基于層次分析法的屠宰廢水處理技術(shù)性能評估*

何 祥 谷文藝 王勇勇 王 凡 傅金祥

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

層次分析法(AHP)是一種定性分析與定量分析相結(jié)合的多準則決策方法，還可作為一種優(yōu)化技術(shù)，特別是將決策者的經(jīng)驗判斷給予量化，在目標或因素結(jié)構(gòu)復雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下顯得更實用[1]。AHP的整個分析過程體現(xiàn)了人的決策思維的基本特征，即分解、判斷和綜合[2]。目前AHP已經(jīng)發(fā)展成較為成熟的方法，并被廣泛應用于社會、經(jīng)濟、生活污水處理廠工藝篩選等多方面領(lǐng)域[3-6]，但鮮有AHP被應用于特種污水處理技術(shù)優(yōu)選的報道。

屠宰廢水作為一種典型的高濃度有機廢水，其所含的污染物主要以溶解性有機物、膠體和懸浮物的形式存在[7]。已有大量針對屠宰廢水的工藝研究與設(shè)計[8-9]，但在實際產(chǎn)業(yè)化過程中，包括投資成本、環(huán)境效益、設(shè)備穩(wěn)定性在內(nèi)的部分定性定量指標沒有合理統(tǒng)籌，造成實驗室最佳方案與實際工程存在偏差。本研究選用3套實驗室中試組合工藝：上流式厭氧污泥床(UASB)/膜生物反應器(MBR)、UASB/序批式活性污泥法(SBR)、厭氧生物濾池(AF)/生物接觸氧化，根據(jù)其處理效果，采用AHP從經(jīng)濟效益、技術(shù)性能和管理效益3方面優(yōu)選出最佳處理方案。

1 層次模型

1.1 層次模型的建立

層次模型的建立是AHP的基礎(chǔ)，構(gòu)建合理有效的層次模型有助于AHP分析結(jié)果的可靠性和科學性[10-12]。構(gòu)建的層次模型如圖1所示。本研究將工藝綜合效益(A)作為目標層，經(jīng)濟效益(B1)、技術(shù)性能(B2)和管理效益(B3)作為第1準則層，投資額等12個指標(M1～M12)作為第2準則層，各組合工藝(C1～C3)作為方案層。

圖1 屠宰廢水處理方案的評價指標體系Fig.1 Evaluation criteria system of slaughter wastewater treatment process

1.2 取值標準的確定

AHP的應用過程中，需要針對評價對象的性質(zhì)和特點，建立相應的指標體系，再按照指標體系確定多層次的評價結(jié)構(gòu)模型。其中指標體系包括體系參數(shù)、指標間的關(guān)系和取值標準3個方面的內(nèi)容。取值標準的確定可采用專家咨詢法和實驗數(shù)據(jù)結(jié)論法。

1.2.1 專家咨詢法

選擇不同層次的環(huán)保技術(shù)人員和管理人員，通過參加討論會和專家咨詢會這兩種方式，了解這些人員對工業(yè)污水處理關(guān)鍵技術(shù)評價的認識以及對影響污水處理設(shè)計運行中關(guān)鍵點的認知，再對結(jié)果進行統(tǒng)計分析；在所給出的眾多的影響因子中選出3個指標作為AHP準則層的指標；然后，通過問卷調(diào)查的形式進行調(diào)查分析，最終確定每個指標的相對重要性權(quán)值及取值范圍；最后，根據(jù)以上調(diào)查結(jié)果歸納統(tǒng)計出每個準則的相對重要性權(quán)值及取值標準。

1.2.2 實驗數(shù)據(jù)結(jié)論法

對專家模糊判斷或可通過實驗室準確得出結(jié)論的目標，采取實驗室中試進行測定，獲得包括M5、M6、M7、M8及M11等指標的優(yōu)劣性，列入判斷矩陣。

2 實驗室中試結(jié)果及相應判斷矩陣的構(gòu)建

中試從啟動到結(jié)束共進行了16個月，期間記錄各反應器啟動及運行情況，通過調(diào)節(jié)水力停留時間(HRT)及回流比，使系統(tǒng)出水穩(wěn)定并達到最佳情況。屠宰廢水試驗的原水取自沈陽某屠宰場，經(jīng)混凝/氣浮預處理后進入生物段處理，3套組合工藝中涉及的裝置見圖2。

2.1 組合工藝的COD去除效果及M6判斷矩陣

2.1.1 組合工藝COD去除效果

由圖3可知，預處理后進入生物段處理的屠宰廢水COD平均值為836.5 mg/L。通過C1、C2和C3處理后，出水COD分別維持在35.5、32.4、41.4 mg/L左右，去除率分別約為95.8%、96.2%、95.1%，3套組合工藝的COD去除效果表現(xiàn)為C2>C1>C3。3套組合工藝的COD出水小于《污水綜合排放標準》(DB 21/1627—2008)中的COD排放限值(50 mg/L)。

2.1.2 構(gòu)建M6判斷矩陣

判斷矩陣中各元素的取值反映了人們對各元素相對重要性(如優(yōu)劣、偏好、強度等)的認識，一般采用1～9及其倒數(shù)的標度方法[13]，見表1。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對3套組合工藝進行對比賦值，建立M6判斷矩陣后計算特征向量(W)并檢驗判斷矩陣一致性，見表2。

圖2 中試裝置圖Fig.2 The pilot test devices

圖3 組合工藝穩(wěn)定運行期間對COD的去除效果Fig.3 COD removal effect of combined processes during the stable operation

根據(jù)表2計算得出M6判斷矩陣的最大特征根(λmax)為3.018 3，再根據(jù)式(1)和式(2)[14]檢驗M6判斷矩陣的一致性。

CI=(λmax-N)/(N-1)

(1)

(2)

式中：CI為判斷矩陣偏離度；N為判斷矩陣階數(shù)；CR為判斷矩陣隨機一致性比率；RI為判斷矩陣具有一致性的臨界值。

表1 判斷矩陣標度及其含義

表2 M6判斷矩陣及其特征向量

當N=3時，RI=0.58，則計算可得CR=0.015 8，CR<0.1，因此該判斷矩陣滿足一致性，判斷矩陣的賦值合理。其他判斷矩陣也依照相同原理構(gòu)造并檢驗一致性。

2.2 組合工藝對TN、TP的去除效果及判斷矩陣

由圖4可見，進水TN維持在110 mg/L左右，通過C1、C2和C3處理后，出水TN分別維持在13.0、13.8、15.7 mg/L左右，去除率分別約為88.2%、86.5%、85.2%。進水TP維持在5.5 mg/L左右，通過C1、C2和C3處理后，出水TP分別維持在0.43、0.48、0.45 mg/L左右，去除率分別約為92.2%、88.1%、91.8%。通過實驗結(jié)果可知，C3存在出水TN不達標情況，其他兩套組合工藝均能滿足DB 21/1627—2008中TN小于15 mg/L、TP小于0.5 mg/L的排放限值要求?？傮w上看，3套組合工藝對TN、TP的去除效果為C1>C2>C3，由此構(gòu)建M7判斷矩陣并計算特征向量，結(jié)果見表3。

圖4 組合工藝穩(wěn)定運行期間對TN、TP的去除效果Fig.4 TN and TP removal effect of combined processes during the stable operation

表3 M7判斷矩陣及其特征向量

2.3 其他中試結(jié)果及判斷矩陣

C1、C2、C3的其他進出水水質(zhì)指標見表4。

表4 其他進出水水質(zhì)指標

從整體上看，3套組合工藝在穩(wěn)定運行過程中對污染物的去除能力較強，出水基本滿足DB 21/1627—2008(氨氮<8 mg/L，懸浮物<20 mg/L，色度<30)的排放要求。組合工藝的優(yōu)缺點也較為明顯。

C1運行情況較好，經(jīng)過UASB處理后的水質(zhì)較適合后續(xù)MBR處理，出水指標較好；但MBR出水用泵抽吸，耗電量遠高于C1和C3；且MBR膜絲容易斷絲、堵塞，影響膜通量，導致負壓增大，耗電量也相應增加。

對C2而言，整體運行情況較好，但對于突然的水質(zhì)沖擊，需要較長的恢復時間。分析其原因可能是SBR使用懸浮型污泥，相比生物接觸氧化和MBR，其形成的生物膜系統(tǒng)微生物菌群單一，抗沖擊負荷能力較弱。且C2的污泥產(chǎn)量比C1、C3大，在工程操作中會帶來額外的經(jīng)濟負擔。

對C3而言，AF啟動速率比UASB快，UASB需6周啟動時間，而AF只用了4周；但堵塞問題是影響AF應用的最主要問題之一，每隔4周AF需要反沖洗，反沖洗過程中，生物膜脫落影響水質(zhì)處理效果；AF進水之前，需要通過物化處理控制水中懸浮物。

建立M5、M8和M11的判斷矩陣并計算特征向量，結(jié)果分別見表5、表6和表7。

表5 M5判斷矩陣及其特征向量

表6 M8判斷矩陣及其特征向量

表7 M11判斷矩陣及其特征向量

3 屠宰廢水處理技術(shù)性能評價

根據(jù)屠宰廢水處理方案評價指標體系分別構(gòu)建各層指標的判斷矩陣，并計算特征向量，最終得到AHP排序結(jié)果，見表8。

表8 屠宰廢水處理方案AHP排序結(jié)果

注：1)括號里的數(shù)值表示權(quán)重；2)括號里的數(shù)值表示AHP綜合指數(shù)。

從表8中方案層總排序可看出，實現(xiàn)屠宰廢水處理達標排放，3套組合工藝的排序為C2最優(yōu)、C3其次，C1最差。因此，C2為篩選出的最佳處理方案，這與江濤[15]得到的結(jié)論基本相同。

4 結(jié) 語

屠宰廢水的方案優(yōu)選是一個多決策的過程，實驗數(shù)據(jù)結(jié)論法多停留在最佳條件或最優(yōu)化結(jié)果，但忽略了實際工程中的復雜性與多層次性。因此，僅依靠實驗數(shù)據(jù)結(jié)論法不能滿足成果產(chǎn)業(yè)化的需求。同時，僅依靠專家咨詢法對AHP中的權(quán)重進行賦值，也不能準確衡量特定廢水的處理效果。本研究將屠宰廢水處理的實際成果納入處理方案優(yōu)選體系，提高了AHP的準確性，并結(jié)合專家咨詢法調(diào)整層次權(quán)重，科學篩選屠宰廢水的最佳處理方案。根據(jù)3個第1準則層和12個第2準則層，對C1、C2和C3判斷矩陣中各因素標度與權(quán)重賦值，并進行排序，得出方案層中C2綜合指數(shù)最高，為0.420 7。因此，3套組合工藝中，C2綜合效益最高，最適用于屠宰廢水處理產(chǎn)業(yè)化應用。

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