向連城，宋永會 ，段 亮，李 蕊，李 叢，劉雪瑜

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012）

1 前言

我國在環(huán)境技術(shù)管理方面雖然做了大量工作，但總體仍處于松散、無序的狀態(tài)，過去開展的環(huán)境保護(hù)最佳實(shí)用技術(shù)篩選工作由于存在諸如評價(jià)制度不完善、評價(jià)機(jī)制不健全等問題，尚未形成完整、科學(xué)、系統(tǒng)的環(huán)境技術(shù)管理體系，遠(yuǎn)不能滿足環(huán)境監(jiān)管、科技進(jìn)步和環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求。

2009年，遼河流域主要排污行業(yè)為石油加工煉焦及核燃料加工業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、造紙及制品業(yè)、黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)、飲料制造業(yè)和醫(yī)藥制造業(yè)，各行業(yè)廢水排放量、化學(xué)需氧量（CODCr）排放量、氨氮排放量占工業(yè)廢水排放總量的比例見圖1。由圖1可以看出，石油、化工、造紙、農(nóng)副產(chǎn)品加工、飲料制造等行業(yè)污染物排放量較大，醫(yī)藥行業(yè)廢水排放總量較低，但濃度較高。石化、冶金、醫(yī)藥、紡織和造紙5個(gè)行業(yè)使用的不同廢水處理方法所占比例見圖2。在石化、醫(yī)藥行業(yè)中，采用好氧活性污泥廢水處理方法的比例較高；在紡織、造紙行業(yè)中，采用混凝-氣浮組合工藝廢水處理方法的比例較高。在以上行業(yè)廢水處理中采用何種方法需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，其實(shí)際運(yùn)行效果的優(yōu)劣沒有科學(xué)的評判。

圖1 各行業(yè)廢水排放量、CODCr排放量和氨氮排放量占工業(yè)廢水排放總量的比例Fig.1 The proportion of wastewater，CODCrand NH3-N discharge of each industry to total industry

圖2 各行業(yè)中各種廢水處理方法所占比例Fig.2 The proportion of each wastewater treatment method in each industry

遼河流域的水污染治理是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。針對廢水處理技術(shù)眾多、效率差異大等問題，以及國內(nèi)缺乏規(guī)范有效的技術(shù)評估方法和技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用缺乏科學(xué)評價(jià)依據(jù)的現(xiàn)狀，本研究構(gòu)建了遼河流域重污染行業(yè)廢水處理技術(shù)評估方法，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，對流域重污染行業(yè)的典型廢水處理技術(shù)進(jìn)行了評估，以期為流域污水處理技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提供有效的技術(shù)支持和依據(jù)。

2 行業(yè)廢水處理最佳可行技術(shù)評估方法研究

2.1 行業(yè)廢水治理技術(shù)評價(jià)方法的建立

工業(yè)廢水處理技術(shù)評價(jià)方法中最主要的評價(jià)方法是效益評價(jià)，即環(huán)境投資收益評價(jià)[1]。該方法是將治理污水所付出的代價(jià)（污水治理所需投資和污水治理設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用）與所獲得的收益（包括綜合利用回收有用物質(zhì)收益、通過治理減少環(huán)保罰款和避免停產(chǎn)損失的效益等）相比較，效益/費(fèi)用比值較大的處理技術(shù)為優(yōu)。目前常用的評價(jià)方法有模糊綜合評判法[2]、灰色綜合評判法[3]、層次分析法[4]、費(fèi)用效益分析法[5]和技術(shù)成本效益評價(jià)法[6]等。通過對模糊綜合評判法及灰色綜合評判法的深入研究，將灰色系統(tǒng)的理論和方法引入模糊綜合評判法，并對現(xiàn)有模糊綜合評判法中存在的問題加以分析、處理，建立模糊-灰色集成評判法，使改進(jìn)后的方法計(jì)算簡單、定量化程度高，最大程度地?cái)[脫了人為因素對評價(jià)結(jié)果的影響。

權(quán)重集A[7]是決定評判結(jié)果可靠與否的關(guān)鍵因素，而進(jìn)行評判時(shí)最困難的問題往往就是對A的正確賦值。從目前的技術(shù)評價(jià)應(yīng)用成果來看，因素的權(quán)重集大多是由研究人員根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)賦值的，這就使得評判這樣一種定量的研究方法因人為確定的權(quán)重集而帶上了不確定性。

模糊綜合評判的權(quán)重集[8]事實(shí)上反映了事物內(nèi)部各種影響因素之間的相互關(guān)系，在多數(shù)情況下，人們并不能清楚地知道這種關(guān)系，換言之，事物與其影響因素構(gòu)成了一個(gè)灰色系統(tǒng)。為此，筆者將灰色綜合評判法引入模糊綜合評判法中。在綜合評價(jià)中，將評判事物的標(biāo)準(zhǔn)序列作為參考數(shù)列，將各評價(jià)對象構(gòu)成的序列作為比較數(shù)列，然后計(jì)算各評價(jià)對象與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)聯(lián)度[9]。關(guān)聯(lián)度愈大，表明相應(yīng)的評價(jià)對象與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系愈緊密，即該因素對主因素的影響愈大[10]。這說明關(guān)聯(lián)度與權(quán)重在基本意義上是相通的。因此，利用特定的方法對關(guān)聯(lián)度加以處理來代替模糊綜合評判法中的權(quán)重集是可行、合理的。

2.1.1 原始數(shù)據(jù)的無量綱化處理

在處理數(shù)據(jù)時(shí)，不同的指標(biāo)擁有不同的量綱，如果不對這些指標(biāo)的量綱進(jìn)行處理，那么將無法進(jìn)行理論運(yùn)算和數(shù)據(jù)計(jì)算。為此，應(yīng)對所有的指標(biāo)值進(jìn)行無量綱化處理。無量綱化處理能很好地消除原始數(shù)據(jù)量綱對評價(jià)指標(biāo)可加、可比性的影響，利用特定的運(yùn)算將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為新值，從而保證運(yùn)算的正常進(jìn)行[11]。下面介紹一種改進(jìn)后的無量綱化處理方法[12]。

設(shè)minyi（k）、maxyi（k）分別為第k個(gè)指標(biāo)在所有方案中的最小值和最大值，則

其中，式（1）適用于值越大效用越大的因素屬性；式（2）適用于值越小效用越大的因素屬性。

2.1.2 參考數(shù)列與比較數(shù)列的選定

通常選用諸方案中的最優(yōu)值（若某一指標(biāo)取大值為好，則取該指標(biāo)在各方案中的最大值；若取小值為好，則取各方案中的最小值）作為關(guān)聯(lián)分析的參考數(shù)列[13]，記為X0，表示為

將決定、影響被評判事物性質(zhì)的各子因素?cái)?shù)據(jù)的有序排列作為關(guān)聯(lián)分析的比較數(shù)列[14]，記為Xi（k），表示為

2.1.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

將無量綱化處理后的參考數(shù)列記為{x0（k）}（k=1，2，…，m），將無量綱化處理后的比較數(shù)據(jù)列記為{xi（k）}（i=1，2，…，n；k=1，2，…，m）。則關(guān)聯(lián)系數(shù)[15]為

式中，ρ∈[0，1] 為分辨系數(shù)，一般取ρ=0.5；i=1，2，…，n；k=1，2，…，m。

2.1.4 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

利用式（6）即可計(jì)算出各比較數(shù)列與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度[16]

2.1.5 由關(guān)聯(lián)度向權(quán)重的轉(zhuǎn)換

將關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，得權(quán)重集[17]

2.1.6 建立單因素評判集

令

式中，rki表示第i個(gè)方案的第k項(xiàng)指標(biāo)的值在n個(gè)方案的同一指標(biāo)值的總和中所占的比例。則單因素評判集[18]為

2.1.7 綜合評判

利用模型M（·，+）[19]對各方案進(jìn)行綜合評價(jià)：

式中，B～為綜合評價(jià)結(jié)果矩陣；，為第i個(gè)方案的評價(jià)結(jié)果。

2.2 行業(yè)廢水治理技術(shù)評價(jià)方法應(yīng)用

在廢水治理技術(shù)評估中，首先根據(jù)水處理技術(shù)的投資額、運(yùn)行費(fèi)用和減排受益等數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)效益評價(jià)。然后利用模糊-灰色集成評判法對其水處理效果進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)指標(biāo)為CODCr、生化需氧量（BOD5）、氨氮、石油類、揮發(fā)酚的去除率等（具體指標(biāo)因行業(yè)廢水的基本特征而異）。最后利用多層次灰色綜合評判法對廢水治理技術(shù)在經(jīng)濟(jì)效益和處理效果兩方面的表現(xiàn)進(jìn)行綜合，得出不同技術(shù)的綜合評分，下面以石化行業(yè)廢水處理技術(shù)為例進(jìn)行評價(jià)。

第一步，對遼河流域石化行業(yè)水處理技術(shù)效益進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)水處理技術(shù)的總投資、運(yùn)行費(fèi)用及年收益情況計(jì)算技術(shù)收益率。其中，收益按減排污染物所節(jié)省的排污收費(fèi)來計(jì)算。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，遼河流域石化行業(yè)收益最高的廢水處理技術(shù)為離子交換法，收益率為37.997。

第二步，對遼河流域石化行業(yè)水處理效果采用模糊-灰色集成評判方法進(jìn)行評價(jià)，該行業(yè)的水處理效果評價(jià)指標(biāo)體系為CODCr、氨氮、石油類以及揮發(fā)酚的去除率。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，遼河流域石化行業(yè)廢水處理效果最好的技術(shù)為好氧活性污泥法，評價(jià)得分為0.85。

最后，對遼河流域石化行業(yè)水處理技術(shù)進(jìn)行綜合評價(jià)，以第一步和第二步中的技術(shù)費(fèi)用效益評價(jià)和處理效果評價(jià)的結(jié)果為基礎(chǔ)，利用多層次灰色綜合評判法對二者加以整合，得出綜合評價(jià)結(jié)果（見表1）。由表1可知，遼河流域石化行業(yè)綜合評價(jià)最好的廢水處理技術(shù)是好氧活性污泥法，綜合得分為0.7347。應(yīng)用該評價(jià)方法對冶金、醫(yī)藥、紡織、造紙等遼河流域重污染行業(yè)的廢水處理技術(shù)進(jìn)行評價(jià)，得到以下結(jié)果：冶金行業(yè)綜合評價(jià)最好的廢水處理技術(shù)是好氧活性污泥法，綜合得分為0.7356；醫(yī)藥行業(yè)綜合評價(jià)最好的是好氧生物膜法，綜合得分為0.7376；紡織行業(yè)綜合評價(jià)最好的是混凝-沉淀組合工藝，綜合得分為0.7333；造紙行業(yè)綜合評價(jià)最好的是化學(xué)沉淀-好氧活性污泥組合工藝，綜合得分為0.7350。

表1 遼河流域石化行業(yè)廢水處理技術(shù)綜合評價(jià)Table 1 Petrochemical Industry wastewater treatment technology comprehensive evaluation in Liaohe River basin

3 行業(yè)廢水處理技術(shù)評估軟件系統(tǒng)開發(fā)

3.1 軟件介紹

3.1.1 軟件設(shè)計(jì)思想

本軟件是在大量調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，借鑒了眾多現(xiàn)有技術(shù)評估軟件的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合遼河流域典型工業(yè)廢水的特點(diǎn)，采用先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)而成的。

1）模塊化設(shè)計(jì)。將評估軟件分為若干個(gè)相對獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊承擔(dān)不同的功能。主要包括數(shù)據(jù)錄入、計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出、查詢以及報(bào)表等。

2）數(shù)據(jù)庫技術(shù)。針對評價(jià)過程中使用信息量大的特點(diǎn)，本軟件采用數(shù)據(jù)庫形式來管理各類數(shù)據(jù)。

3）可視化編程技術(shù)。本軟件采用Visual C#可視化編程語言進(jìn)行編寫，具有貼近用戶的圖形操作界面，實(shí)現(xiàn)了所見即所得的設(shè)計(jì)意圖；通過采用Windows風(fēng)格的界面，實(shí)現(xiàn)了良好的全中文人機(jī)交互功能。

4）開放性設(shè)計(jì)。在開發(fā)軟件時(shí)考慮到用戶將來有對軟件進(jìn)行修改的需要，因此采用了開放性的設(shè)計(jì)風(fēng)格，用戶只需添加新模塊或修改現(xiàn)有的相應(yīng)模塊即可實(shí)現(xiàn)對軟件的升級，而不需要重新編寫軟件的核心程序[20]。

3.1.2 軟件結(jié)構(gòu)

遼河水污染治理技術(shù)評估軟件由4個(gè)子系統(tǒng)組成，即人機(jī)對話與問題處理系統(tǒng)、模型庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及知識庫管理系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 技術(shù)評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of technology assessment system

人機(jī)對話與問題處理系統(tǒng)包括用戶界面、數(shù)據(jù)的輸入輸出、故障判斷及反饋以及報(bào)表輸出等部分；模型庫管理系統(tǒng)包括軟件內(nèi)部所集成的多種數(shù)學(xué)模型：模糊-灰色集成評判法、層次分析法、模糊綜合評判法、灰色綜合評判法、費(fèi)用效益分析法和技術(shù)成本效益評價(jià)法，共計(jì)6種綜合評價(jià)方法，分別應(yīng)用于不同的評價(jià)需求；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能是用戶數(shù)據(jù)的讀取與保存，參數(shù)的讀取以及后臺數(shù)據(jù)緩存等；知識庫管理系統(tǒng)包括評價(jià)方法介紹以及常見水處理技術(shù)簡介等內(nèi)容。

3.2 軟件功能

軟件主功能包括3個(gè)部分，分別是評價(jià)功能、查詢功能和信息采集功能，軟件主界面如圖4所示。

圖4 軟件主界面Fig.4 Main interface of the software

3.2.1 評價(jià)功能

評價(jià)功能主要針對水處理技術(shù)的評價(jià)而設(shè)計(jì)。水處理技術(shù)種類繁多，對于不同水處理技術(shù)，從處理效果以及經(jīng)濟(jì)性等多方面出發(fā)對水處理技術(shù)進(jìn)行評價(jià)，并給出不同技術(shù)在不同方面的優(yōu)劣性報(bào)告，為使用者完成技術(shù)決策提供有力的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持[21，22]。用戶可選擇不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評價(jià)。

軟件集成了6種不同的評價(jià)模型：模糊-灰色集成評判法、層次分析法、模糊綜合評判法、灰色綜合評判法、費(fèi)用效益分析法以及技術(shù)成本效益評價(jià)法。其中前4種為處理效果評價(jià)模型，后2種為經(jīng)濟(jì)性評價(jià)模型。在實(shí)際應(yīng)用中推薦使用模糊-灰色集成評判法和技術(shù)成本效益評價(jià)法[23，24]，用戶也可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。下面以模糊-灰色集成評判法為例對評價(jià)功能進(jìn)行介紹。

首先新建一個(gè)評價(jià)項(xiàng)目，在評價(jià)方法中選擇模糊-灰色集成評判法（如圖5所示），按照提示填寫評價(jià)方案數(shù)量：選擇水質(zhì)類型為“造紙工業(yè)廢水”，評價(jià)方案數(shù)量選擇“6”（如圖6所示），參數(shù)數(shù)量選擇“默認(rèn)參數(shù)”即軟件默認(rèn)的造紙工業(yè)廢水評價(jià)指標(biāo)體系（包括COD去除率、BOD去除率等12項(xiàng)指標(biāo)）[25，26]，如圖7所示。然后用戶需要填入所需評價(jià)的備選技術(shù)的水處理數(shù)據(jù)，由軟件進(jìn)行計(jì)算并給出結(jié)果，如圖8和圖9所示。

圖5 評價(jià)模型選擇Fig.5 Evaluation model selection

圖6 評價(jià)參數(shù)選擇Fig.6 Evaluation parameters selection

圖7 評價(jià)功能演示Fig.7 Evaluation function demo

圖8 評價(jià)結(jié)果Fig.8 Evaluation results

圖9 Excel報(bào)表Fig.9 Statements in Excel

3.2.2 查詢功能

查詢功能分為評價(jià)模型查詢和水處理工藝介紹兩個(gè)部分。評價(jià)模型查詢部分包含了軟件所集成的6種評價(jià)技術(shù)的數(shù)學(xué)模型，便于用戶詳細(xì)了解模型內(nèi)容及其適用范圍。水處理工藝介紹部分包含了6大重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)的常見廢水處理工藝與技術(shù)的流程、適用情況以及處理效果等方面的簡要說明，方便用戶進(jìn)行篩選和查詢。

3.2.3 信息采集

信息采集功能主要針對后期軟件網(wǎng)絡(luò)發(fā)布之后，用戶完成工程調(diào)查表并上傳至服務(wù)器，為進(jìn)一步集成、整理和分析水處理技術(shù)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

4 結(jié)語

1）根據(jù)行業(yè)廢水處理技術(shù)綜合評價(jià)結(jié)果，石化行業(yè)綜合評價(jià)最好的廢水處理技術(shù)是好氧活性污泥法，綜合得分為0.7347；冶金行業(yè)綜合評價(jià)最好的是好氧活性污泥法，綜合得分為0.7356；醫(yī)藥行業(yè)綜合評價(jià)最好的是好氧生物膜法，綜合得分為0.7376；紡織行業(yè)綜合評價(jià)最好的是混凝-沉淀組合工藝，綜合得分為0.7333；造紙行業(yè)綜合評價(jià)最好的是化學(xué)沉淀-好氧活性污泥組合工藝，綜合得分為0.7350。

2）模糊-灰色集成評判法適用于工業(yè)廢水處理的效益評價(jià)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際得出的結(jié)論基本一致。運(yùn)用灰色綜合評判法，在專家經(jīng)驗(yàn)判斷的基礎(chǔ)上，將各位專家的經(jīng)驗(yàn)判斷“兼收并蓄”并進(jìn)行量化，通過計(jì)算關(guān)聯(lián)度從而得到各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，此法比直接的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法更科學(xué)、實(shí)用。模糊-灰色集成評判方法較好地克服了人為主觀性，從而使結(jié)果更加客觀公正。該方法具有可行性，為各種工業(yè)廢水處理技術(shù)之間的比較以及各項(xiàng)技術(shù)不同運(yùn)行階段的處理效果的比較提供了可行的方法，有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

3）利用計(jì)算機(jī)軟件完成復(fù)雜的水處理技術(shù)多指標(biāo)綜合性的評價(jià)工作能夠大量節(jié)省這一工作的耗時(shí)，并提高計(jì)算精度，對技術(shù)評價(jià)工作的發(fā)展有著重要意義。

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