基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究 54页

'硕士学位论文摘要水是人类生存的基本条件。我国淡水资源短缺，人口基数又大，使得水资源人均占有量很低。日益严重的水资源短缺和水环境污染将成为制约社会经济可持续发展的主要因素。这就迫切需要我们建立污水处理厂，对使用过的废水进行处理，使其可以循环利用。城市污水处理厂的设计首先要涉及到污水处理工艺方案的选择，这在很大程度上决定了污水处理厂的投资和运行成本。工艺的选择应根据原水水质、出水要求、污水处理厂的规模、污泥处置方法以及当地温度、工程地质、征地费用、电价等因素作慎重考虑。通常在这样的选择过程中，总是需要集中多个专家或决策者同时进行方案的论证选择。但因个体经验、知识及偏好的差异，完全有可能导致各专家或决策者选择方案的不一致或不合理。为此，国内外学者利用层次分析法、模糊综合评判法、物元分析法等求解手段进行了大量研究，但还存在一些不足。比如在一定程度上过分依赖因素的权重，对各指标因素的影响同等看待，没有突出某些影响因素的重要性，从而与实际情况不相符【”】。这就要求决策者对问题有较深入的了解，按各因素间的支配关系确定加权系数【l卅。因为随机性、模糊性和灰色性往往共存于所研究的对象和问题之中，且污水处理工艺方案的选择涉及到经济、技术、操作管理和环境影响等诸多不确定性因素，所以本文建立了结合层次分析法的模糊灰色耦合模型。该模型采用耦合途径，在建立多层次评价指标体系的基础上，将模糊数学中的不确定性指标模糊隶属度概念与多层次指标权重分析方法、灰色关联分析方法相结合，运用到污水处理工艺优化设计中，为有关部门及其领导提供辅助决策分析的工具，为决策提供科学的依据。关键词：层次分析法；模糊灰色耦合模型；污水处理；优化设计 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究AbstractThewateriSthehumansurvivalbasiccondition,ourcountryfreshwaterresourceiSshortage，andthepopulationbaseisalsobig，causedthewaterresourcesaverageamountpercapitatobelower．Daybydaytheseriouswaterresourcesisshortageandthewaterenvironmentalpollutionwillbecometheprimaryfactoroftherestrictionsocialeconomysustainabledevelopment．ThisneedsUStocarryonprocessingthewastewaterhasbeenused，establishestheSewagetreatmentplant，enablesitstobepossibletocirculatetheuse．ThedesignofUrbansewagetreatmentplantmustfirstinvolvetothesewagetreatmentcraftplanchoice．toagreatextentthiswilldecidetheinvestmentandtheruncostfortheSewagetreatmentplant．Thecraftchoiceshouldgivecarefulconsiderationaccordingtotherawwaterquality,thewaterleakagerequest，theSewagetreatmentplantscale，sludgehandlingmethodaswellaslocaltemperature，engineeringgeology,land-levyingexpenseandelectricityprice．Usuallyinsuchchoiceprocess，alwaysneedstoconcentratemanyexpertsorthepolicy-makersimultaneouslycarriesontheplanandtheproofchoice．Butbecauseoftheindividualexperience，theknowledgeanddifferencebychance，hasthepossibilitytocausevariousexpertseitherthepolicy．makerselectionschemecompletelyinconsistentorunreasonable．Therefore，thedomesticandforeignscholarsusingsolutionmethodsandsoonanalytichierarchyprocess，fuzzycomprehensivejudgment，elementanalyticmethodhaveconductedthemassiveresearch,butalsohassomeinsufficiencies．Forinstancereliesonthefactorexcessivelytoacertainextenttheweight，tovarioustargetsfactogsinfluencesamelevelregarding，doesnothavetheprominentcertaininfluencingfactorimportance，doesnottallywiththeactualsituationt’“．Thisrequeststhepolicy．makertohavethethoroughunderstandingtothequestion,accordingtovariousfactorscontrolrelationsdeterminationweightingfactor[1-41．Becauseofrandomness，thefuzzinessandpessimisticoftencoexistintheobiectandthequestionwestudy,andthesewagetreatmentcraftplan’Schoiceinvolvestotheeconomy，thetechnology,theoperationmanagementandtheenvironmentaleffectandSOonmanyuncertaintyfactor,thereforethisarticlehasestablishedtheunionanalytichierarchyprocessfuzzypessimisticcouplingmodel．T11ismodelUSeSthecouplingway,onthefoundationestablishingthemulti—levelevaluatingindicatorsystem,combingfuzzymathematics’inindeterminedmeasurefuzzydegreeofmembershipconceptandthemulti—leveltargetweightanalysismethodwiththe伊ayconnectionanalysismethod，appliedtooptimumdesignofwastewatertreatmenttechnology，providestheauxiliarydecisionanalysisforthePolicy—maker，providesthescientificbasisforthedecision—making．Keywords：AnalyticalHierarchyProcess；Fuzzy--GreySystermCoupledWaveModel；wastewatertreatment；optimaldesignⅡ 兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：勰面日期：p罗年石月罗日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密团。(请在以上相应方框内打“4”)作者签名：导师签名：貔罚孑刁彪日期：D夕年∥月夕日B期：Q年6旯尹El 硕士学位论文第1章绪论1．1前言1．1．1水环境问题的产生及世界水环境现状近年来，由于世界人口增长和世界经济的发展，需水量以惊人的速度增长。而当今世界环境问题也主要是水环境问题。水资源是人类赖以生存的和发展的不可替代的自然资源，是环境形成的基本要素之一。全球水量十分巨大，实际上人类可以从自然界直接取用的淡水资源只占地球总水量的o．3％，十分局限。然而就是这有限的资源，她起着维持人类生命，维持工农业生产和维持良好环境的作用。也可以说水是生命的源泉、农业的命脉、工业的血液，是构成优美环境的要素。没有水就没有生命。1992年初在爱尔兰首都柏林召开的由156个国家代表参加的“世界水资源与环境大会"提出的警告：“水资源短缺己成为当今人类面临的最严峻的挑战之一。’’1997年在联合国可持续发展委员会和联合国大会第十九次特别会议上，进一步强调紧急行动起来合理开发利用水资源；利用生态系统等途径保护好现有的水资源；将水资源纳入总的经济框架中的一系列的措施和计划。1998年在法国巴黎召开了国际水与可持续发展会议，明确指出：“水资源使今后世界经济和社会可持续发展的关键因素之一，必须对水资源进行合理的开发和利用。60年代后期和70年代初期，非洲撒哈拉地区发生大干旱，造成了饥荒；美国1976．1977年大干旱及1988年北美大旱，影响波及美国60％的县，使人们对水源问题有了更深刻的认识。目前，印度、中国耗用水量分别达到最大可利用量和安全极限量的600,4。阿拉伯地区22个地处沙漠的国家，水资源的利用率己超过70％，埃及和以色列基本上已使用了可以利用的全部水资源量。现实告诉人们，水资源并不是取之不尽，用之不竭的，水己成为当今世界一些国家和地区生存和发展的限制因素。1993年联合国将每年3月22日定为“世界水日"，唤起人们对水危机的重视。据联合国预测，水将成为21世纪最有争议的都市问题。届时，全世界将有10多亿人得不到清洁的饮水，17亿多人缺乏起码的公共用水卫生设施。这两个问题加在一起对城市的影响将极为严重。1996年联合国第二次人住大会警告：“21世纪将面临严重缺水现象，并导致国家之间冲突"。发展中国家的很多城市都面临着十分严重的水问题，如印度的孟买和加尔各达，埃及的开罗，孟加拉国的达卡，印度尼西亚的雅加达、巴基斯坦的卡拉奇，尼日利亚的拉各斯，墨西哥的墨西哥城，巴西的圣保罗及我国的北京和上海。发达国家的某些城市也存在类似情况，如美国的休斯敦和英国的加的夫的缺水问题也日益严重。 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究1．1．2我国水环境状况及水资源利用水平西方国家经历了先污染后治理的过程，使水环境恶化。目前点源特别是面源污染不可避免，所以在世界上水环境污染仍然将是21世纪长期存在的主要环境问题。我国水环境污染更为严重，目前我国80％水域，45％地面受到污染，90％以上城市水源严重污染，其特征主要是有机污染。城市严重缺水制约了经济的发展，影响了人民的正常生活。在80年代，全国缺水城市236座，缺水总量1200万m3／d；90年代初，缺水城市增力iN300座，缺水总量为1600万m3／d；预计2000年将有450座城市缺水，总缺水量将达2000万m3／d。根据1998年中国环境状况公报，全国废水排放量为395亿立方米，化学需氧量排放总量1499万吨，分别比1997年下降了5％和14．7％。生活污水占废水总排放总量的49．1％，生活污水COD排放量占COD排放总量的46．2％，均比1997年有所增加。预计2010年增}J1：1至1]440亿m3，2020年增加到536亿一。然而1997年实际处理污水量为1292×104m3／d，处理率为13．4％，如考虑污水处理设施由于各种原因运行不正常状况，污水达标排放率仅为百分之几。我国主要水系长江、黄河、松花江、珠江、辽河、海河、淮河和太湖、巢湖及滇池的断面监测结果表明，36．9％的河段达到或优于地面水环境III级标准，其中I类水质占8．5％，II类水质占21．7％，III类水质占6．7％；63．1％的河段的水质为Ⅳ、V类或劣V类，失去了作为饮用水源的功能，其中Ⅳ类水质河段占18．3％，V类水质占7．1％，劣v类水质占37．似。目前，我国七大河流均受到不同程度的污染，虽然这几年国家搞了几次大规模的河湖限期达标工作，结果并不理想，问题依然严重。不少农田受到“三废"污染。世界十大污染严重城市，大部分在我国。由于大量排污水，郊区污染更严重。近海赤潮不断发生，说明海域污染己相当严重。最近大肆报道的引长江水冲走太湖污水这实际上是污染搬家，近海污染将进一步加重，赤潮发生将更频繁更严重。长江干流污染较轻，水质基本良好，监测河段的75％断面达到或优于地面水环境质量IⅡ级标准，其中I类水质河段占4％，II类水质河段占67％，HI类水质占4％，IV类占11％，V类占lo％，劣V类占4％，主要污染物为悬浮物、COD和氨氮。黄河面临生态破坏和水体污染双重压力，监测河段的29％断面达到或优于地面水环境质量IⅡ级标准，其中Ⅱ类水质河段占24％，III类水质占5％，IV类占47％，V类占12％，劣V类占12％，主要污染物为悬浮物和挥发酚。珠江水质良好，监测河段的72％断面达到或优于地面水环境质量Ⅲ级标准，其中I类水质河段占29％，II类水质河段占36％，HI类水质占7％，IV类占22％，V类占2％，劣V类占4％，主要污染物为石油类、悬浮物和氨氮。淮河监测河段的28％断面达到或优于地面水环境质量II级标准，其中Ⅱ类水质河段占11％，HI类水质占17％，Ⅳ类占18％，V类占6％，劣V类占48％，主要污染指标为高锰酸钾指数。海河监测河段的28％断面达到或优于地面水环境质量III级标准，其中I类水质河段占5％，II类水质河段占19％，1II类水质占4％，IV类水质占10％，V类水质占9％，劣V类水质占53％，2 硕士学位论文主要污染指标为石油类、高锰酸钾指标(COD、挥发酚类和氨氮)。辽河污染十分严重，以V类和劣V类水质为主，监测河段的11．3％断面达到或优于地面水环境质量Ⅲ级标准，其中I类水质河段4．5％，II类水质河段占2．3％，III类水质占4．5％，Ⅳ类占22．7％，V类占4．5％，劣V类占61．4％，主要污染指标为石油类、高锰酸钾指标(COD)、挥发酚类和氨氮。松花江水污染仍然较重，监测河段的4％断面达到或优于地面水环境质量IⅡ级标准，Ⅳ类占67％，V类占21％，劣V类占8％，主要污染指标为高锰酸钾指标(COD)、挥发酚类。我国湖泊污染也较为严重。2005年，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21％；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，太湖高锰酸钾指数基本达到地面水II类水质标准，但氮、磷污染严重，由此全湖处于中等富营养化状态，太湖湖体水质介于Ⅳ类～v类之间。滇池氮、磷污染严重，全湖均为V类和劣V类水质，严重富营养化，主要污染指标为氮、磷、高锰酸钾指数、生化需氧量。巢湖氮、磷污染严重，严重富营养化，全湖均为劣V类水质【8J【91。我国近海水质也不容忽视。2005年，四大海域近海海水比较，黄海和南海水质总体上较好，渤海水质一般，东海水质较差。与上年相比，四大海域近海水质均有不同程度好转。黄海和南海I、II类海水比例较高，分别达N88．9％、85．8％。与上年相比，黄海I、II类海水比例上升5．5％，南海上升8．0％。渤海I、II类海水比例为66．o％，与上年相比，增加了25．6个百分点；V类和劣V类海水占19．2％，下降了26．1％。主要污染因子为无机氮、活性磷酸盐。东海I、II类海水比例为35．5％，与上年比较上升了18．3％；V类和劣V类海水占52．7％，下降了8．6％。2005年，全海域共发现赤潮82次，较上年减少约15％，累计发生面积约27070平方公里，赤潮主要对沿岸鱼类和藻类养殖造成影响，因赤潮造成的直接经济损失逾6900万元19】【101。1．2课题的提出水是人类生存的基本条件，是国民经济的生命线，日益严重的水资源短缺和水环境污染不但严重困扰着国计民生，而且已经成为制约社会经济可持续发展的主要因素。要从根本上解决环境问题，本研究课题认为应加强从宏观角度更多地考虑应用较为适宜的理论、技术、方法，通过环境系统优化来协调、解决当今人类所处的经济一社会一环境三大系统之间的关系和矛盾。由于环境系统中不确定性具有普遍性，不确定性也是客观事物具有的一种普遍性质。量子力学中的测不准原理不论它是由客观对象本身的变化所造成的，还是由于人们认识的模糊性所致，都说明了不确定性的存在。顾名思义，不确定性是确定性的反面，它可以理解为不肯定性、不确知性、变化性和不准确性、随机 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究性、偶然性【111。不确定性广泛地存在于各种社会现象、自然现象及工程实践之中。由于事物在其发生、发展及演变过程中受到来自不同方面的诸多因素的共同影响，使得它的状态始终体现为一种不稳定、模糊、无序或混沌等现象，这种现象即被认为是事物的不确定性。随着社会的进步和科学的发展，人类对社会实践的认识越来越深入，所涉及的系统也越来越庞大，越来越复杂，不确定性的表现也将越来越突出，越来越复杂。由于条件提供的不充分或偶然因素的干扰，使得几种人们已经知道的结果呈现偶然性，在某次随机试验中不能预知哪一个结果发生，这种不确定性即为“随机性”。随机性在经济系统中表现尤为突出，如价格的波动、市场状况等。随机性不是一组原因决定一个结果的因果确定性，而是“一因多果"的因果不确定性，是因果律的亏缺。另外，随机性只存在于将要发生的事件中，是关于事物未来可能出现的多种不同结果的不确定性。一旦事件己经发生，随机性便在一定意义上不复存在。因而，随机性是不稳定的不确定性。由于事物的复杂性，使其界限不分明，使其概念不能给出确定的描述，不能给出确定的评定标准，这种不确定性即为“模糊性"。如技术经济方案的优与劣，产品质量的好与坏等都是模糊概念。模糊性是人的认识中关于事物自身在纵横两方面的差异中介过渡所呈现的类属和性态的界限不确定性。因此，模糊性不是“非此即彼"没有中间情况的界限的确定性，而是“亦此亦彼”的界限的不确定性。模糊性既可以存在于事物的过去和现在，也可以存在于事物的未来。因此，模糊性是一种比随机性更基本、更稳定的不确定性。二者属于不同层次，模糊性比随机性更为深刻。由于事物的复杂性，信道上噪音干扰和接收系统能力(含人的辨识能力)的限制，人们只能获得事物的部分信息或信息量的大致范围，而不知其全部信息或确切信息。这种部分己知部分未知的不确定性称为“灰色性"，如各经济指标的量化数据。灰色性就是信息不完全性。事物的灰色性使得人的认识带有估计、猜想和假设等主观想象成分，从而导致认识的非唯一性和近似性。灰色性使得认识缺乏充足理由，因而可以说灰色性是充足理由律的亏缺。这种亏缺存在程度上的不同，而不同的“灰度"(信息不完全程度)又必然导致不同的认识结果。所以，灰色性同随机性以及模糊性一样，也是一种不确定性。随机性、模糊性和灰色性，虽然都是不确定性，但却各有质的不同。应该着重指出的是，随机性和模糊性都可以在信息不完全的情况下存在，因此灰色性是一种比随机性和模糊性都更基本、更广泛的不确定性。三者属于不同层次，模糊性比随机性深一层，而灰色性又比模糊性更深一层。因此，本研究课题以随机性、模糊性和灰色系统理论为基础，结合层次分析法将模糊性和灰色性进行耦合运用到污水处理优化设计中，旨在运用此理论方法能为污水处理设计者和决策者提供有价值的参考。1．3课题研究的内容和方法4 硕士学位论文由于环境系统具有不确定性，从环境系统的输入、输出以及系统内部结构三方面组成来看，既存在确定性一面，又存在不确定性一面。一般来讲，环境系统的不确定性来自三个方面：其一是系统输入存在的不确定性；其二是系统内部结构本身存在的不确定性；其三是系统输出存在的不确定性。首先环境系统具有随机性。从系统的输入与输出关系来看，由于系统环境的变化可能会影响系统功能的变化，这种变化常常表现为随机性。比如，河流水质会随着一些随机因素(降雨、地表径流等)的影响，从而表现为随机性。从系统结构及内部状态来看，由于水结构的复杂性，使得人们对水文规律的认识和参数的获得常常带有随机性。比如，对地下水水文地质参数的试验，常常是随机地选择钻探点和抽水试验点，得到的水文地质参数当然也存在一定的随机性。其次环境系统具有模糊性。环境系统是一个复杂的系统，在系统输入与输出、系统结构与状态等方面很多有关的概念界限不分明。比如，我们常说的“洪水季节"与“枯水季节’’、“稳定流"与“非稳定流”以及水质评价中的水质级别等等，都是界限不分明的模糊概念。再次环境系统具有灰色性。从水质点的运移机理、流速状态以及介质结构来看，人们不可能对其完全认识清楚，即永远是灰色的。从建立的系统模型来看，由于人类认识能力的限制、测试手段的限制，使得我们获取的资料或精度不高或残缺不全。当然，在这种条件下建立的系统模型也是灰色的。从系统的功能来看，由于对系统的结构、内部状态以及系统边界都不可能完全清楚地了解或界定，因此，对系统功能的了解和认识也是不完全清楚和精确的。比如，对降雨径流量的计算，由于种种原因，常常计算结果与实际状况误差较大，即所得的结论也应该是灰色的。最后环境系统具有未确知性。由于环境系统是一个庞大的复杂系统，对系统的内部结构、运行状态以及输入输出关系等的了解，一方面不可能完全清楚，另一方面也不需要百分之百地清楚。例如，对“隔水层”的了解。隔水层是否完全隔水，是否存在导水通道，导水通道又在何处等。虽然，这一判断可能对我们很有用，但如果要准确做出这一判断，必然要耗费很大的人力、物力，也就是说，我们总可以在一定程度上做得到。但实际中并不需要我们完完全全了解，只需要通过某些手段较准确地估计或计算出隔水层的渗透量即可。这就是未确知性。从以上分析可以看出，环境系统广泛存在着四种不确定性，即随机性、模糊性、灰色性、未确知性。作为一个客观的环境系统，确切地说，是一个未确知性的灰色一模糊一随机系统，称之为“环境不确定性系统’’112-14]。就本课题涉及到的污水处理工艺优化设计来说，就是一个充满不确定性因素、变化复杂的系统。首先，作为污染物载体的水流变化是一个不确定的随机过程；其次，进入水体的污染物成分和数量也是一个随时间和空间变化的不确定量；最后，由于水体中存在的物理、化学、生物等因素的作用，导致污染物在水体中 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究的稀释、扩散、分解、凝聚和沉淀既遵循固有的变化规律，又存在不确定性变异。因此，我们应该正确理解系统中存在的不确定性，不能一遇到有关不确定性问题，就把它概化成简单的确定性问题，而应该对不确定性问题采取合理的处理方法，使之更切合实际。因此，本研究课题以随机性、模糊性和灰色系统理论为基础，结合层次分析法将模糊性和灰色性进行耦合运用到污水处理优化设计中。6 硕士学位论文第2章城市污水处理厂工艺的选择2．1城市污水处理厂工艺选择的原则城市污水处理厂的设计和建设包括处理程度和规模的确定、厂址选择、污水及污泥处理工艺选择、总平面布置、工艺流程确定、处理构筑物等方面的内容。在处理程度或允许的出水排放总量确定以后，就可以据此列出所有能够满足要求的工艺流程。选择可行的几种处理工艺方案，通过全面技术经济比较后确定处理工艺流程和设计参数。城市污水处理工艺方案的选择一般应体现以下总体要求：满足要求，因地制宜，技术可行，经济合理。也就是说，在保证处理效果、运行稳定、满足处理要求(排放水体或回用)的前提下，使基建造价和运行费用最为经济节省，运行管理简单，控制调节方便，占地和能耗最小，污泥量少。同时要求具有良好的安全、卫生、景观和其它环境条件。2．1．1城市污水处理厂工艺选择的经济节能性城市污水处理厂建设与运行的重要前提是节省工程投资与运行费用。合理确定处理标准，选择简洁紧凑的处理工艺，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，把运行费用降至最低。对于我国现有的经济承受能力来说，这一点尤为重要。较高的性价比指标同样是技术先进性的重要体现。2．1．2城市污水处理厂工艺选择的技术合理性城市污水处理厂工艺选择还应该正确处理技术的先进性和成熟性的辨证关系。一方面，应当重视工艺所具备的技术指标的先进性，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，必须确保百分之百的成功。工艺的选择更应注重成熟性和可靠性，因此，我们强调技术的合理，而不应简单提倡技术先进。必须把技术的风险降到最小程度。在最近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。2．1．3城市污水处理厂工艺选择的易于管理性由于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7 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究要求，或完全依赖于全自动化运行，在现阶段可能并不适应我国的国情，尤其是中小城镇。事实上，任何一种工艺总是有利有弊，关键在于适用性如何。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，作出较为优化的选择。2．2城市污水处理厂各工艺技术方案的比较分析综合考虑我国目前城市污水处理的主要技术，普遍认为大型城市污水处理厂的优选工艺是传统的活性污泥法，而中小型城市污水处理厂的优选工艺则是SBR法和氧化沟。尤其是氧化沟工艺，它的一系列优势，如处理设施简单，抗冲击负荷强，剩余污泥量较少且易于脱水，总设备费用较低等，更是在我国得到了广泛的应用。现将传统活性污泥法、SBR"法和氧化沟工艺的特性作一简单的比较。2．2．1传统活性污泥法传统活性污泥法是污水处理最早的工艺，是以活性污泥为主体的生物处理方法，有机物去除率高，污泥负荷高，池容积小，电耗省，运行费用低。它的主要构筑物是曝气池和二沉池，其典型的工艺流程见图2．1。但普通曝气法占地多，建设投资大，且不具备脱氮除磷功能，仅能满足BOD5、CODc，、SS三项出水指标。传统活性污泥法由于处理效果稳定，管理经验丰富，技术成熟，是城市污水处理厂二级处理系统的核心工艺，为大型污水处理厂的首选。不足之处是只能作为常规二级处理，不具备脱氮除磷功能。近几年在工程实践中，通过降低曝气池容积负荷，可以达到脱氮的目的；或在曝气池前设置厌氧区，可以除磷，亦可利用化学法除磷。活性污泥法自控系统编程工作量小，自动化水平低，劳动强度高，对操作人员素质要求低，总设备费用低。2．2．2SBR法图2．1传统活性污泥法工艺流程图8 硕士学位论文SBR法(序批式)间歇式活性污泥法又被命名为序批间歇式反应器法(Seque．．ricingBatchReactor)或序批间歇式(序批式)活性污泥法，简称SBR法。其进水、反应、沉淀、排放和闲置顺序在同一池中完成，周期运行。现在又开发出一些连续进水连续出水的改良型SBR工艺，如ICEAS法、CASS法、DE硝去等。其特点为：无二沉池和污泥回流设备，产生剩余污泥量少；结构简单，运转灵活，可随时调整运行计划；自控要求高。该方法适用于水量、水质排放均匀的工业废水，可省去调节池，节省投资。缺点是操作复杂，难于管理。SBR法处理设施极其简单，不仅省去了初沉池和污泥消化池，还省去了二沉池和回流污泥泵房，故能节省占地和投资，耐冲击负荷且运行方式灵活。可以从时间上安排曝气、缺氧和厌氧的不同状态，实现脱氮除磷的目的。但因每个池子都需要设曝气和输配水系统，采用滗水器及控制系统，间歇排水水头损失大，池容的利用不理想，因此，一般不适于大规模的城市污水处理厂。SBR法自控系统编程工作量大，自动化水平高，对电动阀门等设备的可靠性需求较高，劳动强度小，对操作人员素质要求高，总设备费用较高。其工艺流程见图2．2。图2．2SBR法流程图SBR工艺运行分5个阶段：(1)进水期：污水流入曝气池前，该池处于操作周期的闲置期，此时沉淀后的上清液己排放，曝气池内留有沉淀下来的活性污泥。SBR_工艺进行脱氮除磷时采用静止进水，即在进水区既不混合也不曝气。(2)反应期：严格地说，污水进入反应器，就发生生化反应。此反应期指进水结束后的一个操作运行阶段。这个阶段可以只混合不曝气，或既混合又曝气，反应的长短一般由所要求的处理程度决定。(3)沉降期：在此阶段反应器内混合液进行固液分离，因此该阶段在完成静止(无进出水的干扰)情况下进行，所以沉淀效率高于一般沉淀池的效率。(4)排水期：反应器排除沉淀后的上清液，留下活性污泥，作为下一个操作周期的菌种。(5)闲置期：反应器处于空闲状态，等待下一个操作周期的开始。9 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究常规的SBR法对于污水中的有机物有较好的去除作用，通过最新的研究表明，采用限制曝气(充水阶段不曝气)和半限制曝气(充水的后期进行曝气)的运行方式，可以使SBRI艺具有较好的脱氦除磷的功能。在进水初期、高浓度的碳源有机物首先消耗池内溶解氧，但反应器内不进行曝气，创造厌氧发酵条件，便于磷的释放和溶解性发酵产物的吸收，反硝化细菌以污水中的碳源有机物作为电子受体，将池内N030N还原为N2。在曝气阶段，反应器处于好氧状态，主要去除污水中的BOD、进行硝化和吸收磷等反应。在反应后期，达到硝化阶段，污水中含氮有机物浓度己大为减少，此时减少或停止曝气，可以利用内源碳进行反硝化。SBR工艺的特点：(1)时间上具有理想的推流反应器的特性。在SBR系统中，虽然基质浓度在反映器中空间变化是完全混合型的，但在时间序列上确实理想的推流状态，基质浓度从进水端的进水基质浓度沿反应器长度逐渐减少至出水端处理后的出水基质浓度，因此保持了最大的生化反应推动力。(2)SⅥ值低、沉降|生能好，具有抑制丝状菌生长的特性。SBR、系统中，SⅥ值一般不超过100，污泥具有良好的凝聚沉降性能。系统在时间上存在着有机物浓度梯度。在进水期，系统的有机物浓度高，有利于菌胶团形成菌的生长，使耐低基质浓度的丝状菌的生长处于竞争劣势。而当生化反应后期，虽然基质浓度低，但可以通过调整溶解氧使溶解氧维持较低水平，从而抑制丝状菌的生长。因此SBR系统中菌胶团形成菌占优势，可以防止丝状菌膨胀现象。(3)适应水量水质变化。SBR系统可以缓和流量的逐时变化，由于SBR系统运行中有一定的充水期，也可以使水质变化得以部分混合，充水阶段对进水污染物浓度有相当大的稀释作用。(4)脱氮除磷功能。SBR系统采用限时曝气或半限时曝气运行方式，可以在时间序列上实现缺氧／好氧或厌氧／缺氧／好氧的组合，并控制每一部分合适的时间，能得到较好的脱氮或脱氮除磷效果，而且不需要污泥回流和混合液回流，降低了运行费用。(5)理想静止沉淀，泥水分离效果好。SBR系统生化反应、污泥沉淀都在同一池内进行，就泥水分离过程而言，沉淀过程没有进出水的干扰，是理想的静止状态，泥水分离效果好，还可以避免短路、异重流的影响，一般出水SS不大于10m∥L。SBR工艺的缺点：SBR工艺运行控制较为复杂，需要有计算机控制系统。水位、曝气、排水、和溶解氧探头都需要专门的控制技术和设备。同时由于SBR好氧反应和厌氧反应在同一个反应器中进行，必须对供氧和混合搅拌专门考虑。目前我国的自控设备及系统发展水平较低，需要引进价格昂贵的设备。整套工艺反应器全依靠电脑控制，所以对设备、仪表、阀门及自控系统的可靠性要求较高，需要进口的设备多。由于自动化程度较高，对管理人员的素质要求较高。另外，lO 硕士学位论文对于SBR法来说，我国运行经验较少，工艺操作较为烦琐。2．2．3氧化沟法氧化沟活性污泥法又叫循环混合式活性污泥法，污水和活性污泥的混合液在环状曝气渠道中循环流动。氧化沟是50年代由荷兰的巴斯维尔开发，它属于活性污泥的一种变形，它由于运行成本低，构造简单，易于维护管理，出水水质好、运行稳定、并可以脱氮除磷，因此日益受到人们重视并逐渐得到广泛应用，特别适于南方延时曝气法运行。至90年代中期，我国己兴建了30座氧化沟污水处理厂。常用的处理城市污水的氧化沟基本工艺流程见图2．3。剩余污泥图2．3氧化沟污水处理厂流程图为了防止污水中无机沉渣在氧化沟中沉积，原污水先经格栅和沉砂池预处理。污水和回流污泥流入氧化沟的位置应与沟内混合液流出位置分开，其中污水流入位置应设置在缺氧区的始端附近，反硝化细菌可利用废水中的碳源和好氧段来的硝酸盐进行反硝化脱氮。回流污泥流入位置应设置在污水流入位置附近。混合液流出位置应设在曝气设备后面的好氧部位，以防止沉淀池污泥厌氧，确保处理水中的溶解氧。氧化沟的工艺特点：(1)工艺流程简单，运行管理方便。氧化沟一般不设初沉池和污泥消化池，当氧化沟与二沉池合建时又省去了污泥回流设备，所以使处理流程简单，运行管理方便容易。(2)剩余污泥量少，污泥性质稳定。由于氧化沟工艺采用延时曝气，水利停留时间长，一般为10一24h，污泥龄也长达20--30d，有机物得到彻底的降解，产生的剩余污泥量少，污泥不需消化处理而直接脱水，节省处理费用，也便于管理。(3)耐冲击负荷。由于氧化沟内的循环流量一般为污水量的几十倍至几百倍，所以循环流量大大地稀释了流入氧化沟内的原污水，同时水力停留时间和污泥龄较长，所以氧化沟具有较强的抗冲击负荷的能力。(4)处理效果稳定，出水水质好。氧化沟工艺污泥负荷率低，Ns为0．05一O．15 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究kgBODs／(kgMLSS．d)，水力停留时间长，HRT为10--30h，．污泥龄长，ts为20--30d，所以BOD5和SS的去除率均大于85％，同时耐冲击负荷，处理效果稳定。氧化沟内的溶解氧沿沟长方向不均匀分布，靠近曝气设备的下游区段溶解氧浓度较高，远离曝气设备的区段则缺氧，甚至有些区段还厌氧。这样，沟内相继进行消化和反消化，同时聚磷菌交替处于厌氧和好氧条件下，并交替进行释磷和过量摄取磷，然后将高磷剩余污泥排放，从而达到生物除磷的目的。所以氧化沟不仅可去除BOD5，而且还能脱氮除磷，出水水质好，一般情况下，其出水BOD5为lo—lSmg／L，SS为10--20mg／L，NHa-N为l一3mg／L，Pn，入嘲一n=一∑元，百因此在AHP中引入判断矩阵最大特征值以外的其余特征根的负平均值作为度量判断矩阵偏高一致性的指标：即CI=墨竺二翌n一1对于不同阶的判断矩阵，其CI值也不同，一般来说，为了度量不同判断矩阵是否具有满意的一致性，再引入判断矩阵的平均一致性指标Ⅺ值。砒值是用随机方法分别对n=1,--,9阶各构造500个样本矩阵，计算其一致性指标CI值，然后平均即得随机一致性指标m。当CR值小于l时被认为一致性可接受，而赳之值与矩阵阶数关系如表3．3 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究(6)选择评价标准：通过上述5个步骤确定了城市污水处理工艺优化设计的指标体系、层次结构及各层间的权重，接着应确定相应于指标体系的评价标准体系。评价标准有些可根据国家颁布的标准，如地表水环境质量标准、渔业水质标准、农田灌溉水质标准、空气质量标准等。(7)评价：评价一般采用指数方法，并进行指标重要程度排序。按照层次分析法，根据前面提出的生态环境影响的各种因素的结构分析、生态环境系统综合评价指标和评价因素集的确定，首先构造判断矩阵，然后计算重要性排序，得到评价因素的权重向量，最后进行一致性检验。从而确定城市污水处理工艺优化设计各层次权重方案【28。30l。3．3模糊理论模糊综合评价是指综合考虑多种因素影响的事物或系统对其进行总的评价，当评价因素具有模糊性时，这样的评价被称为模糊综合评价，又称模糊综合评判。对于一种事物、一个产品、一个系统乃至一个人的评价，常常要涉及多个因素或称多个指标(标准)，不能自从某一因素去评价，而要根据多个因素对其进行综合评价，这样有利于提高评价的科学性、准确性。模糊评判是对模糊现象(可能性、不确定性)的系统评判。比如某地区环境质量好，好到何种程度，可用0"-"1表示，0．8比0．6更好，这种对环境质量做出“好’’的评定的可能性大小或可能程度即隶属度，是模糊数学理论中的一个重要概念。模糊评判一般都包括两个集合(即因素集U、评价集V)和一个模糊变换器【311[321。(1)建立影响评价对象的n个因素组成的集合，称为因素集UU={ul，U2，U3⋯Un}(2)建立有m个评价结果组成的评价集V(即代表影响等级集合)V={Vl，V2，v3⋯vm)(3)在确定隶属函数的基础上，建立单因素评判矩阵R；(4)计算单因素模糊评判集合Bi；由于单因素集合Vi中，各子因素有不同的侧重，需要对每个子因素赋予不同的权重A，它表示因素集合Vi中的模糊子集A，A={ail，ai2，⋯，‰)；式中ai为对第i个因素的加权值，一般规定 硕士学位论文∑口i=li=l对第i个因素的单因素模糊评价为V上的模糊子集Ri=(ru，riz，⋯，‰)于是单因素评价矩阵R为R=，il，；2r21勃‘l，；12则对该评判对象的模糊综合评价B是V上的模糊子集B=A·R=A·，il吒2r21％‘l％2=(bil，bn，”·，bm}；bin为评判集合对影响等级uj的隶属度。根据权重集A与单因素模糊评价矩阵R合成，进行模糊综合评价求助评价模糊子集B，一般有以下五种模型：1)模型I：M(八，V)根据B=A·R，可写为B=(al，a2，⋯，an)·=(bl，b2，⋯，be)，i1，i2r21rzz‘1r,2B中第j个元素岛=兰@八吻)j=l，2，⋯，m这种求B的方法主要通过取小及取大两种运算，因此，称该种模型为M(八，V)模型。这种方法当因素比较多时，对每一因素的加权值必然很小，会导致评价结果不理想。因此，对权系数ai加以修正，即ai’--n巩／(m∑q)i=l，2，⋯，ni=l再将权系数归一化变为朋Ⅲ‰％；％●●●●●卅Ⅲ‰％；％●●●●●‰‰；‰●■●●●●● 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究air=(旦)aii=l，2，．．．，n埘其中ai’为修正权系数，11为评价因素的个数，m为评价集元素的数目。2)模型II：M(·，V)该模型采用两种计算：一种是普通乘法运算，用·表示；另一种是取大运算，用V表示。利用此模型计算bj为计bj2yai。啕j21，2，“·，m其中乘运算(ai·“)不会丢失信息，而取大运算V会丢失有用信息。该模型优点是较好地反映单因素评价结果的重要程度。3)模型IⅡ：M(八，0)该模型除采用小八运算外，还采用环和运算0，也称有界和运算，它表示上限为l的求和运算，即XOY--min(1，x+y)利用该模型，则有bj=∑(qArij)j=l，2，⋯，m其中符号∑为n个数在。运算下的求和，即i=1bj=min[1，∑(qArij)】j_l，2，⋯，mi=14)模型Ⅳ：M(·，0)利用该模型计算bi为一bj=∑q·rijj=l，2，⋯，m或bj--min[1，∑q·rij]j_1，2，eoo9mi=15)模型V：M(·，+)该模型计算bi为bj=∑q。码j=1，2，⋯，mn其中∑q--1j=1 硕士学位论文该模型考虑了所有因素的影响，而且保留了单因素评价的全部信息，运算中ai和rii(i--1，2，⋯，n；j=1，2，⋯，m)无上限限制，但须对ai归一化。该模型在工程评价中应用效果良好。’在上述各种评价模型中，因为运算的定义不同，所以对同一评价对象求出的评价结果也会不一样。其中I～Ⅳ都是在具有某种限制和取极限值的情况下寻求各自的评价结果的。因此，会不同程度的丢失某些有用信息。这种模型适用于仅关心评价对象极限值和突出其主要因素的场合。模型V则不存在上述限制问题，能保留全部有用信息，可适用于需要考虑各因素影响的情况。具体应用哪一种模型要根据实际评价对象特点和评价侧重点不同加以选用。(5)建立多级评判矩阵R，对许多复杂系统的评价要考虑的因素很多，而且一个因素还往往包括多个层次，也就是说这个因素往往是由若干个其他因素决定的。对上述多因数多层次系统的综合评价方法是，首先按最低层次的各个因素进行综合评价，然后再按上一层次的各因素进行综合评价；依次向更上一层评价，一直评到最高层次得出总的综合评价结果。下面给出多极综合评价数学模型的一般描述。设因素集为U={ul，u2，⋯un)对其中的Ui(i=1，2，⋯，n)再细划分为Ui={Uil，tli2,""Uin}对其中的Uii(i--l，2，⋯，n；j_l，2，⋯，m)再进一步细划分为U={u{jl，uij2,""uijp)这样如此地细分下去，实际上是对影响因素先分大类，然后在一类中的因素再分小类，这样就反映了影响因素的层次性。而评价时，应从最后一次划分最低层的因素开始，一级一级往上评，直到评到最高层。(6)影响评价等级确定办法模糊评判集合B=(bl，b2，⋯⋯bM)中bj值是对应于第j个安全等级(uj)的隶属度。利用bi值来确定安全评价等级，目前主要有2种方法。1)最大隶属度判别准则这种方法是以模糊评判集合B中bj的最大值来确定对应的评价等级，而没有顾及其余bi值对整体评判结果的影响。2)加权计算法这种方法是给各安全等级规定加权值，把b{值和相应的权重进行加权计算，得出数值与事先确定的评价等级标准分值对照来进行定级。此外，还有以bj的幂加权的加权平均法(幂加权法)以及bi值的系统模糊优先理论模型处理法确定影响评价等级【33】【341。29 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究3．4多层次模糊灰色耦合模型在优化设计模型研究中，由于内外扰动的存在和认识水平的局限，人们所得到的信息往往带有某种不确定性。随着科学技术的发展和人类社会的进步，人们对各类系统不确定性的认识逐步深化，不确定性系统的研究也日益深入。20世纪后半叶，在系统科学和系统工程领域，各种不确定性系统理论和方法的不断涌现形成一大景观。如扎德(L．A．Zadeh)教授于60年代创立的模糊数学，邓聚龙教授于80年代创立的灰色系统理论，帕拉克(z．Pawlak)教授于80年代创立的粗糙集理论(RoughSetsTheory)和王光远教授于90年代创立的未确知数学等，都是不确定性系统研究的重要成果。这些成果从不同角度、不同侧面论述了描述和处理各类不确定性的理论和方法。下面将对以上提到的不确定性理论与方法作进一步的介绍【581【591。3．4．1随机方法随机方法是处理不确定性问题较普遍的方法之一。随机现象在现实生活中是广泛存在的，而随机方法主要是考虑客观事物的随机性。它以概率论为理论基础，包括很多分支。3．4．2模糊数学方法模糊数学方法着重研究“认知不确定性"问题，其研究对象具有“内涵明确，外延不明确"的特点。其创始人扎德将经典集合论中特征函数z。：X一{o，1)推广为隶属函数儿：x_(O，1)，从而将不确定性在形式上转化为确定性，即将模糊化加以数量化，利用传统的数学方法进行分析处理【36】【371。目前，模糊数学被广泛应用于水质评价、水质规划等【35】【52】【53】。3．4．3灰色系统理论传统的系统理论，大部研究那些信息比较充分的系统。对一些信息比较贫乏的系统，利用黑箱的方法，也取得了较为成功的经验。但是，对一些内部信息部分确知、部分信息不确知的系统，却研究得很不充分。这一空白区便成为灰色系统理论的诞生地。邓聚龙教授创立的灰色系统理论，是一种少数据、贫信息不确定性问题的新方法【38l。灰色系统理论以“部分信息已知，部分信息未知"的“小样本’’、“贫信息”不确定性系统为研究对象，其主要特征为：系统元素信息不完全；结构信息不完全；边界信息不完全；运行机制与状态信息不完全。灰色系统理论不承认事物的发展完全是随机过程，而认为一切随机过程都是在一定范围内变化的灰色过程，是一个具有上下限的灰色区间。人们可以通过信息的不断补充，降低系统的灰色区间，降低系统的“灰色态’’。此外，灰色系统理论着重研究系统现实的动态规律，因其建模方法简便易行，实用性强，定性与定量结合的 硕士学位论文优点自该理论创立以来就获得了广大学者的青睐【39】伽1571。3．4．4未确知数学方法未确知性不同于随机性、模糊性，也不同于灰色性，它纯粹是由于条件的限制对已经发生的问题认识不清而产生的不确定性。我国学者王光远院士首先提出“未确知性"这一概念，后由刘开第、王清印、吴和琴等学者发展了未确知数学，之后又建立了“盲数"的概念【4011411。不管客观事物自身是否确定，只要具有未确知性，决策者只能把它看成是不确定的，而不能当作是确定的，可借用主观隶属度或主观概率，两者统一为主观可信度描述事物的未确知性。目前，未确知性作为一种特定的不确定性，尚未在环境科学领域引起人们重视。3．4．5粗糙集理论粗糙集理论是一种新型的处理模糊和不确定知识的数学工具。目前己经在人工智能、知识与数据发现、模式识别与分类、故障检测等方面得到了较为成功的应用。1982年，波兰学者Z．Pawlak提出了粗糙集理论，它是一种刻划不完整性和不确定性的数学工具，能有效地分析不精确(imprecise)、不完整(incomplete)不一致(inconsistent)等各种不完备的信息，还可以对数据进行分析和推理，从中发现隐含的知识，揭示潜在的规律【421。粗糙集理论是建立在分类机制的基础上的，它将分类理解为在特定空间上的等价关系，而等价关系构成了对该空间的划分。粗糙集理论将知识理解为对数据的划分，每一被划分的集合称为概念。粗糙集理论的主要思想是利用已知的知识库，将不精确或不确定的知识用已知知识库中的知识来(近似)刻划。该理论与其他处理不确定和不精确问题理论的最显著区别是它无需提供问题所需处理的数据集合之外的任何先验信息，所以对问题的不确定性描述或处理可以说是比较客观的，由于这个理论未能包含处理不精确或不确定原始数据的机制，所以这个理论与概率论、模糊数学和证据理论等其他处理不确定或不精确问题的理论有很强的互补性[43。471。粗糙集理论在我国的研究刚刚起步，在环境领域中的应用还不多，主要表现为工艺过程的智能控制。3．4．6各种不确定性方法的耦合当今科学发展除了在纵向上下深化，多学科相互交叉、相互渗透和耦合也是当今科学的重要特征，由此产生许多交叉学科和边缘学科，水环境中的不确定性方法的耦合也是科学发展的必然。丁晶教授在论及水文水资源不确定性研究的耦合途径时指出“随机性、模糊性和灰色性往往共存于所研究的对象和问题之中”，并提出了水资源随机分析、模糊分析和灰色分析的耦合思路【471。因水体污染受水文过程和污染物排放不确定性的影响，随机性、模糊性和灰色性同存于一体，可采用耦合方法进行研究。 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究3．4．6．1随机模糊耦合随机和模糊分析两者的耦合方式是多种多样的。Reddy等人将随机分析框架中的某些变量看作是模糊变量，通过对隶属度函数水平截集的简化得到上下两个临界值，再融合到随机分析中去。Haldan等人为了将模糊和随机分析结合起来，将以模糊描述的不确定性转化成等价的以随机描述的不确定性。Xin等人将模糊引入传统的统计回归中提出模糊回归分析。Vierte等人将观测资料处理成模糊资料，然后以随机方法作统计分析。陈守煌等将模糊集理论引入随机模型，提出模糊典型解集模型。3．4．6．2随机灰色耦合随机与灰色分析两者的耦合，目前主要有下列各种形式。冯宛平等将灰色分析引入统计回归，提出灰色回归分析。杨叔子等将灰色模型和随机模型有机地结合起来，成为一种新型的耦合模型，用于预测。袁嘉祖考虑到状态具有灰色性，提出了灰色马尔科夫预测模型。3．4．6．3随机灰色与模糊耦合三者相互紧密的结合还不多见。刘光吉等利用模糊数学和灰色系统理论对不严格具有无后效性的马尔科夫过程进行描述，提出了模糊灰色马氏过程的新模式。3⋯464一种新的耦合思路因为在城市污水处理厂的优化设计中，常常涉及到对象的随机性、资料的模糊性以及模型结构和参数的灰色性。水文现象受多种因素之影响，客观上具有随机性；观测和调查成果在准确度上，具有模糊性；由于信息的不充分，模型结构和其中的参数有一定的变化幅度，具有灰色性。以上这些特性共存于研讨的对象之中，因此在分析不确定性时，应该将各种分析方法有机地结合起来。贝叶斯定理给出了如何将由似然函数和先验密度函数计算后验密度函数的公式。现在我们将似然函数考虑成模糊似然函数，将先验密度函数考虑成灰色先验密度函数，然后以贝叶斯定理将二者耦合成灰色模糊后验密度函数。这是一种耦合的新思路。为便于理解，下面以流量预测为例说明。设流量为Q，其预测值为q，Q的自然不确定性以先验概率密度函数g(Q)表示，预测的不确定性以似然函数L(q／Q)表示。由贝叶斯定理得f(Q／q)2KL(q／Q)g(Q)(4．1)式中，f(Q／q)是q条件下的Q的概率密度函数，即通常所说的后验密度函数；K为常数。考虑到信息的不充分，将先验密度函数g(Q)处理成灰色先验密度函数，以 硕士学位论文g(Q，o)表示．由于建立似然函数L(q／Q)时必须基于实测资料，注意到观测资料的模糊性，将似然函数L(q／Q)处理成模糊似然函数，以L．(q／Q)表示，这样由式(4．1)可以得到f(Q／q，o)=KL’(q／Q)g(Q，o)(4．2)式中，f(Q／q，@)为耦合成的灰色模糊后验密度函数，根据这一函数，即可对流量Q做出预测。为了实施这一方案，如何建5Zg(Q，0)，L．(q／Q)以及将二者的结合，是最基本的关键问题。根据统计理论、模糊集理论和灰色系统理论，结合水文信息的特点，这些问题原则上是可以解决的。解决这些问题的思路已经明确，但具体的处理方法和结合实例还需要进一步的研究。以上是耦合途径用于流量预测，若研究水文频率计算中的参数估计，可做类似的处理。设估计参数为臼，观测系列为又=(五，吒，⋯，％)则有／(纠x)=r匝(x／o)g(O)(4．3)式中，g(臼)为参数p的先验密度函数，三(劲)为似然函数，／(∥x)为p的后验密度函数。将g(口)考虑为g(O，o)，fix／o)考虑为c(’／o)，则有，’(纠x，o)=nL"(_／O)g(e，o)(4．4)式中，厂(∥x，o)为参数目的灰色模糊后验密度函数。依据这一函数，就可计算出目的估计值。当利用式(4．2)和(4．4)分别作流量预测及参数估计时，对预测值(或参数值)的随机性、观察资料的不准确性(模糊性)以及模型和参数的不确定性(灰色性)均考虑到了。尽管耦合方法起步较晚，但可以预测，耦合方法将为不确定性研究开辟新的途径。除了上述所列各种理论与方法外，许多学者对其他的一些不确定性理论与方法也进行了有益的探讨，比如人工神经网络法、混沌理论、分形分维理论笔[35114811寸口3．4．6．5模糊灰色耦合Miyamon等在研究不确定性时，不仅应用了模糊集理论，而且还考虑到隶属度函数本身的不确定性。他们用Vaguenessfunction来定量表示这种不确定性。这和夏军教授提出的将隶属度函数看作是灰色的，而且以灰色集理论和模糊集理论结合起来分析的设想是类同的。3．5本章小结本章主要介绍了灰色系统理论、层次分析法和模糊系统理论以及几种不确定性方法的数学模型及求解方法。通过比较分析得知灰色系统理论是一种少数据、贫信息不确定性问题的新方法。它以“部分信息已知，部分信息未知"的“小样 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究本’’、“贫信息"不确定性系统为研究对象，建模方法简便易行，实用性强；层次分析法是系统工程中对非定量事件作定量分析的一种简便方法，也是对人们主观判断做客观描述的一种有效方法，其基本思想是根据分析对象的性质和决策或评价的总目标，把总体现象中的各种影响因素通过划分相互联系的有序层次使之条理化；模糊综合评价法利用模糊理论在处理不确定性问题上的优越性，在数据标准化处理方面取得更好的效果。通过对模型的分析，确定了结合层次分析法的模糊灰色耦合模型，它能综合了以上多种方法的优点，同时又尽量避免了它们各自的缺点，从而能取得了较好的效果。 硕士学位论文第4章基于AHP的模糊灰色耦合模型及应用实例4．1基于AHP的模糊灰色耦合模型概述基于AHP的模糊灰色藕合模型是将各方案中定性描述的因素指标用模糊数学中的隶属度进行量化处理：采用多层次多因素评判，较单层次评判更能反映方案的实际特性；用实际方案序列与参考序列(理想方案)的综合关联度来评判优劣，概念清晰，方法合理，结论科学，更符合实际，且应用方便：不同层次的各因素用权重指标来表示其不同的影响程度，并且用判断矩阵来确定权重，能避免主观任意性和不一致性，使评判结果更客观更符合实际。4．1．1多层次评价指标体系城市污水处理工艺方案的选择一般具有如下特点：(1)多指标性：评价一座污水处理厂的综合效益，不能简单地用一二个或少数几个指标来描述，因为影响其综合效益的因素很多，且既有定量的又有定性的。(2)多层次性：所有指标均可以按照某种属性，划分为几个大的方面，这几个大的方面称之为准则。因此，污水处理厂的综合评价系统通常可以分为如下几个层次：最高层为总目标层，即综合效益：第二层为准则层，即划分指标的几个大的方面：第三层为指标层，即所有评价指标；最低层为被评价对象。按整体和局部相结合、内部和外部相结合、近期和远期相结合、优化和决策相结合、需要和可能相结合的有关原则，斟选指标集。本文以综合效益V为目标，经济效益Pl、技术性能P2和管理效益P3为准则，n种工艺方案和m项评价指标，建立如图4．1所示的多层次递阶的评价指标体系。m项评价指标分别为：基建费用Ml、运行费用M2、占地面积M3、脱氮除磷效果M4、污泥处理效果M5、运行稳定情况M6、工艺成熟性M7、操作难易程度Ms、环境效益M9等。方案综合评价指标体系的总目标为综合效益，最终根据其综合效益来选择最佳方案。对于具体的城市污水处理厂工艺方案的选择，可以结合实际情况对图4．1所示的指标体系作适当调整。4．1．2指标层指标值的定量化对于确定性指标，如基建投资和运行费用，以投资现值表示【”1(主要为主体构筑物和污泥处理部分的基建投资和运行费用现值)。依据《全国市政工程投资估算指标》(HGZ47．102．96)进行投资估算，计算中考虑用于关键设备购置的外方 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究贷款的折算，然后按照一定贴现率和建设期或使用年限进行折现。对于占地面积，可参考HGZ47．102．96中的4B．1．1标准，在合理范围内按设计总平面面积直接进行定量比较。目标层准指则标层图4．1多层次递阶的评价指标体系方案层对于不确定指标，即用定性评语(模糊语言)描述的指标，用模糊数学中的隶属度(o．1．O)来表示，评语好的隶属度大，评语差的隶属度小。由各类决策层按模糊数学方法采用5级或9级划分法进行综合评定，获得各个评价指标相对于每个方案的模糊语言评分。本文采用5级划分法，即优、良、中、差、劣五个等级，相应的隶属度为0．9、0．7、o．5、0．3、0．1[371。对于不同的候选方案，以上不确定性指标的级别由多名专家评价完成。以形成对特定工艺较为一致的看法。例如，对“操作管理难易程度”这一指标的评价标准如下： 硕士学位论文优：全部自动化，只需很简单的人工管理。良：自动化程度较高，但少量机械设备需由人工管理。中：半自动化运行，人工管理机械设备较多，操作不方便。差：自动化程度较低，机械设备操作占多半工作量．劣：全部机械化运行，操作极为复杂。4．1．3指标层指标值的标准化计算值越小越好的成本型指标和计算值越大越好的效益型指标在采用线性变换的规范处理时，因所采用的基点不同，使变换后最好的效益指标和成本指标有不同的值，缺乏一致性，不便于进行比较【491。故采用如下方法作规范化处理，将其化为【0，1】区间内的数。对各方案墨(f=1,2，⋯，m)，分别有．，个评价指标％(j『=1,2，⋯，刀)，则各备选方案的指标序列可表示为墨=(墨。，墨：，⋯，％)对于效益型指标，有吻=意b(4．1)对于成本型指标，有嘞=半(4．2)显然，0≤‰≤l，且妊的值越大方案越优4．1．4各层次指标权重的确定一一层次分析法层次分析法(AnalyticHierarchyProcess，即√妊田法)是一种应用数学方法将决策规划过程中定性分析和定量分析有机结合进行优化处理的方法。该方法能把定性因素定量化，使评价更趋科学化。如前一章所述，城市污水处理方案的选择是一个多指标、多层次、定性与定量因素相结合的复杂系统，确定这类多目标决策问题各评价指标权重的有效方法是层次分析法【5l【54l。层次分析法的信息基础是问题本身所带的数据资料和人们的评价依据，通过这些信息基础把所要分析的对象转化为递阶层次结构，在每一层次上，可按其上一层次的对应准则要求，对该层次元素进行逐队比较，依照规定的标度定量化后写成矩阵形式，即构造成判断矩阵。这里标度通常以相对比较为主，以数字oN9作为表述这类同时比较某种属性差异的判断的标度尺度。构造判断矩阵是层次分析法的关键步骤。在判断矩阵的基础上，计算对于上一层次而言的、本层次与之有联系的元素的重要性次序的权重。排序计算的实质是计算判断矩阵的最大特征根及相应的特征向量。在专家构造判断矩阵时，不可避免地产生认识上的不一致，为考虑层次分析得到的结果是否基本合理，需要对判断矩阵进行一致性检验，经过检验得到的结果即可认为是可行的。因此，运用层次分析法作系统规划，大致经过6个步骤：(1)明确问题：37 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究(2)建立递阶层次结构：(3)构造比较判断矩阵：(4)层次单排序：(5)层次总排序：(6)一致性检验。基本步骤为建立递阶层次结构后，采用1-9的比率度(见表4．1)进行两两指标间的相对比较，构造判断矩阵A=(％)。。肼，进行排序计算，求解判断矩阵A的特征根问题。据AW=k形，计算最大特征根k，找出它所对应的特征向量∥，即为同一层各指标相对上一层某因素的相对重要性权重，然后做一致性检验。下面就判断矩阵彳最大特征根k和它所对应的特征向量形的求解，以及判断矩阵的一致性检验作详细介绍。4．1．4．1k和形的计算一般可用乘幂法和方根法等计算。方根法的主要计算步骤见如下过程。设某一趾口判断矩阵为4=q1q2a21吃2％lGin2⋯q。⋯吃。⋯‰①计算矩阵彳中每一行元素的乘积M必=珥呜o=l∥2一，朋)②计算M的m次方根屈一r屈=拟=利兀吩O=1,2，⋯，肼)’Vj=l。⑨对向量∥，=(∥。∥：⋯∥。)r作归一化处理，即令彬=屈／∑展o=1,2，⋯，聊)从而得一向量∥=(％呒⋯形。)r。④计算矩阵4的最大特征根k。由于彳形=k形，而m∑吃，％j=l，竹k形=∑q，杉j=l38(4．3)(4．4)(4．5)(4．6)(4．7)r、、●●●／乃口雕∑芦哆Jq。∑芦J，，．．．。。．。一／=形4有故 硕士学位论文用(彳叨，表示向量AW"的第i个分量，即(彳叨；=∑口lJ％(4．8)于是采用平均方法计算k，即k=至i=I等(4．9)4．1．4．2判断矩阵的一致性检验①计算一致性指标CJ．c-=垒卑(4．10)171一l式中m为判断矩阵的阶数。②计算一致性比例C．兄C．足：—CJ—．(4．11)Rl式中兄，．为平均随机一致性指标(由表3．3查取)。根据数理统计理论，只要矩阵4与其特征向量形之间检验具有随机一致性，那么形即为所求的刀个指标的权重分配向量，其中形的元素w。就代表了各个指标相对于其上层隶属指标的权重。准则层P的指标权重向量记为形‘P’=(wl，w2，w3)，其中W，(s=1，2，3)为准则层第J个指标B，相对总目标V的权重。同理，指标层M的指标权重向量记为彬似’=(比，，比：，，．··％)，其中P为隶属于指标尸的指标层指标的总数。4．1．5参考方案指标序列的确定参考方案是理想状态下出现的最好方案，它可以是一个虚拟的最优方案。考虑到经标准化处理后，各指标的最优值均为1，所以参考方案的指标序列表示为So=(‰1，X02，⋯，而。)=(1，1，⋯，1)(4．12)4．1．6灰色关联分析4．1．6．1指标层指标关联度计算根据灰色系统理论，参考方案的指标序列最与备选方案的指标序列墨在各指标，处的关联度为删=1minmi向nxo-志x．+0高．5max孝max[xf^．-x葛嚣：㈣因参考方案指标序列的指标值均为1，故恒有m如mg[Xo，一吒l=0(4．14)则上式关联度计算公式可改为 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究√．、0．5ma．xma．XlXoj一勤l白(f)2阿习赢毒褊由此可得隶属于准则层指标B的指标层指标的关联度矩阵为f，晏-(1)彘-(2)⋯六-(聊)、1FIJ=l茧2(1)晏2(2)⋯色2(聊’lb彘岛⋯跏)j4．1．6．2准则层指标关联度计算(4．15)(4．16)对准则层指标最，设其所属的指标层指标30M。p，则准则层指标只中各个指标M．，之间的综合关联度为f，磊。(1)毒。(2)⋯邑。(肌)、1瓯：酽咀吨。‰⋯％)×陋KzQ卜一乞仰)I⋯II乞(1)岛(2)⋯乞沏)J=(皖(1)，瓦(2)，⋯，睡(m))(4．17)对上式得到的瓯O)(s=l，2，3)进行标准化处理，得准则层指标的关联度矩阵为f，己，(1)己。(2)⋯己，(聊)n，：l锄)￡z(2)⋯六z(掰)L毛(1)乞(2)⋯乞沏)其中岛(f)是由蘸(f)的标准值与相应序列的标准值计算而得的关联度。4．1．6．3综合关联度分析综上所述，备选方案的综合关联度为占=W‘，’xri7=(Ⅵ，W2，嵋)×彘。(1)￡。(2)⋯厶沏)六：(1)￡：(2)⋯己：(彤)厶(1)厶(2)⋯乞仰)(4．18)=(毛，占2，⋯，占。)(4．19)关联分析就是通过比较序列和参考序列曲线间的相似程度来判断其关联度。两条曲线越相似，其关联度越大，即备选方案与参考方案越接近，反之关联度越小。因此，综合关联度最大的方案即为最佳方案【38】【391【”】。4．2应用实例山东某城市污水处理厂工程规模为2×105所3／d，城市污水要求进行二级生化处理，并且有除磷脱氮的要求。根据实际情况考虑以下四种候选方案：A2／O法、 硕士学位论文三沟式氧化沟、单沟式氧化沟和SBR法【5Jo由10名专家组成评判小组，根据具体情况和相关资料，结合各种指标，对应于评判集进行判断。各方案经济技术指数见表4．2。表4．2各方案经济技术指标项目基建费用运行费用占地面积权重项目操作难易程度环境效益权重41 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究表4．6综合效益影响指标权重判断矩阵适笪堂堡兰g。，i丘t[-l__-_●________l____●_____I_____-I_--I--___■_I___一_____l_■l--_____●-___●-________l_-_l__l一准则层指标层SoS1S2S3s4表4．8指标层指标值关联度计算表评价指标xoi孝∥)蟛准则层指标层SoS1S2S3S4M11．0000．595O．8150．7591．0000．416P1M21．0000．6670．7100．6880．416M31．0000．7590．4680．5791．0000．139M41．0000．5000．3331．0000．3330．083M51．000O．43l1．0000．43l0．083P2M61．0000．5001．0000．5000．417M71．0000．3330．5000．3330．417M81．0000．3331．0000．5000．333P3M91．0000．5000．3331．0000．667表4．9准则层指标标准化处理计算表嗔(f)最(f)标准化指值PsoS1S2S3s4SlS2S3S4Pl1．0000．7690．5900．6920．8410．9140．7020．8231．000P21．0000．7030．6670．5830．4111．0000．9491．8290．585P31．0000．3100．5420．3270．4770．5721．0000．6030．88042 硕士学位论文表4．10准则层指标关联度计算表颤p)PSo％SlS2S3S4Pl1．0000．7130．4180．5471．0000．422P21．0000．8080．5560．3400．341P31．0000．3331．0000．3500．6410．237占=W。’x177=(0．422，0．341，0．237)xl1．0000．8080．556071304180547f．10．3331．0000．350=(o．721，0．689，0．503，0．690)综合关联度为蜀>丘>岛>毛，根据关联度越大排序越前的原则，4种工艺方案的优先顺序为：A2／O法>SBR法>三沟式氧化沟法>单沟式氧化沟法。因此，对该城市污水处理厂而言，采用A2／O法为最佳方案。从准则层指标的权重可看出，经济效益的权重最大，技术性能的权重次之，管理效益的权重最小：而隶属于经济效益准则的指标层指标中，又以项目费用和运行费用两项的权重最大，隶属于技术性能准则的工艺成熟性和运行稳定性两项指标的权重最大。由于A2／O法各项技术性能指标明显优于其他3种工艺方案，在项目投资额相差不大的情况下，受指标权重的影响，使得A2／O法的综合关联度大于其他3种方案。4．3本章小结、、本章主要介绍了结合层次分析法的模糊灰色耦合模型及求解步骤，并应用到工程实例中。结果表明结合层次分析法的模糊灰色耦合模型是一种新型的污水处理工艺优化设计模型，模型将模糊隶属度函数看作是灰色的，而且以灰色集理论和模糊集理论结合起来分析，采用多层次多因素评判，比单层次评判更能反映工程的实际特点。43 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究一、主要研究成果结论本文主要针对城市污水处理厂优化设计中的诸多不确定性因素，研究污水处理厂工艺方案的优化，在层次分析的基础上建立了模糊灰色耦合模型，得到结论如下：1关于城市污水处理厂优化设计模型的不确定性及不确定性研究方法城市污水处理厂优化设计中的不确定性是客观存在的，主要来自以下三方面。(1)自然界固有的不确定性。(2)人类活动引起的不确定性。(3)设计过程中的不确定性(又包括现有资料获取过程中的不确定性及数学模型的不确定性)。由于各种不确定性因素的存在，使理论上的最优解未必是实际上的最优解。因此在优化设计中必须考虑不确定性因素的影响。而不确定性问题的定量分析方法依然是当前研究的焦点。目前较为流行的研究方法为随机方法(如传递函数法、蒙特卡洛法等)，模糊数学方法，灰色系统理论以及以上方法的耦合。可以预测，耦合方法将为不确定性研究开辟新的途径．2关于城市污水处理厂工艺方案的优选在工艺方案选择的多层次评价指标体系的基础上，采用耦合途径将模糊数学中的不确定性指标模糊隶属度概念与多层次指标权重分析方法，灰色关联分析方法结合，建立了模糊灰色藕合模型。与现行的污水厂可行性研究报告中以经济数据为主的方案选择相比，更能客观地反映系统要素的全面影响，能为有关部门及领导者提供一种辅助决策工具，为决策的科学性和规范性提供依据。模型将隶属度函数看作是灰色的，而且以灰色集理论和模糊集理论结合起来分析，采用多层次多因素评判，比单层次评判更能反映工程的实际特点。不同层次的各因素用指标权重来表示其不同的影响程度，并用判断矩阵来确定权重，避免了主观任意性和不一致性，使结果更直观更符合实际。应用特定的数学方法得到混合型的量化标度一一综合关联度，由综合关联度的大小来评判方案的优劣，概念清晰，便于比较。二、尚待进一步研究的内容由于时间和条件有限，有一定的不足之处，本论文的研究还需进一步完善，归纳起来如下： 硕士学位论文(1)评价指标的选取上主观性较强，有待于进一步的调整优化。(2)应用模糊综合评价法评价的科学性与模糊关系矩阵R及权重分配A有关，也有待于进一步的调整优化在以上几方面还须作更深入细致的研究。只有解决以上问题，才能使污水处理工艺优化设计水平更上一个台阶。对于本文存在的问题、不足，希望能提出宝贵意见。45 基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究参考文献【1】张建锋，黄廷林．关中地区污水处理工艺选择的系统分析．环境工程．1999，17(3)：61．64[2】吴育华，郑道英．海日长流污水厂工艺方案多目标评价与选择中国给水排水，1999，15(4)：41—43【3】胡天觉，陈维平，曾光明等，运用层次分析法对株洲霞湾污水处理厂污水处理工艺方案择优．环境工程，2000，18(1)：61．63【4】高湘，徐良．层次分析法在西安咸阳国际机场污水处理投标方案选择中的应用．http：／／211．147．14．17／paper／viewpaper．asp?id=660，2000．11【5】凌猛，杭世君．城市污水处理厂工艺方案模糊决策方法的应用．给水排水，1998，24(3)：6-9[6】AbasaeedEA．Sensitivityanalysisonasequencingbatchreactormodel11：effectofstoichiometricandoperatingparameters．J．Chem．Tech．Biotech．，[7】李如忠，多层次模糊综合评判模型在城市污水处理中的应用，淮南工业学院学报，2000，20(4)：1-4【8]Henderson,F．M．，T．F．Hart,Jr．，L．Orlando，B．Heaton,J．Portolese，andR．Chasan，1998．ApplicationofC-CAPprotocolland-coverdatatononpointsourcewaterpollutionpotentialspatialmodelsinacoastalenvironment．PhotogrammetricEngineeringandRemoteSensing64(10)：1015—1020．[9]JasonCorburn,Urbanlanduse，airtoxicsandpublichealth：Assessing[J]，EnvironmentalImpactAssessmentReview27(2007)145——160【lo】周生贤．《2005年中国环境状况公报》[R]．北京：国家环保总局，2006．06：24．20．【11】万咸涛．江河水质监测中不确定性的应用研究．江苏环境科技，1999(2)：1．4【12】柯崇宜，石淑倩，潘宁等．现有污水处理厂存在的若干问题探讨．环境保护，2000，27(2)：21—22【13】柴莺，张绍怡．浅谈城市污水处理厂设计中的热点问题．太原科技，2000，(2)：28—29【14】许劲，关于城市污水处理厂设计的若干问题讨论．给水排水，2901，27．(7)：15—18[15】董肇君．系统工程与运筹学[M】．北京：国防工业出版社，2003．01：82．88[16]聂庆华．数字环境[M】．北京：科学出版社，2005．07：89．123．【17]Bedford，B．L．，andE．M．Preston．1988．DevelopingthescientificbasisforassessingcumulativeeffectsofWetlandlossanddegradationonlandscape 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基于AHP的模糊灰色耦合理论在污水处理工艺优化设计中的应用研究致谢本论文是在导师王瑛教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、实施、撰写，每一步都有王老师的指导与帮助。王老师严谨求实的治学态度、认真细致的作风、对学生无微不至的关怀令我深深感动；更让我钦佩的是他勇于开拓的精神与积极开阔的思路。两年多来，在王老师的严格要求下，我在学业上得到了很大的提高，同时也从老师身上领悟到了正确的科研精神以及工作态度，这必将对我的未来产生极大的帮助，在此对王老师表示由衷的感谢。我还要感谢我所有的家人，他们一直在背后支持着我，为我解除了很多后顾之忧，给了我很多鼓励和信心，为我的成长付出了很多的努力与辛苦，他们的爱我会一直铭记在心头，促使我更加努力奋斗。最后要感谢环境工程系2006级的全体硕士研究生的帮助和鼓励，与他们相处的时光将是我人生最美好的记忆。魏丽2009．4于兰州理工大学 硕士学位论文附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录[1】．王瑛，魏丽，杨亚红，谢刚．生物滤池预处理黄河微污染原水的试验叨．江苏镇江：排灌机械，2007．04【2】．周宾，魏丽，王瑛，等．模糊综合评价在青藏铁路(西格段)生态环境影响评价中的应用[J]．江苏南京，环境监测管理与技术，2007．06'