基于層次分析法的化學(xué)除磷方案選擇研究

郭眾一，趙曉莉，李金成，石志慧(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033)

湖泊富營養(yǎng)化多由水體中過量的氮磷元素導(dǎo)致[1]，有研究表明[2]水體中磷元素含量過高會(huì)對沉水植物的生長產(chǎn)生一定的抑制作用，從而導(dǎo)致沉水植被難以完成對水體的生態(tài)調(diào)節(jié)作用，最終導(dǎo)致環(huán)境水質(zhì)惡化.目前，城鎮(zhèn)生活污水處理廠多采用生物法對污水中的氮磷以及有機(jī)污染物進(jìn)行去除[3]，部分可生化性較好的工業(yè)廢水也多采用生物法進(jìn)行脫氮除磷處理[4]，例如食品加工廢水和水產(chǎn)品加工廢水等.生物法除磷的原理是由聚磷菌在好氧條件下過量攝取水體中的磷從而形成高磷污泥，再通過系統(tǒng)排泥達(dá)到除磷的效果.受限于生物法除磷的機(jī)制，在工業(yè)廢水處理的過程中，如果單一應(yīng)用生物法處理含磷濃度較高的工業(yè)廢水，往往難以達(dá)到相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)中對總磷的處理要求，因此通常在污水處理系統(tǒng)中設(shè)置化學(xué)除磷單元，即通過向水體中投加鐵鹽等混凝劑使之與水中磷酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成絮體，再將絮體從水體中沉淀分離，以此達(dá)到強(qiáng)化除磷效果的目的.

混凝劑的投加伴隨著工業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)持續(xù)的過程，藥劑的種類、投加量和投加方式的差異不僅影響著污水處理系統(tǒng)的除磷效果，還與水處理系統(tǒng)出水pH、出水色度以及運(yùn)行成本緊密相關(guān)，因此選用適宜的化學(xué)除磷方案顯得尤為重要.層次分析法作為1種可以解決復(fù)雜決策問題中各因素權(quán)重分配問題的方法[5]，能夠輔助相關(guān)人員進(jìn)行決策，近年來在水處理領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，例如給水處理工藝優(yōu)選中的應(yīng)用[6]，南水北調(diào)中線水源區(qū)的水質(zhì)評價(jià)[7]以及煉化污水回用技術(shù)研究[8]等.

以青島某水產(chǎn)品加工企業(yè)污水處理系統(tǒng)除磷功能升級(jí)改造為例，本文分析了污水處理工藝設(shè)計(jì)過程中影響化學(xué)除磷方案選擇的主要因素，并通過應(yīng)用層次分析法建立了化學(xué)除磷方案的量化評價(jià)體系，旨在綜合考慮水處理效果、水處理成本、運(yùn)行管理難易程度以及環(huán)境影響等因素后量化各化學(xué)除磷方案，選出較優(yōu)方案以輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行決策，為污水處理工藝設(shè)計(jì)過程中除磷方案的選擇提供了參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

本文試驗(yàn)用水取自青島某水產(chǎn)品加工廠，水質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)

1.2 分析方法

水中總磷采用鉬酸銨分光光度法[9]測定；水中總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[10]測定；pH采用HACH pHC101便攜式檢測儀測定；色度采用稀釋倍數(shù)法[11]測定.

2 化學(xué)除磷方案評估及選擇

本文試驗(yàn)用水為青島某水廠品加工廠生產(chǎn)廢水，廢水中的總磷含量約為60～70 mg/L，遠(yuǎn)高于城鎮(zhèn)生活污水，且廢水排放量大，利用生物法對水體中磷進(jìn)行去除難以滿足排放要求，因此需要增加化學(xué)除磷單元來進(jìn)一步去除水體中的磷，提高污水處理工藝對系統(tǒng)出水總磷的去除效果.

根據(jù)藥劑的投加位置一般將化學(xué)沉淀除磷工藝分為前置除磷工藝、同步除磷工藝和后置除磷工藝.前置除磷工藝是在污水進(jìn)入生物處理段前進(jìn)行藥劑的投加，前置除磷工藝不僅可以對水中磷進(jìn)行去除，還可減少后續(xù)生物處理段的有機(jī)負(fù)荷，但會(huì)增加系統(tǒng)產(chǎn)泥量且污泥成分較為復(fù)雜；同步除磷工藝是在二沉池進(jìn)水處投加混凝劑，同步除磷具有設(shè)施工程量較小的優(yōu)點(diǎn)；后置除磷工藝將化學(xué)沉淀除磷單元與生物處理單元分離使之互不影響，產(chǎn)生的磷酸鹽污泥可以單獨(dú)排放收集并可加以利用.

根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了如下4種化學(xué)除磷方案：前置除磷投加聚合硫酸鐵(S1)，前置除磷投加氯化鐵(S2)，后置除磷投加聚合硫酸鐵(S3)和后置除磷投加氯化鐵(S4).通過試驗(yàn)測定各方案中的總磷去除率、出水pH、出水色度以及藥劑投加量等指標(biāo)，并應(yīng)用層次分析法對各除磷方案進(jìn)行量化評估并進(jìn)行選擇.

2.1 化學(xué)除磷方案評估體系的建立

2.1.1 層次結(jié)構(gòu)模型的建立

層次結(jié)構(gòu)模型一般包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層，根據(jù)實(shí)際問題及其影響因素建立適當(dāng)?shù)膶哟谓Y(jié)構(gòu)模型是層次分析法的關(guān)鍵[12].本文建立的化學(xué)除磷方案評估體系層次結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 除磷方案選擇層次結(jié)構(gòu)

圖1所示層次結(jié)構(gòu)中決策目標(biāo)為最優(yōu)藥劑投加方案G.通過充分考慮項(xiàng)目的實(shí)際需求，查閱相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)環(huán)保條例等確定了準(zhǔn)則層A中包含處理效果A1、直接經(jīng)濟(jì)成本A2、管理運(yùn)行難易程度A3以及環(huán)境影響A44個(gè)子項(xiàng).

在準(zhǔn)則層A中下設(shè)子準(zhǔn)則層B作為補(bǔ)充，對準(zhǔn)則層A中的子項(xiàng)進(jìn)行了更進(jìn)一步劃分：分析目標(biāo)層中藥劑投加方案的主要目的，設(shè)置了總磷去除率B11，出水pH值B12和出水色度B13作為處理效果A1的子項(xiàng)；考慮實(shí)際工程中污水處理系統(tǒng)運(yùn)行的成本，設(shè)置了藥劑投加成本B21和產(chǎn)泥處理成本B22作為直接經(jīng)濟(jì)成本A2的子項(xiàng)；在實(shí)際工程方案的選擇中除了考慮處理效果以及運(yùn)行成本以外，還需要充分考慮到污水處理工藝運(yùn)行維護(hù)的難易程度，因此設(shè)置了藥劑的使用條件B31和藥劑貯存要求B32作為管理運(yùn)行難易程度A3的補(bǔ)充子項(xiàng)；環(huán)境影響A4主要考慮前置除磷和后置除磷方案產(chǎn)泥成分差異對后續(xù)污泥處理的影響，設(shè)置產(chǎn)泥處理B41子項(xiàng).

2.1.2 判斷矩陣的構(gòu)建

判斷矩陣表示了層次結(jié)構(gòu)中同一準(zhǔn)則層(或子準(zhǔn)則層)內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)之間兩兩相比的重要程度，本文中判斷矩陣采用1～9標(biāo)度法[13]，標(biāo)度的應(yīng)用說明見表2.通過比較因素間對決策問題影響的強(qiáng)弱關(guān)系所構(gòu)建判斷矩陣是層次分析法計(jì)算的主要依據(jù).本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、比較前期積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及問詢專家意見建立各準(zhǔn)則層相對應(yīng)的判斷矩陣，主要準(zhǔn)則層判斷矩陣見表3和表4.

表2 1～9 判斷矩陣標(biāo)度

表3 G-A判斷矩陣

表4 A1-B判斷矩陣

2.1.3 一致性檢驗(yàn)及權(quán)重計(jì)算

判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)結(jié)果一般由一致性比率CR來衡量[14]：

表5 平均隨機(jī)一致性RI的取值

一般認(rèn)為CR<0.1時(shí)所構(gòu)建的判斷矩陣具有一致性，否則應(yīng)對前述構(gòu)建的判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整以通過一致性檢驗(yàn).

本文主要判斷矩陣相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表6，權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表7.

表6 判斷矩陣檢驗(yàn)結(jié)果

表7 權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.2 化學(xué)除磷方案的選擇

本文通過試驗(yàn)測定了子準(zhǔn)則層B中的各水質(zhì)指標(biāo).由于總磷去除率、出水pH以及其他指標(biāo)的性質(zhì)不同，各子項(xiàng)指標(biāo)具有不同的量綱和數(shù)量級(jí)，若原始數(shù)據(jù)不進(jìn)行預(yù)處理直接使用往往會(huì)突出數(shù)值較高的指標(biāo)在評價(jià)體系中的作用而削弱數(shù)值較小的指標(biāo)的作用，從而導(dǎo)致前述由層次分析法計(jì)算得到的權(quán)重系數(shù)在評價(jià)體系中的加權(quán)作用失效.

為避免原始指標(biāo)數(shù)值量級(jí)的差異對評價(jià)結(jié)果造成的不利影響，本文先將原始數(shù)據(jù)按下式進(jìn)行0～1標(biāo)準(zhǔn)化處理.

式中：x*為經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)，用于下一步數(shù)據(jù)分析；xmax和xmin為某1項(xiàng)指標(biāo)中數(shù)值的最大值和最小值。

各方案量化結(jié)果如圖2所示.

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后結(jié)合前述權(quán)重系數(shù)分別對各工藝方案進(jìn)行量化評分，由圖2中綜合分?jǐn)?shù)結(jié)果可以看出各化學(xué)除磷方案的工程適用性為S4>S2>S1>S3.

S4在評價(jià)體系中得分最高，認(rèn)為是最優(yōu)的工藝方案，其在水處理效果(A1)和環(huán)境影響(A4)方面表現(xiàn)較好，也符合工藝方案選擇的出發(fā)點(diǎn)；但應(yīng)注意到S4在運(yùn)行成本(A2)方面因FeCl3投加成本較高導(dǎo)致此項(xiàng)目得分較低.在本文所構(gòu)建的評價(jià)體系中A1項(xiàng)權(quán)重為0.63，A2項(xiàng)權(quán)重為0.19，綜合考慮確定S4為最優(yōu)化學(xué)除磷方案.

3 結(jié)論

1) 應(yīng)用層次分析法構(gòu)建了化學(xué)除磷方案的評價(jià)體系，計(jì)算各因素在評價(jià)體系中的權(quán)重系數(shù)分別為A1權(quán)重為0.63，A2權(quán)重為0.19，A3權(quán)重為0.09，A4權(quán)重為0.10，量化了各因素對化學(xué)除磷方案選擇的影響.

2) 采用1～9標(biāo)度法構(gòu)建了可進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以滿足不同工程設(shè)計(jì)需求的準(zhǔn)則層判斷矩陣.

3) 根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了4種化學(xué)除磷方案：前置除磷投加聚合硫酸鐵(S1)，前置除磷投加氯化鐵(S2)，后置除磷投加聚合硫酸鐵(S3)和后置除磷投加氯化鐵(S4) 應(yīng)用層次分析法得出各方案的工程適用性為S4>S2>S1>S3，綜合確定S4為最優(yōu)化學(xué)除磷方案.