改進(jìn)秩和比法在城鎮(zhèn)污水處理工藝優(yōu)選中的應(yīng)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(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實驗室,重慶 400074；2.國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大量污廢水不合理的排放,污染了周邊的環(huán)境[1-2]。多年來，我國發(fā)展應(yīng)用了諸多污水處理工藝[3-4]。但選用時受限于基建運(yùn)行費(fèi)用、處理效果、施工難易等因素，難以選出最優(yōu)處理工藝[5]。運(yùn)用綜合評估法選出較為適合的處理工藝受到廣泛關(guān)注[6]。綜合評估方法對多指標(biāo)進(jìn)行量化分析，為待選工藝排序得出最優(yōu)方案[7]。

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

1 材料與方法

秩和比法是1988年對醫(yī)學(xué)背景下的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行評估而提出的，被采用后廣泛應(yīng)用于社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)等綜合評價中，該方法因充分考慮到原始數(shù)據(jù)的重要性，從而對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計，傳統(tǒng)秩和比法將信息轉(zhuǎn)化為秩次的形式進(jìn)行量化比較，結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計理論簡單有效的為目標(biāo)信息排序，結(jié)果具有客觀性[10]。

1.1 改進(jìn)RSR法原理

改進(jìn)RSR法克服了傳統(tǒng)RSR法編秩上的不足，所得秩次能更好地表征原始數(shù)據(jù)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(yōu)秩指標(biāo)

(1)

對于低優(yōu)秩指標(biāo)

(2)

式中R為秩次，N為處理工藝數(shù)量，X為指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)。

(2)當(dāng)各評價指標(biāo)的權(quán)重不同時，計算加權(quán)秩和比(WRSR)：

(3)

式中，i=1～5;j=1～7;Rij為各評價指標(biāo)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(jìn)行分檔。

1.2 權(quán)重的分配

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

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論，將層次分析法和熵權(quán)法加權(quán)，確定最終權(quán)值為：

(4)

1.3 評價對象及指標(biāo)的選取

污水處理工藝的優(yōu)選是在多個待選方案中選取一個較優(yōu)的方案[16]，基于《2016年城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計年鑒》中的數(shù)據(jù)，對河北省城鎮(zhèn)污水處理工藝的選用進(jìn)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(jù)河北城鎮(zhèn)污水工藝的特點(diǎn)，對排水統(tǒng)計年鑒的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，考慮3個方面的因素，即經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)和管理指標(biāo)[17]。最終確定7個指標(biāo)：單位水量運(yùn)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(xù)性X5，排放標(biāo)準(zhǔn)X6，管理難度X7，具體見表1。

表1 5類工藝對應(yīng)各指標(biāo)下的評分

2 結(jié)果與討論

2.1 指標(biāo)權(quán)值的確立

2.1.1 層次分析法確定權(quán)值

2.1.1.1 建立判斷矩陣 根據(jù)參考文獻(xiàn)的成果及相關(guān)專家的意見[18]，運(yùn)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(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，建立指標(biāo)層的判斷矩陣。

表2 5級評價值

2.1.1.2 計算權(quán)重向量并歸一化 得各因素層W0、各指標(biāo)層的權(quán)值向量W1。

表3 各層權(quán)值表

2.1.1.3 對判斷矩陣進(jìn)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(jìn)行一致性檢驗，結(jié)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(jìn)行修正[19]。

2.1.2 熵權(quán)法確定權(quán)值

2.1.2.1 建立無量綱矩陣 對原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，得矩陣

2.1.2.2 確定各指標(biāo)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(biāo)權(quán)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(biāo)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，以不同秩次表示原始數(shù)據(jù)的大小。按COD削減率X3、氨氮削減率X4、排放標(biāo)準(zhǔn)X5、可持續(xù)性X6、管理難度X7為高優(yōu)秩，單位水量運(yùn)行成本X1，單位干污泥脫水藥耗X2為低優(yōu)秩劃分，高優(yōu)秩表示在該指標(biāo)中秩次越高越優(yōu)，低優(yōu)秩表示在該指標(biāo)中秩次越低越優(yōu)。5類工藝在各個指標(biāo)下的具體秩次見表4。

表4 5類工藝在各個指標(biāo)下的RSR值

2.2.2 加權(quán)秩和比的計算 主觀賦值難以排除個人經(jīng)驗對指標(biāo)權(quán)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(jié)果相對客觀，但只能反映數(shù)據(jù)之間的重要程度，而模糊了各指標(biāo)實際的重要程度。兩者結(jié)合求得權(quán)值，既能反映原始數(shù)據(jù)信息，又符合實際應(yīng)用[20]。將層次分析法與熵權(quán)法所得權(quán)值相結(jié)合，為最終各個指標(biāo)權(quán)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(guān)，線性回歸方程為RSRw=0.685 3*Probit+0.300 9，相關(guān)系數(shù)R2=0.949 6，回歸方程檢驗結(jié)果為統(tǒng)計量F=56.555,F檢驗的結(jié)果為0.004 87，T檢驗的結(jié)果為P=0.004 87，回歸方程具有統(tǒng)計意義。

2.2.5 排序分檔 根據(jù)RSR值，將5類工藝分為優(yōu)良差三檔，結(jié)果見表6。

表6 河北省5類工藝分檔與排序結(jié)果

對上述結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果顯示，F(xiàn)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(yōu)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(zhì)穩(wěn)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(zhèn)污水處理工藝中屬于優(yōu)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(yùn)行費(fèi)用高且運(yùn)行靈活性差；其他工藝(如傳統(tǒng)活性污泥法，百樂可)技術(shù)成熟，但單位電耗較高，且管理較為困難，就長期運(yùn)行來看，提高了運(yùn)行管理費(fèi)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(fèi)用較高。應(yīng)用該方法仍存在一些不足之處，如近年大力提倡生態(tài)環(huán)保建設(shè)，但由于缺乏有關(guān)資料數(shù)據(jù)，計算時并未深入考慮。選擇不同指標(biāo)將影響權(quán)重的賦值，進(jìn)而影響待選污水處理工藝的評估。因此，在運(yùn)用RSR法時尚需結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r合理選擇評估指標(biāo)。

3 結(jié)論

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

(2)對于城鎮(zhèn)污水處理工藝的選擇時，除了參考非整秩次RSR法的技術(shù)綜合評價得分外。還應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會性能等各方面的因素，合理選擇污水處理工藝。