嚴(yán)國兵，李衛(wèi)華，徐　玲，劉怡心，帥　磊

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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運(yùn)用模糊綜合分析法和平行因子法綜合評價(jià)污水廠運(yùn)行的穩(wěn)定性

嚴(yán)國兵，李衛(wèi)華，徐玲，劉怡心，帥磊

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

摘要：采用模糊綜合分析法對污水廠全年運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)利用平行因子法提取三維熒光光譜中的類蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)，并對每月的熒光強(qiáng)度得分變化進(jìn)行對比分析，以更好地把握污水廠處理效果的總體動(dòng)態(tài)。結(jié)果表明，通過模糊綜合分析、常規(guī)化學(xué)指標(biāo)分析以及熒光強(qiáng)度得分分析的結(jié)果基本一致，均顯示該污水廠6、7、8月份的處理效果不佳，全年運(yùn)行穩(wěn)定性較差。該研究為如何實(shí)現(xiàn)直觀、快速、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地評價(jià)污水廠運(yùn)行的穩(wěn)定性提供了可行的方案。

關(guān)鍵詞：模糊綜合分析法；平行因子法；三維熒光光譜 ；類蛋白物質(zhì) ；運(yùn)行穩(wěn)定性

0　引　　言

隨著環(huán)境污染問題的日漸突出,污水處理越來越引起人們的廣泛重視,城市污水處理廠的正常運(yùn)行對于改善城市水環(huán)境，緩解水資源危機(jī)有著重要的作用。污水處理廠在原來廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大建設(shè).因此,污水處理廠運(yùn)行效果的綜合評價(jià)成為目前急需解決的一個(gè)問題[1]。目前，城市污水處理通常依靠常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行污水廠的運(yùn)行和評價(jià)。因此，如何進(jìn)行系統(tǒng)、準(zhǔn)確、直觀的評價(jià)十分的重要。

由于三維熒光光譜具有直觀和快速的優(yōu)點(diǎn)，并且被廣泛的應(yīng)用在廢水處理研究中。本研究擬通過結(jié)合各化學(xué)指標(biāo)變化、三維熒光光譜表征和平行因子法對污水廠全年的整體運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)地分析。三維熒光光譜通常由多個(gè)激發(fā)波長下而獲得的熒光發(fā)射光譜矩陣組成，從而獲得待測樣品中所有熒光基團(tuán)的光譜信息。不同的熒光基團(tuán)在特定的激發(fā)發(fā)射波長區(qū)域有特征光譜貢獻(xiàn)，根據(jù)低濃度條件下熒光物質(zhì)濃度與熒光強(qiáng)度成正比的關(guān)系，可以直觀地比較熒光基團(tuán)濃度變化[2]。Baker等人用熒光光譜表征了受城市污水影響的英國奧斯本河水質(zhì)變化[2]。呂洪剛等人利用三維熒光技術(shù)對給水的水質(zhì)進(jìn)行測定[3]。金烏吉斯古楞等人對城市污水處理過程中溶解性有機(jī)物及熒光物質(zhì)的變化規(guī)律進(jìn)行研究[4]。部分研究學(xué)者在此基礎(chǔ)上利用平行因子法來分析水體中的溶解性有機(jī)物(DOM)和物質(zhì)成分的特性研究[5-7]。

為了能進(jìn)一步對污水廠的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)、量化的評價(jià)，把定性與定量因素結(jié)合起來，全部轉(zhuǎn)化為定量數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，從而得到理性客觀的評判結(jié)果。因此采用模糊分析法對污水廠運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析。自1965年美國California大學(xué)L.A.Zadeh教授提出模糊集以來,模糊數(shù)學(xué)在理論研究和應(yīng)用上都得到了迅速的發(fā)展[8]。模糊綜合評價(jià)的基本原理是從影響問題的諸因素出發(fā)，確定被評價(jià)對象從優(yōu)到劣若干等級的評價(jià)集合評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，對各指標(biāo)分別做出模糊評價(jià)，確定隸屬函數(shù)，形成模糊判斷矩陣，將其與權(quán)重矩陣進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到定量的綜合評價(jià)結(jié)果。目前，黃紹娃等人利用模糊綜合評判法對城市污水處理工藝加以確定[9]。龔宏偉等人對污水處理廠運(yùn)行效果進(jìn)行模糊綜合評價(jià)[1]。孫雷在實(shí)例中運(yùn)用主成分分析法和模糊綜合分析法對水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)[10]。而該研究主要在化學(xué)指標(biāo)綜合評價(jià)分析的基礎(chǔ)上結(jié)合三維熒光光譜分析對污水廠的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了更加系統(tǒng)、準(zhǔn)確的評價(jià)，對研究污水廠實(shí)際運(yùn)行效果的變化情況有更加直觀和快速的反映。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1樣品采集與分析

水樣取自合肥市某污水廠，該污水廠采用SBR工藝。取樣時(shí)間為2013年1月～12月，每月取水樣一次，分別在污水廠進(jìn)水口、曝氣池、二沉池、出水以及受納水體排出口上游和下游附近共設(shè)置6個(gè)取樣點(diǎn)，對每個(gè)月六個(gè)取樣點(diǎn)的水樣進(jìn)行處理和熒光光譜的熒光強(qiáng)度得分分析，以反映污水廠全年的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1常規(guī)的化學(xué)指標(biāo)的測定

PO43--P 、TP采用鉬銻抗分光光度法；TN采用過硫酸鉀氧化法；NH3-N采用納氏試劑氧化法；COD采用重鉻酸鉀法。

1.2.2三維熒光光譜和主要熒光物質(zhì)熒光強(qiáng)度得分的測定

水質(zhì)樣品經(jīng)12000 r·min-1離心5 min后，再通過0.45 μm濾膜過濾，掃描并獲取其三維熒光光譜。采用日本日立公司F7000熒光分光光度計(jì)，其參數(shù)設(shè)定為：激發(fā)波長(Ex)250～450 nm，發(fā)射波長(Em)300～550 nm，狹縫寬度10 nm，PMT電壓700 V，掃描速度2400 nm·min-1。三維熒光光譜圖采用MATLAB軟件繪制，處理后的激發(fā)發(fā)射光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為MATLAB中的三維矩陣進(jìn)行平行因子分析計(jì)算[11]。

1.2.3模糊綜合分析法

綜合評價(jià)是通過多項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行的。如果某項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值能明確區(qū)分開各個(gè)被評價(jià)對象，說明該指標(biāo)在這項(xiàng)評價(jià)上的分辯信息豐富，因而應(yīng)給該指標(biāo)以較大的權(quán)數(shù)；反之，若各個(gè)被評價(jià)對象在某項(xiàng)指標(biāo)上的數(shù)值差異較小，那么這項(xiàng)指標(biāo)區(qū)分各評價(jià)對象的能力較弱，因而應(yīng)給該指標(biāo)較小的權(quán)數(shù)。應(yīng)用相對偏差最小法對污水廠每月運(yùn)行的整體狀況進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，評價(jià)模型如下：

(2)建立相對偏差模糊矩陣R

(3)建立個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)數(shù)W={w1,w2…wn}

(4)建立模糊綜合評價(jià)模型

若Ft< Fs則表示該污水廠第t個(gè)月比第s個(gè)月污水處理綜合效果要好。

2　結(jié)果與討論

2.1常規(guī)化學(xué)指標(biāo)檢測分析

每月的主要化學(xué)指標(biāo)去除率的變化情況如圖 1所示，圖1(d)中可溶解性COD和氨氮的去除率的波動(dòng)幅度不大，從而表明可溶解性COD和氨氮的去除率的變化趨勢對綜合評價(jià)污水廠運(yùn)行的穩(wěn)定性影響不大。由圖1(a)、(b)、(c)分析可知前四個(gè)月總氮(TN)、氨氮(NH3—N)、總磷(TP)、正磷酸鹽(orthophosphate)和可溶解性COD的去除率較高，說明前一季度污水廠處理較好。6、7、8三個(gè)月中總磷、正磷酸鹽、總氮的去除率變化較大，例如6月份正磷酸鹽和總磷的去除率分別為23.26%和38.55%，8月份總氮的去除率為25.36%。表明污水廠在6、7、8三個(gè)月運(yùn)行的處理效果較差，這可能由于污水廠在該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行提標(biāo)改造所造成的。綜合分析可知污水廠全年運(yùn)行的穩(wěn)定性較差。

2.2三維熒光光譜和主要熒光物質(zhì)熒光強(qiáng)度得分的分析

2.2.1各取樣點(diǎn)三維熒光光譜分析

由于每月的三維熒光光譜繪制和分析方式基本一致，圖2僅繪制出1月份各取樣點(diǎn)的熒光光譜圖并對其進(jìn)行簡要的分析。圖2中存在一個(gè)明顯的熒光峰，其激發(fā)發(fā)射波長Ex/Em位于280 nm/340 nm，它源于類蛋白質(zhì)物質(zhì)的熒光貢獻(xiàn)[12-13]，在激發(fā)發(fā)射波長Ex/Em位于320 nm/420 nm區(qū)域源于類富里酸物質(zhì)的熒光貢獻(xiàn)[12]。

由圖3可知水樣的總體熒光強(qiáng)度變化為：進(jìn)水的熒光強(qiáng)度最高，曝氣池?zé)晒鈴?qiáng)度急劇下降，曝氣池、沉淀池和出水的熒光強(qiáng)度變化不明顯，基本保持不變。此外，污水廠排污口上游比下游熒光強(qiáng)度強(qiáng)，這說明污水廠的出水并非是河流受污染的主要原因。

2.2.2主熒光物質(zhì)熒光強(qiáng)度得分分析

由三維熒光光譜分析可知，類蛋白質(zhì)物質(zhì)是熒光峰的主要貢獻(xiàn)者，而三維熒光光譜主要反應(yīng)的是細(xì)胞外類蛋白質(zhì)物質(zhì)的濃度變化，因此，本研究采用平行因子法僅提取類蛋白質(zhì)物質(zhì)的熒光強(qiáng)度得分，并通過其每月份的得分變化情況來簡要分析污水廠全年的運(yùn)行狀況。

從圖3(b)、(c)可以看出，6、7、8三個(gè)月份該污水廠整個(gè)運(yùn)行處理過程中水樣的類蛋白質(zhì)物質(zhì)熒光強(qiáng)度得分基本沒有改變。熒光強(qiáng)度得分曲線的變化趨勢與其他月份差異較大，從而可以間接地反映污水廠全年運(yùn)行穩(wěn)定性較差。其分析結(jié)果與檢測常規(guī)化學(xué)指標(biāo)變化的分析結(jié)果一致。

2.3模糊綜合分析法

假設(shè)該污水廠各月份投入的運(yùn)行成本相差不大，即忽略污水廠的成本型參數(shù)指標(biāo)。僅考慮該污水廠的效益型指標(biāo)，效益型指標(biāo)包括：正磷酸鹽去除率、總磷去除率、氨氮去除率、總氮去除率、溶解性COD去除率，即通過分析污水廠12個(gè)月的5項(xiàng)常規(guī)化學(xué)指標(biāo)除去率變化來反映其運(yùn)行穩(wěn)定性(見表1)。

表1　該污水廠1～12月各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)的去除率

(2)相對偏差模糊矩陣R

W={0.2528,0.2280,0.0577,0.3162,0.1453}

經(jīng)過上述計(jì)算后得出:

F=(0.255,0.264,0.244,0.179,0.203,0.559,0.823,0.787,0.398,0.540,0.441,0.186)

污水廠各月綜合評價(jià)F值變化如圖 4所示，該污水廠前半年1～5月份綜合處理效果很好，F(xiàn)值最大不超過0.3。而6、7、8月份綜合處理效果較差，這3個(gè)月F的均值0.723，后一季度的綜合評價(jià)F值逐漸減小，污水廠的處理效果逐漸恢復(fù)。這與通過各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)去除率的變化分析以及熒光強(qiáng)度得分分析的結(jié)果基本一致。結(jié)合12個(gè)月的綜合評價(jià)F值的變化表明該污水廠全年運(yùn)行狀況不穩(wěn)定。

在龔宏偉對污水處理廠運(yùn)行效果的模糊綜合評價(jià)中，每季度僅采取1次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較少，以此數(shù)據(jù)反映污水廠運(yùn)行的穩(wěn)定性不準(zhǔn)確，可信度低；而且權(quán)向量W={w1,w2…wn}的確定是模糊分析法的重點(diǎn)，在其文章中通過假設(shè)各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)向量W={0.35,0.05,0.4,0.05,0.15}與實(shí)際計(jì)算W={0.2932,0.119,0.1656,0.3299,0.0995}偏差較大[1]。而該研究的優(yōu)勢主要在于采用大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、準(zhǔn)確的計(jì)算方法并綜合三維熒光強(qiáng)度得分變化最終得到合理的評價(jià)結(jié)果，這將對污水廠的實(shí)際運(yùn)行具有指導(dǎo)性意義。

3　結(jié)　　論

通過對該污水廠全年各月份水樣的主要化學(xué)指標(biāo)去除率變化情況進(jìn)行分析，6、7、8月份的三種化學(xué)指標(biāo)(正磷酸鹽、總磷和總氮)的去除率相對較低，處理效果較差，從而影響了污水廠全年運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)采用三維熒光光譜對污水中的熒光物質(zhì)進(jìn)行表征，結(jié)合平行因子法提取各月份樣品中類蛋白質(zhì)物質(zhì)的熒光強(qiáng)度得分，并在此基礎(chǔ)上對比分析各月份熒光強(qiáng)度得分的變化趨勢。其分析結(jié)果與單獨(dú)通過常規(guī)化學(xué)指標(biāo)去除率的變化趨勢分析結(jié)果基本一致，全年運(yùn)行的穩(wěn)定性較差。忽略該污水廠各月投入的成本型參數(shù)，綜合主要化學(xué)指標(biāo)去除率的效益型參數(shù)，建立模糊綜合分析模型。其評價(jià)結(jié)果顯示，全年中該污水廠6、7、8月份的綜合評價(jià)F值相對較大，分別為0.559、0.823、0.787。根據(jù)評價(jià)模型可知F值越大處理的效果越差，故分析結(jié)果與上述分析結(jié)果相同。

綜上所述，結(jié)合模糊分析法的定量性和準(zhǔn)確性與三維熒光光譜的直觀性和快速性，可以實(shí)現(xiàn)對污水廠運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行全面地、綜合地評價(jià)。

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Comprehensive Evaluation of the Operation Stability of Sewage Treatment

Plant Using the Fuzzy Comprehensive Analysis and Parallel Factor Analysis

YAN Guobing，LI Weihua，XU Ling，LIU Yixin，SHAI Lei

(School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University ,Hefei, 230601,China)

Abstract:The operational stability of municipal sewage treatment plants (MSTP) of the whole year was evaluated using the fuzzy comprehensive analysis method. To better understand the overall dynamic effect of the sewage treatment plants, the protein-like substances were characterized using three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy combined with parallel factor analysis (PARAFAC), and its fluorescence intensity scores was acquired and evaluated. The results show that the analysis of fuzzy comprehensive evaluation is consistent with the general chemical index and fluorescence intensity. and the treatment effect of the MSTP in June, July and August is poor, which lead to unstable operation stability.This study provides an intuitive, rapid, accurate and systematic method to evaluate the operational stability of sewage treatment plant.

Key words:fuzzy comprehensive analysis; parallel factor analysis ; three-dimensional fluorescence spectra ; protein-like substances; operational stability

中圖分類號：X832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382(2015)05-071-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150516

作者簡介：嚴(yán)國兵(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：水污染控制。。

基金項(xiàng)目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX07303-002-04)

收稿日期：2015-03-16