任文成1 陈海斌2 陈浩3
1.3 机械工业勘察设计研究院有限公司，2陕西旺同建设工程有限公司
摘要：不同污水处理工艺受到当地环境、经济及人员管理水平等因素的制约，本文从技术性能、管理性能、环境影响、经济效益四方面建立污水处理工艺的指标，通过层次分析法得到12因子指标权重计算，然后综合评价指标对A2/O工艺、CAST工艺、改良氧化沟工艺及MBR工艺进行排序。并对陕西某地污水处理厂改扩建工程设计决策阶段进行应用，结果表明A2/O工艺为最佳，氧化沟工艺最差，进而为改扩建工程的设计及运行管理提供客观科学的依据。
关键词：污水处理工艺；层次分析；择优体系；指标权重
Selection of Sewage Treatment Process Based on Analytical Hierarchy Process
Abstract：Different sewage treatment processes are restricted by the local environment, economy and personnel management level. This paper establishes the indexes of sewage treatment process from four aspects of technical performance, management performance, environmental impact and economic benefit, and obtains the weight calculation of 12 factor indexes through analytic hierarchy process, and then comprehensively evaluates the influence of the indexes on A2 / O process, cast process, production process and production process Improved oxidation ditch process and MBR process. The results show that the A2 / O process is the best and the oxidation ditch process is the worst, which provides an objective and scientific basis for the design and operation management of the reconstruction and expansion project.
Key words: Sewage treatment process;analytic hierarchy process;Merit system; index weight
0引言
截止2020年末我国常住人口城镇化率超过60%[1-2]，这一现象不仅引起城镇居民对清洁用水的需求持续提升，也造成工业废水与生活污水持续增加，给我国的原污水处理系统造成很大的压力，也给城镇水环境的可持续发展带来威胁[3-5]。因此，我国大力开展污水处理厂改扩建工作，用以加大污水处理能力及提升污水处理效果。对于污水处理厂改扩建的设计阶段而言，所选取得污水处理工艺与当地情况相匹配与否，关系到所建污水处理厂能否科学、有效、经济的运行[6-7]。因此，污水处理工艺择优对此阶段的至关重要。目前，由于所在地技术、管理、环境、经济情况不同，所采取的污水处理工艺也各不相同，主要包括氧化沟工艺、A2O工艺、SBR工艺、MBR工艺、活性污泥工艺、生物接触氧化工艺等[8-9]。
污水处理工艺的择优呈现出一个多因素、复杂和动态条件下的决策过程。AHP是一种定性与定量相结合的方法，通过分析各指标之间的关系、建立对比矩阵，将复杂问题分解为若干层次和若干指标，在各指标之间进行比较和计算，从而可以较为合理地确定指标权重[10]。AHP法广泛的应用与污水处理工艺的择优方面。
杨卓通过层次分析法(AHP)综合考虑技术性能、经济效益和管理效益这三个方面，得到CASS工艺更适合作为该污水处理厂的污水处理技术[11]。Molinos-Senante等运用AHP法考虑了环境、经济和社会3方面的17个指标、7个方案，结果表明，人工湿地为最佳工艺，而延长曝气和旋转生物接触池为最不推荐的工艺。周玮、柯超等基于AHP，结合技术、经济及管理方面对污水处理厂工艺决策的影响，建立了4层9指标4方案的污水处理工艺综合评价体系，最终确定CAST工艺为最佳[12]。
但是，国内学者对污水处理工艺择优的研究仍然不多，特别是综合考虑技术、管理、环境及经济4方面建立的择优体系更是屈指可数[13-15]。本研究基于AHP法，充分考虑技术性能、运行管理、环境影响及经济效益4方面的影响，对A2/O工艺、MBR工艺、SBR工艺和氧化沟等4种污水处理工艺进行了综合对比，分析了污水处理工艺的适宜程度，得出择优结果，其结果不一定是具有最佳性能的工艺，但一定是最适合当地的工艺，进而为该地区新建污水处理厂工艺的设计和现有工艺的优化提供借鉴和指导。
1择优体系模型的构建过程
结合层次分析法，建立一个客观、科学的工艺选择的体系模型。择优体系模型主要由目标层、准则层、因子层及工艺层组成。层次结构模型如下图所示：
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图1 层次结构模型
1.1指标权重确定方法
基于择优体系模型构建各层的判断矩阵。判断矩阵是基于因子层指标对于准则层某一方面的重要程度两两比较来获取的。然后通过1～9标度将其各因素进行初步量化转换。
1.2判断矩阵的一致性检验
采用AHP法时，必须确保判断矩阵的一致性，一致性可以用Consistency Index表示，为简便表达，缩写为CI，计算公式如下：
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（8）
然后对污水处理的4种工艺指标权重因子进行排序，从而得到适合本地区的最佳工艺方案。
2 污水处理工艺择优体系应用
随着城镇化推进，大量工业废水与生活污水的处理成为了亟待解决的问题由于影响污水处理工艺的择优因素多，又互相关联，形成一个复杂系统。针对此问题，依据AHP法综合多种因素，进行定性和定量分析，然后建立的污水处理工艺择优体系能够很好解决这个问题。结合张建锋、党辉对关中地区水资源的研究成果[16-17]，可知关中地区水资源缺乏，生态环境相对脆弱；其人均水资源仅相当于全国人均水资源量的1/7，因此，关中地区污水处理工艺择优应偏向出水水质好、回水利用率高的工艺，水质情况应作为首要指标。
2.1 确定评价指标权重
结合关中地区污水处理工艺，由7位专家对已建立的污水处理工艺择优体系中的准则层与因子层指标进行确认与筛选，再对判断矩阵内的参数进行评分，然后利用MATLAB软件确定准则层指标与因子层指标的权重，最后综合结果排序。
由计算结论可知：出水质量在所有因子层中所占比重最大，其值达到0.2826，超过权重的25%，这与关中地区对水质要求高的情况保持一致，也反证择优体系的科学性。权重其次分别为操作难易性、脱氮除磷效果与生态环境平衡性，其值依次为0.1545、0.1501、0.0993。排序前4的因子权重共占比重达到68.65%，说明择优体系除了出水质量也兼顾环境保护，这不仅与关中地区实际情况相符，也我国生态环境保护政策相一致。其总体排序为出水水质(C2)＞运行稳定性(C5)＞脱氮除磷情况(C1)＞生态环境平衡(C9)＞操作难易性(C4)＞投资回报率(C11)＞污泥产量(C3)＞环保成本(C8)＞管理难易性(C6)＞废气固渣(C7)＞占地面积(C12)＞工程投资(C10)。
2.2方案层指标综合评价
采用问卷的形式对当地9位具有丰富经验的专家进行调查，并对所选工艺的12因子层进行打分，最终的分值如表5所示。
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3 结论
（1）从技术性能、运行管理、环境影响及经济效益等4方面着手，结合分层层次法，建立了4层12指标4工艺的污水处理工艺择优体系，对污水处理工艺客观科学地择优具有指导意义。
（2）结合关中地区某污水处理厂改扩建项目实际情况，通过已建立的污水处理工艺综合评价体系，依据MATLAB软件计算出该污水处理厂12个指标的权重排序：出水水质(C2)＞运行稳定性(C5＞脱氮除磷情况(C1)＞生态环境平衡(C9)＞操作难易性(C4)＞投资回报率(C11)＞污泥产量(C3)＞环保成本(C8)＞管理难易性(C6)＞废气固渣(C7)＞占地面积(C12)＞工程投资(C10)。
（3）本研究选定的技术性能、运行管理、环境影响及经济效益4项准则层指标的权重因子计算中，其各指标依次为48.52%、27.67%、15.58%和8.16%；其中技术性能占比最大，而经济效益占比最小。最终能够得到A2/O工艺、MBR工艺、SBR工艺和氧化沟工艺的权重结果，依次为0.7533，0.7367，0.7506及0.7222。因此，A2/O工艺为该污水处理厂的最佳工艺。
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