城市污水处理工艺综合比选研究 82页

'重庆大学硕士学位论文城市污水处理工艺综合比选研究姓名：冯杰申请学位级别：硕士专业：环境工程指导教师：罗固源20070420 英文摘要ABSTRACTWaterpollutioninourcounuyisserious．Inordertoimproveenvironmentofwaterbody,experienceindomesticandovffrseasindicatethatconstructingwastewatertreatmentplantsisaneffectiveway．ComparisonandselectionofprocessschemeisOneofmostimportantstagesintheconsUalctofmunicipalwastewatertrentmentplants，whichdecideinvestmentcost,runningcost，effluentqIlali瓴operationsupervisionandsoon．Inthefact,becauseofnoformingacompletesetofevaluationway,costofbudgetestimatedandsubjectiveopinionofdesignera把crucialfactorsofelectionofprocessschemeinthefeasibilitystudyofourcountry．Wastewatertreatmentprooe船andfactorsthataffecttheselectionofprocessa地systemicanalyzedinthisdissertationandanelaboratehierarchySU"U03Lremodelofevaluationindexissetl巾．ByinductingAnalyticHierarchyProcess(Arm)，andimpmvingAHP9alloptimizedevaluationmodelofplanningofurbanwastewatertreatmentplantisestablished．11舱modeliSabletoreflectcompleteinfluenceofsystemfactorsobjectivelyandmakeevaluationresultmo∞reasonable．whichofferbetterscientificreferenceforselectionofcontrolschemeofpollutionSource．Inordertoimproveefficiencyandveracityofevaluation，weinlroduceadecisionsupportsystem(Dss)intheselectionofmunicipalwastewatertreatmentprocess．DDSisanintegratedsystemcombinedcomputertechniqueswithdecisionsciencetechniques．Inthispaper,weexplainedthebasictheoriesandmethodsabouttheconstructionofselectionofwastewatel"treatmentprocessofDDS．Wecollectagreatdealofdataaboutprocess，coordinatethesedataaccordingtointroduction,flowcharLmajorconstructorsandfacilitiesandcostfield．Becauseofthis，adatabaseisconstructed；amodelbasebasedonevaluationinformationandIAHPisalsoconstructed．Therefore．weconstructedadecisionsystembasedondatabaseandmodelbase．Accordingtotheinformationofevaluationfromexperts，thesystemprovidestheoptimummunicipalwastewatertreatmentprocessusersneededthroughfavorableman-machiueinterface．Keywords：Municipalwastewatertreatmentpmcess，Syntheticallyevaluation,AnalyticHierarchyProcess(㈣，Decisionsupportsystem①SS)HI 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞塞堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：7岛度、签字日期：卅年r月)c旧学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密()，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密(、／)。(请只在上述一个括号内打“4”)学位论文作者签名：吗盎、签字日期：川年r月砰日导师签名：唾韬慨签字日期：年月日 1绪论1．1我国水资源状况水是不可替代的自然资源【l】，是自然环境的重要组成部分，在经济建设、社会发展和人民生活中占有极其重要的地位。我国多年平均降水总量[21为6．2万亿m3，可通过水循环更新的地表水和地下水的多年平均水资源总量为2．8万亿m?，人均只有2300m3，若扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后，现实可利用的淡水资源量更少，仅为11000亿m3左右，人均可利用淡水资源量约为900m3。根据“国际人I=l行动’键出的“可持续水——人口和可更新水的供给前景”报告采用的人均水资源评价标准：少于1700立方米为用水紧张国家，少于1000立方米为缺水国家，少于500立方米为严重缺水国家，对我国水资源进行总体评价：全国接近缺水国家的边缘。而且我，国水资源分布在地区上很不均匀，全国水资源有80．4％分布在长江流域及其以南地区。该地区人均水资源量3480m3，是水资源相对丰富的地区，长江流域以北广大地区水资源仅占全国的14．7％。人均水资源量747m?，是水资源短缺的地区，其中，以黄河、淮河、海滦河三流域尤为突出。三流域耕地占全国的39．1％，人口占全国的34．8％GDP占全国的32．1％，而水资源只占全国的7．7％。三流域人均水资源量500n，，是我国水资源最为短缺的地区，西北内陆地区水资源总量达到1300亿立方米，占全国的4．8％。由于西北地区地广人稀，因此人均水资源量达到4870m3，人均水资源相对比较多，为全国平均值的2．2倍p】。总的来说，我国人均占有的淡水资源不丰富，而且因时空分布不均衡，相当一部分地区的水资源十分缺乏．随着经济建设、城乡建设的发展和人口的增加，用水量持续增长，水的供需矛盾将日益突出。同时，由于大量的工业废水和生活污水排入水体，使水环境质量恶化，地表水和地下水受到不同程度的污染，减少了可利用的水资源，进一步加剧了水的供需矛盾。1．2我国水污染近况水污染是指排入水体的污染物在数量上超过该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量，从而导致水体水的物理性质、化学性质和生物学性质发生变化，使水体固有的生态系统和水体功能受到破坏。我国本来就是一个缺水的国家，而水污染又使缺水形式更为严峻。七十年代以来，尽管我国在水污染防治方面做了很多工作，但水污染的发展趋势仍未得到有效控制，许多江、河、湖泊、水库的水质仍在下降。 重庆大学硕士学位论文据统计【4】，2005年国家环境监测网七大水系的411个地表水监测断面中，符合‘地面水环境质量标准》I、Ⅱ类的仅占24％、符合Ⅲ类标准的占17％，属于Ⅳ～V类和劣V类水质的断面比例分别为32％和27％。七大水系的100个国控省界断面中，I～Ⅲ类、Ⅳ～V类和劣V类水质的断面比例分别为36％、40％和24％．28个国控重点湖(库)中，满足II类水质的湖(库)2个，占7％；III类水质的湖(库)6个，占2l％；Ⅳ水质的湖(库)3个，占11％；V类水质的湖(库)5个，占18％；劣V类水质湖(库)12个，占43％。其中，太湖、滇池和巢湖水质均为劣V类。lOOI8傩6傩4艉20％0_I类II类III类四类五类劣五类圜图1．1国控重点湖库水质变化Fig1．1Changeofwaterqualityforlakeandreservoir根据中国统计年鉴[51，1980年我国废水排放量为310亿m3／a，1997年我国废水排放量达416．0亿m3，其中工业废水排放量为227．0亿m?，生活污水捧放量为189．0亿m3。2005年我国废水排放量已达524．5亿m3，其中工业废水排放量为243．1亿m3，生活污水排放量为281．4亿m3．可以看出，从1980年到1997年的17年里，全国废水排放总量增加了106亿m?，而从1997到2005年，全国废水排放总量增加108．5亿一仅仅花了8年时间。从总体上看，近十年来全国废水排放总量稳步增长，特别是近四年增长较快。如图所示，在这期间，工业废水的排放量所占排放总量的比重，从1997年的54．57％稳步下降到2005年的46．35％。而生活污水所占的比重则相应的从45．43％上升到53．65％。这标志着我国城市化进程的快速发展。我国1990年城市化水平已达22．6％，到2005年城市化水平为30．9％[61，在今后lO一20年，我国城市化水平将达到40％--50％。因此，城市生活污水将由于城市人口增长及第三产业的发展而继续增长。 1绪论冒8V■耱枯+工业废水捧放量．--41---生活污水捧放量—卜废水捧放总量图1．2我国废水排放量Figi．2AmountofwastewaterinChina建造城镇污水处理厂被证明是解决城镇水污染的一条有效途径if-20]．美国是目前世界上污水处理厂最多的国家，平均5000人就有一座，其中78％为二级生物处理厂；英国共有污水处理厂约8000座，平均7000人一座，几乎全部是二级生物处理厂；日本城市污水处理厂约630座，平均20万人1座，但其中二级处理厂及高级处理厂占98．6％；瑞典是目前污水处理设施最普遍的国家，下水道普及率99％以上，平均5000人1座污水处理厂，其中91％为二级生物处理厂。这些国家的经验表明，大力兴建污水处理厂对改善水体有很大的作用。如美国7000多条河流水质有了明显改善，日本不符合环境标准的水域，已从1971年的0．6％下降到1980年的0．05％。1．3城市污水处理设施的建设与发展我国在污染治理技术方面起步较晚。最早的城市污水处理厂始建于上海，1921年建成了上海北区污水处理厂，1926年又建成了上海西区和上海东区污水处理厂．总处理能力达4万吨／日。这三座污水处理厂是为了解决由租界内排出的污水而建。到1949年上海解放时，只剩下上海西区污水处理厂还在运转，处理能力仅为1．6万吨／日。解放后，限于国家的经济状况，发展速度较慢，建的污水处理厂以一级污水处理为多。较大的污水处理厂有：1958年投产的西安污水处理厂，处理能力为6万Ⅱ屯，日；1961年投产的北京高碑店污水处理厂，处理能力16．6万吨／日。而大部分工业废水和城市污水未经处理就直接排放水体，因此造成城市附近的地表水和地下水的严重污染。我国解决城市污水的净化问题始于二十世纪70年代。一些城市利用郊区的坑塘洼地、废河道、沼泽地等稍加整修或围堤筑坝，建成稳定塘，对城市污水进行 重庆大学硕士学位论文净化处理。据调查，这个时期在全国己建成各种类型的稳定塘有38座，日处理城市污水约173万m3．其中生活污水量占一半，其余包括石油、化工、造纸、印染等多种工业废水。此阶段开始重视引进国外先进技术和设备，开展与国外的技术交流，逐步探索适合我国国情的工程技术和设计，为以后的建设奠定了基础。80年代，随着城市化进程的加快，城市水污染问题日益受到重视，城市排水设施建设有了较快的发展。国家适时调整政策，规定在城市政府担保还贷条件下，准许使用国际金融组织、外国政府和设备供应商的优惠贷款，由此推动了一大批城市污水处理设施的兴建。我国第一座大型城市污水处理厂一天津市纪庄子污水处理厂于1982年破土动工，1984年4月28日竣工投产运行，处理规模为26万m3／d。在此成功经验的带动下，北京、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂几十座。“八五”期间，随着城市环境综合治理的深化以及各流域水污染治理力度的加大，城市污水处理设施的建设经历了一个发展高潮时期。到1995年，我国城市排水系统排水管道长度约为1100621km，按服务面积计算，城市排水管网普及率为64．8％。与1990年相比，城市排水管道增加54373km，平均每年增长10874km；城市污水处理厂169座(其中二级生化处理厂116座，年处理污水17．49亿m3，处理率8．69％。与1990年相比，城市污水处理厂增加89座(其中有北京高碑店、天津东郊、石家庄桥西、广州大坦沙、无锡芦村、济南等大中型城市污水处理厂)，平均每年建污水处理厂17座。“九五”期间，国务院发布了《国家环境保护“九五”计划和2010年远景耳标》、《中国跨世纪绿色工程计划》等纲领性文件，并颁布了“污染物排放总量控制规定”及重点治理“三河”、“三湖”水环境污染等政策。我国正式启动R寸“三河”(淮河、海河和辽河)，“三湖”(太湖、巢湖、滇池)流域和“环渤海”地区的水污染治理，国家给予相应资金和技术上的支持。1998年，国家为推动经济，在1000亿元投入计划中，将城市污水处理列为重点支持对象，共有300余个项目、200余亿元的补助贷款列入计划并予以实施。1996---1999年竣工投入运行的城市污水处理项目有22个，投资59．58亿元，日处理规模371．7万m3。1999---2000年，国家仍采取类似措施，再次支持一大批城市污水处理项目的建设。到2000年底【2n，全国己建设城市污水处理厂427座，其中二级处理厂282座，二级处理率约为15％。2000年用于城市污水处理工程建设的总投资约为150亿元。2004年底，全国661个设市城市建有污水处理厂708座圈，处理能力为4912万立方米／日，全年城市污水处理量162．8亿立方米，但与2004年废水排放量482．4亿吨相比，处理率仍然很低。截至2005年6月底，全国31个省(自治区、直辖市)4 1绪论中还有297个城市没有建成污水处理厂。其中，地级以上城市63个，包括人口50万以上的大城市8个。位于重点流域、区域“十五”规划范围内的城市54个。例如：2004年，吉林省城市污水处理率为23．6％，全省28个设市城市中有22个城市没有建成污水处理厂；贵州省城市污水处理率仅为12％，全省13个城市中有9个城市没有建成污水处理厂。根据三峡库区及其上游地区水污染防治“十五’’计划要求，四川省的23个城市在‘‘十五”期间要建成污水处理厂，但截至2005年6月底，该省还有11个城市没有按计划建成；根据海河流域水污染防治“十五”计划要求，河北省的24个城市在“十五”期间要建成污水处理厂，但截至2005年6月底，该省还有16个城市没有按计划建成污水处理厂．尽管我国污水处理事业快速发展，但由于起步较晚，污水处理设施存量仍然严重不足。}1．4城市污水处理工艺技术现状我国现有城市污水处理厂90％以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、生物膜法、稳定塘法及土地处理法等。“七五”、“八五”、“九五”、“十五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我国在污水处理新技术、污水再生利用新技术和污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果达到国际先进水平．同时，借助于外贷城市水处理工程项目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国。AB法、氧化沟法、A／A／0工艺、SBR法在我国城市污水处理厂中均得到应用。污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进入了我国污水处理行业市场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。我国80年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处理工艺，由于该工艺主要以去除BOD和SS为主要目标，对氮磷的去除率非常低。为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱氮和除磷功能。AB法污水处理工艺于80年代初开始在我国应用于工程实践。由于其具有抗冲击负荷能力强、对pH变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比例较高的城市污水处理厂。目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。应用较多的有奥贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，己有成功实例。DE型氧化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。采用卡罗塞尔 重庆大学硕士学位论文氧化沟工艺处理城市污水也较多。多种类型的SBR工艺在我国均有应用，如属第二代SBR工艺的ICEAS工艺，属第三代的CAST工艺、UNITANK工艺等．随着我国对水环境质量要求的提高，修订后的国家《污水综合排放标准》(GB8978--1996)及《城镇污水处理厂污染物排放标准》(os18918-2002)也越来越严，特别是对出水氮、磷的要求提高，使得新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去除问题。由此开发了改良A／O，A／A／O，UCT等工艺，并己在实际工程中得到广泛应用。如天津东郊污水处理厂、北京清河污水处理厂等。1．5城市污水处理设施投资情况表I．I列举了我国历年来城市排水设施与城市污水处理厂投资占GDP比例及城市污水处理厂处理率的关系嘲。表1．1我国历年捧水工程投资占GDP比例与城市污水处理率(％)TableI．IR硝oofinvestmentofdrainageengineeringtoGDP年份排水工程投资占GDP比例城市污水处理率1953——19570．0301958—19620．01919630．0101973—1975O．0061976一19800．0121．41981——1985O．0201．41986一19870．0172．71988一19900．0273．419910．0333．919924．5从表中可以看出，我国对城市排水设施与城市污水处理厂的投资历来是十分少的，1953--1991年仅占GDP的O．006％一O．033％，相当长的时期不到O．02％，导致城市污水处理率十分低下，仅1．4％一3．9％。绝大部分城市污水排入河流、湖泊、水库或海洋，成为我国水域严重污染、水生生态严重破坏、危害人体健康的最根本原因。表1．2列出了若干发达国家在20世纪70年代及80年代排水工程投资占GDP6 1绪论的比例，表1．3列出了日本历年来排水工程投资占GDP的比例及普及数据伫q．表1．2若干发达国家排水工程投资占GDP的比例(％)国家20世纪70年代20世纪舳年代美国0．290．80法国O．530．53英国0．50日本0．50(0．26～0．75)0．54(0．52～O．73)德国O．320．88表1．3日本历年排水工程投资占GDP的比例及普及率的发展(％)Table1．3Ratioofinveslmentofdrainagea培im!efingtoGDP捧水工程投资占GDP比年份城市污水处理率例1963一19670．19～0．28201967—1971O．28～0．45231971—19750．34～O．55261975—1980o．44～0．75301981——19850．52～0．70331986—19900．56～0．67441991一19950．56～0．835119975520世纪70～80年代正值发达国家水环境污染比较突出的一段时间，当时这些国家都加大了环境治理力度，一般排水工程投资均能达到GDP的0．50％以上，最高达O．88％。因此，这些国家的水污染能在较短时间内得到控制，水质有所改善，水生生态向良性循环转化。而我国历年投资强度与其相比相差了20～30倍。日本近40年来全国的污水处理率从20％提高到55％，总投资额超过了5000亿美元，他们在花费了巨大的投资和努力后，才取得中等水平．由此可见，城市污水处理工程耗资巨大，若不加大投资力度，城市水污染防治只是一句空话。而加大投资，必定会取得良好的效果。表1．4列出了我国2l世纪初对污水处理投资的不同年限的不同百分率的GDP值的预测数据。7 重庆大学硕士学位论文表1．4我国21世纪初不同年限占不同百分率的GDP值(10|元)占不同百分率的GDP值年限占GDP0．10％占GDPO．12％占GDP0．15％占GDP0．18％200l一200556067284010082006—20lO785942117514132001--2010(合计11345161420152421201l一201510551266158318992016—202013711645l“524682011—20202426291l32284367经过分析，城市排水系统及城市污水处理厂投资费用占GDP的适宜百分率为O．11％一O。16％。这个百分率对我国当前国力而言是能够承担的。1．6研究课题的提出及研究内容1．6．1研究课题的提出兴建城市污水处理厂是关系到国计民生的重大环境治理措施，是解决我国水污染的有效途径。而工艺流程的选择对处理效果、占地面积、运行管理、基建费用、处理成本等重要参数都有很大影响瞄】。因地制宜地进行工艺方案(主要是生物处理方案)比较是必要的。长期以来，污水处理工艺系统的设计方案均采用传统的单体设计方法来获得。工程设计人员通常是根据工程经验或直觉判断，在设计规范指导下拟定有限的备选设计方案，然后在其中通过经济指标核算并筛选出认为技术合理、经济可行的最终设计方案。但是，这种工艺方案比较往往不够科学，有的对工艺已有倾向和爱好，先入为主，对倾向的工艺只说优点，对不赞成的工艺强调缺点；有的把小型试验数据与别的已上工程的工艺相比较；有的是将处理BOD为主的工艺与处理BOD同时进行脱氮除磷的工艺相比较。实际已运行的不少污水处理厂，其出水水质较好与其进水水量和水质远未达到设计指标有关，各厂情况不同，不可简单地比较出水指标；有的投资包括厂外工程费用(如道路、电负荷增容等)；有的投资包括征地费用(而此费用在各地出入很大)；有的工程建设投资低，运行费用高；有的工程建设投资高，运行费用低：有的工艺处理污水的投资低，而污泥量较多增加了污泥的处理成本。因此，对工艺方案的比较力求客观全面，在同等进水、出水条件下，根据技术上合理，经济上合算，管理方便，运行可靠且有利于近、远期结合的原则，进行工艺方案的优化抉择。污水处理工艺的选择是一个相互关联、相互影响的众多因素构成的复杂系统。 I绪论需综合考虑各种工艺的技术、经济、管理等优势，很难用单一的目标函数进行评价陋删。本文以层次分析法原理为基础，通过对传统分析方法的优化改进，建立城市污水处理工艺方案选择的优化模型，并建立污水处理工艺选择的决策支持系统。1．6．2研究内容①城市污水处理主要工艺及其特点②影响工艺选择的因素及评价指标体系的建立③比选方法的研究④采用优化AHP建立工艺选择的优化模型⑤建立污水处理工艺比选的决策支持系统，以利与在不同条件，不同要求下对工艺进行优化选择9 2城市污水处理工艺选择研究2．1污水处理技术的发展概况水体的污染，是随着近代大工业的发展而产生的。而对水污染的治理，则是在这种污染对人类的生存产生危害时才得到重视的。水污染治理技术的发展，大致经历了三个阶段。最初的捧除阶段。即利用下水道将污水排除至居住地之外。这种方法的历史最远可以追溯至Ⅱ我国2000年前的战国时代。欧洲最早的是1875年修建于伦敦的城市下水道工程。这一阶段持续了比较长的时间。十九世纪末期、二十世纪初，进入处理排除阶段。即将污水经过简单处理后再排除。英国、美国等先后在这个时期建成了较为完整的公共污水处理厂。当时主要采用的是沉淀法，即一级处理。在此期间，英国工程师于1893年进行活性污泥法的试验，1914年，有两位工程师共同发表了有关活性污泥法处理污水的论文。随后，这一年就被定为活性污泥法创始年。从那时起，相继出现了用微生物来处理污水的二级处理装置。．二十世纪六十年代末，由于水体富营养化的不断加剧和供水水源的严重不足，人们开始考虑进一步处理活性污泥法二级处理后的出水，以去除其中所含有的有机性和无机性污染物质，并将处理后的出水回用于工业。即以除磷、脱氮、降低溶解性有机物为目的的三级(高级)污水处理技术。与此同时，对二级处理的副产品——枵泥的处理方法和设备等的研究也日趋完善，并形成了一套较为完整的污水处理方法。进入七十年代后，污水处理进入资源化阶段。1972年，斯德哥尔摩人类环境会议的召开，使环境问题在世界范围内发生重大变化，工业发达国家采取了一系列措施控制和治理环境污染。污水处理技术也因此得到较大的发展，从为了实现达标排放向能够获得洁净水的方向发展，并在清除超过规定标准之外的盐类、氮、磷等方面做切实有效的努力，明确提出了发展节省能源和资源的污水处理技术。进入八十年代之后，常规的污水治理技术已基本定型化。人们逐渐把注意力转向某些难降解有机物的处理和对某些传统方法的改进上来。可以说污水治理技术的研究主要集中在三个方面：①改进传统的以活性污泥法为主体的工艺流程和技术：②可以替代传统活性污泥法的工艺流程和技术：③对城市污水回用技术的研究。因此，人们研究的重点在二级和三级(高级)处理工艺流程和技术方面。2．2污水处理工艺概述污水处理技术可分为物理处理、化学处理、生物处理陟。33l。物理处理主要用 重庆大学硕士学位论文于那些在性质上或颗粒大小上不利于后续处理过程的物质。污水物理处理法采用的处理方法有筛选、截留、重力分离(包括自然沉淀、自然上浮和气浮等)和离心分离等。相应处理设备有格栅、筛网、滤池、微滤机、沉砂池、沉淀池、除油池、气浮装置以及离心机及旋流分离设备等。污水化学处理通常是在污水的处理过程中投加化学药剂，使之与废水中的有害物质反应，达到净化污水的目的。如化学除磷、臭氧消毒等。生物处理又分人工生物处理和自然生物处理。人工生物处理采取了一定的人工技术措施，创造有利于微生物生长、繁殖的良好环境，加速微生物的增殖及其新陈代谢功能，氧化分解有机物使之转化为稳定的无机物，从而使污水中的污染物得以降解、去除。生物处理根据参与代谢活动微生物的种类，分为好氧生物处理和厌氧生物处理。好氧生物处理又分为活性污泥法和生物膜法。活性污泥法就是水体自然净化的人工强化法，将空气连续输入污水中，经过一段时间后，水中形成繁殖有大量好氧微生物的絮凝体一一活性污泥，生活在活性污泥上的微生物以有机物为食料，获得能量并不断生长繁殖，从而使有机物得以去除，污水得到净化。生物膜法使污水连续地经过固体填料，在填料上能够形成泥状的生物膜，在生物膜上繁殖着大量微生物，能够起着与活性污泥同样的净化作用。自然生物处理主要有生物塘处理系统和土地处理系统。生物处理法是污水处理应用最为广泛的方法，其有机物去除率高，能耗和运行费用低。近年来，由于对自动化程度以及对氮，磷处理要求的提高，出现了许多废水生物处理的新工艺。现就几种主要的污水处理工艺介绍如下．2．2．1活性污泥法①传统A／A／O法A／A／0系统一般采用推流式活性污泥系统，原污水首先进入厌氧区，兼性厌氧的发酵细菌将废水中的可生物降解的大分子有机物转化为WA(挥发性脂肪酸)这一类小分子发酵产物。聚磷菌可将菌体内积贮的聚磷盐分解，所释放的能量可供专性好氧的聚磷菌在厌氧的“压抑”环境下维持生存。另一部分能量还可供聚磷菌主动吸收环境中VFA一类小分子有机物，并以PHB形式在菌体内贮存起来。随后废水进入缺氧区，反硝化细菌就利用好氧区中经混合液回流而带来的硝酸盐，以及废水中可生物降解有机物进行反硝化，达到同时去碳和脱氮的目的．厌氧区和缺氧区都设有搅拌混合器，以防污泥沉积。接着废水进入曝气的好氧区，聚磷菌除了吸收、利用废水中残剩的可生物降解有机物外，主要是分解体内贮积的PHB，释放能量可供本身生长繁殖，此外还可主动吸收周围环境中的溶解磷，并以聚磷盐的形式在体内贮积起来。这时排放的废水中的溶解磷浓度已相当低。好氧区中有机物经厌氧区、缺氧区聚磷菌和反硝化细菌利用后，浓度已相当低，这有利于自氧的硝化细菌生长繁殖，并将NH4+经硝化作用转化为N03。。非聚磷的好氧性异 2城市污水处理工艺选择研究养菌，虽然也能存在，但它在厌氧区中受到严重的压抑，在好氧区又得不到充足的营养，因此在与其他微生物的竞争中处于劣势。排放的剩余污泥中，由于含有大量能过量积贮聚磷盐的聚磷菌，污泥中磷含量很高，因此比一般的好氧活性污泥系统大大地提高了磷的去除效果。本工艺在系统上是最简单的同步除磷脱氮工艺，总水力停留时间小于其它同类工艺，在厌氧、缺氧、好氧交替运行的条件下可抑制丝状菌繁殖，克服污泥膨胀，SVI值一般小于100，有利于处理后污水与污泥的分离，运行中在厌氧和缺氧段内只需轻缓搅拌。由于厌氧、缺氧和好氧三个区严格分开，有利于不同微生物菌群的繁殖生长，因此脱氮除磷效果非常好。目前，该法在国内外使用较为广泛。但传统A／A／0工艺也存在着本身固有的缺点。脱氮和除磷对外部环境条件的要求是相互矛盾的，脱氮要求有机负荷较低，污泥龄较长，而除磷要求有机负荷较高，污泥龄较短，往往很难权衡。另外，回流污泥中含有大量的硝酸盐，回流到厌氧池中会影响厌氧环境，对除磷不利。为了克服传统A／A／0工艺的缺点，出现了多种改良型A／A／0工艺。1)UCT工艺与A／A／0法相比，UCT工艺不同之处在于污泥先回流至缺氧池，而不是厌氧池，再将缺氧池部分混合液回流至厌氧池，从而减少了回流污泥中过多的硝酸盐对厌氧释磷的影响。但是UCT工艺增加了一次回流，多一次提升，运行费用将有所增加。2)A-A／A／0工艺该工艺是在传统A／A／0法的厌氧池之前设置回流污泥反硝化池，来自二沉池的回流污泥和10％左右的进水进入该池(另90％左右的进水直接进入厌氧池)，停留时间为20_-30分钟，微生物利用10％进水中的有机物作碳源进行反硝化，去除回流污泥带入的硝酸盐，消除硝态氮对厌氧池放磷的不利影响，保证除磷效果。该工艺简单易行，在厌氧池中分出一格作回流污泥反硝化池即可。②氧化沟法氧化沟又名氧化渠，因其构筑物呈封闭的沟渠形而得名。因为废水和活性污泥的混合液在环状的曝气渠道中不断循环流动，故有人称其为“循环曝气池”或“无终端曝气池”。第一座氧化沟污水处理厂，是1954年在荷兰Voorschoten市建造的，服务人口仅360人。因其构造简单、易于维护管理，很快得到广泛应用。到目前为止己发展成为多种形式，原始的氧化沟属延时曝气，主要为了去除BODS、SS，不设初沉池，污水达到硝化阶段，由于污泥龄长，污泥相应得到好氧处理，泥量少且稳定。氧化沟是用转刷(转碟)表面曝气，设备少且管理简单。原始的氧化沟是间断运转的，60年代发展为连续运转，增设二沉池工艺，将曝气和沉淀分开，继而演变成多种工艺，比较典型的工艺有：Passveer单沟型、Orbal同心圆型、Carrousel循环折流型、DE型双沟式和T型三沟式等。这些工艺适用多种规模的污水处理厂。 重庆大学硕士学位论文11Carrousel型氧化沟Carrousel型氧化沟是60年代由荷兰DHV公司研制成功的，当时开发这一工艺的主要目的是寻求渠道更深，效率更高和机械性能更好的系统设备，来改善和弥补当时流行的转刷式氧化沟的技术弱点。它是一个多沟串联的系统，进水与活性污泥混合后在沟内作不停的循环流动，Carrousel氧化沟采用垂直安装的低速表面曝气机，每组沟渠安装一个，均安装在同一端，因此形成了靠近曝气器下游的富氧区和曝气器上游以及外环的低氧区，这不仅有利于生物凝聚，还使活性污泥易于沉淀。立式低速表曝机单机功率大，设备数量少，在不使用任何辅助推进器的情况下氧化沟沟深可达到5米以上，较传统的氧化沟节省占地10％--300,6，工程费用相应减少，由于采用立式低速表曝机有很强的输入动力调节能力，而且在调节过程中不损失其混合搅拌功能，节能效果明显，一般情况下，表曝机的输出功率可以在25％--100％的范围内调节，而不影晌混合搅拌功能和氧化沟渠道流速。DHV公司新开发的双叶轮卡鲁塞尔曝气机，上部为曝气叶轮，下部为水下推进叶轮，采用同一电机和减速机驱动，其动力调节范围可达15％一100％，调节范围较标准表曝机扩大100,6，其动力效率为1．g-_2．3k902，@w．h)，传氧效率在标准状态下达到至少2．1k902，(kW．h)．传统的Carrousel型氧化沟不具备脱氮除磷功能，若在沟内增设缺氧区，则可在单一池内实现部分反硝化作用。若在沟前增设厌氧池，则形成厌氧卡鲁塞尔氧化沟A／0T艺，该工艺可提高活性污泥的沉降性能，有效抑制活性污泥膨胀，同时为生物除磷提供了先进行磷的释放，后进行磷的过度吸收的环境条件，可使磷的去除率达到70％以上，但对脱氮效果一般．因此，为实现对氮去除的需要，又出现了卡鲁塞尔2000、卡鲁塞尔3000等更高标准的反硝化脱氮工艺，其突出的优点是可实现硝化液的高回流比，达到较高程度的脱氮率，同时无需任何回流提升动力．2)Orbal氧化沟Orbal氧化沟由三个相对独立的同心椭园形沟道组成，污水由外沟道进入沟内，然后依次进入中间沟道和内沟道，最后经中心岛流出，至二次沉淀池。三个环形沟道相对独立，溶解氧分别控制在O，1，2mg／L，其中外沟道容积达50％---60％，处于低溶解氧状态，大部分有机物和氨氮在外沟道氧化和去除。内沟道体积约占10％--200,6，维持较高的溶解氧(2mg／L)，为出水把关。在各沟道横跨安装有不同数量转碟曝气机，进行供氧兼有较强的推流搅拌作用。Orbal氧化沟作为一种多级串联的反应器，有秘于降解生化难降解的有机物，一般可以获得较好的出水水质和稳定的处理效果，且抗冲击负荷能力强，因此，当城市污水中工业废水比例较高时，奥贝尔氧化沟较其他类型氧化沟有更好的适应性。Orbal氧化沟有三个相对独立的沟道，进水方式灵活。在暴雨期间，进水可以14 2城市污水处理工艺选择研究超越外沟道，直接进入中沟道或内沟道，由外沟道保留大部分活性污泥，利于系统的恢复。因此，对于合流制或部分合流制的污水系统，奥贝尔氧化沟均有很好的适用性。奥贝尔氧化沟的曝气转碟具有较高的充氧能力和动力效率，优化控制方便，并可提高水深节省用地。但Orbal氧化沟呈圆形或椭圆形沟型，平面布置相对困难：占地面积尚偏大．中心岛消耗一定的面积，增加了无效占地。单组曝气转碟供氧强度低于转刷和垂直表曝机，设备台数较多，尽管有利于提高供氧效率和优化控制，但维护点增多，设备投资有可能略高。除磷效率不够高，要求除磷时还需采取一些措施。4)DE型氧化沟DE型氧化沟为双沟交替工作式氧化沟，由池容完全相同的两个氧化沟组成，两沟串联运行，交替地作为曝气池和沉淀池，不单独设二沉池。为了达到脱氮目的，在D型氧化沟的基础上又发展了半交替工作式的DE型氧化沟。该沟设有独立的二沉池和回流污泥系统，两沟交替进行硝化和反硝化。D型氧化沟的缺点主要是曝气设备利用率低、池容积利用率低。5)T型氧化沟T型即三沟式氧化沟，集缺氧、好氧和沉淀于一体，两条边沟交替进行反应和沉淀，无需单独的二沉池和污泥回流，流程简洁，具有生物脱氮功能。它是由三条大小相同的沟组合，利用管道或沟壁之间的连通孔连为一体，根据工艺要求三条沟分别进行曝气，反硝化，沉淀，每条沟根据其容积大小和尺寸配有一个或数个水平曝气转刷，用于充氧曝气和混合循环。在工艺中考虑脱氮时，沟中应配有若干个双速转刷，低速转刷用于混合而不起充氧曝气作用。该系统进水分配井中的三个自动控制进水堰交替分配进水至各条沟。剩余污泥一般通过剩余污泥泵由中间沟间歇抽至污泥浓缩池。沟内的水深一般为3．5米。边沟配备可调节出水堰(旋转堰门)用于出水和调节转刷叶片的浸没深度，调节叶片的浸没深度即可调整充氧量和对沟内混合液的输入功率。由于无专门的厌氧区，因此，生物除磷效果差。而且，由于交替运行，总的容积利用率低，约为55％，设备总数量多，利用率低。氧化沟池型具有独特之处，兼有完全混合和推流的特性，且不需要混合液回流系统，但氧化沟一般采用机械表面曝气，水深不宜过大，充氧动力效率较低，能耗较高，占地面积较大。同时，由于氧化沟工艺采用延时曝气，排泥较少，其生物除磷能力一般。③AB法AB法工艺由德国B．Bohnke教授首先开发。该工艺将曝气池分为高低负荷两段，各有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段A段停留时间约20—40分钟，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，生物主要为短世代的细菌群落，去除BOD达50％以上。B段与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长。 重庆大学硕士学位论文AB法A段效率很高，并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的污水处理，AB法具有很好的适用性，并有较高的节能效益。尤其在污泥处理采用消化和沼气利用工艺时，优势较为明显。但是，AB法污泥产量较大，A段污泥有机物含量极高，污泥后续稳定化处理将增加一定的投资和费用。另外，由于A段去除了较多的BOD，可能造成碳源不足，难以实现脱氮工艺。对于污水浓度较低的场合，B段运行较为困难，也难以发挥优势。AB法工艺对运行管理有较高的要求，尤其是污泥厌氧消化和沼气利用部分．目前有仅采用A段的做法，效果要好于一级处理，作为一种过渡型工艺，在性能价格比上有较好的优势。一般适用于排海和暂时对水质要求不高的场合。总体而言，AB法工艺较适合于污水浓度高、具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市污水处理厂，有明显的节能效果。对于有脱氮要求的城市污水处理厂，一般不宜采用。④SBR及其改进工艺SBR工艺早在20世纪初已有应用，由于人工管理的困难和烦琐未能推广应用。此法集进水、曝气、沉淀、泌水、闲置功能在一个池子中完成。一般由多个池子构成一组，各池工作状态轮流变换，单池由撒水器间歇出水，故又称为序批式活性污泥法。该工艺将传统的曝气池、沉淀池由空间上的分布改为时间上的分布，形成一体化的集约构筑物，并利于实现紧凑的模块布置，最大的优点是节省占地。另外，可以减少污泥回流量，有节能效果。SBR工艺沉淀时停止进水，静止沉淀可以获得较高的沉淀效率和较好的水质．但是，SBR类工艺毕竟对自动化控制要求很高，并需要大量的电控阀门和机械撇水器，稍有故障将不能运行，一般须引进部分关键设备。由于一池有多种功能，相关设备在一段时间内不得已而闲置，曝气头的数量和鼓风机装机功率必须增大。另外，由于撇水深度通常有1．2廿—2m，出水的水位必须按最低撇水位设计，加之撇水器本身水头损失较高，故总的提升扬程较其他工艺要高，水力能耗略有增加。SBR经过不断演变和改良，又产生或同期发展为ICEAS。、CAST等以及IAT-DAT工艺和UNITANK工艺，进一步增强了除磷脱氮效果或降低了设备闲置率。随着自动化技术的发展和PLC控制系统的普及化，SBR类工艺的工程应用又进人了一个新的时代。1)ICEAS法及CAST法ICEAS，CAST工艺即连续进水、间歇操作运转的活性污泥法。与传统SBR法不同之处在于通过设置多座池子，尽管单座池子为间歇操作运行，但使整个过程达到连续进水、连续出水。其进水、反应、沉淀、出水16 2城市污水处理工艺选择研究和待机在一座池子中完成，常用四座池子组成一组，轮流运转，间歇处理。ICEAS法虽有它的优点，可在一组池中完成脱氮、去除BOD全过程，但每座池子都需安装曝气设备、沉淀的潍水器及控制系统，间歇排水，水头损失大，设备的闲置率较高、利用率低，设备投资大，要求自动化程度相当高。21UNITANK工艺UNITANK工艺一般由一矩形池子组成，内分三格，三格在水力上是连通的。池子外侧二格即第一格和第三格交替作为曝气池和沉淀池，第二格始终作为曝气池。在每一格池子中设置曝气装置，可以为表面曝气设备，也可以是鼓风曝气系统。在第一格和第三格中另需设置周边出水堰(所需堰长如同传统二沉池)。由于受池子沉淀功能(即需要一定的池子表面积)的制约，一般一组UNITANK工艺的处理能力在20000m3／d左右。UNITAN工艺采用矩形池形式，不需另设沉淀池，故布置紧凑，节省占地。在设备方面，省去了刮泥桥和污泥回流系统，采用固定堰槽出水，避免了撇水器造成的水位损失和机械故障。采用微孔曝气时有一定的节能效果。因此，UNITANK作为一种新工艺在国内得到推广应用。如上海石洞口污水处理厂(40万m3／d)，石家庄开发区污水处理厂(8万m3／d)等均采用这一工艺。但是，由于UNITANK工艺中，当第一格或第三格作为沉淀池功能时，其池子构造并不专门为二沉池功能所设计，故系统并不在一个较佳的水力条件下进行泥水分离。而且污泥泥面在池子底部的分布是不均匀的，靠入流侧的污泥泥面将显著地提高，污泥颗粒容易随出水流出系统。在设备方面，UNITANK虽通过固定堰槽出水，但在曝气阶段堰槽内存有混合液，排水前必须先进行冲洗，增加了相应设备，另外，该工艺管道系统布置较为复杂，且需要大量的电动进水阀门、电动空气阀门(当采用鼓风曝气时)以及剩余污泥阀门。该系统完全依赖于自动控制运行，对管理维护的要求较高，也存在着设备闲置问题，一次性设备投资有所增加。3)MSBR法MSBR法是一种改良型序批式活性污泥法，是八十年代后期发展起来的技术，目前其中的专利技术归美国芝加哥附近的AquaAerobicSystemInc所有。其实质是A／A／0系统后接SBR，是二级厌氧、缺氧和好氧过程，连续进水、连续出水。因此，具有A／A／0生物除磷脱氮效果好和SBR的一体化、流程简捷、不需二沉池、占地面积小和控制灵活等特点。缺点是需要污泥回流和混合液回流，所需潜污泵较多，总容积利用率仅为73％左右，而且现阶段，其技术不是很成熟。2．2．2生物膜法①曝气生物滤池工艺生物曝气过滤工艺是一种生物过滤池，内设特制的微生物附着生长必须的颗粒性滤料。为达到生物氧化有机物和氨氮的目的，滤池需进行曝气。工艺采用的17 重庆大学硕士学位论文填料颗粒细小，提供了大的比表面积，使滤池单位体积内保持较高的生物量，有机物容积负荷较高。同时该工艺处理装置紧凑，生化反应和过滤在一个单元中进行，不需要二次沉淀池，从而有利于发展高效、快速的处理工艺，同时节省了占地面积。曝气生物滤池的省地优点是显而易见的，但它也有其固有的缺点：为避免进水中悬浮颗粒堵塞生物曝气滤池，一般均需采用加药以强化初沉池去除悬浮固体的效果，这样会增加药剂的成本，同时加药沉淀将产生大量初沉化学污泥，后续污泥处理和处置难度较大。反冲洗若控制不好，会使得滤池冲洗周期缩短，降低了滤池产水能力和增加能耗。由于整个滤池的容积较小，其抗水力和有机冲击尤其是氨氮冲击的能力较低，当进水水质水量波动时，出水水质波动较大。生物滤池虽然有省地的显著优点，但运行管理难度较大，完全依赖于自动化运行，工程投资和运行成本并不节省。一般仅在用地面积严重不足或受到严格限制时优先考虑。②生物转盘工艺生物转盘又称为浸没式滤池，它由许多平行排列浸没在氧化槽中的塑料盘片所组成。盘片的盘面近一半浸没在废水水面之下，盘片上长着生物膜。盘片在与之垂直的水平轴带动下缓慢的转动，浸入废水中那部分盘片上的生物膜便吸附水中的有机物，当转出水面时，生物膜又从大气中吸收所需的养气，使吸附于膜上有机物被微生物所分解。随着盘片的不断转动，最终使槽内废水得到净化．生物转盘的优点是：所用机械设备简单，维护管理方便；工艺不复杂，日常操作工作量少：无需污泥回流，无污泥膨胀之虞；对能耗需求相对低，只需转动转盘，比活性污泥法节能近50％；此外，它在制造上已标准化，设计施工较为方便。它的主要缺点是对水质及负荷较为敏感，对于负荷和运行条件的变化，在运行调节上的灵活性较少。生物转盘对冲击负荷的适应能力较差。冲击负荷不会造成转盘的运行失败，但转盘不具有富余的处理能力去抵御冲击负荷，会导致出水水质变差；此外转盘价格昂贵，基建投资高。2．2．3生态处理系统①生物稳定塘处理系统生物稳定塘是一种半人工的生态系统，其净化废水的原理与自然水域的自净机理十分相似。其中的生物相主要有细菌、藻类、原生动物、后生动物、水生植物以及高等水生动物；非生物因素主要包括光照、风力、温度、有机负荷、pH值、溶解氧、二氧化碳、氮及磷营养元素等。细菌与藻类的共生关系是其主要的生态特征。在光照及温度适宜的条件下，藻类利用二氧化碳、无机营养素和水，通过光和作用合成藻类细胞并放氧。异养茵利用溶解在水中的氧降解有机质，生成二18 2城市污水处理工艺选择研究氧化碳、氨氦和水等，又成为藻类合成细胞的原料。在这一系列反应过程中，废水中的溶解性有机物逐渐减少，藻类细胞和惰性生物残渣逐渐增加并随水排除。最后不仅去除污染物，而且以水生作物、水产的形式作为资源回收，净化的污水也作为再生水资源予以回用，使污水处理与利用结合起来，实现污水处理资源化．生物稳定塘的优点是基建投资省，处理成本低，操作管理容易。生物稳定塘不仅能取得良好的BOD去除效果，还可以有效的去除氮磷营养物质及病原菌，还原重金属及有毒有机物。它的主要缺点是占地面积大，处理效果受环境条件影响大，要求有合适的气温，日照及风力等，处理效率相对较低，可能产生臭味及孳生蚊蝇，不宜建设在居住区附近。②人工湿地处理系统人工湿地处理法在欧洲称为根区法。是20世纪70年代末发展起来的一种污水处理技术，它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化作用。人工湿地系统是在一定长宽比及底面坡度的洼地中，由土壤和按一定坡度充填一定级别的填料混合结构的填料床组成，废水可在填料床的填料缝隙中流动或在床体的表面流动，并在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物，形成一个独特的动植物生态环境对废水进行处理。人工湿地具有明显的特点：能保持全年较高的水力负荷；若设计合理，运行管理严格、认真，其处理废水效果稳定、有效、可靠、出水BOD5、SS与E．Coli可与三级处理媲美，其脱磷能力也是很强的，而且脱磷寿命很长，同时具有相当的硝化脱氮能力．但若对出水除氮有更高要求，则尚嫌不足。此外，它对废水中含有的重金属及难降解有机污染物也有较高净化能力；基建投资及运行费用低，一般为生物处理的20％：运行操作简便，不需要复杂的自控系统；对小流量废水，其耐污及抗冲击负荷性能好；既能净化污染物，更能美化景观，形成良好的生态环境，为野生动植物提供良好生境。其不足之处在于：需要土地面积较大，对恶劣气候条件抵御能力弱，净化能力受作物生长成熟程度的影响大，此外可能孳生蚊蝇等。2．3城市污水处理工艺选择2．3．1城市污水处理工艺选择的基本原则I蚓①指标先进这里主要指具备高效的处理效果达到或优于国家标准规定的处理水质指标。这是污水处理最重要的目标。也是污水处理厂产品的质量要求。在必要的场合，应该充分考虑氮、磷等营养物的去除效率，这对保护水环境和污水的再生利用有19 重庆大学硕士学位论文着重要意义。②经济节能节省工程投资是城市污水处理厂建设的重要前提。合理确定处理标准，选择简捷紧凑的处理工艺，尽可能地减少占地，力求降低地基处理和土建造价。同时，必须充分考虑节省电耗和药耗，把运行费用减至最低。对于我国现有的经济承受能力来说，这一点尤为重要。较低的经济指标同样是先进性的重要体现。③成熟可靠合理把握工艺先进性和成熟性(可靠性)的辨证关系，一方面，应当重视技术经济指标的先进性，同时必须充分考虑适合中国的国情和工程的性质。城市污水处理工程不同于一般点源治理项目，它作为城市基础设施工程，具有规模大、投资高的特点，且是百年大计，应该确保百分之百的成功。工艺的选择必须注重成熟性和可靠性。因此，强调技术的合理，而不是简单地提倡技术先进。必须把技术的风险降到最小程度。在颁布的城市污水处理的技术政策中规定“对在国内首次应用的新工艺，必须经过中试和生产性试验，提供可靠设计参数后再进行应用。”也是强调了可靠性原则。④易于管理城市污水处理是我国的新兴行业，专业人才相对缺乏．在工艺选择过程中，必须充分考虑到我国现有的运行管理水平，尽可能做到设备简单，维护方便。适当采用可靠实用的自动化技术。应特别注重工艺本身对水质变化的适应性及处理出水的稳定性。某些工艺尽管技术经济指标先进，但对运行管理有过分精细的要求，或完全依赖于全自动化运行，在现阶段可能并不适应国情，尤其难以适用于中小城镇。事实上，任何一种工艺总是有利有弊，关键在于适用性如何．有的工艺技术适合用于中小型污水处理厂而不适用于大型污水处理厂，而有的则适用于大厂而不宜于小厂；有的地方要求严格的脱氮除磷工艺技术，有的地方适宜于利用大水域的自净能力。在工程实践中，应该具体情况具体分析，因地制宜，综合比较，取长补短，做出较为优化的选择。2．3．2影响城市污水处理工艺选择的因素①国家和地方有关标准由于处理厂净化水排放的受纳水体和利用目的不同，固应区别情况，根据国家和地方的有关标准，选择不同的处理工艺。目前应执行的国家标准主要有以下几种：1)城镇污水处理厂污染物排放标准根据城镇污水处理厂排入地表水域环境功能和保护目标，以及污水处理厂的 2城市污水处理工艺选择研究处理工艺，将基本控制项目的常规污染物标准值分为一级标准、二级标准、三级标准。一级标准分为A标准和B标准。一级标准的A标准是城镇污水处理厂出水作为回用水的基本要求．当污水处理厂出水引入稀释能力较小的河湖作为城镇景观用水和一般回用水等用途时，执行一级标准的A标准。我国大多数城镇淡水资源不足，为缺水或严重缺水城市，特别是北方地区，受纳水体稀释水量有限，多为季节性河流，城镇附近河流更是由于受到城镇污水排放造成较严重的污染，失去自净能力，影响环境和人体健康。城镇集中污水处理厂建设无疑对改善这些水体的水质提供了条件。利用城镇污水处理厂出水补充河道，恢复水体的景观利用功能是污水资源化的重要途径。因此，在稀释能力较小的河流或季节性河流，主要以处理后的城市污水作为补充水源或绿化等用途时，污水应进行深度处理，使出水水质达到或接近景观、游览用水、生态用水等用水水质要求。城镇污水处理厂出水排入GB3838地表水Ⅲ类功能水域(划定的饮用水水源保护区和游泳区除外)、GB3097海水二类功能水域和湖、库等封闭或半封闭水域时，执行一级标准的B标准。二级强化处理的主要目的是除磷脱氮，同时也进一步去除有机污染物和悬浮物。氮磷被认为是引起水体富营养化的重要元素，因此当污水排入封闭或半封闭水域时，应控制氮磷的排放。氮磷在自然环境和水环境中的迁移转化是一个复杂的循环过程，当湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体中的氮和磷达到一定的浓度时，就会引起藻类及其他浮游生物的过度繁殖，发生水华和赤潮，造成水质恶化。一般认为，水体中的氮超过O．2mg／L，磷超过O．01mg／L即可发生富营养化。在造成水体富营养化的诸多元素中，氮、碳和微量元素很多是来自于自然界的生物化学过程，而且可以通过自然过程得以调节。而磷主要来自人类活动，普遍认为磷是大多数淡水水体富营养化的长期作用的关键限制因素。水体中的氮由于受自然过程的影响不易受到控制，而磷却可以通过控制人类的生产和生活活动减少其排放量。城镇污水的排放是水环境中氮磷的主要来源之一，因此减少和控制氮磷，尤其是磷的排放量，是防止水体富营养化的重要途径之一．城镇污水处理厂出水排入GB3838地表水Ⅳ、V类功能水域或GB3097海水三、四类功能海域，执行二级标准。二级标准是控制城镇污水处理厂水污染物排放的主导标准，大部分污水处理厂水污染物的排放应达到二级标准的要求。常规二级处理主要是去除污水中的含碳有机物，COD的去除率为80％～85％，BOD的去除率可达90％～95％，同时可去除部分氨氮和磷。2l 重庆大学硕士学位论文非重点控制流域和非水源保护区的建制镇的污水处理厂，根据当地经济条件和水污染控制要求，采用一级强化处理工艺时，执行三级标准。但必须预留二级处理设施的位置，分期达到二级标准。21生活杂用水水质标准该标准为国家建设部制定的城市污水再生后回用于生活杂用的水质标准。一般城市二级处理后的净化水需再进行某些深度处理才能达到该类水质标准。3)农田灌溉水质标准该标准为用净化水进行农田灌溉时应执行的标准4)渔业水质标准该标准为净化水排入渔业水体时应执行的标准5)地下水水质标准净化水回灌地下水时应执行地下水的水质标准，回灌地下水的质量不得低于未回灌前当地地下水的质量，回灌后地下水的质量指标不得有所下降．．此外，净化水回用于工业的水质标准可参照各类工业用水水质标准。②进水水质城市污水处理厂的设计进水水质是污水处理工艺选择的前提之一，对污水处理厂的工艺、处理构筑物的规模、工程投资和运行效果影响很大。例如，若要生物脱氮除磷取得良好的效果，进水须满足一定的营养比例，即：BOD5厂rKN>5．7(最好BODfrKN在5．7—10，这是因为城市废水成分复杂，常常只有一部分快速生物降解的BOD5可用作反硝化的炭源物质)，BOD，I"P>20，而不少城市污水处理厂的设计水质与实际水质差别较大，降低了污水厂的投资效益，同时给污水厂运行管理增加了相当难度p61。污水处理厂进水水质涉及的因素很多。通常来说，与以下几个方面密切相关：1)排水体制我国的城市排水体制主要有两种形式：分流制和合流制。一般说来，合流制的城市污水其水质水量的变化较大，特别是在降雨期间，流量和水质都发生很大的变化。因此对合流制的城市污水处理厂其进水水质要考虑降雨期间和非降雨期间的不同，使污水处理工艺尽可能适应这种变化[371。对合流制污水处理厂来说，降雨时的进水水质主要考虑进水量的大小、截流倍数的大小和污染物排放标准，其水质的计算分为两个过程，一是按分流制计算水量并确定水质；--是考虑溢流和截流倍数按合流制计算水量并确定进水水质。2)城市生活水平在城市的生活污水中，污染物的来源主要有两个方面：粪便排放和洗涤。通过粪便排放的污染物的量和污染物的构成相对来说比较稳定。通过洗涤排放的污染物 2城市污水处理工艺选择研究也可分为两个方面：洗涤的对象和洗涤剂，这两者都与生活水平和方式密切相关。洗涤的对象主要是食物残留物和污垢，从化学组成来说，主要是蛋白质和碳水化合物等，其单位人口的排放量随着生活水平的提高有所增长，但增长到一定的程度后，基本上趋于平稳。就洗涤剂来说，随着科学技术的发展和生活水平的提高，一方面人们洗涤的频率增加，另一方面洗涤剂的品种也在变化，尽管总的来说，洗涤剂的用量有所增长，但不可能无限制的增长，单位人口的用量在增长到一定的程度后也基本上趋于平稳。尽管洗涤剂的品种也在发生变化，但就大的化学物质的分类来讲，这种变化还是比较慢的。因此，随着生活水平的提高，单位人口的污染物排放量有所增长，污染物的构成也有所变化，但这种增长和变化是有限的，到一定程度后，基本上趋于平稳。对这些变化引起的误差的消除可采用引入生活水平指数的方法。即将人们的生活按照生活水平分级，通过大量的现状的和历史的调查，找出污染物排放量和生活水平的关系，从而修正生活水平的变化引起的水质变化。3)城市地域不同的地区、气候等自然条件不一样。导致人们的生活习惯和生活方式有一定的差别，在某些地区差别还是很大的。在对水质的影响上，主要表现在饮食结构和用水量的差别上。饮食结构的不同对生活污水中污染物的构成和污染物的量有一定程度的影响，用水量的多少影响污染物的浓度。在我国，在城市污水量的计算方面考虑了区域的特点[391，但在水质方面区域的特点没有考虑。诚然，随着不同区域的人们交往的增多和生活水平的提高，饮食结构的不同对水质的影响越来越小，并且就城市污水处理工艺来说，饮食结构对水质的影响还不至于导致处理效果发生很大的变化。但目前在我国，不同地区的生活水平、生活方式差别还比较大，比如新疆与上海的差别就很大，不同的区域排水水质的差异应作适当的考虑。在考虑地区差异的时候，选用什么样的参数将区域的主要特征反映出来需要进行探讨。就对水质的影响来说，气温和淡水资源(包括降水)的人均占有量可能是比较好的两个具有代表性的指标。4)工业废水的水质问题在城市污水中，工业废水占有相当的比例，工业废水的水质对城市污水的水质影响很大。工业废水的水质相对于生活污水来说更难确定，因为无法预知一个城市将来到底会建多少个工厂以及每个工厂规模到底有多大。虽然在一个城市的总体规划中，对城市工业用地的范围和工业的性质总体上作了界定，但是这种界定只是定性的描述无法用来对水质做出预测。以生活污水中的氮磷为例，根据美国EPA的研究统计，每人每天排入废水中氮量约为169。如以每人每天排水量为380--760L 重庆大学硕士学位论文记，则生活污水中氮的浓度为21--42mg／L。美国一些城市废水中的氮磷含量实测结果表明，总氮约为20--85mg／L，总磷约为4--8mg／L。我国城市居民每天排入废水的氮量平均值低于美国统计的数据。但我国城市废水中工业废水的比例较欧美国家高，往往占50％以上，因此我国城市废水中氮的含量及其变化情况也与欧美等国的统计数值不同。生活污水中总磷的浓度一般在4--15mg／L，其中有机磷占25％--35％，无机磷占55％--75％；而总氮浓度为21--43mg／L，其中有机氮占19％，氨氮占70％。因此，可根据城市的工业类型和技术水平划分为城市类型，并给出相应的水质指标041。51排水管网的状况城市排水管网的状况对城市污水的水质有一定的影响，这种影响主要在两个方面：一是排水管道的渗漏情况；二是排水管道的完善情况。如果排水管网渗漏比较严重，在地下水位比较高的时候地下水的渗入会降低城市污水的污染物浓度如果排水管网不完善，也会造成进水浓度偏低．深圳滨河污水厂投产运行后的前10年1361，由于管网不配套，BOD值在SOmg／L左右，还不到设计值的一半(设计值200rag／L)，直到1998年才逐步上升，进水BOD值100me,／L~200mg／L(频率为54％)，平均为190mg／L。③污水厂规模根据美国EPA公布的数据140l，考虑基建费用时，如氧化沟主要为去除BODs而设计，则基建费用与传统生物处理工艺大致相当；当需考虑脱氮时，氧化沟处理厂所需基建费用不会有什么变化，而活性污泥法处理厂的基建费用则要显著增加。但随着处理规模的增大，氧化沟的基建费用成倍增加，而常规活性污泥法则以较小比例增加，当到达一定规模后，常规活性污泥法的投资比氧化沟还省。如当污水处理厂规模为3785m3／d时，采用氧化沟代替传统活性污泥法，在去除BODs并脱氮的情况下，基建费用可节省65．7％-69．8％，而当污水厂规模达到37850mJ／d时，其基建费用仅比常规活性污泥法节省21．3％左右。在运行维护费用上，也有类似效果。根据EPA公布的数据【删采用Microsot!tOfficeExcel进行回归拟合，得到如图2．1和2．2所示结果。可以看出随着处理规模的增长，常规活性污泥法运行费用比氧化沟运行费用增加得较为缓慢。此外，对于中小型污水处理厂，水量、水质相对变化剧烈，这就使得所选工艺抗冲击负荷的能力显得尤为重要。而对于大型污水厂来说，水质，水量变化相对平缓，其抗冲击负荷能力就不那么迫切。 2城市污水处理工艺选择研究600，、5001甚珊K4000300旺枢200啦删100^lRj1}|《o80旺积靶卿智RV辎餍0500400300200100O0500010000150002000025000300003500040000污水厂规模(吨／天)图2．1活性污泥法规模与运行费用rig2．1Scaleandmcostofactivesludgeprocess0500010000150002000025000300003500040000污水厂规模(吨／天)图2．2氧化沟工艺规模与运行费用Fig2．2ScaleandrimcostofoxidationditchO50100150200250300350400450500厂序图2．3我国污水出来厂规模统计Fig2．3StatisticofwastewalcrtreatmentplantscaleinChina啪瑚mm啪瑚∞∞∞∞ 重庆大学硕士学位论文本文对我国26个省市的469座城市污水处理厂的规模进行统计【4Il，如图所示可以看出，我国绝大部分城市污水处理厂的规模在20万吨以下，因此尤其应加强这一规模范围内的研究。④用地条件用地条件是方案选择的一个限制条件【42】，如果地价比较便宜，用地不受限制，则可供选择的工艺方案范围也就比较广。如果地价较高，用地范围限制得比较小，则需要从紧凑型污水处理工艺中进行比选。可以加深水池深度减少占地面积，甚至采用二层水池，以满足用地限制条件。另外，也可以采用合建式一体化布置。⑤运行管理水平污水处理是技术含量较高的行业，建成后需要相应的人员来进行运行管理。工艺选择时，应考虑这一因素。例如小城镇上劳动力素质较低，信息、交通运输、分析化验能力不能与大城市相比，因此所选工艺应尽量简单，容易维护，可靠程度高。⑥污泥处理方案在推荐污水处理工艺方案的同时，需要提出污泥处理方案。污泥处理方案的推荐，需要同污水处理方案结合考虑，有时需要在厂内考虑污泥稳定措施。对于比较大型的污水处理厂，由于产泥量比较大，污泥中温消化是不错的选择，一方面，污泥经过消化，减少了污泥中的有机物含量和污泥的体积，另一方面大量杀灭污泥中的病原体，此外，产生的沼气还可以综合利用，体现了污泥处理减量化、无害化和资源化的原则。对于小城镇污水处理厂，由于规模相对较小，污泥总量相对不大，从经济上考虑小城镇污水处理应慎重选择妥善处理污泥的技术和剩余污泥的处置方式。应从经济角度考虑，选择污泥产生量尽量少，以及使污泥得以稳定处理的工艺技术方法和工艺运行条件。同时，应对污泥的成分进行系统全面的化验分析，据此，经过科学论证无害化最终处置方式。2．4工艺优选评价指标体系的建立2．4．1评价指标体系的建立原则评价是按照一定的规则与方法对一些归类的指标进行评判，从一方面或全方面对其的综合状况作出优劣评定。建立一套全面、系统、多层次的评价指标体系是优化决策的第一步。只有建立一套完善的指标体系，才能为方案的综合评价奠定良好的基础。评价指标体系的建立应遵循以下原则【43】①完全性原则建立综合评判指标体系，首先要遵守完全性原则，即所建的指标，要能够全面反映方案各个方面的因素。要从不同侧面反映工程的特征和状况。在指标的内 2城市污水处理工艺选择研究容和范围方面既要包括工程建设与外部环境的相互联系、相互作用等因素，又要包括工程本身的各项特征参数；既要能反映出所有定量表达的指标，又要包含定性描述的指标；既要考虑近期的要求，又要研究长远的影响因素；既要分析直接的影响因素，又要考虑间接的影响因素；既要包括局部的影响因素，又要包含整体的影响因素。总之在物质性准则和精神性准则方面都要考虑到。②相对独立性原则所谓相对独立性，是指各个指标之间应排除其包容性，但是指标的相对独立性并不排除其相关性，例如工程投资与总成本，它们之间虽有一定相关性，但从不同角度反映了工程建设某一方面的特征，因而具有存在的价值。③客观性原则污水处理工程建设涉及各个部门及各个方面，由于相互之间利益的冲突，加之决策分析人员的偏好，专业的交叉以及心理活动因素的复杂情况，因而在对待定性分析方面，尤其是精神性准则的分析方面，如何坚持实事求是，遵守客观性的原则至关重要。④科学性原则指标的选择与指标权重的确定、数据的选取、计算与合成必须以公认的科学理论为依据。⑤开放性原则由于每个污水处理工程都有特性和个性，对方案综合评价来说，没有一个静态的指标体系能够满足所有工程的需要。所以只能够建立一个比较通用的大的指标体系。确定指标时，首先要尽可能多的收集一切有用的数据，并进行认真地分析思考，研究其是否能全面反映工程建设的各个方面特性。当指标体系中没有时，要根据一个具体工程的特殊性增加指标，随着工作深度发展，还要进行不断地检验、补充和删除等工作。所以指标体系的开放性对指标体系是尤为关键的，否则指标体系就可能不能反映具体的污水处理方案的某个方面。2．4．2评价指标体系的建立如2．2所述，影响污水处理选择的因素较多，根据综合筛选，指标系统基本可归纳为以下内容嗍：技术性能指标，经济效益指标和运行管理指标。其中，技术性能指标包括工艺成熟性、有机污染物去除效果、脱氮除磷效果、抗冲击负荷能力；经济效益指标包括投资额、能耗、药耗、占地；运行管理指标包括工艺流程的复杂性、维护管理的难易、污泥产量、工艺设备的稳定性和设备的效率及先进性。指标体系详见图2．4所示，该体系具有以下几个优点：①概念清晰，便于确定指标的重要程度。②各层指标及层数均未完全固定，使整个指标系统具有开放性的特征，因此 重庆大学硕士学位论文指标体系是一个动态的评判系统，为增加或删减指标奠定了基础，使此评价系统更加合理、适用范围更大◎此指标系统一层一层过渡，避免了指标体系的突然扩展带来的负面影响。由此可见，本文建立的评判系统指标体系简洁、概念清晰，而且符合人们对客观事物的认识规律。由于此评判系统是动态的，可以随时增加需要关注的指标，另外，当工程认为没有必要测评某个指标时可以删除。图2A评价指标体系Fig．2ASystemofgllidelineforevaluation 3优选方法的研究污水处理工艺的选择是一个相互关联、相互影响的众多因素构成的复杂系统。需综合考虑各种工艺的技术、经济、管理等优势，很难用单一的目标函数进行评价。为此，本文采用方案比选综合评价方法理论来对工艺的优选进行研究。3．1优选方法概述①熵权法熵本是热力学中的概念，后由申农(C．F；．Shannon)引入信息论，现已在工程技术、社会经济等领域得到广泛应用脚461人们在评价决策中所获信息的多少，是评价精度和可靠性大小的决定因素之一。在信息论中，熵是系统无序程度的度量，它还可以度量数据所提供的有效信息量。因此，可以用熵来确定权重。当评价对象在某项指标上的值相差较大时，熵值较小，说明该指标提供的有效信息量较大，该指标的权重也应较大；反之，若某项指标的值相差越小，熵值较大，说明该指标提供的信息量较小，该指标的权重也应较小。当各被评价对象在某项指标上的值完全相同时，熵值达到最大，这意味着该指标未向决策提供任何有用的信息，可以考虑从评价指标体系中去除．所以，“熵权”理论是一种客观赋权方法。②灰色理论灰色系统是研究已知量和未知量系统的理论，可用于预测、决策和控制等。灰色系统理论是研究从系统内部发掘信息并充分利用其信息，建模方法是着重于从系统内部行为数据间的内在联系上去挖掘其量化的方法。目前，该理论用于灰色关联分析、灰色系统决策等方面都取得了一定成果。灰色关联分析方法是灰色系统的重要组成部分，它是分析灰色系统中各因素间关联程度的一种量化方法，其基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断灰色过程发展态势的关联程度。利用灰色关联度作为测度进行综合评价，可以充分利用已有的白化信息，减少误差【474叼。灰色关联分析是对一个系统的发展变化态势进行定量描述和比较的方法，其基本思想是通过确定参考数据列和若干比较数据列的几何形状相似来判断其联系是否紧密，它反映了曲线间的关联程度。若选择参考数列为最优参考点，则关联程度越大表明比较数列近邻最优。由于灰色关联度是没有正负方向之分的，这就有可能使位于参考数列)(o上方的被比较数列与位于下方被比较数列具有相同或相似的关联度，具体到方案的优选上，也就是优劣不同的两个方案与理想方案之间 重庆大学硕士学位论文可能有相似的关联度，虽然以参加比较的各不同方案的相应因素指标的最佳值为依据，但是有时很难保证关联度的方向性，所以难免会产生偏差。③投影寻踪模型方案优选的投影寻踪(PP)模型方法是利用模型可把方案多维评价指标值综合成一维投影值，投影值越大表示该方案优选，根据投影值的大小就可对方案集进行优选。采用加速遗传算法进行建模。简化了投影寻踪技术的实现过程。此模型的投影值比较分散、易于决策，适用性和可操作性强，不需确定评价指标的权重，优选结果较为客观【49】。④多目标规划多目标规划是规划论的一个分支，是线性规划的一个延伸【卿。多目标规划不像线性规划那样直接求目标值的最大或最小，而是在给定的约束条件下，使目标值与实际能达到的值之间偏差最小。多目标规划中通常没有决策变量，只有目标的正负偏差变量。多目标规划广泛应用于有限资源的最优分配问题、计划安排问题以及决策分析。多目标规划的局限在于目标规划假定决策问题是线形可加的，具有可分性，是确定性的静态问题，这显然与实际存在差距。⑤人工神经网络模型神经网络是以工程技术手段模拟神经网络结构与功能特征的一种技术系统，具有信息处理的并行性、分布式的信息存储、自组织性和自适应性、很强的学习联想功能以及容错性等特点【5l】．利用神经网络的学习和识别能力，通过对评价指标及评价结果的专家意见的不断学习，调整，总结得到各指标的权重，从而科学地确定了这一评价工作中的关键参数。一般采用的BP网络是神经网络中的一种多层网络，在确定了其结构后，利用输入输出样本集对其进行训练，也即对网络的权重和阀值进行学习和调整，以使网络实现给定的输入输出映射关系【5¨。经过训练的BP网络，对于不是样本集中的输入也能给出合理的输出，从而实现网络模型的评价功能。神经网络模型的缺点是训练需要大量的样本，资料收集难度大，且模型一经训练完成就只能适合此一类型项目，缺少通用性，而实际情况是各地区各时期各种类型的工艺都千差万别，用同样的一个模型进行评加将降低准确性。同时，人工神经网络较长的学习时间和易显然局部最优解也待解决。⑥层次分析法层次分析法(TheAnalyticHierarchyProcess，简称AHP方法)【52】又称为多层次权重分析决策法，是一种定性问题定量化分析、定性与定量相结合的决策方法。它把复杂的问题分解为各个组成因素，将这些因素按支配关系分组形成有序的递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性，然后综合人 3优选方法的研究的判断以决定诸因素相对重要性的顺序。AHP方法体现了人们决策思维的基本特征，即分解，判断、综合。本文建立的决策指标体系具有典型的层次的特征，因此采用层次分析法进行工艺的优选比较。3．2层次分析法[52删利用层次分析法进行方案比选的一般步骤为：首先根据方案比选的范围和性质，建立评价方案优劣的评比指标递阶层次结构。然后在某种标度下，建立各层指标之间及在某指标下的各方案之间的两两比较判断矩阵。第三步是由判断矩阵导出各指标之间的相对重要性权重及在某指标下各方案的排序权重。最后确定出各评比指标的组合权重及各方案在所选定的评比指标体系中的总排序。由此得出最佳方案。①建立层次结构层次结构是各元素相互隶属关系和重要程度的策度。根据对问题的初步分析，将所含的因素分系统、分层次构筑成一个树状层次结构。层次分析一般为以下几种层次。目标层：又可分为总目标层和分目标层。在污水处理工程方案比选中，选择最佳方案即可作为总目标层。指标层(准则层)：指标层是由可直接度量的因素组成，如工程指标、经济指标、环境影响指标等可作为指标层。子指标层：在复杂的系统中，指标有时也可分为2--3层。如工程地质条件、工程总造价、效益费用比、净现值等等可作为子指标层。测算层：测算层包括决策的方案，在污水处理工程方案比选中指参与比选的各个方案。各层元素之间建立了支配关系，即目标层支配各指标层，各指标(完全或不完全)支配子指标层，各子指标支配各备选方案。②判断矩阵的形成和权重的计算1)构造判断矩阵层次分析法要求决策者对每一层次各元素的相对重要性给出判断。确定同一层上各指标之间的相对重要性权重和在某指标下各方案的排序权重，是利用层次分析法进行方案比选的关键。对于方案比选这一复杂的决策问题，要直接给出各指标之间的相对权重十分困难，而且往往带来较大的主观因素，因此必须通过适当的方法来导出指标间重要性的权重。层次分析法采用的是两两比较方法。两两比较是指在一定的标度下，对一元素集f{x^如⋯而}(这一元素集可以是3l 重庆大学硕士学位论文指标集，也可以是备选方案)中任意两元素做成对比较，并给出比较结果。设该元素集有n个元素，则经过c：2一。一0／2比较，就可以得出这一元素集的全部比较结果。若记元素中第i个元素柳对第_，个元素而的相对重要性的比较结果为即，则认为劬是元素权之比w-gwj的近似值。其结果可用矩阵4表示。A=alla12a21屹a．i％2⋯q。⋯吒。●●●⋯口柚W。，w。／⋯Ⅵ。，，Ⅵ，Ⅵt，Ⅵ^称矩阵4为元素集x的判断矩阵。要构造判断矩阵4的关键是利用何种标度来表示元素之间两两比较结果。对于一个n阶的判断矩阵，某层因素对于上一层某因素都是确定值(即该指标为定量指标)，则该层因素之间两两比较的结果可用下式表示：1fE／V．当指标值大为优时w口。I■，巧当指标值小为优时某层因素对于上一层因素不是确定值(1lp该指标为定性指标)，则该因素两两比较的结果用l～9比例标度，即表4．1给出的比例标度。表3．11～9的比例标度的含义Table3．1significationforguidelineof1---9标度含义1表示两个元素相比，具有同样重要性3表示两个元素相比，一个元素比另一个元素稍微重要5表示两个元素相比，一个元素比另一个元素明显重要7表示两个元素相比，一个元素比另一个元素强烈重要9表示两个元素相比，一个元素比另一个元素极端重要2、6、8为上述相邻判断的中值若元素与J比较得％则元素j与i比较判断为1／鼬2)权重的计算方法判断矩阵彳真实地反映了各元素之间的相对重要性，即元素之间相对重要性权重存在于判断矩阵之中。要从矩阵A中导出表示各元素相对重要性的权重向量，有下列几种方法。％％～ 3优选方法的研究乱行和正规化方法∑吩m2百t-一∑∑唧k-I¨b．列和求逆法一1w』21-_一∑嘞tsl_，=l，2，3⋯，耐每一，j=l，2，3⋯，以正规化，得w，：。≥’杰巧(3．1)(3．2)(3．3)c．和积法将判断矩阵4的每一列正规化，再将按列正规化的矩阵按行加总，对加总后的向量再正规化，即为权向量。以上三种方法都简单易算，由于方法壬口只考虑了一行或一列的影响，因而显得较为粗糙。方法§实际上方法垂口的综合。d．特征值法(Era)求判断矩阵4得特征值AW=五Ⅲ矿(3．4)其中矿=(形”％，⋯，睇)1为判断矩阵4的最大特征值的特征向量，为晰{}行归形=wI／∑岣．．一化处理(即使，川_，=1，2，3⋯n)，即为权向量。e．对数最小二乘法(LLSm)用最小二乘法确定权重∥2(形”呒，⋯，阡，Ⅳy，使其对数残平方和善n萎n畋吩一In印2∞，l圳，=I丌，，1‘、为最小。￡最小二乘逼近法(LS2舭O用最小二乘法求一组wj，卢l，2，．．．n，使 重庆大学硕士学位论文∑∑【～一％。】2“川7’(3．6)为最小．然后对所求职进行归一化即为权重。设矩阵4=阮如。．a口由表4-1的l棚比例标度构成，则A满足：呀>ong=qil砌=l若Vf，_，，k∈【l，2,n】，有嘞2％。～则称彳为一致性矩阵(或称一具有一致性)除以上所列方法外，还有梯速特征值法、左右特征向量法等方法。这些方法的特点是当判断矩阵彳为一致性矩阵时得到的权向量是相同的。这个向量真实地反映了各元素之间的相对重要性程度。因此只要判断矩阵是一致性矩阵或几乎是一致性矩阵(仅有很少几个判断矩阵不满足一致性要求)，那么得到的权向量与采用的方法关系不大．当判断矩阵偏离一致性的程度较大时，采用上列方法可能得出不相同的权向重量。为保证所导出的权重值较为可靠，要求判断矩阵4偏离一致性的程度不能太大，即需要判断矩阵进行一致性检验，满足一致性条件时，才能采用上列方法导出权向量。在上列所列方法中，当判断矩阵彳偏离一致性(偏离程度较小时1，从比较判断矩阵彳的相互影响的累积效应角度考虑，特征值法求权重是最好的方法。③判断矩阵的一致性检验从判断矩阵彳导出权重向量时。要求矩阵彳具有一致性或偏离一致性的程度不能太大，否则导出的权重不能完全反映各元素之间的相对重要程度。由于客观事物的复杂性和人认识上的多样性，这样利用求权重方法求出的权重才能正确反映各元素之间的重要程度。因此在求权重之前，必须对判断矩阵■用下列指标进行一致性检验。根据矩阵理论，判断矩阵在满足一致性的条件下，可以从数学上证明：n阶矩阵具有唯一非零的也是最大的特征根飞础=n，其余特征根为零，而当判断矩阵具有满意的一致性时，^一稍大于n，其余特征根均接近于零，此时应用特征根方法所得的权向量矿才基本符合实际，这就是一致性指标a的依据。对于不同阶的判断矩阵，其a值也不相同，一般来说，阶数n越大，a值就越大．为了度量不同阶判断矩阵是否具有满意的一致性，引入判断矩阵的平均随机一致性指标矗I值。彤值是用随机的方法分别对各阶矩阵各构造500个样本矩阵，计算其一致性指标C，值，然后正反矩阵计算1000次得到平均随机一致性指标盯，见11一致性指标aCI：兰№(3．7)月一f 3优选方法的研究2)随机一致性指标CR：望：筮二!(3．8)尉∽一I)R／式中五h——矩阵A的最大特征值?／--矩阵A的阶数足，_—平均随机一致性指标，可采用表3．2所列数值。当CRo，∑Y．=1一Ⅳ在不考虑任何判断误差的理想情况F，前景指标的重要性排序向量X：(z．，x：，．．．，x。)7，且x，>o，杰xi=1单一背景指标下前景指标的重要性排序与无关，设在i背景指标，岛下向量：川=(““，舻’，．．一。∽)r，且x，(f)>。蔫工，(』)=·那么，不受判断误差影响的综合判断矩阵和单一背景指标下的判断矩阵分别为．』=[口¨]Ⅳ，，，』o’=[口?’]，。，酽}_=斋㈡“扣1．2⋯N并且互：窆工，(』)，巧=(∥’)2·】r，z；弘r其中r=[zo)Jo)⋯X似’]7则旷考=际可见，如果不考虑工具误差，两两比较结果的唯一影响因素是背景指标的重要性权重变化或判断准则重心转移，考虑一=其中Z1Z2⋯xH1Zl37lX21XN=X·D7·彳；1 因为又令则重庆大学硕士学位论文Dr=(1一叫㈡：rn⋯1【工，JX．一(J∞)，·rrz037爿。：I—pI⋯【Xp声·引“；r一，rk11【⋯∥刊引A=T·Y·D7(_dr·Yr)。同样，影响判断矩阵及其一致性的因素是背景指标的重要性排序向量。当对前景指标i和_，进行两两比较时，设Y发生了变化，4％且窆△巧，=o，o≤l巧，I<1，及巧，=一JoL=l那么，新的判断值为口“#设彳巧变化较小，且忽略0‘力)r·ArJ，，则那么其中旷皑告嚣龃Aau=4；一a“==lq·bYq 3优选方法的研究厶=躁用算术平均法求解判断矩阵A的排序向量，墨=专粪轰2吉芸豪袋从计算结果可以看出，背景指标权重变化或判断准则重心转移，对前景指标的排序有直接影响。前景指标权重在计算过程中综合考虑了准则重心转移的平均情3．4优化层次分析法使用AI-IP确定指标权重时，最关键的环节是建立各层次上的判断矩阵。但在实际应用中，由于人为判断的片面性，决策者很难用l～9标度来刻画两个元素间的相对重要程度。两两比较的结果不一定具有客观一致性，因此通常需要一致性检验，若不能通过检验，常规的做法是用估计来调整判断矩阵，有时需要经过多次调整才能通过一致性检验。而当层次矩阵较多时，这个工作量是惊人的。针对AHP中这一难点，目前众多研究者已提出了各种修整算法，主要有向量夹角余弦法同、模式识别法【63】、诱导矩阵法【删以及加速遗传算法1651。但这些方法较为复杂，同时对于全局最优解的搜索需要较多的运算量。本文采用(-1，0，1)三标度法【鲥n，并引入最优传递矩阵理论，对常规的层次分析法进行优化。该方法带有自调节功斛6s】，通过矩阵的有效性检验代替传统方法的一致性检验，大大降低了计算工作量，与其他标度相比具有良好的判断传递性与标度值的合理性，有利于决策者在比较判断过程中提高准确性【4】．①方法与步骤记评判空间S{F,GA}，其中F=-{，j，．．二)是某层次上的n个元素，G是其上一层次中的某元素，■是F关于G的判断矩阵。按下面方法建立判断矩阵4，并求出F中各元素的相对权重值。第一步；置_i=11)确定比较矩阵c=●0≯。的第，行中的未知元素。I1工优于‘勺={0z与‘优劣相同，1．(_，≤筇(3·11)【_1Z劣于乃2)划分指标集合Di={．，I产i+1，．．．砖为 重庆大学硕士学位论文HI={爿岛=-1，_，∈q)Mj={州q=o，jEDI}Lt--{jJq=1，-，∈D』}并构造集合DLI=(Ht×M)U(只x厶)U(Mj×上，)DMI=Mf×MfDH,=(工f×月：)U(蝎×只)U(厶×M)3)如果DL，，DMI，DHs全为空集，转4)否则令f1(f，，)∈DL,巳={0(j，，)∈DM，，．，L，’’第三步：求B=(bu)胂，，其中(3．12)(3．13)f3．14)％=丢喜‰+勺)(3．15)第四步：求彳=向矿。的特征向量，作为各因素的相对权重值。其中嘞=exp如)根据以上讨论，新方法的流程图如图3．2所示：40 3优选方法的研究图3．2优化AHP算法流程Fig3．2Arithmeticpl"ocessforIAHP②方法的数学证明设彳=f2矽，。，B=p矿，。C=●[矽一定义3．1如果矩阵4满足％=口Il，则称A是互反的。如果A是互反的，且有ao=口tt"口：则称A是一致的。其中1s“^s阻定义3．2如果4是反对称阵，且有口Ⅱ=am+ajF，则称A是传递阵。如果彳是反对称阵，且有传递阵B满足下式，则称曰是4的最优传递阵。4l 重庆大学硕士学位论文∑吼一～)2=millJ-1(3．16)性质3．1按第二节方法第一步与第二步构造的比较矩阵C是反对称的。性质3．2若C是传递阵丑满足6脚{白)，则B是一致的。性质3．3前一节定义的集合满足：DI=Hl“％乙‰且有岛riM,=谚届n厶=蛾MjIqL尸谚即凰，必与厶是口的一个划分．定义3．3如果矩阵C满足；1)c是反对称矩阵；2)若G亡=0，C驼0，则Q即，且当Q与c蔚至少有一个大于零时，必有c矿0；3)c锺O，c茸卯，则白璺0，且当cf七与cb至少有一个小于零时，必有Cio时，同理可推出C椰，这与cczo矛盾，故必c,,zo．同理可证C满足定义3．3的3)和4)．因此C是有效的定理3．2如果C是有效的比较矩阵，则其最优传递矩阵占满足％=丢窆p。+％)ⅣkM证明：因为B是传递矩阵，则％=％+％，那么ⅣⅣ2JCC)=E∑魄+％-c,j)Illj=l鬻。2≯n)-o⋯2，．．．朋等观粪(m吲=。。“～～’(3．17) 3优选方法的研究％+勺)％=％+％=专喜他一k+白吲考虑B为反对称矩阵，则蛔+坛=k=0，所以％=吉∑(％+勺)』TIIl定理3．3如果C是三元素{-1，0，1)组成的有效的比较矩阵，则彳=向幽”是一致的，其中}嘞=e冲‘iI善n(％+勺)}(3．18)证明设％=丢砉(％+勺)，由定理3．2知庐(％)。是c的最优传递矩阵又因唧=exp{bF}=expe∑‰+c目)}-．．·[exp{bA]。1=咖∥，Ik--1因此■是互反矩阵。又对任意置o☆|om=exp{bm—b0=⋯=n4放A县一致钜阵3．5算例以某地城市污水处理厂工艺方案优选为例‘691：该厂要求二级生化处理，并对N、P去除要求较高。经初步论证，提出4种工艺作为后选方案。即A20T艺，改良氧化沟工艺，SBR工艺和UCT工艺。①建立如图3．3所示的该优选问题的层次结构图，表3．3为各方案的评价指标值。～k卜Ⅳ—)-MⅣ—)厶Ⅲ●一Ⅳ，一Ⅳ 重庆大学硕士学位论文目标层G：准则层A：方案层P：最优方案乡勿弋繁太l磷去除氮去除对水质变运转可靠污水工艺工艺处理污泥处理工艺流程管理维护I效果效果化适应性及灵活性投资成本难易复杂性难易AlA2A3A4A5凡A，AsA9P。rO工艺R改良氧化沟工艺P3S船工艺P|岍工艺图3．3层次结构模型Fig3．3Modelforhierarchy表3．3各污水处理工艺评价指标值嗍嗍!垫!!!：!型堡垡趔堂!坐堑!坐￡坚堂评价指标A20工艺(PI)改良氧化沟工艺伊2)SBR工艺O"3)UCT工艺O、)磷去除效果(A1)良差中优氮去除效果(A2)良中优对水质变化适应性(AD中优良中运转可靠及灵活性(A0中良优良投资(万元XAs)2615．352996．592433．跖”32．63处理成本(万元U／aXA6)375．54391．21436．77407．22污泥处理难易(A7)中优差良工艺流程复杂性(AI)中良优差管理维护难易(A9)良优差中⑦指标的重要性排序为Al>A2>A3>A4>A5>A6>A7>As>A9，采用三标度法建立比较矩阵。目标层一准则层G一4=i；ll01l1lO以●●●，●●Oo●●●●●Oo4o●●●●Ooqo●●●Oo●●O0q■oo●Oqq—ooOo 3优选方法的研究同理，再根据表4的评分结果，建立准则层次A一方案层P的比较矩阵，依次分别为：4一尸：『兰}÷：-1：14一P：『三．兰3：i]4一P：I10Il1l10lro．．1．．14一·；I：：IlLI1—1正一P=4一P=O1一l一1O一1lO一1l一1O—ll0—110一l一1一l③进行层次单排序，以第一层比较矩阵A为例：求解A的最优先传递矩阵。三9—29—49—69—89—109—129一149一169④转化为一致矩阵c：4—92—96810946892469以一P=4一P=129109896—94—92——9O一29—490—1l0l一1O—lo三9兰o9鲫1llIIIlIllljldOlOl●Oo1●●●●●●●●●，●J●●dO1l014OoM一9¨一9坦一9m一98—96—94—9OoOl以44l^2I^O『!：I^．『：『一¨～一一-I二一一一¨一9￡j一9m一98—96—94—92—9l=川叫门“划1●●●●●●●●●●Joo●O一●一0l1O1oOoO●o1—．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．L4—92一，o乞一，o一9“一92—9o乞一94—9“一9矗一9o≈一9。一9“一9以一9Ⅲ一9。也一9一一，“一，以一，枷一，也一，o屯一9。一9“一9川一9枷一9也一9州一9 重庆大学硕士学位论文C=1Po强P州‘P蝴eO．细e1ⅢeI“一船e1．77|e-o盟1eo盟P叭‘eo鲋eO．啪e1·1lle1333el缁e柚川P蚴1eO托Po川Po肼Po脚，·11le1333一鳓一埘一曲1eomeo枷eo鳓eo“亡·111一埘P删t蝴1e0毖矿川P嘲eome一1·川Pm螂e．-o．研e。叫‘一盟1矿功口o．4．44eo石6,一埘r1川一埘P螂P删e-0盟1eO盟eo川矿1j靳口一1朋e-1·1lle-O．啪口-o鲫口州“e．-O盟1e呦e-l竹‘e-I蛳e-I埘e-1·11lP．o啪一脚P枷“e_o盟1⑤用方根法可求得特征向量为：w=【o．230，0．185，0．148，0．118，0．095，0．076，0．061，0．049，o．038]⑥用同样的方法求出Al，A2，A3，～，A5，凡，A7，A噜，A9的特征向量：Wl_[O．276，O．101，O．167，0．456]7W2=[0．218，0．218，0．103，0．461]1W3=[O．132，0．459，0．278，O．131]1W4=[O．101，0．167，0．455，0．275]1Ws=[O．276，O．101，0．455，O．168]1w6-【O．455,0．276,O．101，O．168]‘w7=[o．167，0．455，O．101，0．277]7wf[0．167,0．276，0．455，O．102]1w尹[O．276，0．455，O．101，0．168]7⑦对方案进行总排序为：V：W，矿：0．4550．2760．1010．1680．1670．4550．10l0．277O．1670．2760．455O．1020．2760．4550．1010．1680．2300．1850．1480．1180．0950．0760．061O．0490．038=【o．22490．24030．23350．2990】从以上计算结果可以得出各方案的优劣排序为P4>P2>P3>Pl，其中P4COCT工艺)为最优工艺，这一结果与文献【69】中所得结果相一致。％叭钌醯214lO1750657142O0O298l357314210O83lO62l4O％叭酊铂2140O_．．．．。．。．．．．．．．．．．．．．。．．．．．L 4污水处理工艺决策支持系统开发4．1决策支持系统概述决策支持系统(DecisionSupportSystem)简称DSS，是以管理科学、运筹学、控制论和行为学为基础，以计算机技术、仿真技术和信息技术为手段，针对半结构化、非结构化为的决策问题，支持决策活动的具有智能作用的人机系统【70-74]。该系统能够为决策者提供决策所需的数据、信息和背景材料，帮助明确决策目标和进行问题识别，建立或修改决策模型，提供各种备选方案，并且对各种方案进行评价和优选，通过人机交互功能进行分析、比较和判断，为正确决策提供必要的支持。它是七十年代中期由Gorry和Morton提出的，具有导向作用的技术科学。决策支持系统主要用于支持以半结构化和非结构化为特征的决策问题。半结构化和非结构化决策是指以前从未出现过或其过程结构过于复杂，以至毫无规律可循，一般难以用常规定量数学方法进行问题描述和求解。这类决策问题常具有这样的特征：系统中有些部分不能完全准确描述清楚：有多种可供选择的方案制约因素；有各种变化条件组合；在决策过程中可能出现反复和交叉。因此，需要以科学为依据，深入掌握材料，充分酝酿和协商才能产生正确的决策结果。污水处理工艺选择决策具有以下特点：①污水处理工艺方案众多，不同的工艺有不同的特点和优势。②选择过程中需考虑经济、技术等众多因素，不确定因素多，某些技术和管理问题难于用定量数学方法描述。③选择过程琐碎繁杂，但又必须十分细致，其中涉及的数学知识较多，计算量较大，若用手工计算会花费大量的时间和精力。因此笔者开发了基于综合评价的污水处理工艺选择的决策软件以辅助决策。利用计算机处理信息量大，计算速度快的特点，将繁杂的计算交给计算机完成，从而实现选择工作的科学化、快速化、高效化。4．2决策支持系统的框架设计利用计算机系统作为辅助手段进行管理与决策是当今信息化社会的一大趋势。对于污水处理工程项目来说，决策问题非常复杂，具有信息量大，数据来源众多的特点。用传统手段管理大量的数据存在工作效率低且不易维护。此外，选择过程中有许多社会性，人的心理行为，技术性等等不确定因素，通过建立数学模型辅助决策可以提高决策的科学性。总之，在推行计算机辅助决策系统势在必行。 重庆大学硕士学位论文决策支持系统二十年来的研究和实践证明：研制一个功能强，有实用价值，对用户友好的决策支持系统是一份十分有益的工作。4．2．1需求分析、目标界定系统的总目标是以作者在本文中重点研究的优化AHP法为核心，开发使用灵活、方便、实用的应用软件。同时，软件应符合国家现行的政策，适应污水处理工程行业特点，满足行业规范要求。程序数据的输入输出界面清晰，直观，操作使用方便，利于推广。具体目标如下：①实现评价功能，评价结果直观有效以辅助决策。②建立标准因素库，库中的评审因素可随实际情况进行增加、删减和更新。◎建立评价模型函数，利于实际应用时直接调取。④建立工艺数据库，方便决策者对各种工艺情况的查询。@通过计算机技术在决策中的应用，减少了复杂的手工劳动，从而简化和缩短评价过程，高效率地完成工艺优选决策。4．2．2系统设计思想本系统软件的设计是在大量调查研究的基础上，借鉴了众多评价系统软件的先进与不足，针对污水处理工程的特点而研制开发的。设计采纳了许多先进的设计思想。①模块化设计将系统分为若干个相对独立的模块，每个模块分别承担不同的功能。采用模块化原理可以使软件结构清晰，不仅容易设计，也容易阅读和理解，同时也便于调试，有助于提高软件的可靠性和可修改性。②数据库技术针对评价活动中信息量大的特点，采用数据库形式管理各类数据，既有利于数据的维护和修改，又有利于用户的查询和分析，同时为不同程序之间实现数据共享奠定了基础．本文中作者采用MicrosoftAccess软件建立数据库。③可视化编程技术采用可视化编程语言Delphi编写，具有贴近用户的图形操作界面，实现所见即所得的设计意图，采用WINXP风格的界面，提供了良好的全中文人机交互。④开放性设计系统的开发考虑了用户将来对系统进行扩充和修改的需要，只需添加新模块或修改相应模块即可实现对系统的升级，而不需要将软件核心程序重写。4．2．3系统结构设计污水处理工艺决策支持系统是由四个子系统组成的，即人机交互系统(对话部件)、模型库系统(模型部件)、数据库系统(数据部件)，以及知识库系统构成。如图 4污水处理工艺决策支持系统开发4．1所示嗍。下面在人机接口、数据系统、模型系统以及知识的描述与管理等方面的细节作进一步的介绍。图4．IDSS结构图Fig4．1PictureofframeforDecisionSupportSystem①人机接口人机接口是用户与DSS之间的桥梁。人机接口的功能与性能是DSS的成功与否的关键。本决策支持系统操作界面友好，方便易学，以用户为中心，具有以下一些基本功能：1)可把用户意向以及决策环境信息输入系统，如采用的方法以及相关的信息都可以通过人机交互方式输入．2)能够对于输入的命令数据进行必要的正确性、合理性以及有效性的检查。3)对于系统运行的结果能够加以显示、打印，并附有必要的说明。4)具有帮助(help)功能，为用户提供帮助与指南，使他们能够自己学会系统的使用。②模型库系统为了解决比较复杂的决策问题常常要借助某些定量化模型描述嗍。决策活动模型库即是指这些储存在计算机内，用来描述或模拟决策过程的各类结构化、半结构化问题的定量分析方法的集合。本程序应用到的数学模型主要是优化的AHP算法。首先通过对方案对象的分析，建立结构模型，利用优化AHP法计算出各层次权重，最后计算得到各方案的 重庆大学硕士学位论文综合评价结果。优化层次分析法的定性数据资源由专家提供，要求专家能对被评价问题的本质要素及相互之间的逻辑关系掌握的很透彻，具体模型建立与计算方法详见第三章，此处不再赘述。图4．2模型算法流程Fig4．2Arithmeticprocessformodel③数据库系统为了形成合理的决策建议，DSS需要运行模型，而模型的运行需要数据。DSS数据库系统包括数据库与数据库管理系统，对与决策有关的数据或信息提供统一的组织与管理【77-78]。 4污水处理工艺决策支持系统开发r—lIlIl●IlIlII一一图4．3DSS系统数据库系统Fig4．3SystemofdatabaseforDSS图4．4DSS系统知识库系统Fi94．4KBSforDSS5l 重庆大学硕士学位论文④知识库系统DSS是用来帮助解决半结构化或非结构化的决策问题，这类问题只有凭借决策者或专家的经验做出动态的决策．因此，知识系统在DSS中占有重要的地位179-811。所谓知识库指存储于计算机内的知识集。知识包括描述客观事物属性的事实型知识，表达因果关系的规则型知识，求解问题的方法型知识等。正是有了知识库的存在，DSS的自我适应，自我发展的特点才能得以体现。知识库为DSS的模型库方法库提供科学技术的支持。⑤应用系统决策支持系统的应用系统用面向对象的高级编程语言Delphi开发。其基本功能是借助人机接口数据库及其管理系统、模型库、知识库所提供的数据信息模型，帮助解决具体的工艺决策问题。由于采用模块化设计和开放性设计思想，可根据用户需要进一步增加新的功能模块或修改相应模块，对系统进行扩充和修改，即可实现对系统的升级而不需要将软件核心程序重写．4．2．4开发工具的选择考虑到本程序界面要求高，计算繁杂，但核心算法并不复杂，因此选用了编程容易、功能强大、效率较高的Delphi软件开发系统[82-83】。Delphi有众多优越特性，它使用面向对象的结构化程序设计语言--ObjectPascal作为编程语言，程序结构合理，数据结构完整，编译器高效快速；Delphi全面支持面向对象技术，并有功能强大的集成开发环境(IDE)，提供了大量的可视化组件和许多实用的开发工具，为各种类型的W"mdows应用程序的开发提供了极大的方便，使得Delphi成为兼具VC++功能强大和VisualBasic易学易用特点的优秀可视化编程工具。4．2．5系统界面设计界面设计的原则是操作界面友好，方便易学，以用户为中心实现人机交互。程序全部采用了W"mdowsGUI标准图形界面，具有良好的提示信息，使光标移到命令按纽时会出现有关的信息，帮助用户正确理解和操作．为规范用户操作，并考虑到用户对这种方法的步骤不一定熟悉，采用了动态链接方式，用户只有在完成一定操作后，才能进行下一步操作，这可以有效的避免错误操作引发意外事件。例如在完成判断矩阵以及最后运算结果时，都用到这些功能。当某一准则要素的判断矩阵完成后，DSS系统会在该界面左端的树型结构上作出红色勾标记，表明该准则的判断矩阵已完成，可以进入下一步操作。否则会弹出要求完成矩阵录入的提示对话框，提示用户按照正规步骤进行操作。如图4．6所示。当上一步骤的层次结构未能完成或者判断矩阵未能完成，而用户要求系统计算结果时，系统会要求用户先完成上一步的操作。如图4．7所示 4污水处理工艺决策支持系统开发图4．5DSS系统主界面Fig4．5MainformforDSS图4．6完成矩阵提示信息Fig4．6Messageforcompletingmatrix 重庆大学硕士学位论文图4．7完成层次结构模型提示信息Fig4．7Messageforcompletinghierarchymodel图4．8层次结构错误信息(决策层与准则层)Fig4．8Messageforwronghierarchymodel(decisionlayerandguidelinelayer) 4污水处理工艺决策支持系统开发图4．9层次结构错误信息(决策层与方案层)Fig4．9Messageforwronghierarchymodel(decisionlayerandprocA镕slayer)例4．10录入矩阵错误信息Fi94．10Messageforreading-inmatrixinaccta-atly 重庆大学硕士学位论文为进一步增强DSS系统的实用性和正确性，系统中加入了自动识别错误功能，当某一操作步骤有误或者不符合系统的操作要求时，系统会提示错误信息。当在系统中建立评价层次结构模型时，应该按照一定标准步骤进行，具体步骤会在下一章计算比选中介绍。当脱离这一步骤，系统便会提示错误信息．如图4．8和4．9所示，当用户将层次结构的层次顺序放错或者层次与层次之间的连接不符合规定式，系统就会报告错误。在迸行判断矩阵录入时，输入数据必须符合优化AHP的算法要求，否则系统也会提示错误信息，如图4．10所示，在判断矩阵界面，矩阵中各元素只能为l，0和一l。4．3决策支持系统功能介绍①数据库数据输入模块哺习：评价过程中需要调用大量的数据信息，主要有两大类：一是基本的数据，其中包括工艺所属方法类别，如活性污泥法、生物膜法等，以及工艺相关信息，每一种工艺我们都将按照以下四个方面来描述。11工艺介绍工艺介绍包含每种工艺的来源、特点、处理过程、去除效果、主要优缺点等相关内容，与资料来源出处。2)工艺流程图显示每一种的工艺流程图3)主要构筑物及相关设备这一项里包含工艺中涉及的主要构筑物、通用设备和专用设备列表。4)经济技术指标分析说明各自工艺建设费用、运营费用等经济成本。工艺信息在评价前即可输入数据库。在进行工艺比选，查询各种工艺的情况以做出判断时，会对数据内容进行调用。在下一章的系统计算中会显示是如何调用的；图4．1l和图4．12分别为工艺方法与工艺相关信息的输入界面．当点击DSS系统“工艺查询按钮”，会弹出对话框，点击“新增方法分类”弹出方法录入窗口。如图4．11所示，可在该窗口中对各类方法进行新增，修改，删除以及保存的操作。点击“新增工艺”会弹出如图4．12所示的工艺录入界面。在该界面中，可将对收集到的任一工艺的四个方面的详细信息进行输入数据库以备提取。同样，也可以对每种工艺信息进行新增，修改，删除以及保存的操作。其输入数据库的各种数据信息在Access中得以分类保存哺弼71．图4．13为DSS系统数据库的部分界面。另一类信息是评价过程中需要输入的专家判断数据信息，即录入判断矩阵中的数据。对于这两种输入的数据，系统将其保存在数据库中，且支持其载入、浏览、修改、保存、删除，打印等功能以实现对数据的维护。 4污水处理工艺决策支持系统开发图4．11工艺方法录入界面Ft94．11Formforreading-intypesofprocess圈4．12工艺信息录入界面Fig4．12Formforreading-ininformationofprocess 重庆大学硕士学位论文图4．13DSS系统工艺数据库(部分)Fig4．13Databaseof即∞e站forDSS(partof)②指标系统生成模块：工程项目具有多样性，评价指标系统应当与具体工程相适应，随着项目的类型、规模、建设地点不同而不同。本软件系统收集各类因素指标形成评价标准因素库，并就常见的典型工程建立评价指标系统模板。这样在评价时可根据项目情况和具体要求，快速地从标准因素库中选择指标，组成评价指标系统188-901。③权重处理模块：使用优化AHP法计算评价因素的权重值，构造判断矩阵，进行有效性检验，计算权重数值，保存在数据库中。④综合评价模块：此部分载入指标权重数据，完成综合评价，获得评价结果，并完成排序和分类，并保存当前评价表各页的数据内容，还可载入己有的评价结果文件以实现对数据的浏览。 5污水处理工艺比选计算5．1进入系统双击进入系统后，进入如图所示窗体。本主窗体的文件菜单命令中可实现文件的新建、打开、保存和另存操作；窗体可以实现层叠、纵向平铺、横向平铺等方式布置各项目窗体；帮助中可以展示关于对话框。图5．1新建文件界面Fig5．1Formofnewfile5．2建立评价指标体系的层次结构当新建一个文件后，就可以开始建立评价准则因素的层次结构图。为使用户逻辑清晰，同时也方便计算机逻辑结构的识别，将各种层次以不同的图标表示。该图标为作者在Delphi中自行编写的一组组件．首先在主窗体中依次点击决策目标按钮和中间层要素按钮。决策目标按钮只能点击构建一个，而中间层要素则根据评价准则因素的指标体系来建立．这里，我们采用第2章建立的指标体系，构建评价准则因素图。然后点击按钮，进入连线模式，由低层向上一关联层进行连接，在DSS系统上构建层次结构模型。先以鼠标选取低层的第一对象，即分指标(准则)，再选 重庆大学硕士学位论文择上一层该分指标的总指标，然后点击连接对象按钮，系统会自动将上下层次的指标联系起来。这一连线过程使得层次结构清晰明了，同时也隐含了DSS系统的计算方向和计算结构模式。图5．2DSS系统评价准则层次结构模型Fig5．2hierarchyofguidelinemodelforDSS图5．3评价准则因素库Fig5．3FactorbaseofevaluationgIlideline 5污水处理工艺比选计算也可以直接调用准则因素库的评价指标文件来构建层次结构图。点击主窗体中的“打开’’按钮，可以从指标因素库中选择相应的评价准则文件19l-92]，如图5．3所示。5．3工艺查询在确定评价指标体系后，决策者即应该对工艺进行查询以了解工艺的特点。在DSS系统中设计成为一个多条件查询，分为静态和动态两种查询方式，用户可以根据需要进行查询。5．3。l静态查询静态查询的设计初衷是为用户提供一个完整的工艺信息一览表，用户可以逐一了解工艺嗍。点击主窗体中的“工艺查询”，选择“静态查询”，会弹出查询窗体。从窗体左侧框中选择方法，窗体的右框会显示出数据库收录的属于该类方法的工艺．例如分别点击活性污泥法和好氧生物膜法，会显示如图5．4和图5．5所示的窗体信息。选择工艺，点击“查询”按钮进行查询。例如点击查询BAF工艺(BIOFOR型)，弹出该工艺的相关信息。工艺信息窗体中包括四个界面。分别对该工艺的主要特点，工艺流程，主要构筑物设备以及经济指标进行详细的介绍。如图5．6—5．9所示。图5．4静态查询(活性污泥法)Fig5．4Staticinquiry(activesludgeprocess)61 重庆大学硕士学位论文图5．5静态查询(好氧生物膜法)Fig5．5(Aerobicbiofilmprocess)图5．6工艺介绍信息界面Fig5．6Fromofinformationaboutprocess 5污水处理工艺比选计算图5．7工艺流程信息界面Fig5．7FormofinformationofflowchsFt图5．8工艺主要构筑物及设备信息界面Fig5．8Formofinformationaboutfacilityofprocess 重庆大学硕士学位论文图5．9T艺经济指标信息界面Fi95．9Formofinformationaboutcoanomyofprocess通过以上步骤，决策者对BIOFOR型BAFT艺有了较为全面清晰的认识，利于做出正确判断。5．3．2动态查询动态查询的目的是针对某一具体工艺进行快速查询削。动态查询方式采用模糊查询，只要输入的条件和数据库中工艺或者方法有部分相同，即可将所有与之相关的信息全部调用。例如查询CAST工艺，点击主窗体中的“工艺查询”，选择“动态查询”，在弹出查询窗体中输入CAST工艺的首字母C，点击查询按钮如图5．10所示．图5．10动态查询界面FigS．10Formofdyrmmieinquiry 5污水处理工艺比选计算系统将把数据库中和C有关的工艺全部调用，以供参考，见图5．1l。可在工艺列表中对CAST进行查询，查询步骤和内容与静态查询相同，此处不再累述。数据查询访问数据库，采用标准的SQL语句，通过动态设置Quay组件的Items属性指定所要查询的数据表，字段名，然后调用Query组件的Open方法来实现对数据表中记录的查询。实现这一功能的程序见附录B中的①图5．11动态查询结果列表Fi95．11Resultoflistfordynamicmquiry5．4构建完整层次结构模型在本项目计算示例的工艺优选中，通过对工艺的查询初选，确定UCT、CAST、BIOFOR型BAF和氧化沟工艺作为备选方案。将四个方案放入层次结构模型图中，构成方案层(测算层)。将方案层与相关准则层连接起来，构成一个完整的层次结构模型。连接方法与评价准则因素的层次连接方法相同。但考虑到与方案层相关的准则因素众多，如采用手动连接方式，工作量将非常巨大。例如有N个方案，和方案相关的准则因素有M个，则需要MxN次连接。为此，DSS系统中添加自动连接功能，点击主窗体中的自动连接按钮幽，系统会自动识别并将方案层和相关准则层联系起来。实现这一功能的程序见附录B中的②联接完成后的层次图型如图所示： 重庆大学硕士学位论文图5．12完整层次结构模型Fig5．12Completedhierarchymodel5．5写入判断矩阵进入判断矩阵窗体，根据工艺分析、所建工程当地具体条件等分析，针对每一层次，每一指标，录入评价工艺优劣的判断信息。录入方法遵照第三章的优化层次分析法进行。即给出在每一层次上各元素之间重要性及优劣程度的三标度比较矩阵。图5．13和5．14分别演示了四备选方案在除磷能力和占地面积方面的比较。在本次计算中，共需写入类似的21个判断矩阵。 5污水处理工艺比选计算图5．13除磷能力比较矩阵界面Fig5．13Formofmatrixaboutcapabilityofdephosphorization图5．14占地指标比较矩阵界面Fig5．14Formofmatrixaboutguidelineofareas 重庆大学硕士学位论文5．6计算填写完成判断矩阵后，点击计算按钮，系统会计算出结果。部分计算程序见附录B中的③。幽5．15DSS计算结果界面Fig5．15FormofresultofcaleuL砒ionforDSS从本次计算结果我们可以看出，UCT工艺得分最高，为最优工艺。至此，通过DSS系统，完成了工艺优选的快速决策。68 6结论6．1主要成果①对各种常用污水处理工艺的优缺点进行了系统的分析，归纳出影响污水处理工艺选择的众多因素。同时以完全性、相对独立性、客观性、科学性和开放性五个原则提出了以技术性能、经济效益、运行管理为指标的多层次工艺动态指标评价体系。该指标体系指标含义明确，简单明了，适用于各种具体情况的城市污水处理工艺优选评价。②运用综合评价的思路，建立了评价系统模型，并对模型的核心算法AHP法进行了探讨。阐述了At-IP判断矩阵不一致的形成机理以及常规判断矩阵一致性检验和调整的方法。针对常规方法的复杂性和繁琐性，本文采用(一1，0，1)三标度法，并引入最优传递矩阵理论，对常规的AHP法进行优化，该优化算法带有自调节功能，通过矩阵的有效性检验代替传统方法的一致性检验，大大降低了计算工作量，与其他标度相比具有良好的判断传递性与标度值的合理性，有利于在优选判断过程中提高准确性。③设计了采用Delphi编程软件开发的污水处理工艺决策支持系统，该决策系统的软件具有强大的数据库维护功能和计算功能，可让使用者结合具体工程的特点，通过良好的人机对话方式自动形成评价体系，计算机自动计算并输出评价结果，从而为污水处理工艺的优选提供先进的管理手段，提高了工作效率和准确性。本系统由于采用开放性设计，其应用范围可进一步扩大到其它领域。具体说来，我们收集了大量城市污水处理工艺的资料，从工艺介绍、工艺流程、主要构筑物及相关设备、经济技术指标几方面对资料进行了整理，并以此采用Microsoi}tAccess软件建设了城市污水处理工艺数据库，以工艺自身的特点和实践运用的需要建立了分类和查询方式，使用户面对大量繁复的城市污水处理工艺时，可以借助本系统建立的查询脉络，方便清晰地了解这些工艺的相关信息。采用优化AHP算法建立模型库，通过计算机强大的计算能力将纷繁复杂的计算在瞬间完成，同时在系统使用中采用动态连接和标准操作方法提示，提高了使用的正确性和实用性。6．2展望①在对污水处理厂进行技术、经济和管理方面综合评价时，由于该方法中存在着一定的个体人为因素的影响，评价结果的准确性受到了一定的制约。建议在今后的研究中进一步研究群组AHP法，通过对一组评价人员评价结果的统计汇总 重庆大学硕士学位论文计算，能充分减弱个体影响，使得该运筹学评价方法更加完善，综合评价结论更加准确、可靠，以便广泛应用于环境保护的其它各领域。②将研究的群组AHP算法写入DSS系统模型库，实现多人同时评价综合选择最优结果。③由于各地方地区条件、发展状况、物价、生活水平等不同，可考虑在DSS系统内建立地域信息数据库以及水质水量数据库，以进一步完善系统并提高其实用性。 致谢本论文是在导师罗固源教授的指导下完成的．论文选题、研究、撰写过程的顺利进行，蕴含着导师悉心的指导与细致的关怀，在此致以最衷心的感谢!导师罗固源教授渊博的学识、敏锐的学术洞察力、严谨的治学态度、一丝不苟的敬业精神是引导和激励我完成课题研究的精神动力，使我受益匪浅；恩师不仅在专业方面给予了精心指导，而且在为人处事方面也给予了谆谆教诲，细致入微的关怀和帮助将使我终身难忘l感谢吉芳英、许晓毅老师的帮助与支持。吉老师和许老师正直宽容的品格、孜孜不倦的工作态度、勇于探索的进取精神激励我不断进取、学习。在论文调研过程中，三峡水务公司总工程师庞子山给与了大力协助，保障了资料的顺利收集；季铁军师兄在论文撰写过程中给予了许多帮助；在日常学习和生活中，张明轩、吴姝媛、朱亮、康康同学给与了支持和帮助，在此对他们表示感谢!深深感谢我的家人对我一如既往的关怀、支持和鼓励，他们的关爱将永远激励我克服困难，不断前进。最后，感谢所有关心、帮助过我的人们171冯杰二00七年四月 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重庆大学硕士学位论文fimllytempstream．Free；tcmpjpeg．Free；end；Close；end；②pr∞edI鹏TfrmMain．bsSkinSpee．dButlongClick(Stmd盯：TObjcct)；Var疵e：TTreeView；begin刮愉产TrreeView．Create(SelO；atree．Parent：=bsSkinScrollBoxl；C∞蛐lT蛔吣血∞，StandbySelectScheme)；atree．Free；腱线刷新ReflashPicture；end；procedureTfrmMain．Crea把Tree(varATrecView：TTreeView；constAStandbySelectScheme：TObjectList)；V孤p：PNodeMalrix；Llndexj：Integer；AO：rIheMemo；ANode：TTreeNode；beghAifAStandbySelectScheme．Count>OthenbeginATreeView．Items．Clear；,，／先清除备选方案的连线forj．_0toAStandbySelectScheme．Count-1dobegin 附录fori：=ObjectInfo．Count-1downto0dobegin，，showM麟％哪Treel№∞(As切n曲yselectsch锄．Items[j])．Name+"；"-博i3+ObjeOInfo．Strings田)；ifPos(TTreeMemo(AStandbySelectScheme．ItemsU])．Nme-”；’．Objectlnfo．Strings[i])>0thenbeginDrawInfo．Delete(i)；Objminfo．Delete(i)；end：end；fori．----bsSkinScrollBoxl．ComponentCotmt-1downto0dobeginifbsSkinScrollBoxl．Components[i】isTTreeMemothenbegin|—§结点ifTTreeMemo(bsSkinScrolIBoxi．Components[i])．ObjType=q"opObject"thenbe#nAO产TTreeMemo(bsSkinScrollBoxI．Components[i])；ANodeFATreeView．1tems．AddFirst(ATreeView．1tems．GetFirstNode,AO．Text)；New(p)；p．MemoName：=AO．Name；ANode．Data．．m--p；Break；end；，廊果有首结点ifAssigned(AO)thenbeginfori：=^T陀e、丘ew．1tems．Count-Idownto0do8l 重庆大学硕士学位论文AddTreeNode(ATreeView．Items[i],ATreeView)；endelse岫Exit；end；，，为每个最底层要素添加方案ifATreeView．Items．Count>0thenbeginfori：=ATreeView．1tems．Count-Idownto0dobeginifnotATreeView．Items[i]．HasChiidrenthenbeginforIndex：=0toAStandbySelectScheme．Cotmt-1dobcgiIISelectObjl产TTreeMemo(AStandbySelectScheme．Items[Index])；P．"ffiATreeView．1tems[i]．Data；SelectObj2产TTreeMemo(FindTreeMemo(p．MemoName))；j：=Objecthl：fo．IndexOf(SelectObj!．Name一；"+SelectObj2．Name)；ifj>qthenObjectlnfo．OeleteO)；0bj∞血fo．Add(SelectObjl．Name+"；"+SelectObj2．Name)end；elld：end；@CalTreeView(bsSkinTreeViewl,RMatrix)；GetLastValues(RMatrix,StandbySelectScheme，bsSkinMem01)；exceptbsSkinMessageI．MessageDlg("ii／先完成构造树及其矩阵l’，mtlnformation,[mbOK]，o)；bsSkinPageControll．ActivePage：=bsSkinTabShect2；82'