層次分析法在農(nóng)村生活污水處理模式優(yōu)選中的應(yīng)用

曲麗麗 李 悅 孔范龍 趙麗霞 孫 鵬

（青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山東青島 266071）

當(dāng)前我國農(nóng)村地區(qū)生活污水未經(jīng)處理而直接排放的現(xiàn)象導(dǎo)致了農(nóng)村水環(huán)境問題長期存在。農(nóng)村地區(qū)居民居住分散性的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)因素等各項限制條件的存在，導(dǎo)致農(nóng)村生活污水的處理不能延用和照搬大、中規(guī)模城市污水處理模式。其處理模式的選擇必須遵循經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能和簡便易行的原則，要求處理工藝簡單，運(yùn)行費(fèi)用低廉，凈化效果有保證，運(yùn)行維護(hù)簡便［1］?；诖?，農(nóng)村生活污水處理時需考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、管理和政策等諸多影響因素，而如何選取合適的處理模式也成為當(dāng)前農(nóng)村生活污水處理的研究熱點(diǎn)。

由于農(nóng)村生活污水處理模式的選取涉及諸多影響因素，而且其中含一些難以定量表示的定性因子，運(yùn)用常規(guī)的數(shù)學(xué)方法很難作出判斷，因此要選取合適的農(nóng)村生活污水處理模式，需要尋求一種可以將各因素定量化的方法。層次分析法可以針對農(nóng)村生活污水處理模式選擇中的多目標(biāo)、多層次因素進(jìn)行定性與定量綜合評判，將決策思維過程數(shù)學(xué)化。目前，國內(nèi)對層次分析法應(yīng)用于生活污水處理技術(shù)選擇方面已開展了相關(guān)研究，謝禮國［2］、劉揚(yáng)［3］、郝曉偉［4］等利用層次分析法建立了評價體系，并對污水處理技術(shù)進(jìn)行了綜合評價，這為層次分析法在農(nóng)村生活污水處理技術(shù)選取中的應(yīng)用提供了參考，但是仍存在不足，如在層次模型中所考慮的影響因素不全面，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足等。鑒于此，本文在利用層次分析法進(jìn)行模式選取時將進(jìn)一步對層次模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵要素進(jìn)行完善，以期為農(nóng)村生活污水處理模式的選取提供方法指導(dǎo)。

1 農(nóng)村生活污水特點(diǎn)及處理技術(shù)存在問題

1.1 農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)

農(nóng)村生活污水是農(nóng)村居民在生活和家庭養(yǎng)殖等過程中產(chǎn)生的污水的總稱，主要包括廚房炊事廢水、洗衣、洗浴和廁所污水、家養(yǎng)蓄禽糞便、廢水等［5］。因生活習(xí)慣、生活方式、經(jīng)濟(jì)水平等不同，農(nóng)村生活污水也表現(xiàn)有不同的特點(diǎn)［6－8］:①水質(zhì)特點(diǎn):農(nóng)村生活污水來源多、分布廣泛且分散，污水成分復(fù)雜，含有一定量的氮、磷，可生化性較高，基本不含重金屬和有毒有害物質(zhì);②水量特征:農(nóng)村生活污水量比較小，變化系數(shù)大，一般排放量早晚比白天大，夜間排水量小;③排放體制特征:農(nóng)村生活污水一般呈粗放型排放;④增長速度快:隨著農(nóng)民生活水平的提高以及農(nóng)村生活方式的改變，生活污水的產(chǎn)生量也隨之增長。

1.2 農(nóng)村生活污水處理存在的問題及探討

由于我國農(nóng)村地區(qū)存在著經(jīng)濟(jì)水平相對落后，居民環(huán)保意識不到位，生活污水的產(chǎn)生分散而不易集中等因素，當(dāng)前在生活污水的處理方面存在有一定的問題:①費(fèi)用問題:由于農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對落后，污水管網(wǎng)建設(shè)滯后，配套不完善，收集范圍小，污水處理規(guī)模小，造成工程建設(shè)費(fèi)及運(yùn)行費(fèi)用過高;②環(huán)境問題:由于當(dāng)?shù)刈匀慌c生態(tài)條件（氣溫、降水、風(fēng)向和土壤等）對所選擇的處理工藝與處理技術(shù)有負(fù)面影響，使其不能正常發(fā)揮效力［9］;③政策問題:污水處理工藝與技術(shù)的選擇，受到當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn)要求、水環(huán)境功能要求的制約;由于農(nóng)村的環(huán)境機(jī)制不健全，缺少專業(yè)的環(huán)保人才。④管理問題:對于污水處理技術(shù)缺少維護(hù)管理技術(shù)人員及運(yùn)行管理經(jīng)驗嚴(yán)重缺乏［10］。

分析農(nóng)村生活污水處理方面存在的問題（見圖1），發(fā)現(xiàn)其所存在的問題歸根到底都是因農(nóng)村生活污水處理模式的選擇不當(dāng)而產(chǎn)生。只有結(jié)合農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)狀況、環(huán)境條件、當(dāng)?shù)氐呐欧艠?biāo)準(zhǔn)以及水環(huán)境功能要求，因地制宜的選擇適合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)村生活污水處理模式，才能更好的發(fā)揮污水處理的效果和作用，達(dá)到防治農(nóng)村水體污染的目的。

圖1 農(nóng)村生活污水處理問題探討

2 層次分析法在農(nóng)村生活污水處理模式優(yōu)選中的應(yīng)用

AHP法是用定量與定性相結(jié)合的模糊綜合評判模型，綜合考慮各方面的因素，并按因素對評判結(jié)果的影響程度，將其劃分為不同的層次，加以逐層的綜合評判，從而得到一個既定量化又較符合實際的評價結(jié)果，能較好解決污水處理模式選擇的難題。

2.1 農(nóng)村生活污水處理模式層次模型的建立

針對農(nóng)村地區(qū)生活污水特點(diǎn)結(jié)合農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平和水環(huán)境質(zhì)量要求的實際情況，應(yīng)尋求經(jīng)濟(jì)、高效、簡便、易行的農(nóng)村生活污水處理適用技術(shù)。因此，處理工藝選取時應(yīng)綜合考慮以下因素:①環(huán)境因素，主要有占地面積、選址條件、自然條件;②經(jīng)濟(jì)因素，包括基建投資、運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用;③技術(shù)因素，主要考慮技術(shù)的可靠性、工藝條件、處理效果;④政策因素，主要考慮相關(guān)污水排放和水環(huán)境保護(hù)的政策、法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn);⑤管理因素，主要考慮運(yùn)行過程的管理和廢水處理后回用的管理。

根據(jù)影響因素將農(nóng)村生活污水處理技術(shù)設(shè)為方案層，將適合某一農(nóng)村生活污水的處理模式設(shè)為目標(biāo)層;將各影響因素作為準(zhǔn)則層，建立層次結(jié)構(gòu)模型如圖2。

圖2 層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 工程實例

2.2.1 工程概況

E村占地面積375畝，地勢北高南低，人口約1500人，居民以種植業(yè)為主，工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值約3000萬元，經(jīng)調(diào)查該村總污水流量約為130m3/d，其中COD平均含量為300－400mg/L、氨氮含量為35－45 mg/L、總磷含量為5－10mg/L，污水未經(jīng)處理直接排出。未經(jīng)處理的生活污水直接排放，一方面嚴(yán)重污染了各類水體，另一方面容易造成地區(qū)的傳染病、地方病和人畜共患疾病的發(fā)生與流行，直接威脅到廣大農(nóng)民群眾的身體健康以及農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.2.2 構(gòu)造判斷矩陣及權(quán)重計算

根據(jù)已建立的層次結(jié)構(gòu)模型，選取目前圖內(nèi)較為成熟的污水處理技術(shù):人工濕地處理技術(shù)（D1）、厭氧沼氣處理技術(shù)（D2）、地埋式無動力凈化處理技術(shù)（D3）、地下滲濾系統(tǒng)（D4）、高效藻類塘系統(tǒng)（D5）、凈化槽處理技術(shù)（D6）作為方案層，建立起針對E村的層次結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)而進(jìn)行排序。在排序計算中，每一層次中的排序又可簡化為一系列成對因素的判斷比較。根據(jù)一定的比率標(biāo)度將判斷量化后，形成比較判斷矩陣。

（1）構(gòu)造準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的判斷矩陣。綜合分析E村的自然條件、經(jīng)濟(jì)狀況、居民文化水平以及該地區(qū)的法律法規(guī)，采用專家打分法對準(zhǔn)則層各影響因素的重要性進(jìn)行評判，構(gòu)造判斷矩陣A－B。

根據(jù)所構(gòu)造的判斷矩陣，計算求得最大特征根λmax=5，相應(yīng)的特征向量w=（0.171，0.229，0.257，0.143，0.200），根據(jù)檢驗判斷矩陣的一致性公式可得:CI=（λmaxn）/（n－1）=0;根據(jù)0－10階矩陣RI值，計算其一致性比率CR為:CR=CI/RI=0＜0.1，則判斷矩陣A－B具有滿意的一致性。

（2）構(gòu)造各個評價準(zhǔn)則Bi對方案層Di的判斷矩陣。

①對環(huán)境要求:根據(jù)對占地面積、選址條件、自然條件等的綜合分析，6種方案成對比較后，得環(huán)境要求對6種方案的判斷矩陣B1－D，計算得矩陣的最大特征值為λmax=6，相應(yīng)的特征向量w=（0.286，0.190，0.095，0.143，0.048，0.238），判斷矩陣偏離一致性指標(biāo)CI=0;隨機(jī)一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

②對經(jīng)濟(jì)要求:根據(jù)對6中方案的基建投資、運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用等的綜合分析，6種方案成對比較后得經(jīng)濟(jì)要求對6種方案層的判斷矩陣B2－D。計算得矩陣的最大特征值為 λmax=6，相應(yīng)的特征向量w=（0.286，0.238，0.143，0.095，0.190，0.048），判斷矩陣偏離一致性指標(biāo)CI=0;隨機(jī)一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

③技術(shù)要求:根據(jù)對技術(shù)的可靠性、工藝條件、處理效果等綜合分析，6種方案成對比較后得經(jīng)濟(jì)要求對6種方案層的判斷矩陣B3－D。計算得矩陣的最大特征值為λmax=6，相應(yīng)的特征向量w=（0.286，0.095，0.143，0.238，0.048，0.190），判斷矩陣偏離一致性指標(biāo)CI=0;隨機(jī)一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

④政策要求:根據(jù)對相關(guān)政策、法律法規(guī)以及標(biāo)準(zhǔn)等的綜合分析，6種方案成對比較后得經(jīng)濟(jì)要求對6種方案層的判斷矩陣B4－D。計算得矩陣的最大特征值為λmax=6，相應(yīng)的特征向量w=（0.286，0.095，0.143，0.190，0.238，0.048），判斷矩陣偏離一致性指標(biāo)CI=0;隨機(jī)一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

⑤管理要求:根據(jù)運(yùn)行過程管理的難易度和廢水處理后回用管理的難易度等綜合分析，6種方案成對比較后得管理要求對6種方案層的判斷矩陣B5－D。計算得矩陣的最大特征值為 λmax=6，相應(yīng)的特征向量w=（0.238，0.286，0.095，0.048，0.190，0.143），判斷矩陣偏離一致性指標(biāo)CI=0;隨機(jī)一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

2.2.3 層次總排序及其一致性檢驗

根據(jù)各個評價準(zhǔn)則對方案層的權(quán)重，構(gòu)造農(nóng)村生活污水處理方案層次總排序見表1。

表1 農(nóng)村生活污水處理方案層次總排序

層次總排序一致性檢驗:CR總=（∑ajCIj）/（∑ajRIj）=0＜0.1，通過層次總排序表可以看出對于E村而言，6種農(nóng)村生活污水處理模式的排序為:人工濕地處理技術(shù)、厭氧沼氣處理技術(shù)、凈化槽處理技術(shù)、地下滲濾系統(tǒng)、高效藻類塘系統(tǒng)、地埋式無動力凈化處理技術(shù)，由此得出最優(yōu)方案為人工濕地處理技術(shù)。

3 結(jié)論

農(nóng)村生活污水處理模式的選擇是農(nóng)村生活污水處理的重要環(huán)節(jié)，需要綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、管理和政策等諸多影響因素，層次分析法可以針對農(nóng)村生活污水處理模式選擇中的多目標(biāo)、多層次因素進(jìn)行定性與定量綜合評判，用于農(nóng)村生活污水處理模式的優(yōu)選，具有較強(qiáng)的科學(xué)性。本文根據(jù)層次分析法的原理，建立了農(nóng)村生活污水處理模式選擇的層次模型。以E村為研究實例，根據(jù)已建立的層次模型結(jié)合E村的實際情況，建立針對E村的農(nóng)村生活污水處理模式選擇的層次模型，并根據(jù)模型將定量分析與定性分析相結(jié)合，進(jìn)行權(quán)重計算以及層次總排序，得出適合E村的分散式生活污水處理模式為人工濕地處理模式，這為農(nóng)村地區(qū)生活污水處理模式的選擇提供了方法指導(dǎo)。

（編輯:張 英）

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