基于PROMETHEE法的焦化废水处理技术评估与应用.pdf

基于 PＲOMETHEE 法的焦化废水处理 技术评估与应用 * 邢涛1吴云波1， 2黄娟2田爱军2李轶1 1． 河海大学环境学院， 南京 210098; 2． 江苏省环境科学研究院， 南京 210036 摘要 运用 PＲOMETHEE 法对当前焦化废水处理技术进行客观分析和综合评估， 并引入信息熵的理论来计算各评估 指标的权重以避免权重确定的主观性， 而且使得数据处理的计算过程变得简单。采用该方法对我国某地区焦化废水 处理技术进行评估， 所得评估结果符合实际情况。研究结果显示了所建模型及其方法的可靠性和适用性。 关键词 焦化废水; 技术评估; PＲOMETHEE DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407034 ASSESSMENT AND APPLICATION OF COKING WASTEWATEＲ TＲEATMENT TECHNOLOGY BASED ON PＲOMETHEE Xing Tao1Wu Yunbo1， 2Huang Juan2Tian Aijun2Li Yi1 1． College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2． Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Nanjing 210036，China AbstractThe PＲOMETHEE was introduced to assess the coking wastewater treatment technologies comprehensively， and the theory of ination entropy was presented to calculate the weight of each uation index for determining the weight values without subjectivity and make the calculation of the data processing easier． The application of the PＲOMETHEE was mplified in certain area of China． It was indicated that the analysis results by the model basically corresponded to the fact，demonstrating the reliability and applicability of the established model and ． Keywordscoking wastewater;technology uation;PＲOMETHEE * 国家水体污染控制与治理科技重大专项课题 “太湖流域 江苏 控制 单元水质目标管理与水污染物排放许可证实施” 2012ZX07506- 002 。 收稿日期 2013 －09 －25 0引言 焦化厂废水来源多且成分复杂， 主要由剩余氨水 经蒸氨处理后的废水， 回收、 精制及其他工艺过程中 的废水组成， 该废水除含有酚、 氰等污染物外， 还有 氧、 硫、 氮的杂环化合物及多种多环芳烃， 这些有毒有 害污染物不仅色度高， 而且在水中以真溶液或准胶体 的形式存在， 性质非常稳定， 使处理难度较大， 为污水 处理重点［1- 2 ］。 目前焦化厂废水的处理技术较多， 各技术都存在优 缺点， 企业在选择废水处理技术时， 很难综合考虑经济、 社会和环境等因素的影响， 造成不必要的经济损失， 所 以在选择工艺前进行决策分析是极其必要的。但针对 我国实际情况的焦化厂废水处理技术决策分析研究还 相对较少， 本研究的重点是根据焦化厂废水处理技术的 特点， 建立合适的技术评估方法， 并以我国某地区具体 情况为实例， 筛选出最优的焦化厂废水处理技术。 1评估方法的建立 1. 1评估需求分析 焦化厂废水处理技术所涉及的单个技术或集成 技术各有优缺点， 需要对不同的技术进行综合评估。 从评估需参考的因素考虑， 必然涉及经济、 社会、 技术 和环境等多方面， 而每个方面又包含了众多指标。因 此， 焦化厂废水处理技术的评估可归为一个多层次多 目标的决策分析问题， 应采用相应的多目标决策评价 方法来进行决策评价。 1. 2筛选与评估方法 目前 常 用 的 目 标 决 策 评 价 方 法 主 要 包 括 551 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment ELECTＲE 法、 层次分析法、 生命周期评价法和环境技 术评价法等。其中， ELECTＲE 方法是 Ｒoy 等人 ［3 ］提 出后逐步得以完善， 该方法由于在分析初期就因为替 代方法模糊不清的属性而忽略了一些重要的决策支 持信息， 其合理性受到质疑。层次分析法 Analytic Hierarchy Process， 简作 AHP 是将多目标决策和模糊 理论相结合， 把定性与定量相融合， 也是目前应用较 为广泛的综合评价方法， 但由于层次分析法常采用让 专家根据经验对同一层次每 2 个因素之间的重要性 做出标度判断， 因此主观性较强［4 ］。 PＲOMETHEE Preference Ｒanking Organization for Enrichment uation 方法是由 Ｒoy B［5 ］ 首先提出的， 主要包括两种评价模型 PＲOMETHEE- I 和 PＲOMETHEE- II。 Tarik Al- Shemmeri 等人 ［6 ］对水资源保护和利用 方面的决策支持方法问题进行比较和分析， 认为 PＲOMETHEE 是优选方法。 1. 3PＲOMETHEE 法的重要参数选取 1. 3. 1权重计算方法 为了避免由于决策者或专家的知识、 经验及其偏 好对权重的人为的干扰， 提出了区别于主观赋权法的 客观赋权法。所谓客观赋权法， 就是指基于各方案评 价指标值的客观数据的差异而确定各指标权重的 方法。 本研究利用熵权法来确定各属性的权重。熵权 法的基本步骤如下［7 ］ 1 数据的归一化处理。 假设有 m 个方案即 A a1， a2， ， am 每种方案 有 n 个属性， 即 X x1， x2， ， xn ， 各个属性的权重 为 W w1， w2， ， wn ， 那么 m 个方案的 n 个属性构 成的矩阵如式 1 所示 x11x12x1n x21x2n  xm1xm2x             mn 1 式中 xij为第 i 个方案的第 j 个属性的值。 对于效益型指标 即数值越大越优的指标， 可以 用式 2 进行数据的归一化处理。 rij xij－ m M － m 2 对于成本型指标 即数值越小越优的指标， 可以 用式 3 进行数据的归一化处理。 rij M － xij M － m 3 式中M max xij ， i 1， 2， ， m; m min xij ， i 1， 2， ， m 。 2 熵权的计算。 对于各个方案各属性的权重计算见式 4 W w1， w2， ， wn T， Σ n j 1 wj 1 4 式中 wj为第 j 个属性的权重， 各个指标的熵值可以 用式 5 计算得出。 Sj kΣ m i 1 fijlnfij， i 1， 2， ， m 5 式中 fij和 k 可由式 6 和式 7 计算得出。 fij rij Σ m i 1 rij 6 k 1 lnm 7 当 f ij 0 时， fijlnfij 0 。 指标的差异程度可由式 8 计算得出 Dj 1 － Sj 8 每个指标熵权可以由式 9 计算得出。 W { wj} Dj Σ n j 1 D {} j ， j 1， 2， ， n 9 1. 3. 2评估指标体系 评估指标的好坏直接关系到最终决策是否具有 可行性。本研究将决策目标分为经济属性、 技术属 性、 社会效益属性及环境属性 4 个方面， 4 个属性又 可以通过 16 项指标来进行评估， 从而建立 3 层次的 结构模型， 如图 1 所示。 1. 3. 3偏好函数选取 偏好函数的选择决定着评估的准确性， 偏好函数 是描述属性值与目标达到程度的关系。 根据建立的焦化厂废水处理技术评估指标体系 的特点， 选择以下 3 种函数 1 拟准则 V- shape 型 函数见式 10 H d d/md ≤ m 1 { d ＞ m 10 该准则允许决策者在 d ≤ m 时其偏好强度随 d 的增加而线性增长; 当 d ＞ m 时， 方案之间为严格优 于关系， m 值可以根据该属性值的最大差距来确定。 2 具有无差异区间的线性优先关系准则 Linear 651 环境工程 Environmental Engineering 图 1焦化厂废水处理技术决策层次结构 Fig． 1The hierarchical structure on the decision- making of coking plant wastewater treatment technology 型 函数见式 11 P d 0d ≤ s d － s / r － s s ＜ d ≤ r 1 { d ＞ r 11 当 d≤s时， 认为两方案是无差异的; 当s≤d≤ r 时， 其优先程度随 d 的增加而线性增长; 当d r 时其 中方案属于绝对优于关系。 3 分级准则 Level 型 函数见式 12 。 P d 0d ≤ q 1/2q ＜ d ≤ p 1 { d ＞ p 12 在应用本准则时要确定 q、 p 两个值， 当 d≤q 时， 两方案之间无差异; 当 q ＜ d≤p 时， 方案之间为弱优 于关系; 当 d ＞ p 时， 方案之间为严格优于关系。 2应用实例 选取我国某地区4 家具有代表性的焦化厂， 这4 家 焦化厂采用的废水处理技术分别为 A/O、 A2/O、 A/O2、 SBＲ。根据调研结果统计分析， 各工艺评估指标参数 见表 1。采用本文建立的 PＲOMETHEE 法对这 4 家 焦化厂废水处理技术进行综合评估， 以找到该地区最 佳的焦化厂废水处理技术。对 16 项指标中的定性指 标， 技术适用性、 技术先进性以及操作维护难易程度 等采用将定性描述定量化后运用熵权法计算其权重。 定量打分以 10 分为满分， 按表 2 定量化打分。 表 2各项评估指标的权重 Table 2Weight of each uation indicators 定性评估高较高中较低低 定量化分值108531 表 1备选工艺的评估指标与技术参数 Table 1uation indicators and technical parameters of the alternative process 备选工艺 基建投资/ 元 t －1 d－1 运行费用/ 元 t －1 占地 面积 技术 适用性 抗冲击负荷/ m3 m －2 h－1 技术 先进性 技术 稳定性 操作维护 难易程度 A/O16001. 71. 2高2. 6中中较低 A2/O22002. 51. 5高2. 0高高中 SBＲ17002. 01. 1较高2. 5高较高较高 A/O221002. 71. 4较高2. 2高高中 备选工艺 工艺设备 电耗 新鲜水消耗率/ 废水处 理规模 处理达标 情况 酚氰去除率/ COD 去除率/ 氨氮去除率/ 二次污染 情况 A/O中25较低较低928789较高 A2/O较高6较高高999597较低 SBＲ较高18中高969395中 A/O2较高8较高高989589较低 对 16 项评估指标采用式 2 和式 3 进行归一 化处理。原始数据归一化处理结果见表 3。 对 16 项评估指标采用熵权法进行权重计算， 各 项指标的权重见表 4。 偏好函数的选择决定着评估的准确性， 根据各项 指标的属性特征， 分别选择适用的偏好函数， 具体偏 好函数的选择见表 5。 751 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 表 3原始数据归一化处理结果 Talbe 3Ｒesults from normalization of the original data 备选工艺 基建投资/ 元 t －1 d－1 运行费用/ 元 t －1 占地 面积 技术 适用性 抗冲击负荷/ m3 m －2 h－1 技术 先进性 技术 稳定性 操作维护 难易程度 A/O1. 0001. 0000. 7500. 0001. 0000. 0000. 0001. 000 A2/O0. 0000. 2000. 0000. 0000. 0001. 0001. 0000. 600 SBＲ0. 8330. 7001. 0001. 0000. 8331. 0000. 6000. 000 A/O20. 1670. 0000. 2501. 0000. 3331. 0001. 0000. 600 备选工艺 工艺设备 电耗 新鲜水消耗率/ 废水处 理规模 处理达标 情况 酚氰去除率/ COD 去除率/ 氨氮去除率/ 二次污染 情况 A/O1. 0000. 0000. 0000. 0000. 0000. 0000. 0000. 000 A2/O0. 0001. 0001. 0001. 0001. 0001. 0001. 0001. 000 SBＲ0. 0000. 3680. 4001. 0000. 5710. 7500. 7500. 600 A/O20. 0000. 8951. 0001. 0000. 8571. 0000. 0001. 000 表 4各项评估指标的权重 Table 4Weight of each uation indicators 评估指标 基建投资/ 元 t －1 d－1 运行费用/ 元 t －1 占地 面积 技术 适用性 抗冲击负荷/ m3 m －2 h－1 技术 先进性 技术 稳定性 操作维护 难易程度 权重/6. 22 6. 296. 375. 626. 486. 716. 646. 63 评估指标 工艺设备 电耗 新鲜水消耗率/ 废水处 理规模 处理达标 情况 酚氰去除率/ COD 去除率/ 氨氮去除率/ 二次污染 情况 权重/3. 74 6. 516. 526. 716. 646. 695. 596. 64 表 5各项评估指标的偏好函数 Table 5Preference function of each uation indicators 评估 指标 基建 投资 运行 费用 占地 面积 技术 适用性 抗冲击 负荷 技术 先进性 技术 稳定性 操作维护 难易程度 偏好 函数 Liner 函数 Level 函数 Level 函数 Level 函数 V- shape 函数 Level 函数 Level 函数 Level 函数 评估 指标 工艺设备 电耗 新鲜水 消耗率 废水处理 规模 处理达标 情况 酚氰 去除率 COD 去除率 氨氮 去除率 二次污染 情况 偏好 函数 Liner 函数 V- shape 函数 Level 函数 Level 函数 V- shape 函数 V- shape 函数 V- shape 函数 Level 函数 2. 1PＲOMETHEE- I 评估结果 应 用VisualPＲOMETHEE软 件， 采 用 PＲOMETHEE- I 方法， 评估结果如图 2 所示。由图 2 可知 各工艺的 Φ 正偏差指数 及 Φ － 负偏差指 数 值， 具体数据见表 6。 图 2焦化厂废水处理工艺 PＲOMETHEE- I 评估结果 Fig．2PＲOMETHEE- I uation results of the coking plant wastewater treatment process 表 6各工艺的 Φ和 Φ－值 Table 6Φand Φ－value of each process 参数A/OA2/OA/O2SBＲ Φ 0. 23910. 42680. 33180. 3249 Φ － 0. 55300. 15620. 23190. 3814 PＲOMETHEE- I 方法的评估结果表明 A2/O 在 4 种工艺中最优， 而 A/O 处理工艺令决策者最不满意。 各工艺的推荐性排序依次为 A2/O、 A/O2、 SBＲ、 A/O。 但是由于 PＲOMETHEE- I 为不完全比较， 应用此方法 时可能产生某两种或多种方案之间的优劣无法比较 即此两种或多种方案不具有可比性 ， 在本案例中 不存在上述情况， 因为各种工艺 Φ 及 Φ － 值的排序 相同。 2. 2PＲOMETHEE- II 评估结果 应用Visual PＲOMETHEE 软件， 采用PＲOMETHEE- II 方法， 评估结果如图 3 所示， 由图 3 可知 各工艺的 Φ 综合偏差指数 值， 具体数据见表 7。 851 环境工程 Environmental Engineering 图 3焦化厂废水处理工艺 PＲOMETHEE II 评估结果 Fig．3PＲOMETHEE II uation results of the coking plant wastewater treatment process 表 7各工艺的 Φ 值 Table 7Φ value of each proces 参数A/OA2/OA/O2SBＲ Φ－0. 31390. 27050. 0999－0. 0565 PＲOMETHEE- II 方法得到的评估结果表明 4 种 工艺从优到劣的排序依次为 A2/O、 A/O2、 SBＲ、 A/O。 本次评估中， 无论 PＲOMETHEE- I 还是 PＲOMETHEE- II 筛选出的最佳工艺和备选工艺优劣排序都相同。 因此， 从 PＲOMETHEE- I 和 PＲOMETHEE- II 分析 结果来看， A2/O 和 A/O2处理工艺具有优势， 主要是 因为这两种工艺的多项指标处于优势。而 A/O 处理 工艺的多项指标处于劣势。 可以看出， 在该地区更适合用 A2/O 和 A/O2这 两种工艺处理焦化厂废水。将本次评估结果和 HJ/J SDZ00 x2009钢铁行业污染防治最佳可行技 术导则焦化工艺 、 HJ- BAT- 004钢铁行业焦化工 艺污染防治最佳可行技术指南 试行 进行对比， 后 两个文件中指出焦化厂废水治理最佳可行技术包括 A2/O 工艺、 A/O2工艺、 以 O- A/O 流程为核心的环境 治理微生物技术。可见， 本次评估所推荐的技术与国 家环境保护技术文件推荐的技术相吻合。 由上述评估结果可以看出 利用 PＲOMETHEE 法对焦化厂废水处理技术进行评估， 可以简化数据计 算， 减少人为因素的影响， 具有较好的准确性和可 靠性。 但方法的评估结果只是一个参考值， 对于具体条 件的考虑还存在欠缺的部分。在实际应用中， 应将方 法的评估结果与实际经验相结合， 挑选出最适合的焦 化厂废水处理工艺。 3结论 本文针对焦化厂废水处理技术决策问题， 建立了 可行的 PＲOMETHEE 技术优选决策方法。在确定指 标权重方面， 采用熵值法是通过计算样本自身数据对 权重做出判断， 避免了人为的主观性和随意性， 保持 了样本指标的数据独立性。同时还引入技术适用性、 技术稳定性和技术先进性等相关指标， 在以后的决策 过程中， 这些指标可以根据实际情况进行更改。 本文建立的焦化厂废水处理技术评估方法， 人为 因素干扰少， 适用性强， 评估结果与实际情况基本符 合， 可为焦化厂废水的治理决策提供可靠依据， 对我 国焦化厂废水的处理和管理具有重要的现实意义。 参考文献 ［1］卢永， 申世峰． 焦化废水生化处理研究新进展［J］． 环境工程， 2009， 27 4 13- 16． ［2］金文杰， 左宇， 于群． 混凝吸附法深度处理焦化废水［J］． 环境 工程， 2009， 27 1 3- 4． ［3］Ｒoy B．How outranking relation help multiple criteria decision making［C］∥Cochrane J L，Zeleny M． Multiple Criteria Decision Making．South CarolinaUniversity of South Carolina Press， 1973 179- 201． ［4］Tong C． Ｒeviewon environmental indicator research［J］． Ｒesearch on Environmental Science， 2000， 13 4 53． ［5］Brans J， Mareschal B． How to select and how to rank projects The PＲOMETHEE ［J］．European Journal of Operational Ｒesearch， 1986， 24 2 228- 238． ［6］Tarik Al- Shemmeri，Bashar Al- Klouba，Alan Pearman．Model choice in multicriteria decision aid ［J］．European Journal of Operational Ｒesearch， 1997， 97 3 550- 560． ［7］邱菀华． 管理决策与应用熵学［M］． 北京 中国电力出版社， 2011． 第一作者 邢涛 1989 － ， 男， 硕士， 主要研究方向为水污染控制。 xing1989163． com 通讯作者 李轶 1975 － ， 男， 博士， 教授， 主要研究方向为水资源保护 与水环境修复。enly hhu． edu． cn 951 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment