基于層次分析的高校校園排水系統(tǒng)優(yōu)化

王新文，杜宇塵

(1. 洛陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南洛陽 471023；2. 鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450002)

根據(jù)教育部《2019年全國教育事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2019年全國共有普通高等學(xué)校2 688所(含獨(dú)立學(xué)院257所)，普通高等學(xué)校平均規(guī)模為11 260人[1]。以河南省高校為例，根據(jù)河南省《工業(yè)與城鎮(zhèn)生活用水定額》(DB41/T 385—2014)規(guī)定，住宿生的用水定額為115 L/(人·d)，調(diào)節(jié)系數(shù)為0.9～1.6[2]，則一所普通高等學(xué)校年均用水量為32.0萬～57.0萬m3，而排水量近似等于用水量[3]。因此，高校是城市的用水和排水大戶，合理規(guī)劃其排水系統(tǒng)，根據(jù)其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等多種因素，選擇最佳的污廢水處理和處置方式，對其所在城市乃至其所在流域水資源的保護(hù)有積極作用。層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是美國匹茲堡大學(xué)運(yùn)籌學(xué)家Saaty教授于1973年提出的一種層次權(quán)重決策分析方法[4]。AHP可把復(fù)雜問題中的所有因素，通過設(shè)置相互聯(lián)系的層次，使其條理化，并能根據(jù)客觀現(xiàn)實(shí)的判斷，對每一層次元素相對重要性予以定量表示，然后通過數(shù)學(xué)計(jì)算的方法確定全部要素的相對權(quán)重，給出全部要素的重要性次序，幫助決策者更好地選擇方案。汪迎瑞等[5]利用AHP對建筑施工安全管理提出了合理的建議，麻昊等[6]基于AHP對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了合理評估，楊婷婷等[7]利用AHP和模糊綜合評判方法對城市排水體制的選擇給出了合理建議，因此，借助于AHP可以對高校的排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 基于AHP的高校校園排水系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 高校校園排水系統(tǒng)存在的問題

校園污廢水量較大，且以生活污水為主，所以，許多研究者致力于高校中水處理與回用技術(shù)的研究，不少高校也建設(shè)了中水處理站。然而，深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高校中水處理存在以下問題。

(1)個(gè)別高校盲目建設(shè)大而全的中水處理與回用設(shè)施，造成其污廢水收集、處理及回用基建投資過大，負(fù)債累累。部分中水處理與回用設(shè)施建好后運(yùn)行費(fèi)用過高，高校負(fù)擔(dān)不起導(dǎo)致閑置；部分中水處理設(shè)施因污水收集率的局限長期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；部分因假期水量過小，微生物死亡而失去處理能力。

(2)個(gè)別高校位于雨量充沛、降雨較均勻地區(qū)，在選擇中水水源時(shí)僅考慮生活污廢水，忽略了水質(zhì)良好的雨水。

(3)對于北方一些具有供熱水或者有供暖的高校，每天大量的優(yōu)質(zhì)冷凝水沒有被重復(fù)利用。

由此可見，高校校園的中水處理與回用系統(tǒng)在處理規(guī)模、水源、工藝等方面選擇不當(dāng)時(shí)，難以達(dá)到預(yù)期目的。為了最大限度實(shí)現(xiàn)校園污廢水資源化，且不過高增加高校的經(jīng)濟(jì)和管理負(fù)擔(dān)，本文利用層次分析法，對校園污廢水處理與處置方式進(jìn)行比較選擇，以期為校園污廢水處理與處置選擇最優(yōu)方案。

1.2 模型構(gòu)建

高校是否設(shè)置中水處理與回用系統(tǒng)，以及中水處理與回用系統(tǒng)的規(guī)模、工藝、水源等對高校的水資源利用率、水費(fèi)、中水處理站的基建費(fèi)、處理站運(yùn)行費(fèi)、排水管網(wǎng)體制選擇與造價(jià)、中水處理工藝選擇的難易性、工藝運(yùn)行管理的方便性都產(chǎn)生直接影響。因此，構(gòu)建高校污廢水合理處理與處置層次模型時(shí)，將上述7個(gè)主要被影響因素設(shè)為準(zhǔn)則，準(zhǔn)則層用符號“B”表示，上述7個(gè)準(zhǔn)則依次為“B1”、“B2”、“B3”、“B4”、“B5”、“B6”、“B7”。層次模型的目標(biāo)層為高校污廢水的合理處理與處置，用符號“A”表示。

高校污廢水的處理與處置有以下3種方案：(1)收集后全部排入城市管網(wǎng)；(2)收集后全部處理并回用；(3)污染物濃度較高的污廢水，如糞便污水等收集后排入城市管網(wǎng)，污染物濃度較低、水質(zhì)較好、流量較大的集中廢水(如洗浴廢水、屋面雨水等)收集后處理并回用。

將上述3種處理與處置方案設(shè)為方案層，用符號“C”表示，依次為“C1”、“C2”、“C3”。根據(jù)上述目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及方案層的設(shè)置及其相互關(guān)系，結(jié)合層次分析原理，高校污廢水合理處理與處置的層次模型如圖1所示。

圖1 高校校園污廢水合理處理與處置層次模型Fig.1 Hierarchical Model of Reasonable Treatment and Disposal of Wastewater in University Campuses

1.3 層次分析

為了選擇高校污廢水合理處理與處置的最優(yōu)方案，對上述層次模型建立比較矩陣，并進(jìn)行賦值、計(jì)算、分析，找出最佳方案。

判斷矩陣元素的取值采用1～9標(biāo)度法，對不同情況的評比給予數(shù)量尺度，其中,1、3、5、7、9分別表示前者與后者相比具有同樣重要性、前者比后者稍微重要、明顯重要、強(qiáng)烈重要、極端重要；2、4、6、8是上述兩相鄰判斷的中間值，以及上述值的倒數(shù)值共17個(gè)[8]。

根據(jù)AHP中判斷矩陣的形式以及矩陣中元素1～9標(biāo)度方法的取值，建立B和A的比較矩陣，以及各方案(Ci)和各準(zhǔn)則(Bi)之間的比較矩陣。經(jīng)過多方面的調(diào)查研究、計(jì)算及向有關(guān)專家咨詢，進(jìn)一步確定了B-A比較矩陣中各元素的數(shù)值(表1)，以及Ci和Bi的比較矩陣中各元素的數(shù)值,CI為一致性指標(biāo)，CR為一致性比例(率)(表2～表8)。

表1 B-A的比較矩陣Tab.1 Comparison Matrices between B-A

表2 Ci-B1的比較矩陣Tab.2 Comparison Matrices between Ci-B1

利用求根法計(jì)算判斷矩陣的最大特征值與特征向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，具體步驟如下。

(1)

其中：aij——ai對aj相對重要性的數(shù)值表示。

表3 Ci-B2的比較矩陣Tab.3 Comparison Matrices between Ci-B2

表4 Ci-B3的比較矩陣Tab.4 Comparison Matrices between Ci-B3

表5 Ci-B4的比較矩陣Tab.5 Comparison Matrices between Ci-B4

表6 Ci-B5的比較矩陣Tab.6 Comparison Matrices between Ci-B5

表7 Ci-B6的比較矩陣Tab.7 Comparison Matrices between Ci-B6

表8 Ci-B7的比較矩陣Tab.8 Comparison Matrices between Ci-B7

3)求特征向量W對應(yīng)的最大特征值λmax，如式(2)。

(2)

4)一致性性檢驗(yàn)

利用λmax與n之差檢驗(yàn)一致性，一致性指標(biāo)CI如式(3)。

(3)

從3個(gè)方案中選出最優(yōu)的方案，需要在上述同一層次各要素之間的相對重要度確定后，自上而下計(jì)算各級要素對總體的綜合重要度。

設(shè)二級共有m個(gè)要素c1，c2，…，cm，它們對總值的重要度為w1，w2，…，wm。其下一層次三級有p1，p2，…，pn共n個(gè)要素，令要素pi對cj的重要度(權(quán)重)為vij，則三級要素pi的綜合重要度如式(4)。

(4)

依據(jù)各方案綜合重要度的大小，對各方案進(jìn)行排序、決策。最終3種方案的總排序如表9所示。

表9 3種方案的權(quán)重Tab.9 Weights of Three Schemes

由表9可知，方案C3的權(quán)重值高于方案C1和C2，即集中的優(yōu)質(zhì)廢水進(jìn)行處理后回用，其余污廢水排入城市管網(wǎng)是最佳方案。

1.4 基于AHP的高校校園排水系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)上述層次分析結(jié)果,可以對高校校園的排水系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。

(1)中水處理的水源選擇

當(dāng)高校設(shè)置有熱力交換站時(shí)，集中的優(yōu)質(zhì)廢水按水質(zhì)的好壞依次為熱力交換站的冷凝水、屋面雨水(舍棄初期3 mm的降水量)、公共浴室廢水、洗漱廢水等。

熱力交換站的冷凝水因溫度在65 ℃左右稱之為廢水，但水質(zhì)沒有受到污染，首先可將這部分廢水回用。在熱力交換站加裝收集設(shè)備將冷凝水進(jìn)行收集，然后送到浴池兌入涼水即可用作洗浴，不需要處理費(fèi)用。

高校一般綠化面積較大，需要較多的綠化用水，舍棄初期3 mm的屋面降雨量可直接用于綠化，對于有水系的高校,屋面雨水還可用于補(bǔ)充校園水系水量，也可處理后用于沖廁等。

根據(jù)徐勁草等[9]的研究，洗澡用水占高校學(xué)生總用水量的46.36%，沖廁用水占32.05%，洗漱、試驗(yàn)等用水占21.59%。如果將高校的洗澡廢水和洗漱廢水收集處理后回用于沖廁，從總量上考慮洗澡廢水可滿足沖廁用水，由于洗澡和沖廁用水時(shí)間隨機(jī)且不一致，需要設(shè)置調(diào)節(jié)池進(jìn)行水量平衡。

(2)排水管網(wǎng)的設(shè)置

選擇冷凝水、屋面雨水、公共浴室廢水及宿舍洗漱廢水等集中廢水作為中水水源，可使排水管網(wǎng)和中水回用管網(wǎng)布置簡單、費(fèi)用較低。同時(shí)，建議中水出水優(yōu)先用于沖廁和綠化，綠化用水所需的水壓小、管網(wǎng)簡單，可以優(yōu)先考慮，但用水間隔時(shí)間較長，需要設(shè)置儲(chǔ)存設(shè)施；沖廁用水使用頻繁，可以降低儲(chǔ)存設(shè)施的容積。中水出水同時(shí)用于沖廁和綠化可降低回用水的輸送和儲(chǔ)存造價(jià)，如果出水還有剩余可用于補(bǔ)充校園水系用水及洗車，這兩種回用方式的管網(wǎng)造價(jià)較低。

(3)中水處理的工藝選擇

根據(jù)楊飛[10]的研究，一般洗澡廢水BOD5=45～55 mg/L、CODCr=110～120 mg/L、SS=35～55 mg/L；洗漱廢水BOD5=90～110 mg/L、CODCr=100～140 mg/L、SS=90～110 mg/L。洗澡廢水和洗漱廢水的污染物、有機(jī)物含量都較低，這類廢水處理工藝簡單，技術(shù)成熟，工藝選擇容易，如去除率較高、技術(shù)成熟、管理方便的MBR膜工藝即可。

(4)污染物濃度較高的污水處置

高校餐廳的污廢水含有大量的油脂，有機(jī)物濃度也較高；沖廁污水不僅有機(jī)物濃度高，還含有大量的微生物甚至是致病微生物。如果作為中水水源則處理工藝復(fù)雜，處理成本高，對于經(jīng)濟(jì)條件有限的高校,可以考慮將這些污水直接排入城市管網(wǎng)，為高校中水處理工藝的選擇帶來方便，并降低其中水處理的基建費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)用及排水管網(wǎng)的造價(jià)，也不會(huì)給環(huán)境和水資源帶來過大危害。高校一般位于大中城市， 這些城市均設(shè)置污水處理廠，可以處理甚至回用這部分污水。

對于經(jīng)濟(jì)水平和中水處理的管理水平都較高的高校，可以把所有污廢水進(jìn)行處理回用，但這樣的中水處理出水總量不會(huì)過多增加，中水處理工藝會(huì)變得復(fù)雜，中水處理的成本也將大大增加。

2 工程應(yīng)用

以某校王城校園為例，王城校區(qū)的主要建筑包括6棟教學(xué)辦公樓、1棟行政辦公樓、1棟圖書館、1棟實(shí)習(xí)車間、8棟學(xué)生公寓、2棟食堂、1棟大學(xué)生活動(dòng)中心、1棟浴池、1棟開水房、2座熱交換站以及3個(gè)門崗、體育館等。根據(jù)近3年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在校學(xué)生11 000多人，各類建筑物及花壇每年的用水量(近3年的平均值)如表10所示。

表10 王城校區(qū)各類建筑物及花壇每年的用水量Tab.10 Annual Water Consumption of Various Buildings and Flower Beds at Wangcheng Campus

由于中水只能用于沖廁、綠化灑掃及洗車等，使用范圍有限，根據(jù)表10及《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》(GB 50015—2019)[3]計(jì)算得知，學(xué)校的沖廁用水和綠化用水每年大約需要120 000 m3。如果采用方案C1，即全部污廢水收集排放，會(huì)造成學(xué)校水費(fèi)過大；采用方案C2，即全部污廢水收集處理后回用，不僅造價(jià)高,而且中水大量剩余，而該市市政沒有中水回用管網(wǎng)，多余中水不得不排放，勢必造成學(xué)校資金浪費(fèi)；采用方案C3，既可以節(jié)約學(xué)校水費(fèi)，又可以充分利用水資源。由表10可知，用水量最大的是學(xué)生公寓，其次是教學(xué)及辦公樓。由于教學(xué)樓、辦公樓、門崗等其他建筑物分布較為分散，收集廢水和中水回用的管網(wǎng)造價(jià)高，結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素考慮，把分布較為集中的學(xué)生公寓廢水和浴池廢水作為中水水源。根據(jù)測算，在開學(xué)期間可收集到的中水水源(洗漱、洗浴用水)約為620 m3/d，經(jīng)處理后產(chǎn)生中水約為500 m3/d，公寓沖廁用水約為400 m3/d，因此，中水可以滿足公寓沖廁用水，剩余部分用于綠化用水及沖洗車輛。該中水項(xiàng)目建設(shè)總投資為650 余萬元，其中，河南省發(fā)展改革委員會(huì)有180萬元的減排專項(xiàng)資金支持，中水處理站每天的運(yùn)行費(fèi)用(包括電費(fèi)、人工工資、化學(xué)藥品)約為355.6元，每年可節(jié)約用水量為152 500 m3，獲得50余萬元的收益[11-12]，建設(shè)成本10年左右收回，沒給學(xué)校帶來過多的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。同時(shí)，中水處理站還可作為環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院及土木工程學(xué)院市政工程系的實(shí)習(xí)基地，服務(wù)教學(xué)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益比較顯著。

3 結(jié)論

利用層次原理，構(gòu)建高校污廢水的處理與處置方式與其主要影響因素之間的層次模型，并經(jīng)過經(jīng)賦值、計(jì)算，得出集中優(yōu)質(zhì)廢水收集處理后回用，其余污廢水排入城市管網(wǎng)的方案。這種方案的權(quán)重值為0.341，高于其他方案，因此，高校的污廢水處理與處置首選該方案，并可根據(jù)該方案對高校的排水系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。主要依靠財(cái)政撥款的一般高校，在經(jīng)濟(jì)水平和水處理管理水平有限的情況下，可最大程度地實(shí)現(xiàn)廢水資源化，節(jié)約水費(fèi)，同時(shí)，不至于給其帶來較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。