基于層次分析法的某污水處理廠工藝擇優(yōu)

周 瑋，柯 超，袁 康，劉子國

(1.湖北理工學(xué)院 a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，b.機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081；3.黃石首創(chuàng)水務(wù)有限公司，湖北 黃石 435200)

現(xiàn)如今，由于工業(yè)發(fā)展和人類日常生活對清潔用水的需求在不斷提高，大量工業(yè)廢水和生活污水的處理成為了亟待解決的問題。因此，我國大力新建或改建污水處理廠，以提高污水處理效果。在污水處理廠的設(shè)計過程中，因地制宜地對各種現(xiàn)存的工藝進(jìn)行評估，選出最高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的方案是污水處理廠設(shè)計階段的重中之重。

影響污水處理工藝選擇的因素眾多，所有因素互相關(guān)聯(lián)，且互相影響，構(gòu)成一個復(fù)雜系統(tǒng)。在選擇工藝的過程中，需要綜合考慮各種工藝的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等優(yōu)勢[1]，運(yùn)用單一的目標(biāo)函數(shù)對眾多工藝進(jìn)行評價是非常困難的。因此，采用科學(xué)有效的方法綜合考慮各項影響因素，從而有針對性地選擇適宜的污水處理工藝，是發(fā)揮污水處理廠效能的關(guān)鍵[2]。

層次分析法(Analytical Hierarchy Process，AHP)[3]將眾多能夠影響決策結(jié)果的因素分成目標(biāo)、決策、指標(biāo)、方案等層次，在此基礎(chǔ)上對各因素進(jìn)行定性和定量分析，從而構(gòu)成一個多層次的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。此方法的本質(zhì)是通過建立清晰的層次結(jié)構(gòu)來解決復(fù)雜的問題[4]。

1 建立方案評價體系模型

1)運(yùn)用AHP對污水處理工藝決策的影響因素進(jìn)行分析，建立污水處理工藝方案的選擇評價體系模型，并確定各評價指標(biāo)的權(quán)重[5]。影響污水處理工藝方案選擇的因素有很多，主要從技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)效益、運(yùn)行管理3個方面來建立污水處理工藝方案的評價體系模型，并按目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層和方案層各影響因素進(jìn)行分組。污水處理工藝的遞階層次結(jié)構(gòu)評價模型如圖1所示。

圖1 污水處理工藝的遞階層次結(jié)構(gòu)評價模型

2)根據(jù)評價體系模型建立各階層的判斷矩陣。判斷矩陣是根據(jù)同一層次的要素關(guān)于上一層次某一要素的重要性進(jìn)行兩兩比較獲得。例如，準(zhǔn)則層有3個要素，分別是技術(shù)性能B1，經(jīng)濟(jì)效益B2，運(yùn)行管理B3，上一層目標(biāo)層是最優(yōu)污水處理工藝方案A，則準(zhǔn)則層指標(biāo)Bi相對于Bj的重要度為Bij。采用表1所列1～9標(biāo)度法對各個要素進(jìn)行重要性標(biāo)度，根據(jù)污水處理工藝方案評價體系構(gòu)建準(zhǔn)則層的判斷矩陣(見表2)。

表1 1～9的標(biāo)度及其含義

表2 準(zhǔn)則層的判斷矩陣

3)根據(jù)判斷矩陣，運(yùn)用方根法求解各要素的相對重要度權(quán)重，并進(jìn)行歸一化處理，即：

(1)

(2)

則，同理可以求解指標(biāo)層各要素權(quán)重：

W=(w1,w2,…,wm)T。

(3)

2 方案層污水處理工藝的初步比選

以某地新建3萬m3/d污水處理廠為例，設(shè)計的出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。某污水處理廠的進(jìn)、出水設(shè)計值見表3。

表3 某污水處理廠的進(jìn)、出水設(shè)計值

由表3可知，該污水處理廠對N和P的去除要求較高。經(jīng)初步論證，提出4種污水處理工藝作為備選方案，即A2/O工藝、CAST工藝、改良氧化溝工藝和MBR工藝。

3 確定評價指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)表1中1～9的標(biāo)度含義，由3位專家對已建立的污水處理工藝遞階層次模型進(jìn)行評分，運(yùn)用AHP確定準(zhǔn)則層指標(biāo)和指標(biāo)層指標(biāo)的權(quán)重。所建立的準(zhǔn)則層權(quán)重計算結(jié)果以及各指標(biāo)的權(quán)重計算結(jié)果分別見表4～7。

表4 準(zhǔn)則層權(quán)重計算結(jié)果

表5 B1的權(quán)重計算結(jié)果

表6 B2的權(quán)重計算結(jié)果

表7 B3的權(quán)重計算結(jié)果

根據(jù)以上結(jié)果可以得出準(zhǔn)則層B對目標(biāo)層A的權(quán)重和指標(biāo)層C相對于準(zhǔn)則層B的權(quán)重，由此可以通過計算得出指標(biāo)層C相對于目標(biāo)層A的權(quán)重(見表8)。由表8可知，指標(biāo)層C相對于目標(biāo)層A的權(quán)重W= (0.153 5，0.058 6，0.402 3，0.013 8，0.072 0，0.031 5，0.069 3，0.170 9，0.028 1)。

表8 指標(biāo)層C相對于目標(biāo)層A的權(quán)重

4 方案層指標(biāo)綜合評價

對初步選定的4種方案的9個評價指標(biāo)進(jìn)行專家打分(1～0.8為很好；0.8～0.6為比較好；0.6～0.4為中等；0.4～0.2為有點差；0.2～0為非常差)，最終得出每種方案的定性結(jié)果。根據(jù)此評分標(biāo)準(zhǔn)，對10名有經(jīng)驗的專業(yè)工作人員進(jìn)行問卷調(diào)查，評分后給出各指標(biāo)的平均值。4種方案的定量指標(biāo)評分結(jié)果見表9。

表9 4種方案的定量指標(biāo)評分結(jié)果

由于直接用分值參與計算相對主觀，故筆者結(jié)合專家打分的分值和表1中的1～9標(biāo)度，再次運(yùn)用AHP來計算4種方案相對于指標(biāo)層每個指標(biāo)的權(quán)重：

W1=(0.568 1,0.064 1,0.303 7,0.064 1)；

W2=(0.051 8,0.089 7,0.281 5,0.577 0)；

W3=(0.089 0,0.287 0,0.405 9,0.218 1)；

W4=(0.226 0,0.078 9,0.583 6,0.111 5)；

W5=(0.051 1,0.433 5,0.257 7,0.257 7)；

W6=(0.062 4,0.121 4,0.256 8,0.559 4)；

W7=(0.048 5,0.148 4,0.238 4,0.564 7)；

W8=(0.351 2,0.351 2,0.188 7,0.108 9)；

W9=(0.077 8,0.062 0,0.420 3,0.439 9)。

對該污水處理廠的4種方案進(jìn)行排序，從而選出最優(yōu)的工藝方案：

=(0.200 4 0.238 5 0.321 7 0.239 2)。

(4)

分析以上評價過程可知：

1)本研究運(yùn)用AHP建立了4層9個指標(biāo)4種方案的污水處理工藝綜合評價體系，并通過MATLAB計算出9個指標(biāo)的權(quán)重排序：出水水質(zhì)情況>運(yùn)行穩(wěn)定性>脫氮除磷情況>投資回報率>設(shè)備管理的難易程度>污泥產(chǎn)量>占地面積>操作的難易程度>工程投資。

2)在本研究選定的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行管理3項準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重計算中，技術(shù)性能占的比例最大，約為61.44%；其次是運(yùn)行管理，約為26.84%；占比最小的是經(jīng)濟(jì)效益，約為11.72%。

3)在本研究建立的綜合評價體系里，A2/O工藝、改良氧化溝工藝、CAST工藝和MBR工藝計算出的權(quán)重結(jié)果分別為0.200 4，0.238 5，0.321 7和0.239 2。最終的評價結(jié)果表明CAST工藝為該污水處理廠的最優(yōu)工藝，其出水水質(zhì)好，去除氮磷效果較好，且運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足該污水處理廠的各項要求。

5 結(jié)論

運(yùn)用AHP為污水處理廠選取最優(yōu)的污水處理工藝。通過建立污水處理工藝綜合評價體系，計算了整個體系中各個指標(biāo)以及4種方案的權(quán)重并進(jìn)行排序，得出最優(yōu)的污水處理工藝。所提出的AHP能夠全面考慮污水處理廠工藝選擇時的影響因素，能更加科學(xué)有效地選擇污水處理工藝。