基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法及系统

1.本发明涉及环境保护污水处理技术领域，特别涉及基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法及系统。


背景技术：

2.城镇污水具有水量大、污水排放集中、水质较为分散的特点，是一种潜在的水资源，经过处理完全可以回收用于工业、市政、农业等领域。提高水循环利用率，将城镇污水经过适当处理后开辟为新的水源，成为城市的“第二水资源”，是克服水资源供需矛盾的重要举措。并且，其费用通常远远低于开辟新鲜水源和远距离引水，具有十分可观的经济效益、社会效益和环境效益。目前正在大力发展城镇污水处理厂，但城镇污水处理厂存在着处理设备相对落后、处理能耗高、污水处理资金短缺、处理厂运行体制不合理等问题。因此，对城镇污水处理厂运行效能进行综合评价显得尤为重要。
3.虽然在国内外对城镇污水处理厂综合评价己开展较多研究，但对城镇污水处理厂运行效能的评价还较少。目前，国内外对城市污水处理厂技术评价研究主要经历了费用模型研究、效益评价指数模型研究、灰色系统研究、层次分析法研究等阶段。研究手段和方法都比较单一，研究对象以污水处理厂工艺技术选择的居多，而综合性的考虑经济、社会及环境等方面因素的研究还较少。现阶段的主要任务是将采用综合分析法运用于城市污水处理厂效能评价中，使得对城市污水处理厂的评价更加准确和合理。
4.层次分析法由于其在理论上的完备性和结构上的严谨性，在制定决策方针时可以通过定性分析和定量评价相结合的方式来进行，且该方法在制定方案过程中既方便灵活，又通俗易懂，所以在社会、经济及技术等领域受到了人们的广泛关注。
5.传统的污水处理厂评价工作仅是从某一单一层面进行单项评估，但是由于污水处理厂内部的复杂性，单一的评估指标不足以全面、准确的评价整个厂区的效能水平。目前缺乏科学合理的污水处理厂综合评价指标体系的构建方法，用于对污水处理厂的效能水平进行动态、准确的评价，从而可针对性进行工艺调控，降低成本，实现节能减排。
6.为此，如何提供一种能够综合性地对污水处理厂的效能水平进行动态、准确的评价的基于层次分析法的城镇污水处理厂系统效能评价方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提出了基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法及系统。在充分了解各种城镇污水处理厂运行特点的基础上，找出适当的评价指标，并验证其适用性；依据层次分析法将城镇污水处理厂设为目标层，将主控因素设为准则层，将主控因素包含的要素指标设为指标层，并结合城镇污水处理厂中每个要素指标的测量数据以及通过层次分析法计算得出的主控因素以及主控因素包含的要素指标的权重系数，通过加权运算完成对城镇污水处理厂系统效能综合、动态、准确的评价，对于城镇污水处理厂针对性地进
行工艺调控，降低成本，实现节能减排具有重要地现实意义。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，包括：
10.步骤(1)：根据城镇污水处理厂运行特点获得系统效能的主控因素以及主控因素包含的要素指标；
11.步骤(2)：根据主控因素，构建第一判断矩阵；分别根据每个主控因素中包含的要素指标，构建第二判断矩阵；
12.步骤(3)：计算第一判断矩阵中每个主控因素的权重值；计算每个第二判断矩阵中每个要素指标的权重值；
13.步骤(4)：将城镇污水处理厂设为目标层，将主控因素设为准则层，将主控因素包含的要素指标设为指标层，根据层次分析法完成城镇污水处理厂系统效能评价。
14.可选的，步骤(1)中，主控因素包括：环境影响指标、资源与能源利用指标、生产工艺与装备指标、经济效益指标；
15.环境影响指标包含的要素指标包括：污水收集率、进水水质、出水水质、气体臭味、运行噪声；
16.资源与能源利用指标包括：电耗、水耗、药耗；
17.生产工艺与装备指标包括：污染物去除年达标率、处理工艺合理性、工艺运行稳定性、设备运行稳定性、设备操作难易度、设备维修率；
18.经济效益指标包括：单位水量处理费、单位水量基建费、设备维修费、运行管理费。
19.可选的，步骤(2)中，第一判断矩阵和第二判断矩阵，如下：
[0020][0021]
其中，b
ij
为元素bi相对于元素bj对于上一层次元素ak的重要性，数值通过1-9标度法表示。
[0022]
可选的，步骤(3)通过以下方式实现：
[0023]
计算判断矩阵中每一行数值乘积m的n次方根，得到向量公式，如下：
[0024][0025]
其中，m＝[m1，m2，
…min
]
t
；
[0026]
对向量mi作归一化处理，得到各层判断矩阵中每个元素的权重值，如下：
[0027][0028]
其中，wi＝[w1，w2，
…
wn]
t
。
[0029]
可选的，在步骤(3)之后，还包括：对第一判断矩阵和第二判断矩阵进行一致性检验，如下：
[0030][0031]
其中，λ
max
为判断矩阵的最大特征值，n为元素个数；ci为判断矩阵对一致性的偏离程度，ci＝0表示判断矩阵一致性好，ci小于预设偏离阈值时表示判断矩阵一致性合理，ci大于预设偏离阈值需要调整判断矩阵。
[0032]
可选的，还包括：当判断矩阵的阶数大于预设阶数阈值时，引入平均一致性指标ri，获得一致性指标，如下：
[0033][0034]
可选的，当ci大于预设偏离阈值，通过如下方式调整判断矩阵：根据判断矩阵中元素间互相的重要性调整判断矩阵中的重要性的数值。
[0035]
可选的，步骤(4)通过以下方式实现：
[0036]
根据每个主控因素的权重值以及每个要素指标的权重值，计算每个要素指标相对于城镇污水处理厂系统效能评价的综合权重值；
[0037]
将每个要素指标的综合权重值与每个要素指标的测量数据进行加权，完成城镇污水处理厂系统效能评价。
[0038]
本发明还提供基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价系统，包括：
[0039]
指标获取模块：用于根据城镇污水处理厂运行特点获得系统效能的主控因素以及主控因素包含的要素指标；
[0040]
判断矩阵构建模块：用于根据主控因素，构建第一判断矩阵；用于分别根据每个主控因素中包含的要素指标，构建第二判断矩阵；
[0041]
权重计算模块：用于计算第一判断矩阵中每个主控因素的权重值；计算每个第二判断矩阵中每个要素指标的权重值；
[0042]
系统效能评价模块：用于将城镇污水处理厂设为目标层，将主控因素设为准则层，将主控因素包含的要素指标设为指标层，根据层次分析法完成城镇污水处理厂系统效能评价。
[0043]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提出了基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法及系统。在充分了解各种城镇污水处理厂运行特点的基础上，找出适当的评价指标，并验证其适用性；依据层次分析法将城镇污水处理厂设为目标层，将主控因素设为准则层，将主控因素包含的要素指标设为指标层，并结合城镇污水处理厂中每个要素指标的测量数据以及通过层次分析法计算得出的主控因素以及主控因素包含的要素指标的权重系数，通过加权运算完成对城镇污水处理厂系统效能综合、动态、准确的评价，对于城镇污水处理厂针对性地进行工艺调控，降低成本，实现节能减排具有重要地现实意义。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0045]
图1为本发明的方法流程示意图。
[0046]
图2为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
实施例1：
[0049]
本发明实施例1公开了基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，如图1所示，包括：
[0050]
步骤(1)：根据城镇污水处理厂运行特点获得系统效能的主控因素以及主控因素包含的要素指标；
[0051]
主控因素包括：环境影响指标、资源与能源利用指标、生产工艺与装备指标、经济效益指标；
[0052]
环境影响指标包含的要素指标包括：污水收集率、进水水质、出水水质、气体臭味、运行噪声；
[0053]
资源与能源利用指标包括：电耗、水耗、药耗；
[0054]
生产工艺与装备指标包括：污染物去除年达标率、处理工艺合理性、工艺运行稳定性、设备运行稳定性、设备操作难易度、设备维修率；
[0055]
经济效益指标包括：单位水量处理费、单位水量基建费、设备维修费、运行管理费。
[0056]
步骤(2)：根据主控因素，构建第一判断矩阵；分别根据每个主控因素中包含的要素指标，构建第二判断矩阵；
[0057]
第一判断矩阵和第二判断矩阵，如下：
[0058][0059]
其中，b
ij
为元素bi相对于元素bj对于上一层次元素ak的重要性，数值通过1-9标度法表示。
[0060]
1-9标度法，如表1所示：
[0061]
表1 1-9标度法
[0062]
标度含义1表示因素bi与bj相比，具有同样重要性3表示因素bi与bj相比，bi比bj稍微重要
5表示因素bi与bj相比，bi比bj明显重要7表示因素bi与bj相比，bi比bj强烈重要9表示因素bi与bj相比，bi比bj极端重要2、4、6、8表示需要在上述两个标度之间折中确定倒数若因素bi与bj比较的值b
ij
，则bj与bi比较的值为b
ji
[0063]
判断矩阵的特征如下：
[0064][0065]bij
＝1；b
ij
＝1/b
ij
；b
ij
＞0；b
ij
＝b
ikbkj
；
[0066]
步骤(3)：计算第一判断矩阵中每个主控因素的权重值；计算每个第二判断矩阵中每个要素指标的权重值；
[0067]
通过以下方式实现：
[0068]
计算判断矩阵中每一行数值乘积m的n次方根，得到向量公式，如下：
[0069][0070]
其中，m＝[m1，m2，
…min
]
t
；
[0071]
对向量mi作归一化处理，得到各层判断矩阵中每个元素的权重值，如下：
[0072][0073]
其中，wi＝[w1，w2，
…
wn]
t
。
[0074]
对第一判断矩阵和第二判断矩阵进行一致性检验，如下：
[0075][0076]
其中，λ
max
为判断矩阵的最大特征值，n为元素个数；ci为判断矩阵对一致性的偏离程度，ci＝0表示判断矩阵一致性好，ci小于预设偏离阈值时表示判断矩阵一致性合理，ci大于预设偏离阈值需要调整判断矩阵，具体为：根据判断矩阵中元素间互相的重要性调整判断矩阵中的重要性的数值。
[0077]
当判断矩阵的阶数大于预设阶数阈值时，引入平均一致性指标ri，获得一致性指标，如下：
[0078][0079]
步骤(4)：将城镇污水处理厂设为目标层，将主控因素设为准则层，将主控因素包含的要素指标设为指标层，根据层次分析法完成城镇污水处理厂系统效能评价。
[0080]
通过以下方式实现：
[0081]
根据每个主控因素的权重值以及每个要素指标的权重值，计算每个要素指标相对于城镇污水处理厂系统效能评价的综合权重值；
[0082]
将每个要素指标的综合权重值与每个要素指标的测量数据进行加权，完成城镇污
水处理厂系统效能评价。
[0083]
实施例2：
[0084]
本发明实施例2公开了基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，包括：
[0085]
城镇污水处理厂运行效能评价指标体系涉及到定量指标和定性指标。其中定性指标多为宏观性指标，主要应用于对区域环境总体情况的把握；而定量指标虽然能够明确表明污水处理厂运行的具体情况，但是无法反映对环境的影响程度。因而，在进行指标的选取时，需要综合考虑定量指标和定性指标，如表2所示。
[0086]
表2定量指标和定性指标
[0087][0088]
为得到一个准确的评价结果，本发明根据各个城镇污水处理厂的污染物排放值，通过相应的计算得出各指类标值，按照定性指标和定量指标的评分标准，得出各个指标相应的分值，如表3和表4所示。
[0089]
表3定量分析得分值
[0090][0091][0092]
表4定量分析得分值
[0093][0094][0095]
本发明将评判等级定义为五个等级，如表5所示。由权重集采用十分制的形式和各指标评分结果相乘，计算确定污水处理厂运行效能的最终评价分值根据分值的大小确定最后结果。即x＝10
·w·
r。其中，x总为得分值，w为权重值，r为指标得分值。
[0096]
表5效能评价等级
[0097][0098]
本发明对某污水处理厂进行实例分析，简介如下：
[0099]
该污水处理厂接纳生活污水和部分工业废水，一二期日处理规模50000m3/d，生活污水采用工艺为：集水井-粗格栅-进水提升泵房-细格栅-旋流沉砂池-aao微曝氧化沟-二
沉池-高效沉淀池
–
滤布滤池-臭氧接触池
–
接触消毒池-出水渠。
[0100]
工业废水采用工艺为：调节池
–
脉冲水解酸化池
–
aao微曝氧化沟及后续生活污水处理工艺。
[0101]
2019年、2020年的年度日均处理流量(出水计量)分别为23419、24214m3/d，水量负荷率分别为：47％、48％(基于50000m3/d)，2020年较上年度同比增幅仅3.3％。季节性变化规律不大(无明显降雨汛期、旱季水量突变规律)生活污水总进水水质(采样点：细格栅进口)总体超标风险较小，细格栅进水特性：cod/tn比为5，cod/tp比为60，nh3-n/tn比为0.83总出水cod、tn两项主控指标超标率较高，超标率分别为52％、17％。其中：cod指标90％概率或均值各为64、51mg/l工业废水预处理调节池进水中，cod、tn浓度较高。
[0102]
该厂污水进出水数据汇总，如表6所示。
[0103]
表6污水进出水数据汇总
[0104][0105]
通过现场收集的数据及统计分析，得出城市生活污水处理运行效能评价各指标的统计数据以及使用层次分析法算得相应得分，如表7所示。
[0106]
表7各指标得分
[0107][0108]
[0109]
根据主控要素以及每个主控要素包含的要素指标，应用本发明实施例1公开的基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，构建得到第一判断矩阵，如表8所示，以及第二判断矩阵，如表9-表12所示。
[0110]
表8第一判断矩阵：主控要素
[0111][0112]
表9第二判断矩阵：主控要素环境影响包含的要素指标
[0113][0114]
表10第二判断矩阵：主控要素资源与能源利用包含的要素指标
[0115][0116][0117]
表11第二判断矩阵：主控要素生产工艺与装备包含的要素指标
[0118][0119]
表12第二判断矩阵：主控要素经济效益包含的要素指标
[0120][0121]
根据上述得到的第一判断矩阵和第二判断矩阵，应用本发明实施例1公开的基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法计算每个主控要素以及每个主控要素包含的每个要素指标的权重值，并根据每个主控因素的权重值
[0122]
以及每个要素指标的权重值，计算每个要素指标相对于城镇污水处理厂系统效能评价的综合权重值，如表13所示。
[0123]
表13指标权重值汇总表
[0124][0125]
根据污水处理厂实际统计数据、评价指标的权重及指标评判标准，由权重集采用十分制的形式和各指标评分结果相乘，计算确定污水处理厂运行效能的最终评价分值。根据分值的大小确定最后结果得到该污水处理厂总得分为89，如表14所示，表明该污水处理厂的运行效能均比较高。同时将该评价结果与项目实际相比较，进而得出本发明评价模型的可靠性较高。
[0126]
表14污水处理厂总得分统计
[0127][0128][0129]
实施例2：
[0130]
本发明实施例2公开了基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价系统，如图2所
示，包括：
[0131]
指标获取模块：用于根据城镇污水处理厂运行特点获得系统效能的主控因素以及主控因素包含的要素指标；
[0132]
判断矩阵构建模块：用于根据主控因素，构建第一判断矩阵；用于分别根据每个主控因素中包含的要素指标，构建第二判断矩阵；
[0133]
权重计算模块：用于计算第一判断矩阵中每个主控因素的权重值；计算每个第二判断矩阵中每个要素指标的权重值；
[0134]
系统效能评价模块：用于将城镇污水处理厂设为目标层，将主控因素设为准则层，将主控因素包含的要素指标设为指标层，根据层次分析法完成城镇污水处理厂系统效能评价。
[0135]
本发明实施例公开了基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法及系统。在充分了解各种城镇污水处理厂运行特点的基础上，找出适当的评价指标，并验证其适用性；依据层次分析法将城镇污水处理厂设为目标层，将主控因素设为准则层，将主控因素包含的要素指标设为指标层，并结合城镇污水处理厂中每个要素指标的测量数据以及通过层次分析法计算得出的主控因素以及主控因素包含的要素指标的权重系数，通过加权运算完成对城镇污水处理厂系统效能综合、动态、准确的评价，对于城镇污水处理厂针对性地进行工艺调控，降低成本，实现节能减排具有重要地现实意义。
[0136]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0137]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，其特征在于，包括：步骤(1)：根据城镇污水处理厂运行特点获得系统效能的主控因素以及所述主控因素包含的要素指标；步骤(2)：根据所述主控因素，构建第一判断矩阵；分别根据每个所述主控因素中包含的要素指标，构建第二判断矩阵；步骤(3)：计算所述第一判断矩阵中每个主控因素的权重值；计算每个所述第二判断矩阵中每个要素指标的权重值；步骤(4)：将城镇污水处理厂设为目标层，将所述主控因素设为准则层，将所述主控因素包含的要素指标设为指标层，根据层次分析法完成城镇污水处理厂系统效能评价。2.根据权利要求1所述的基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，其特征在于，步骤(1)中，所述主控因素包括：环境影响指标、资源与能源利用指标、生产工艺与装备指标、经济效益指标；所述环境影响指标包含的要素指标包括：污水收集率、进水水质、出水水质、气体臭味、运行噪声；所述资源与能源利用指标包括：电耗、水耗、药耗；所述生产工艺与装备指标包括：污染物去除年达标率、处理工艺合理性、工艺运行稳定性、设备运行稳定性、设备操作难易度、设备维修率；所述经济效益指标包括：单位水量处理费、单位水量基建费、设备维修费、运行管理费。3.根据权利要求1所述的基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第一判断矩阵和所述第二判断矩阵，如下：其中，b
ij
为元素b
i
相对于元素b
j
对于上一层次元素a
k
的重要性，数值通过1-9标度法表示。4.根据权利要求1所述的基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，其特征在于，步骤(3)通过以下方式实现：计算判断矩阵中每一行数值乘积m的n次方根，得到向量公式，如下：其中，m＝[m1,m2,
…
m
in
]
t
；对向量m
i
作归一化处理，得到各层判断矩阵中每个元素的权重值，如下：其中，w
i
＝[w1,w2,
…
w
n
]
t
。5.根据权利要求4所述的基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，其特征在于，在步骤(3)之后，还包括：对所述第一判断矩阵和所述第二判断矩阵进行一致性检验，如
下：其中，λ
max
为判断矩阵的最大特征值，n为元素个数；ci为判断矩阵对一致性的偏离程度，ci＝0表示判断矩阵一致性好，ci小于预设偏离阈值时表示判断矩阵一致性合理，ci大于预设偏离阈值需要调整判断矩阵。6.根据权利要求5所述的基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，其特征在于，还包括：当判断矩阵的阶数大于预设阶数阈值时，引入平均一致性指标ri，获得一致性指标，如下：7.根据权利要求5所述的基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，其特征在于，当ci大于预设偏离阈值，通过如下方式调整判断矩阵：根据判断矩阵中元素间互相的重要性调整判断矩阵中的重要性的数值。8.根据权利要求1所述的基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法，其特征在于，步骤(4)通过以下方式实现：根据每个主控因素的权重值以及每个要素指标的权重值，计算每个要素指标相对于所述城镇污水处理厂系统效能评价的综合权重值；将每个要素指标的综合权重值与每个要素指标的测量数据进行加权，完成所述城镇污水处理厂系统效能评价。9.基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价系统，其特征在于，包括：指标获取模块：用于根据城镇污水处理厂运行特点获得系统效能的主控因素以及所述主控因素包含的要素指标；判断矩阵构建模块：用于根据所述主控因素，构建第一判断矩阵；用于分别根据每个所述主控因素中包含的要素指标，构建第二判断矩阵；权重计算模块：用于计算所述第一判断矩阵中每个主控因素的权重值；计算每个所述第二判断矩阵中每个要素指标的权重值；系统效能评价模块：用于将城镇污水处理厂设为目标层，将所述主控因素设为准则层，将所述主控因素包含的要素指标设为指标层，根据层次分析法完成城镇污水处理厂系统效能评价。

技术总结
本发明公开了基于层次分析法的污水处理厂系统效能评价方法及系统，应用于环境保护污水处理技术领域，包括：根据城镇污水处理厂运行特点获得系统效能的主控因素以及主控因素包含的要素指标；根据主控因素，构建第一判断矩阵；分别根据每个主控因素中包含的要素指标，构建第二判断矩阵；计算第一判断矩阵中每个主控因素的权重值；计算每个第二判断矩阵中每个要素指标的权重值；将城镇污水处理厂设为目标层，主控因素设为准则层，要素指标设为指标层，根据层次分析法完成城镇污水处理厂系统效能评价。本发明能对城镇污水处理厂系统效能进行综合、动态、准确的评价，对城镇污水处理厂针对性地工艺调控，降低成本，实现节能减排具有重要地现实意义。有重要地现实意义。有重要地现实意义。


技术研发人员：蔚静雯 王童 袁建伟 吴天明 杨志懋 王斐 朱浩 张文 孔春才 李春立 毛娟 王玥 张栋年 仲崇方 吴欢
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/4