有关污水处理工艺设计中集对分析

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摘要: 针对污水处理工艺设计多目标、多指标，以及确定性与多种不确定性共存的特点，将集对分析理论用于污水处理工艺设计的优化决策。

关键词：污水处理；工艺设计；优化；集对分析；问题

Abstract: Aiming at the sewage treatment process design with multiple objectives, index, and the certainty and a variety of uncertainties coexisting features, will be set for optimization of wastewater treatment process design for analysis theory.

Key words: sewage treatment; process design; optimization; set pair analysis; problems

中图分类号：U664.9+2

1.工艺方案优化的评价指标体系

1)经济指标

主要表现为工程建设投资和运行费用.前者包括土地费用、直接建设安装工程费用、设备费用、管理费用和财务费用; 后者包括电费、人工费、药剂费、维护费、污泥处理以及折旧费等.经济指标可用诸如单位水量处理费用等综合指标来表示.

2)工艺指标

主要包括单位时间处理水量、进水水质、处理效率、出水水质等与处理工艺相关的指标.

3)可靠性指标

可靠性指标包括所选用工艺技术的新颖性及先进性、技术的成熟程度、系统对水量水质变化的适应性、设备的耐久性、设备维修的难易程度等.

4)管理指标

主要有操作技术的复杂程度、操作劳动的繁简与强度、控制与调节的简便程度、设备和器材的标准化程度、药剂的通用性程度及普及性、运输量以及施工期的长短等.

2.工艺设计优化决策的特点

1)多目标性与目标的相互矛盾性: 污水处理工艺优化是一个涉及经济、技术、环境、社会文化等方面的多目标、多层次决策过程.而这些目标有时具有不同重要性甚至是相互矛盾的.

2)定性指标与定量指标相结合:在评价指标中既有定量指标,又有定性指标,前者可通过企业的统计数据得到, 后者需要利用专家法得到具体的指标值.这些指标又可分为越大越好的效益型指标和越小越好的成本型指标.

3)评价指标的相互交错性:在影响选择的各因素之间并非相互独立,它们之间存在依赖性和反馈性,相互依存、相互影响.如果忽略它们的差异性以及之间的关系则会得到与实

际情况不太吻合的排序结果.

4)不确定性:污水处理工艺优化涉及的因素多且复杂, 相当一部分评价因素不能定量描述,具有不确定性(模糊性、灰色性、未确知性).同时处理系统各种行为的输入、输出也不是确定的数值.如果在决策过程中无视上述不确定性, 将会损失大量的信息,导致决策的不准确和不科学.此外,各指标的影响程度也不相同,其权重的确定存在较大的主观不确定性.

3.基于集对分析的污水处理工艺优化多属性决策模型

3.1熵权法确定指标权重

指标权重以数量形式反映各指标在综合评价中的重要程度.若同一指标下各方案的指标值相差越大,则反映该指标在综合评价中比较重要.若某项指标值全部相等,则该指标在综合评价中不起作用.信息论中,信息熵是信息量的度量,其基本出发点是把获得的信息看作用以消除不确定性的东西.故信息量的大小可用被消除的不确定性的多少来表示.某项指标值变异程度越大,该指标提供的信息量越大,则该指标的权重也越大,反之亦然.因此可以根据各指标提供的信息量大小来确定指标权重.利用熵权和普遍应用的AHP法确定权重,其出发点和理论基础均不同,前者从各指标提供的信息量多少出发,依据的是信息论;后者是由决策者分析评价,人为主观色彩较重,理论基础是决策论.本文采用主观与客观相结合的方法,在AHP 法基础上,运用熵值理论对各专家评估水平赋予权重,确定各指标的组合权重.科学的确定权重方法应采用两者的算术平均值.

为确定各指标的权重, 先计算各指标的熵值: (1)式中,若，则.

其次，计算各指标的偏差度Dr = 1-Er 和客观加权因子. 设用AHP 法得到的各指标的权重为( r = 1, 2,…,n) , 可用进一步进行修正, 即组合权重为 (2)式

3.2基于集对分析的多属性决策模型

设最优方案和最劣方案分别记为U,V,它们可根据系统目标和客观条件, 从方案集的内部或外部选定. U, V的选定涉及到指标类型, 记诸方案关于pr的比较区间为[ vr ,ur].最优方案和最劣方案关于pr 的属性值分别为ur ,v r . 当er 属于效益型指标时, u r = ur ,vr = vr; 当pr 属于成本型指标时, 有…ur = vr , …vr = ur . 最优方案和最劣方案构成了诸方案的比较区间[ V ,U] .在pr 的比较区间中确定集对{ pkr ,ur} 的联系度.

对效益型指标,分别表示在数值上pkr 与 ur的接近程度.其值越大，接近程度越大，在确定区间[ur, ur]内，pkr与ur的接近恰说明了pkr与ur的远离.故定义集对{pkr,ur}的同一度和对立度分别为（3）由归一化条件a + b + c = 1, 定义差异度为（4）因此, 对于效益型指标, 集对{pkr,ur} 的联系度为（5）对成本型指标, 可确定集对{pkr,ur}的联系度为（6）的同一度和对立度分别说明了方案sk关于指标er 的趋优程度和趋劣程度. 两式关于同一度和对立度互为对称, 且具有相同的差异度, 说明了刻划的对立性和一致性. 当pkr = ur 或vr 时, 差异度最小为零, 表示刻划的不确定性最小; 当时，差异度最大为，表示刻划的不确定性最大( 但不超过0.5) .将以上两式统一记为 （7）

在比较区间[ V , U] 中计算集对{ sk , U} 的联系度（8）式中.

3）sk与最优方案U的贴近度（9）,显然, rk 最大所对应的方案为最优方案,此时得到的排序为基序。

3.3稳定性分析：当i > 0,对ak 正向修正,表示对方案sk 接近理想方案U 持肯定意见,且i 越接近1, 修正作用越强. 反之, 当i

当-1≤ i ≤0时，式（9）变为 （12）同理，为维持基序，有当时，有i ∈[-1,0];当时，有max{-1, }≤i

取以上两种情况的并集即可得到基序排序的稳定区域.以上进行的是局部分析,为了保证全序的稳定性,只需依次两两比较分析确定$i的范围,则所有i取值区间的交集即为排序结果的稳定区域.

3.4 实例研究

拟建一座10 万m3/d 的污水处理厂,二级生化处理,并要求脱氮除磷.有4个方案: A2/ O 法( s 1)、三沟式氧化沟( s2)、厌氧单沟式氧化沟(s3) 和SBR法(s4).所选定的评价指标共8 个,分别为项目投资、经营成本、占地面积、氮磷去除效果、污泥处理效果、运行稳定性、工艺成熟性以及操作的难易程度.各方案的具体指标值.各指标权重、各方案的联系度及相对贴近度计各指标权重、各方案的联系度及相对贴近度计算结果分别见表1和表2.

表1 各指标的权重值表2 各工艺设计方案的联系度及相对贴近度

根据表2中各方案的相对贴近度rk,得到在相对确定条件下的排序结果为r 3 > r 2 > r 1 > r4.因相对贴近度越大,其所对应的方案越优,所以方案优劣顺利分别为s3,s2,s1,s4,即厌氧单沟式氧化沟、三沟式氧化沟、A2/O 法、SBR法,此为基序.该排序结果所采用的多层次灰色关联法得到的排序结果基本一致,只是在第2 和第3 位序上存在偏差.为了保证本文所得结果的稳定性,以基序为基础进行稳定性分析,其结果见表3.排序相邻方案的稳定性定量分析计算表明,得该排序结果的稳定区域为i[-1,1],这与i本身的定义区域是一致的.也就是说,不存在扩展序,通过本方法得到的排序结果是稳定的。

表3 排序稳定性分析

4、结论

本文引入集对分析理论解决污水处理工艺方案优化的多属性决策问题,概念清晰,计算简便,结果稳定,便于编程实现.同时,为了减少决策者因受专业知识的限制和偏好等主观因素的影响, 充分利用方案所反映的固有信息,在确定权重时引入熵权修正层次分析法主观权重的思想,综合考虑主、客观因素的影响,使得决策结果更趋向合理和科学.

参考文献

[1]凌猛,杭世王君.城市污水处理厂工艺方案模糊决策方法的应用[J] .给水排水

[2]张佳林,尉晓君.基于AHP 法的地下水体综合评价[J].湖南大学学报:自然科学版