嚴(yán)國(guó)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)

?

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

嚴(yán)國(guó)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(duì)污水廠(chǎng)全年運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)利用平行因子法提取三維熒光光譜中的類(lèi)蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)，并對(duì)每月的熒光強(qiáng)度得分變化進(jìn)行對(duì)比分析，以更好地把握污水廠(chǎng)處理效果的總體動(dòng)態(tài)。結(jié)果表明，通過(guò)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(chǎng)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(guān)、快速、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地評(píng)價(jià)污水廠(chǎng)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(lèi)蛋白物質(zhì) ；運(yùn)行穩(wěn)定性

0　引　　言

隨著環(huán)境污染問(wèn)題的日漸突出,污水處理越來(lái)越引起人們的廣泛重視,城市污水處理廠(chǎng)的正常運(yùn)行對(duì)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(chǎng)在原來(lái)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(chǎng)運(yùn)行效果的綜合評(píng)價(jià)成為目前急需解決的一個(gè)問(wèn)題[1]。目前，城市污水處理通常依靠常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行污水廠(chǎng)的運(yùn)行和評(píng)價(jià)。因此，如何進(jìn)行系統(tǒng)、準(zhǔn)確、直觀(guān)的評(píng)價(jià)十分的重要。

由于三維熒光光譜具有直觀(guān)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(guò)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(duì)污水廠(chǎng)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(zhǎng)下而獲得的熒光發(fā)射光譜矩陣組成，從而獲得待測(cè)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(zhǎng)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(guān)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(guó)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(duì)給水的水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定[3]。金烏吉斯古楞等人對(duì)城市污水處理過(guò)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(lái)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(duì)污水廠(chǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)、量化的評(píng)價(jià)，把定性與定量因素結(jié)合起來(lái)，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(guān)的評(píng)判結(jié)果。因此采用模糊分析法對(duì)污水廠(chǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析。自1965年美國(guó)California大學(xué)L.A.Zadeh教授提出模糊集以來(lái),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(píng)價(jià)的基本原理是從影響問(wèn)題的諸因素出發(fā)，確定被評(píng)價(jià)對(duì)象從優(yōu)到劣若干等級(jí)的評(píng)價(jià)集合評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)各指標(biāo)分別做出模糊評(píng)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(píng)價(jià)結(jié)果。目前，黃紹娃等人利用模糊綜合評(píng)判法對(duì)城市污水處理工藝加以確定[9]。龔宏偉等人對(duì)污水處理廠(chǎng)運(yùn)行效果進(jìn)行模糊綜合評(píng)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(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[10]。而該研究主要在化學(xué)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)分析的基礎(chǔ)上結(jié)合三維熒光光譜分析對(duì)污水廠(chǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了更加系統(tǒng)、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，對(duì)研究污水廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行效果的變化情況有更加直觀(guān)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(chǎng)，該污水廠(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(cè)定

PO43--P 、TP采用鉬銻抗分光光度法；TN采用過(guò)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(cè)定

水質(zhì)樣品經(jīng)12000 r·min-1離心5 min后，再通過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)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(zhǎng)(Ex)250～450 nm，發(fā)射波長(zhǎng)(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(píng)價(jià)是通過(guò)多項(xiàng)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行的。如果某項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值能明確區(qū)分開(kāi)各個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象，說(shuō)明該指標(biāo)在這項(xiàng)評(píng)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(píng)價(jià)對(duì)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(píng)價(jià)對(duì)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(duì)偏差最小法對(duì)污水廠(chǎng)每月運(yùn)行的整體狀況進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)模型如下：

(2)建立相對(duì)偏差模糊矩陣R

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

(4)建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型

若Ft< Fs則表示該污水廠(chǎng)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(cè)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(shì)對(duì)綜合評(píng)價(jià)污水廠(chǎng)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(shuō)明前一季度污水廠(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)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(zhǎng)Ex/Em位于280 nm/340 nm，它源于類(lèi)蛋白質(zhì)物質(zhì)的熒光貢獻(xiàn)[12-13]，在激發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)Ex/Em位于320 nm/420 nm區(qū)域源于類(lèi)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(chǎng)排污口上游比下游熒光強(qiáng)度強(qiáng)，這說(shuō)明污水廠(chǎng)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(lèi)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(lèi)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(lèi)蛋白質(zhì)物質(zhì)的熒光強(qiáng)度得分，并通過(guò)其每月份的得分變化情況來(lái)簡(jiǎn)要分析污水廠(chǎng)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(chǎng)整個(gè)運(yùn)行處理過(guò)程中水樣的類(lèi)蛋白質(zhì)物質(zhì)熒光強(qiáng)度得分基本沒(méi)有改變。熒光強(qiáng)度得分曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)與其他月份差異較大，從而可以間接地反映污水廠(chǎng)全年運(yùn)行穩(wěn)定性較差。其分析結(jié)果與檢測(cè)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(chǎng)各月份投入的運(yùn)行成本相差不大，即忽略污水廠(chǎng)的成本型參數(shù)指標(biāo)。僅考慮該污水廠(chǎng)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(guò)分析污水廠(chǎng)12個(gè)月的5項(xiàng)常規(guī)化學(xué)指標(biāo)除去率變化來(lái)反映其運(yùn)行穩(wěn)定性(見(jiàn)表1)。

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

(2)相對(duì)偏差模糊矩陣R

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

經(jīng)過(guò)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(chǎng)各月綜合評(píng)價(jià)F值變化如圖 4所示，該污水廠(chǎng)前半年1～5月份綜合處理效果很好，F(xiàn)值最大不超過(guò)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(píng)價(jià)F值逐漸減小，污水廠(chǎng)的處理效果逐漸恢復(fù)。這與通過(guò)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(píng)價(jià)F值的變化表明該污水廠(chǎng)全年運(yùn)行狀況不穩(wěn)定。

在龔宏偉對(duì)污水處理廠(chǎng)運(yùn)行效果的模糊綜合評(píng)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(chǎng)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(guò)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(shì)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(píng)價(jià)結(jié)果，這將對(duì)污水廠(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行具有指導(dǎo)性意義。

3　結(jié)　　論

通過(guò)對(duì)該污水廠(chǎng)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(duì)較低，處理效果較差，從而影響了污水廠(chǎng)全年運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)采用三維熒光光譜對(duì)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(lèi)蛋白質(zhì)物質(zhì)的熒光強(qiáng)度得分，并在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析各月份熒光強(qiáng)度得分的變化趨勢(shì)。其分析結(jié)果與單獨(dú)通過(guò)常規(guī)化學(xué)指標(biāo)去除率的變化趨勢(shì)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(chǎng)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(píng)價(jià)結(jié)果顯示，全年中該污水廠(chǎng)6、7、8月份的綜合評(píng)價(jià)F值相對(duì)較大，分別為0.559、0.823、0.787。根據(jù)評(píng)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(guān)性和快速性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠(chǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行全面地、綜合地評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)

1龔宏偉. 污水處理廠(chǎng)運(yùn)行效果的模糊綜合評(píng)價(jià)[J]. 河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 23(4): 10-13.

2Baker A., Inverarity R., Charlton M., et al.Detecting river pollution using fluorescence spectrophotometry:case studies from the Ousebum,NE England[J]. Environmental Pollution, 2003, 124(1): 57-70.

3呂洪剛,歐陽(yáng)二明,鄭振華,等. 三維熒光技術(shù)用于給水的水質(zhì)測(cè)定[J]. 中國(guó)給水排水, 2005, 21(3):91-93.

4金烏吉斯古楞,薛爽,王智,等. 城市污水處理過(guò)程中溶解性有機(jī)物及熒光物質(zhì)的變化規(guī)律[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(9): 2298-2305.

5蔡文良,許曉毅,杜嫻,等. 嘉陵江重慶段DOM三維熒光光譜的平行因子分析[J]. 環(huán)境科學(xué)研究,2012,25(3):276-281.

6甘淑釵,吳瑩,鮑紅艷,等.長(zhǎng)江溶解有機(jī)質(zhì)三維熒光光譜的平行因子分析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2013,33(6):1045-1052.

7倪永年,蔡英俊.平行因子-同步熒光法測(cè)定食品中維生素B1，B2和B6[J].光譜學(xué)與光譜分析,2005,25(10):1641-1644

8樓世博,孫章,陳化成.模糊數(shù)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1983.

9黃紹娃,胡志光.模糊綜合評(píng)判法確定城市污水處理工藝[J]. 工業(yè)用水與廢水.,2004, 35(4): 12-14.

10孫雷. 主成分分析法和模糊綜合分析法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的實(shí)例比較[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理,2011,36(8):178-181.

11Bro Rasmas.. PARAFAC .Tutorial and applications [J]. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 1997, 38(2): 149-171.

12Pons M N, Bonté S L, Potier O. Spectral analysis and fingerprinting for biomedia characterisation[J]. Journal of Biotechnology, 2004,113(1/3):211-230.

13Baker A, Ward D, Lieten S H, et al. Measurement of protein2-like fluorescence in river and waste water using a handheld spectrophotometer[ J ]. 2004,Water Research, 38(12): 2934-2938.

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(lèi)號(hào)：X832

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)05-071-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150516

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)國(guó)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(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX07303-002-04)

收稿日期：2015-03-16