城镇污水处理工艺优选决策模型研究

论文摘要

污水处理是涉及技术、经济、环境与社会诸因素的复杂过程。在污水处理工艺优选决策过程中,采用成本效益分析等单目标决策方法有失偏颇。然而,目前污水处理工艺多目标决策模型存在着决策指标体系差别较大、决策指标的量化手段过于主观、决策指标权值求解运算过程稳定性差以及决策模型没有充分体现污水处理工艺优选决策过程的数学特性等问题,致使尚没有被普遍接受的工艺优选决策模型。该文是建设部荷兰赠款项目《中国西部小城镇环境基础设施技术指南》编制课题（项目编号:MOC-NGGP-2003-3）的部分研究内容,着重研究在备选工艺确定的条件下如何系统、全面、客观与科学地对城镇污水处理工艺进行优选决策。包括城镇污水处理设施适宜工艺的探讨、可持续污水处理工艺决策指标体系及其量化方法的研究、污水处理工艺决策指标权值确定方法的研究、污水处理工艺决策模型的研究以及备选工艺决策指标灵敏度分析的探讨5个方面。主要研究内容如下:①实地调研与文献调研表明,我国规划建设的西部城镇的污水处理量在5×104m3/d以下,多在（0.22.0）×104m3/d范围内,大部分西部城镇污水为典型生活污水。对于我国小城镇污水处理设施,推荐采用SBR系列、氧化沟系列、以及生物滤池系统,土地资源比较丰富的城镇可采用自然净化系统。②分别剖析了以费用最小与“绿色性”作为污水处理工艺优选决策目标存在的不足,认为用可持续性作为污水处理工艺优选决策目标更符合污水处理工艺的发展方向。借鉴以往研究者的研究成果,提出污水处理工艺的可持续性包括技术可持续、经济可持续、环境可持续与社会可持续四个方面。根据我国有关基础研究缺乏的现状,从技术、环境、经济与社会四个方面构建了客观、全面且操作性较强的可持续决策指标体系,并确定了决策指标的量化方法。该体系包括技术、能量利用率、间接能耗、占地、年费用、运行管理难易程度与对操作者文化水平要求七个决策指标。应用研究表明,污水处理工艺可持续决策指标较传统技术经济指标更全面,指标的量化方法可操作性较强。③创建了基于模糊聚类的改进遗传算法（FMGA）来确定决策指标的权值。较常规权值求解方法,FMGA不仅能最大程度的保留判断者的原始决策信息,在一定范围内自动调整判断矩阵的一致性,而且能稳定、快速且有效地求得决策指标权值。通过大量数值仿真试验对FMGA的5个控制参数的取值范围进行了探讨。仿真试验表明:变量x m二进制编码的长度l由解变量的取值范围与精度要求共同确定;群体规模N宜等于或大于300, A为5% N 30% N ;采用聚类水平λ将种群尽量划分为个体数目相等的两类;变异概率为验证FMGA性能,利用Delphi语言仿真算法,将FMGA与基本遗传算法（简称CGA）进行对比研究。结果表明,FMGA较CGA更能有效克服早熟收敛,能在较短时间内逼近全局最优解;运算结果较CGA提高4个数量级,且运算过程不存在震荡现象。④通过发放调查表获得专家原始判断矩阵;采用FMGA计算得到三峡库区城镇污水处理工艺优选决策指标权值,其重要性排序为:经济（0.2365）>技术（0.2094）>物耗（0.1640）>O&M难易程度（0.1544）>文化水平要求（0.1383）>能耗（0.1014）。该结果表明,在当前情况下经济与技术为三峡库区污水处理工艺优选决策中最重要的指标。⑤根据城镇污水处理工艺优选决策的模糊性、灰色性与决策指标间相互补偿的数学特征,将半梯形分布的隶属函数与灰色关联法相结合,创建了模糊—灰色关联法,并将其用于构建城镇污水处理工艺优选决策模型。模糊—灰色关联法能充分体现污水处理工艺优选决策过程的数学特征。将模糊-灰色关联法与灰色关联法、模糊数学法与逼近理想解法进行比较研究,结果表明,模糊-灰色关联法的决策结果更为科学合理,且运算过程简洁,运算量小。⑥推导得出了模糊-灰色关联法灵敏度分析的结论,包括备选方案排序不变与排序改变两种情况下,决策指标值的允许变动范围。该方法的灵敏度分析能为研究人员、设计人员、污水处理厂运行与管理人员提供改进或改善污水处理工艺的参考信息。⑦针对三峡库区某设计处理规模为4000m3/d的城镇污水处理厂,按SBR、BAF与Orbal氧化沟3种备选工艺进行了决策分析。决策结果表明,BAF工艺最优,SBR工艺次之,Orbal氧化沟工艺相对较劣。灵敏度分析表明,对西部小城镇污水处理设施（设计处理规模为4000m3/d左右）,BAF工艺与SBR工艺明显优于Orbal氧化沟。对于西部小城镇污水处理厂,重视运行中的节能减耗工作,并提高处理厂职工的操作与运行水平,可使污水处理过程更符合可持续的发展要求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状与存在问题
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 存在的问题
• 1.3 主要研究内容与技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究的技术路线
• 2 城镇污水处理工艺评述
• 2.1 城镇污水的水量与水质
• 2.1.1 城镇污水量
• 2.1.2 城镇污水水质
• 2.2 城镇污水处理工艺
• 2.2.1 城镇污水处理设施适用工艺
• 2.2.2 城镇污水处理设施适用工艺简评
• 2.3 小结
• 3 可持续决策目标及指标体系研究
• 3.1 污水处理工艺优选可持续决策目标
• 3.1.1 污水处理工艺优选目标简评
• 3.1.2 污水处理工艺优选可持续决策目标
• 3.2 可持续决策目标的量化指标体系
• 3.2.1 技术指标
• 3.2.2 环境指标
• 3.2.3 经济指标
• 3.2.4 社会指标
• 3.3 污水处理工艺优选决策指标体系的应用
• 3.3.1 成本效益分析对三种工艺的比较
• 3.3.2 可持续决策指标体系对三种工艺的初步比较
• 3.4 小结
• 4 决策指标权值求解方法研究
• 4.1 遗传算法
• 4.1.1 遗传算法基本思想
• 4.1.2 遗传算法的数学基础
• 4.1.3 遗传算法的特点
• 4.1.4 遗传算法的实现技术
• 4.1.5 基本遗传算法
• 4.2 基于模糊聚类的改进遗传算法
• 4.2.1 FMGA 设计思想
• 4.2.2 FMGA 步骤
• 4.2.3 FMGA 控制参数的取值
• 4.2.4 仿真试验
• 4.2.5 FMGA 求取指标权值
• 4.3 改进遗传算法在污水处理工艺优选决策指标权值确定中的应用
• 4.3.1 库区城镇污水处理工艺优选决策指标体系
• 4.3.2 决策指标权值确定研究的基本资料
• 4.3.3 库区城镇污水处理工艺优选决策指标权值的研究
• 4.4 小结
• 5 四种优选方法在污水处理工艺优选中的对比应用研究
• 5.1 已有的三种优选方法
• 5.1.1 逼近理想解法
• 5.1.2 灰色关联法
• 5.1.3 模糊数学法
• 5.2 模糊—灰色关联法
• 5.2.1 城镇污水处理工艺优选决策的数学特征
• 5.2.2 模糊—灰色关联决策方法
• 5.3 四种优选方法的对比研究
• 5.4 小结
• 6 模糊—灰色关联法的灵敏度分析及其在污水处理工艺优选中的应用
• 6.1 模糊—灰色关联法的灵敏度分析
• 6.1.1 模糊—灰色关联法灵敏度分析的数学符号
• 6.1.2 有关结论及其推导过程
• 6.2 模糊—灰色关联法灵敏度分析在污水处理工艺优选中的应用
• 6.2.1 Orbal 氧化沟工艺决策指标的灵敏度分析
• 6.2.2 SBR 工艺决策指标的灵敏度分析
• 6.2.3 BAF 工艺决策指标的灵敏度分析
• 6.3 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 作者在攻读博士学位期间发表的部分论文
• 附录B 可持续决策指标体系应用实例相关数据
• 附录C FMGA 控制参数中N 与A 确定
• 附录D 三峡库区城镇污水处理工艺决策指标权值调查表回函的样本
• 附录E FMGA 算法求解库区城镇污水处理工艺优选决策一级指标权值的相关数据