何 祥 谷文藝 王勇勇 王 凡 傅金祥

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)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(zhǔn)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(yàn)判斷給予量化，在目標(biāo)或因素結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下顯得更實(shí)用[1]。AHP的整個(gè)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(yīng)用于社會、經(jīng)濟(jì)、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(yīng)用于特種污水處理技術(shù)優(yōu)選的報(bào)道。

屠宰廢水作為一種典型的高濃度有機(jī)廢水，其所含的污染物主要以溶解性有機(jī)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(jì)[8-9]，但在實(shí)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(biāo)沒有合理統(tǒng)籌，造成實(shí)驗(yàn)室最佳方案與實(shí)際工程存在偏差。本研究選用3套實(shí)驗(yàn)室中試組合工藝：上流式厭氧污泥床(UASB)/膜生物反應(yīng)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(jì)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(xué)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(biāo)層，經(jīng)濟(jì)效益(B1)、技術(shù)性能(B2)和管理效益(B3)作為第1準(zhǔn)則層，投資額等12個(gè)指標(biāo)(M1～M12)作為第2準(zhǔn)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(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation criteria system of slaughter wastewater treatment process

1.2 取值標(biāo)準(zhǔn)的確定

AHP的應(yīng)用過程中，需要針對評價(jià)對象的性質(zhì)和特點(diǎn)，建立相應(yīng)的指標(biāo)體系，再按照指標(biāo)體系確定多層次的評價(jià)結(jié)構(gòu)模型。其中指標(biāo)體系包括體系參數(shù)、指標(biāo)間的關(guān)系和取值標(biāo)準(zhǔn)3個(gè)方面的內(nèi)容。取值標(biāo)準(zhǔn)的確定可采用專家咨詢法和實(shí)驗(yàn)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(jià)的認(rèn)識以及對影響污水處理設(shè)計(jì)運(yùn)行中關(guān)鍵點(diǎn)的認(rèn)知，再對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；在所給出的眾多的影響因子中選出3個(gè)指標(biāo)作為AHP準(zhǔn)則層的指標(biāo)；然后，通過問卷調(diào)查的形式進(jìn)行調(diào)查分析，最終確定每個(gè)指標(biāo)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(jì)出每個(gè)準(zhǔn)則的相對重要性權(quán)值及取值標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)論法

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

2 實(shí)驗(yàn)室中試結(jié)果及相應(yīng)判斷矩陣的構(gòu)建

中試從啟動(dòng)到結(jié)束共進(jìn)行了16個(gè)月，期間記錄各反應(yīng)器啟動(dòng)及運(yùn)行情況，通過調(diào)節(jié)水力停留時(shí)間(HRT)及回流比，使系統(tǒng)出水穩(wěn)定并達(dá)到最佳情況。屠宰廢水試驗(yàn)的原水取自沈陽某屠宰場，經(jīng)混凝/氣浮預(yù)處理后進(jìn)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(yù)處理后進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)》(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(qiáng)度等)的認(rèn)識，一般采用1～9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法[13]，見表1。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對3套組合工藝進(jìn)行對比賦值，建立M6判斷矩陣后計(jì)算特征向量(W)并檢驗(yàn)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(yùn)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(jì)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(yàn)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(jī)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(biāo)度及其含義

表2 M6判斷矩陣及其特征向量

當(dāng)N=3時(shí)，RI=0.58，則計(jì)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(yàn)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，C3存在出水TN不達(dá)標(biāo)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(jì)算特征向量，結(jié)果見表3。

圖4 組合工藝穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)見表4。

表4 其他進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

從整體上看，3套組合工藝在穩(wěn)定運(yùn)行過程中對污染物的去除能力較強(qiáng)，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(diǎn)也較為明顯。

C1運(yùn)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(biāo)較好；但MBR出水用泵抽吸，耗電量遠(yuǎn)高于C1和C3；且MBR膜絲容易斷絲、堵塞，影響膜通量，導(dǎo)致負(fù)壓增大，耗電量也相應(yīng)增加。

對C2而言，整體運(yùn)行情況較好，但對于突然的水質(zhì)沖擊，需要較長的恢復(fù)時(shí)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(fù)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(jì)負(fù)擔(dān)。

對C3而言，AF啟動(dòng)速率比UASB快，UASB需6周啟動(dòng)時(shí)間，而AF只用了4周；但堵塞問題是影響AF應(yīng)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(jìn)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(jì)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(jià)

根據(jù)屠宰廢水處理方案評價(jià)指標(biāo)體系分別構(gòu)建各層指標(biāo)的判斷矩陣，并計(jì)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(shí)現(xiàn)屠宰廢水處理達(dá)標(biāo)排放，3套組合工藝的排序?yàn)镃2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(gè)多決策的過程，實(shí)驗(yàn)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(shí)際工程中的復(fù)雜性與多層次性。因此，僅依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)論法不能滿足成果產(chǎn)業(yè)化的需求。同時(shí)，僅依靠專家咨詢法對AHP中的權(quán)重進(jìn)行賦值，也不能準(zhǔn)確衡量特定廢水的處理效果。本研究將屠宰廢水處理的實(shí)際成果納入處理方案優(yōu)選體系，提高了AHP的準(zhǔn)確性，并結(jié)合專家咨詢法調(diào)整層次權(quán)重，科學(xué)篩選屠宰廢水的最佳處理方案。根據(jù)3個(gè)第1準(zhǔn)則層和12個(gè)第2準(zhǔn)則層，對C1、C2和C3判斷矩陣中各因素標(biāo)度與權(quán)重賦值，并進(jìn)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(yīng)用。

[1] 朱建軍.層次分析法的若干問題研究及應(yīng)用[D].沈陽:東北大學(xué),2005.

[2] 高燕云.研究與開發(fā)評價(jià)[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1996:85-91.

[3] HYUN K C,MIN S,CHOI H S,et al.Risk analysis using fault-tree analysis (FTA) and analytic hierarchy process (AHP) applicable to shield TBM tunnels[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2015,49(4):121-129.

[4] 謝禮國,張照清,譚銘卓,等.層次分析法優(yōu)選三峽庫區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究[J].土木建筑與環(huán)境工程,2011,33(6):20-22.

[5] LEE S,KIM W,KIM Y M,et al.Using AHP to determine intangible priority factors for technology transfer adoption[J].Expert Systems with Applications,2012,39(7):6388-6395.

[6] 高雪,傅金祥,由昆.遼河流域水污染源在線監(jiān)測問題[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(6):816-819.

[7] 鄧曉欽.厭氧與好氧組合工藝在屠宰廢水處理中的應(yīng)用[D].成都:西南交通大學(xué),2005.

[8] JENSEN P D,YAP S D,BOYLE GOTLA A,et al.Anaerobic membrane bioreactors enable high rate treatment of slaughterhouse wastewater[J].Biochemical Engineering Journal,2015,97(5):132-141.

[9] 趙永生,冼萍.屠宰廢水預(yù)處理后的SBR工藝處理工程[J].廣西科學(xué)院學(xué)報(bào),2008,24(2):117-119.

[10] 胡天覺,陳維平,曾光明,等.運(yùn)用層次分析法對株洲霞灣污水處理廠污水處理工藝方案擇優(yōu)[J].環(huán)境工程,2000,18(1):61-63.

[11] 李吉鵬,馬麗,陸志強(qiáng).運(yùn)用模糊層次分析法優(yōu)選制漿造紙廢水深度處理方案[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2012,6(11):4089-4096.

[12] SAATY T L.A scaling method for priorities in hierarchical structures[J].Journal of Mathematical Psychology,1977,15(3):234-281.

[13] BADEA F,PROSTEAN G.Assessing risk factors in collaborative supply chain with the analytic hierarchy process (AHP)[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences,2014,124:114-123.

[14] VARGAS L G.Reciprocal matrices with random coefficients[J].Mathematical Modelling,1982,3(1):69-81.

[15] 江濤.分散式屠宰廢水處理工藝耦合與優(yōu)化試驗(yàn)研究[D].沈陽:沈陽建筑大學(xué),2014.