基于層次分析法的屠宰廢水處理技術性能評估*

何 祥 谷文藝 王勇勇 王 凡 傅金祥

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，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合的多準則決策方法，還可作為一種優化技術，特別是將決策者的經驗判斷給予量化，在目標或因素結構復雜且缺乏必要數據的情況下顯得更實用[1]。AHP的整個分析過程體現了人的決策思維的基本特征，即分解、判斷和綜合[2]。目前AHP已經發展成較為成熟的方法，并被廣泛應用于社會、經濟、生活污水處理廠工藝篩選等多方面領域[3-6]，但鮮有AHP被應用于特種污水處理技術優選的報道。

屠宰廢水作為一種典型的高濃度有機廢水，其所含的污染物主要以溶解性有機物、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計[8-9]，但在實際產業化過程中，包括投資成本、環境效益、設備穩定性在內的部分定性定量指標沒有合理統籌，造成實驗室最佳方案與實際工程存在偏差。本研究選用3套實驗室中試組合工藝：上流式厭氧污泥床(UASB)/膜生物反應器(MBR)、UASB/序批式活性污泥法(SBR)、厭氧生物濾池(AF)/生物接觸氧化，根據其處理效果，采用AHP從經濟效益、技術性能和管理效益3方面優選出最佳處理方案。

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，構建合理有效的層次模型有助于AHP分析結果的可靠性和科學性[10-12]。構建的層次模型如圖1所示。本研究將工藝綜合效益(A)作為目標層，經濟效益(B1)、技術性能(B2)和管理效益(B3)作為第1準則層，投資額等12個指標(M1～M12)作為第2準則層，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指標體系Fig.1 Evaluation criteria system of slaughter wastewater treatment process

1.2 取值標準的確定

AHP的應用過程中，需要針對評價對象的性質和特點，建立相應的指標體系，再按照指標體系確定多層次的評價結構模型。其中指標體系包括體系參數、指標間的關系和取值標準3個方面的內容。取值標準的確定可采用專家咨詢法和實驗數據結論法。

1.2.1 專家咨詢法

選擇不同層次的環保技術人員和管理人員，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污水處理關鍵技術評價的認識以及對影響污水處理設計運行中關鍵點的認知，再對結果進行統計分析；在所給出的眾多的影響因子中選出3個指標作為AHP準則層的指標；然后，通過問卷調查的形式進行調查分析，最終確定每個指標的相對重要性權值及取值范圍；最后，根據以上調查結果歸納統計出每個準則的相對重要性權值及取值標準。

1.2.2 實驗數據結論法

對專家模糊判斷或可通過實驗室準確得出結論的目標，采取實驗室中試進行測定，獲得包括M5、M6、M7、M8及M11等指標的優劣性，列入判斷矩陣。

2 實驗室中試結果及相應判斷矩陣的構建

中試從啟動到結束共進行了16個月，期間記錄各反應器啟動及運行情況，通過調節水力停留時間(HRT)及回流比，使系統出水穩定并達到最佳情況。屠宰廢水試驗的原水取自沈陽某屠宰場，經混凝/氣浮預處理后進入生物段處理，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，預處理后進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去除效果表現為C2>C1>C3。3套組合工藝的COD出水小于《污水綜合排放標準》(DB 21/1627—2008)中的COD排放限值(50 mg/L)。

2.1.2 構建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(如優劣、偏好、強度等)的認識，一般采用1～9及其倒數的標度方法[13]，見表1。

根據實驗數據對3套組合工藝進行對比賦值，建立M6判斷矩陣后計算特征向量(W)并檢驗判斷矩陣一致性，見表2。

圖2 中試裝置圖Fig.2 The pilot test devices

圖3 組合工藝穩定運行期間對COD的去除效果Fig.3 COD removal effect of combined processes during the stable operation

根據表2計算得出M6判斷矩陣的最大特征根(λmax)為3.018 3，再根據式(1)和式(2)[14]檢驗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；CR為判斷矩陣隨機一致性比率；RI為判斷矩陣具有一致性的臨界值。

表1 判斷矩陣標度及其含義

表2 M6判斷矩陣及其特征向量

當N=3時，RI=0.58，則計算可得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造并檢驗一致性。

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%。通過實驗結果可知，C3存在出水TN不達標情況，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。總體上看，3套組合工藝對TN、TP的去除效果為C1>C2>C3，由此構建M7判斷矩陣并計算特征向量，結果見表3。

圖4 組合工藝穩定運行期間對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 其他中試結果及判斷矩陣

C1、C2、C3的其他進出水水質指標見表4。

表4 其他進出水水質指標

從整體上看，3套組合工藝在穩定運行過程中對污染物的去除能力較強，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。組合工藝的優缺點也較為明顯。

C1運行情況較好，經過UASB處理后的水質較適合后續MBR處理，出水指標較好；但MBR出水用泵抽吸，耗電量遠高于C1和C3；且MBR膜絲容易斷絲、堵塞，影響膜通量，導致負壓增大，耗電量也相應增加。

對C2而言，整體運行情況較好，但對于突然的水質沖擊，需要較長的恢復時間。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微生物菌群單一，抗沖擊負荷能力較弱。且C2的污泥產量比C1、C3大，在工程操作中會帶來額外的經濟負擔。

對C3而言，AF啟動速率比UASB快，UASB需6周啟動時間，而AF只用了4周；但堵塞問題是影響AF應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處理效果；AF進水之前，需要通過物化處理控制水中懸浮物。

建立M5、M8和M11的判斷矩陣并計算特征向量，結果分別見表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 屠宰廢水處理技術性能評價

根據屠宰廢水處理方案評價指標體系分別構建各層指標的判斷矩陣，并計算特征向量，最終得到AHP排序結果，見表8。

表8 屠宰廢水處理方案AHP排序結果

注：1)括號里的數值表示權重；2)括號里的數值表示AHP綜合指數。

從表8中方案層總排序可看出，實現屠宰廢水處理達標排放，3套組合工藝的排序為C2最優、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]得到的結論基本相同。

4 結 語

屠宰廢水的方案優選是一個多決策的過程，實驗數據結論法多停留在最佳條件或最優化結果，但忽略了實際工程中的復雜性與多層次性。因此，僅依靠實驗數據結論法不能滿足成果產業化的需求。同時，僅依靠專家咨詢法對AHP中的權重進行賦值，也不能準確衡量特定廢水的處理效果。本研究將屠宰廢水處理的實際成果納入處理方案優選體系，提高了AHP的準確性，并結合專家咨詢法調整層次權重，科學篩選屠宰廢水的最佳處理方案。根據3個第1準則層和12個第2準則層，對C1、C2和C3判斷矩陣中各因素標度與權重賦值，并進行排序，得出方案層中C2綜合指數最高，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業化應用。

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