基于全流程最優(yōu)的工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估

要亞靜,盧學強,邵曉龍,劉紅磊,李 慧,檀翠玲

基于全流程最優(yōu)的工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估

要亞靜1,2,盧學強2*,邵曉龍2,劉紅磊2,李 慧2,檀翠玲2

(1.河北工業(yè)大學,天津 300401；2.天津市環(huán)境保護科學研究院,天津 300191)

由于排水去向的不同,一般的行業(yè)水污染技術(shù)評估方法對工業(yè)園區(qū)內(nèi)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估并不適用.為此,本文嘗試基于工業(yè)園區(qū)廢水處理全流程最優(yōu)的角度,以工業(yè)園區(qū)末端污水處理廠出水穩(wěn)定達標為目的,通過引入BOD/CODcr比、占標率等提出新的評價指標,建立了園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)的評估方法,并用該評估方法在天津某工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)進行了應用,結(jié)果顯示園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)中評分較低(<70分)的均含有生化處理工藝段,反映出工業(yè)園區(qū)企業(yè)層級過度生化處理加劇了園區(qū)末端污水處理廠的碳源缺乏問題,并不利于園區(qū)污水處理的總體的穩(wěn)定達標,因而建議園區(qū)企業(yè)廢水處理應盡量減少生化處理的選用.同時,該結(jié)果也表明所構(gòu)建的評估模型科學合理、符合實際.

工業(yè)園區(qū)；全流程最優(yōu)；企業(yè)廢水處理技術(shù)評估；層次分析法；指標體系構(gòu)建

工業(yè)廢水排放量大[1-2]、危害性高[3],篩選或優(yōu)化工業(yè)廢水處理技術(shù),并對工業(yè)廢水進行水污染物排放控制是緩解我國水污染嚴峻形勢、改善水環(huán)境的重要技術(shù)措施之一.環(huán)境技術(shù)評估(Environmental Technology Verification)是應用科學的方法和指標體系進行環(huán)境技術(shù)篩選與評估[4-6],是國際通行的一種篩選水污染防治最佳實用技術(shù)的重要手段.“十一五”期間我國開展了對化工、冶金、輕工、紡織、制藥等行業(yè)的水污染防治技術(shù)評估,其評價指標體系構(gòu)建上主要考慮的是經(jīng)濟、技術(shù)、資源能源以及對外環(huán)境的影響指標[7-12].隨著工業(yè)園區(qū)的不斷發(fā)展,越來越多的企業(yè)都已經(jīng)或?qū)⒁w入工業(yè)園區(qū).工業(yè)園區(qū)的廢水處理一般為園區(qū)內(nèi)企業(yè)處理后再排入末端集中式污水處理廠進行集中處理.現(xiàn)有的企業(yè)水污染防治技術(shù)評估時,很少有考慮企業(yè)廢水處理對后續(xù)污水處理的影響,這種評估方法對位于工業(yè)園區(qū)內(nèi)的企業(yè)污水處理技術(shù)的評估與篩選則不適用.

因此,本研究考慮園區(qū)企業(yè)出水對后續(xù)污水處理的影響,基于工業(yè)園區(qū)廢水處理全流程最優(yōu)對園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估進行探討.在以往行業(yè)水污染防治技術(shù)評估指標體系的基礎(chǔ)上,增設(shè)BOD/CODcr、有毒有害污染物等會對末端水廠處理效果產(chǎn)生影響的指標,并運用層次分析法進行綜合評價,以期為我國工業(yè)園區(qū)水污染防治技術(shù)與管理的優(yōu)化提供借鑒與參考.

1 工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估方法建立

工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估可以概化為一個涉及多因素的多指標綜合評價問題,可適用的多指標綜合評價法包括:定性評價法如德爾菲法[13]、基于統(tǒng)計定量評價方法[14](如:主成分分析法[15]、因子分析法、聚類分析)、基于目標規(guī)劃的定量評價法(如:消去轉(zhuǎn)換算法ELECTRE、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法DEA[16]、逼近理想點法TOPSIS)、定性定量相結(jié)合的評價方法[16](如:層次分析法AHP[17]、模糊數(shù)學方法FCA、灰色關(guān)聯(lián)分析法GIA、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法ANN)等.本文采用應用較為廣泛的層次分析法進行綜合評價,該方法屬于一種系統(tǒng)分析方法,具有簡單實用、對問題進行層層分析、充分利用專家智慧等優(yōu)點.

1.1 評估指標體系構(gòu)建原則和框架

評估指標體系的建立是開展技術(shù)評估的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),大致流程為:確定評估目標、確定評估指標預選集、確定評估指標體系[9].而評估指標體系則需遵循“全面系統(tǒng)性、科學準確性、可比性、可操作性、獨立性、代表性”等基本原則[9,11].

工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估的指標體系構(gòu)建中采用了文獻調(diào)研與專家咨詢相結(jié)合方式.采用頻度統(tǒng)計法和理論分析法對文獻[7,9-10,12,18-20]中的指標體系設(shè)置情況進行分析,選用頻度較高的指標作為指標預選集,通過定性分析并遵循指標體系的構(gòu)建原則從指標預選集中進行指標篩選,進行專家咨詢和技術(shù)咨詢、獨立性檢驗對指標體系進行調(diào)整,最終確定構(gòu)建的評估指標體系分為目標層、準則層、一級評價指標層、二級評價指標層四個層次(表1).

1.2 工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估指標體系

現(xiàn)有的廢水處理技術(shù)評估模型多是從“技術(shù)性能、經(jīng)濟性能、操作管理性能、環(huán)境影響性能”四方面[7-9,11-12,19]進行指標體系構(gòu)建,前三個性能指標屬于對技術(shù)本身評價,而環(huán)境影響性能指標則是技術(shù)的二次污染也即對外環(huán)境的影響.對于工業(yè)園區(qū)內(nèi)的企業(yè)廢水處理技術(shù)評估而言,從工業(yè)園區(qū)廢水處理的全流程最優(yōu)角度出發(fā),就是最終實現(xiàn)園區(qū)末端污水處理廠的穩(wěn)定達標,園區(qū)企業(yè)廢水處理可以看作園區(qū)末端污水處理廠的“預處理”,因而,園區(qū)企業(yè)級的廢水處理應該支撐工業(yè)園區(qū)末端污水處理廠的穩(wěn)定達標,基于此,本研究中針對工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估指標體系構(gòu)建中,增加了“對園區(qū)末端污水處理廠影響”的指標.

這里,引入了“全流程最優(yōu)”的概念,“全流程”就是指工業(yè)園區(qū)內(nèi)廢水從園區(qū)內(nèi)企業(yè)預處理到園區(qū)末端污水處理廠處理排放這一全流程,于是,“全流程最優(yōu)”就不是單純評價企業(yè)采用的處理技術(shù)的污染物去除率的高低為最優(yōu),而是怎么對園區(qū)末端污水處理穩(wěn)定達標最有利為最優(yōu).

工業(yè)園區(qū)末端污水處理廠絕大多數(shù)都是以生化工藝為主的處理工藝,影響其出水穩(wěn)定達標的最突出問題有兩個:一個是碳源不足,另一個是有毒有害污染物的影響[21-23].當然,園區(qū)企業(yè)廢水處理對常規(guī)污染物排放量過高甚至過低以及水量的大幅度變化,這些因素也會影響工業(yè)園區(qū)末端污水處理廠穩(wěn)定達標.故而,在工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估指標的設(shè)置上,本研究對這些因素進行了重點考慮.

碳源不足就是廢水中可生物降解的有機物不足支撐生化工藝中的生物降解過程的進行,一般可生物降解的有機物可以用BOD來表示,而總的有機物可以用CODCr來代表,進而用BOD/CODCr這一指標來表征碳源不足的狀況.工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理顯然不是像行業(yè)廢水處理那樣,污染物去除率越高越好,考慮到充分發(fā)揮工業(yè)園區(qū)末端污水處理廠的規(guī)模化、集約化效果,工業(yè)園區(qū)層面的對可生化降解的有機物而言,并非去除率越高越好,而是在末端污水處理廠可接納范圍內(nèi)不過度處理為好,這樣有助于解決末端污水處理碳源缺乏問題,基于此,本研究中在“對園區(qū)末端污水處理廠影響”指標下設(shè)置“BOD/ CODcr提高率”這一指標.

對于有毒有害污染物質(zhì)而言,顯然企業(yè)廢水處理排水中其濃度越低越好,以降低對末端污水處理廠的生化系統(tǒng)的沖擊.工業(yè)園區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)復雜、廢水水質(zhì)成分尤其是有毒有害物質(zhì)復雜[23],對末端污水處理廠造成沖擊有毒有害物質(zhì)各不相同,若將企業(yè)中所有有毒有害物質(zhì)的去除程度都列為評價因子,那么不同企業(yè)的評價因子及因子數(shù)會出現(xiàn)極大差異,實質(zhì)上無法開展技術(shù)評估.為此,本研究中采用企業(yè)廢水中對末端污水處理影響最大5種有毒有害物質(zhì)的去除率來表征有毒有害物質(zhì)去除對末端污水處理的影響,這樣雖然評價的因子所代表的污染物可能有所不同,但都是所評價對象排放廢水的主要有毒有害物質(zhì),同時評價因子的個數(shù)也變得相同.然而,如何識別和篩選影響最大的有毒有害物質(zhì),我們引入了“污染物占標率”這一指標來表征.與之類似,對于常規(guī)污染物,我們也采用了污染物占標率來表征.

污染物占標率是評價對象的出水水質(zhì)與相關(guān)排放標準的比值.難降解有毒有害物質(zhì)污染占標率主要為了選擇對末端污水處理廠影響較大的指標,即:根據(jù)計算的占標率將難降解有毒有害物質(zhì)指標從大到小排序,選前5項指標,該指標為逆向指標即值越小得分越高.對于常規(guī)污染物而言,工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水中常規(guī)污染物的出水濃度接近企業(yè)排水標準或者說末端污水處理廠可接納的最高限值為優(yōu),所以對“常規(guī)污染物占標率”計算(1-占標率)并從小到大排序,選取前5項常規(guī)指標,該指標為逆向指標即值越小得分越高.將選取的前5項指標以各自占標率的比重作為權(quán)重加權(quán)求和處理,具體計算公式如式(1)、式(2).

式中:a為水質(zhì)檢測的第個指標值;s為第個指標的標準值;為占標率;為各指標占標率中最大的5項;1為難降解有毒有害物質(zhì)占標率指標值;2為常規(guī)污染物占標率指標值.

此外,針對對園區(qū)末端污水處理廠的影響,本研究中還設(shè)置了水質(zhì)水量調(diào)節(jié)效果以及企業(yè)事故水池的緩沖能力等相關(guān)指標.

1.3 權(quán)重確定

采用德爾菲法對技術(shù)領(lǐng)域以及經(jīng)濟領(lǐng)域共15位專家進行專家咨詢,用層次分析法進行權(quán)重確定[9-10,12],在yaahp軟件中輸入判斷矩陣,軟件計算求得各指標權(quán)重并進行一致性檢驗.計算得一致性(CR)=0.0005<0.1滿足一致性檢驗,得出各指標權(quán)重(表1).

1.4 線性加權(quán)綜合評價

通過實際調(diào)研以及相關(guān)標準查閱,將各指標劃分為五個等級區(qū)間,利用極差法將各指標數(shù)據(jù)標準化[9],參考模糊數(shù)學中隸屬度的概念對各單項指標進行賦分[10,16,24],綜合得分如式3.

=(,S)=∑w×S(3)

式中:w為第個指標的組合權(quán)重;S為第個指標的單項得分.

1.5 新方法與原方法比較

本研究中構(gòu)建的工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估方法(新方法),與原行業(yè)水污染防治技術(shù)評估方法(原方法)[11-12]相比較,主要體現(xiàn)在評估指標體系的構(gòu)建上除了原方法中“技術(shù)性能、經(jīng)濟性能、操作管理性能、環(huán)境影響性能”等四類指標外,還考慮工業(yè)園區(qū)企業(yè)的特殊性,增設(shè)了“對園區(qū)末端污水處理廠的影響”指標.包括:“水質(zhì)水量調(diào)節(jié)效果、企業(yè)事故水池緩沖能力、BOD/CODCr提高率、常規(guī)污染物占標率、難降解有毒有害物質(zhì)占標率”等5項指標,其中BOD/CODCr、常規(guī)污染物占標率的設(shè)置是考慮園區(qū)末端污水處理廠的碳源缺乏問題;難降解有毒有害物質(zhì)的指標的設(shè)置是為了考慮難降解有毒有害物質(zhì)對園區(qū)末端污水處理廠的影響問題等.顯然,這些指標的設(shè)置是基于工業(yè)園區(qū)廢水全流程最優(yōu)的思想,對工業(yè)園區(qū)內(nèi)企業(yè)廢水處理技術(shù)的評估更為客觀,更符合工業(yè)園區(qū)的實際情況.

表1 各指標權(quán)重

2 應用實例

以天津某綜合型工業(yè)園區(qū)為例,該工業(yè)園區(qū)的末端污水處理廠的污水處理技術(shù)是以生化工藝為主,具體工藝為:進水→旋流沉砂池→厭氧池→缺氧池→生物膜流動床→二沉池→纖維轉(zhuǎn)盤過濾→紫外線消毒→出水.通過函調(diào)、實地調(diào)研以及專家咨詢獲取相關(guān)數(shù)據(jù),選擇7種典型企業(yè)廢水處理技術(shù)進行評估.首先對相關(guān)數(shù)據(jù)進行標準化處理,然后用表1的指標體系及權(quán)重進行評價(新方法),結(jié)果如表2所示.為了對比,我們還用不考慮對末端污水處理廠的影響情況下的指標體系(也即:原行業(yè)廢水處理技術(shù)評估方法,原方法)進行了計算,結(jié)果如圖1.

由表2可知,總體上本研究中的7種典型廢水處理技術(shù)得分較低,這也符合目前園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)的實際情況,本研究中只有不含生化工藝段的技術(shù)1和技術(shù)2的得分尚可,這也體現(xiàn)出目前工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)選擇中對末端污水處理廠的考慮較少,技術(shù)3到技術(shù)7均采用以生化工藝為主,企業(yè)層面的“過度”生化處理,加大了園區(qū)末端污水處理廠的處理難度.

表3對各技術(shù)的各個評價指標得分進行了詳細比較.因為技術(shù)3至7中含有的生化環(huán)節(jié),使B/C降低,加重了園區(qū)末端污水處理廠脫氮處理時碳源不足,造成“BOD/CODcr提高率”這一指標得分較低.由于技術(shù)1、技術(shù)2對難降解有毒有害物質(zhì)的去除效果較好,避免了對末端污水處理廠的不利影響,“難降解有毒有害物質(zhì)占標率”指標得分較高.技術(shù)1、技術(shù)2的對園區(qū)末端污水處理廠影響指標得分處于中等狀態(tài)是由于其調(diào)節(jié)池的容積較小使水質(zhì)水量調(diào)節(jié)效果不佳,且企業(yè)未建設(shè)事故水池或其容積太小,使其對事故水的緩沖作用不佳,由此可能對末端污水處理廠產(chǎn)生不利影響等原因.顯然,在對工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估時對基于全流程最優(yōu)化的角度進行評估是較為科學的,在工業(yè)園區(qū)的企業(yè)廢水處理技術(shù)中不含生化工藝段的技術(shù)對工業(yè)園區(qū)廢水處理全流程最優(yōu)化更有利.

表2 天津某工業(yè)園區(qū)7種廢水處理技術(shù)及評價結(jié)果

圖1列出了應用新方法及原方法的對比圖,總體上采用本研究的新方法,各技術(shù)綜合得分均有不同程度的降低,這是由于新方法考慮了對園區(qū)末端污水處理廠影響所致,對于工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估而言,應用原來的行業(yè)廢水處理技術(shù)評估方法對技術(shù)“高估(over- estimated[25])”,例如:技術(shù)3和技術(shù)4用原評估方法評價等級為優(yōu)、良,而用新的方法評價等級為一般,顯然技術(shù)3與技術(shù)4存在典型的過度處理的問題.實際上,目前該園區(qū)末端污水處理廠存在著穩(wěn)定達標困難問題,利用原方法評價7項技術(shù)的平均分為81,屬于良好水平,這顯然與末端污水廠現(xiàn)狀污水處理相矛盾,而新的評估方法平均分為69,屬于一般水平,顯然這更符合工業(yè)園區(qū)實際.進而,如果根據(jù)這一評估結(jié)果,對于園區(qū)企業(yè)廢水處理進行改造,減少企業(yè)層面的過度生化處理,就會在整個工業(yè)園區(qū)水處理的全過程實現(xiàn)最優(yōu)化.

表3 7種技術(shù)“對園區(qū)末端污水處理廠影響”下級指標得分

3 結(jié)論

3.1 本研究基于工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢水處理到園區(qū)末端污水處理廠這一全流程最優(yōu)的角度對園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估進行探討,重點對評估指標體系構(gòu)建進行了研究,針對工業(yè)園區(qū)碳源不足這一問題提出了BOD/CODcr這一指標,同時針對主要污染物的篩選提出了占標率這一指標,并對單純以污染物去除率高低作為評價指標進行了改進,以達標時“常規(guī)污染物占標率”指標及“難降解有毒有害物質(zhì)”占標率指標最低為最優(yōu).這些改進有利于末端污水處理規(guī)模效益的穩(wěn)定發(fā)揮.

3.2 利用所提出新的指標體系建立的評估方法,以天津某園區(qū)為例,和原來評估方法進行了實證研究.目前該園區(qū)存在末端污水處理廠難以穩(wěn)定達標的問題,而對所選擇的7項園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)評估發(fā)現(xiàn),新方法評價的平均分為69分(一般水平),低于原方法的81分(良好水平),顯然新方法更符合園區(qū)實際,也表明園區(qū)企業(yè)廢水處理技術(shù)應該進一步改進優(yōu)化,尤其是應該適當減少生化工藝在園區(qū)企業(yè)廢水處理中的選用.

3.3 上述評估指標體系及評估方法既可以為新入園的該類企業(yè)在選用廢水處理技術(shù)上提供參考,也可以對現(xiàn)有的技術(shù)進行結(jié)果分析,提出改進意見,確保園區(qū)末端污水處理廠穩(wěn)定高效運行.

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YAO Ya-jing1,2, LU Xue-qiang2*, SHAO Xiao-long2, LIU Hong-lei2, LI Hui2, TAN Cui-ling2

(1.Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China；2.Tianjin Academy of Environmental Science, Tianjin 300191, China)., 2017,37(8)：3183~3189

The evaluation methods for common industrial wastewater treatment technologies are not applicable to enterprises in industrial parks, due to different drainage ways of the effluents from enterprises in or not in a park. Therefore, this paper aims to establish a method for evaluating wastewater treatment technologies of enterprises in the industrial parks from optimization of the whole wastewater treatment processes and steady compliance with discharge standards for effluent from wastewater treatment plant in the industrial park, using the new indicators like BOD/CODcr ratio and standard share ratio. The proposed evaluation method had been applied in one industrial park of Tianjin and the application results showed that scores for the technologies with biochemical process were relatively low (<70), indicating that the excessive biochemical treatment in the enterprise aggravated the lack of carbon source in the common end-pipe sewage treatment plant of the park and the biochemical process is not suggested to be applied for the wastewater treatment of the enterprises in an industrial park. The results also showed the established evaluation method is feasible.

industrial park；best performance for the whole wastewater treatment processes；enterprise wastewater treatment technology evaluation；analytic hierarchy process；establishment of indicator system

X32

A

1000-6923(2017)08-3183-07

要亞靜(1991-),女,河北邢臺人,河北工業(yè)大學碩士研究生,研究方向環(huán)境管理與可持續(xù)發(fā)展.

2017-01-11

國家水專項課題:重點流域典型工業(yè)園區(qū)水污染防治技術(shù)評估和管理制度研究(2014ZX07504-005)

* 責任作者, 正高級工程師, xueqianglu@yahoo.com