對于目標的重要程度，進(jìn)行方案的決策，是一種定性和定量相結合的方法。
因為隨機性、模糊性和灰色性往往共存于所研究的對象和問(wèn)題之中[2]，且污水處理工藝優(yōu)選要求綜合、全面、系統地考慮各項因素，因此，本次研究運用耦合的方法，將模糊數學(xué)知識、層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析進(jìn)行綜合與集成，并探索其在小型城鎮污水處理廠(chǎng)工程工藝優(yōu)化中的應用。在方案優(yōu)化中需要考慮不確定性因素的影響，其中的關(guān)鍵在于如何對不確定性因素進(jìn)行定量分析。耦合理論采用多層次因素進(jìn)行評判，采用模糊評判理論將不確定性指標定性化進(jìn)而實(shí)現量化，不同層次的各因素用指標權重來(lái)表示其影響程度[3]，并用綜合關(guān)聯(lián)度的大小來(lái)判斷方案的優(yōu)劣，便于比較。不確定性指標通過(guò)隸屬度概念量化，因素的權重通過(guò)判斷矩陣來(lái)確定，減少了在決策過(guò)程中的不一致性以及主觀(guān)性，綜合關(guān)聯(lián)度是一個(gè)混合型的量化指標，隸屬度、權重和關(guān)聯(lián)度的采用使得概念清晰，評判結果更客觀(guān)和實(shí)際。
2 在污水處理工藝優(yōu)化中的應用
縱觀(guān)我國目前城市污水處理的主要技術(shù)，大型城市污水處理廠(chǎng)的優(yōu)選工藝主要是傳統活性污泥法及其改進(jìn)型A/O法、A2/O法[4]，而中小型城市污水處理廠(chǎng)的優(yōu)選工藝有水解-SBR法、氧化溝法、A/O法、AB法等[5-7]。
在污水處理廠(chǎng)的設計中，污水處理工藝方案的比較選擇是非常關(guān)鍵的環(huán)節。污水處理工藝方案是指在達到所要求的處理程度的前提下，污水處理各單元的有機組合。污水處理工藝方案選擇主要的依據是污水處理程度。污水處理程度原則上取決于污水的水質(zhì)特征、處理后水的去向和污水所流入水體的自?xún)裟芰?。通常根據《城鎮污水綜合排放標準》及相關(guān)的行業(yè)排放標準來(lái)控制污水的排放濃度。
除了污水處理程度以外，污水處理工藝方案的選擇還需要綜合考慮以下各方面因素。
（1）污水的水質(zhì)。
生活污水水質(zhì)通常比較穩定，一般的處理方法包括酸化、好氧生物處理、消毒等。而工業(yè)廢水應根據具體的水質(zhì)情況進(jìn)行工藝流程的合理選擇，對于采用好氧生物處理工藝處理廢水來(lái)說(shuō)，要注意廢水的可生化性，如不能滿(mǎn)足要求，可考慮進(jìn)行厭氧生物水解酸化，以提高廢水的可生化性，或是考慮采用非生物處理的物理或化學(xué)方法等。
（2）污水的水量。
除水質(zhì)外，污水的水量也是影響因素之一。對于水量、水質(zhì)變化大的污水，應首先考慮采用抗沖擊負荷能力強的工藝，或考慮設立調節池等緩沖設備以盡量減少不利影響。
（3）建設及運行費用。
考慮建設與運行費用時(shí)，應以處理水達到水質(zhì)標準為前提條件。在此前提下，工程建設及運行費用低的工藝流程應得到重視。此外，減少占地面積也是降低建設費用的重要措施。
（4）工程施工難易程度。
工程施工的難易程度也是選擇工藝流程的影響因素之一。例如地下水位高、地質(zhì)條件差的地方，就不適宜選用深度大、施工難度高的處理構筑物。
（5）當地的自然和社會(huì )條件。
當地的地形、氣候等自然條件也對廢水處理流程的選擇具有一定影響。如當地氣候寒冷，則應采用在采取適當的技術(shù)措施后，在低溫季節也能夠正常運行，并保證取得達標水質(zhì)的工藝。
當地的社會(huì )條件如原材料、水資源與電力供應等也是流程選擇應當考慮的因素之一。
（6）處理過(guò)程中是否產(chǎn)生新的矛盾。
污水處理過(guò)程中還應注意是否會(huì )造成二次污染問(wèn)題。例如制藥廠(chǎng)廢水中含有大量有機物質(zhì)（如苯、甲苯、溴素等），在曝氣過(guò)程中會(huì )有有機廢氣排放，對周?chē)髿猸h(huán)境造成影響；化肥廠(chǎng)造氣廢水在采用沉淀、冷卻處理后循環(huán)利用，在冷卻塔尾氣中會(huì )含有氰化物，對大氣造成污染；農藥廠(chǎng)樂(lè )果廢水處理中，以堿化法降解樂(lè )果，如采用石灰做堿化劑，產(chǎn)生的污泥會(huì )造成二次污染；印染或染料廠(chǎng)廢水處理時(shí)，污泥的處置為重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
總之，污水處理流程的選擇應綜合考慮各項因素，進(jìn)行多種方案的技術(shù)經(jīng)濟比較才能得出結論。城市污水處理工藝方案的選擇還應當體現如下原則：指標先進(jìn)，經(jīng)濟節能，成熟可靠，易于管理。也即在保證處理效果、運行穩定、滿(mǎn)足處理要求的前提下，使得工程造價(jià)和運行費用最節省，運行維護管理方便，占地和能耗最小，污泥量少，因地制宜，結合處理廠(chǎng)所在地區特點(diǎn)，污水處理可分期實(shí)施。
在某小型城鎮污水處理廠(chǎng)工藝方案優(yōu)化的指標體系構建中，通過(guò)方案的比較選優(yōu)，初步確定兩個(gè)較優(yōu)方案：Carrousel氧化溝和倒置A2/O工藝，根據兩組設計方案的設計參數及工藝特點(diǎn)，運用多層次模糊灰色耦合方法進(jìn)行方案優(yōu)化?？偰繕耸蔷C合效益，準則層分別是經(jīng)濟效益、技術(shù)性能和管理效益，各選定一系列指標，建立多層次指標體系。運用模糊數學(xué)理論將不確定性指標轉化為定性指標并量化，對每個(gè)方案進(jìn)行綜合評定。運用層次分析法中的方根法確定各指標在準則層的權重，以及各準則層相對于綜合效益這一總目標的權重。最后用灰色關(guān)聯(lián)度分析，判斷最佳方案。
理論中，耦合了模糊評判的思想，層次分析中判斷矩陣確定權重且結合灰色關(guān)聯(lián)度分析進(jìn)行綜合評判，避免了主觀(guān)性、隨意性和不一致性，使評價(jià)過(guò)程更快捷，結果更客觀(guān)合理，更符合實(shí)際。該模型的具體步驟如圖1所示。
2.1 指標層指標的定量化
首先以綜合效益V作為目標層總目標，準則層設置3個(gè)因素，分別是經(jīng)濟效益P1、技術(shù)性能P2和管理效益P3。本工程中的經(jīng)濟效益指標選擇3個(gè)較能體現經(jīng)濟效果的指標：項目總投資M1，單位經(jīng)營(yíng)成本M2，占地面積M3；技術(shù)性能指標選擇4個(gè)最能體現污水處理工藝性能的技術(shù)指標：脫氮除磷效果M4，抗沖擊負荷能力M5，運轉可靠靈活性M6，工藝成熟度M7；管理效益指標選擇操作復雜程度M8。兩方案經(jīng)濟技術(shù)指數見(jiàn)表1。
對于確定性指標，如項目總投資和單位經(jīng)營(yíng)成本，以現值表示，對于不確定指標，即用定性評語(yǔ)描述的指標，則用模糊理論中的隸屬度表示，隸屬度范圍為0～1。本次根據模糊理論采用5級制對決策層進(jìn)行綜合評價(jià)，獲得每個(gè)方案中各個(gè)評價(jià)指標的模糊語(yǔ)言評分[3]，分為5個(gè)等級分別是：優(yōu)、良、中、差、劣，相應的隸屬度分別是0.9、0.7、0.5、0.3、0.1，指標層指標的定量化見(jiàn)表2。
2.2 指標層指標的標準化
按照前述方法對各方案Si（i=1，2，…，m），分別有j個(gè)評價(jià)指標Sij（j=1，2，…，n），則各備選方案的指標序列可表示為Si=（si1，si2，…，Sin）
對于效益型指標P2、P3，有 （1）
對于成本型指標P1，有 （2）
由于0≤xij≤1，則值較大的xij所對應的方案較優(yōu)。各指標在經(jīng)過(guò)標準化處理后，最優(yōu)值都是1，所以參考方案的指標序列表示為：
指標層指標的標準化處理如表3所示。
2.3 各層次指標權重的確定
層次分析法判斷權重有3種方法，本次研究采用常用的方根法進(jìn)行指標權重的判斷。按照每一層次對上一層次的對應準則要求，分別對經(jīng)濟效益指標、技術(shù)性能指標以及管理效益指標進(jìn)行權重確定，并進(jìn)行一致性檢驗，最后就3個(gè)層次對綜合效益的權重進(jìn)行確定，以表示第i個(gè)元素和第j個(gè)元素的相對重要性估值構成判斷矩陣。
（3）
方根法計算矩陣A中每一行元素的乘積Mi：
（i =1，2，…，m） （4）
計算Mi的m次方根：
（i=1，2，…，m） （5）
對向量作規范化處理，即：
（i=1，2，……，m） （6）
從而得到向量，具體見(jiàn)表4～表7。
2.4 指標層指標值關(guān)聯(lián)度計算
在參考方案中指標序列的指標值為1，因此關(guān)聯(lián)度計算公式為：
（7）
例如：
計算結果見(jiàn)表8。
2.5 準則層關(guān)聯(lián)度計算
對于指標層指標的關(guān)聯(lián)度，其矩陣為：
（8）
解得：
假設指標層的指標為，則對準則層中的指標Ps來(lái)說(shuō)各個(gè)指標之間的綜合關(guān)聯(lián)度為：
（9）
例如：
具體計算結果見(jiàn)表9。
按照前面所述方法對得到的進(jìn)行標準化的處理，得到關(guān)聯(lián)度矩陣為：
（10）
其中為由的標準值與相應序列的標準值通過(guò)相應計算而得到的關(guān)聯(lián)度。計算結果見(jiàn)表9。
備選方案綜合關(guān)聯(lián)度為：
（11）
將表9中的代入上式可得：
因此，各備選方案對理想方案的關(guān)聯(lián)度：ε1=0.999，ε2=0.5903。
2.6 最優(yōu)方案確定
對上述結果進(jìn)行排序可得：ε1>ε2，根據關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，數值大者較優(yōu)，兩種工藝方案優(yōu)先順序為：Carrousel氧化溝工藝>倒置A2/O工藝。因此，對該小型城鎮污水處理廠(chǎng)而言，采用Carrousel氧化溝工藝為較優(yōu)方案。
由于Carrousel氧化溝工藝和倒置A2/O工藝在技術(shù)性能指標中各有優(yōu)勢，雖然倒置A2/O工藝的經(jīng)濟效益較好，但受指標權重的影響，在項目投資總額差別不大的情形下，Carrousel氧化溝工藝方案的綜合關(guān)聯(lián)度大于倒置A2/O工藝方案。
3 結語(yǔ)
耦合的模糊理論在污水處理廠(chǎng)工藝優(yōu)化中的特點(diǎn)：運用層次分析的概念將污水處理工藝決策系統劃分為目標層、準則層、指標層和方案層幾個(gè)層次；運用模糊隸屬度的概念將定性的指標定量化；利用專(zhuān)家評判進(jìn)行準則層各指標權重的判斷以及各準則層對目標層重要性的判斷并定量分析；運用灰色關(guān)聯(lián)度分析進(jìn)行最優(yōu)方案以及重要影響因素的判斷。該方法考慮了決策過(guò)程中的不確定性，同時(shí)將定性判斷轉化為定量分析，比較客觀(guān)，彌補了傳統決策只能將定量數據定性分析的局限性。但是該耦合方法在評價(jià)指標的選擇中以及權重確定過(guò)程中存在著(zhù)一定的主觀(guān)判斷，因此進(jìn)一步削弱工藝優(yōu)化過(guò)程中的主觀(guān)因素是該方法需要進(jìn)一步改進(jìn)之處。本次研究只選擇了兩個(gè)備選方案進(jìn)行比較，降低了該方法的應用難度，在實(shí)際應用過(guò)程中，對于出現多個(gè)備選方案的情形，單純運用手算在提高效率上有一定難度，因此對于該方法應用中需要借助計算機技術(shù)提高效率。
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