基于层次分析法的屠宰废水处理技术性能评估*

何 祥 谷文艺 王勇勇 王 凡 傅金祥

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

层次分析法(AHP)是一种定性分析与定量分析相结合的多准则决策方法，还可作为一种优化技术，特别是将决策者的经验判断给予量化，在目标或因素结构复杂且缺乏必要数据的情况下显得更实用[1]。AHP的整个分析过程体现了人的决策思维的基本特征，即分解、判断和综合[2]。目前AHP已经发展成较为成熟的方法，并被广泛应用于社会、经济、生活污水处理厂工艺筛选等多方面领域[3-6]，但鲜有AHP被应用于特种污水处理技术优选的报道。

屠宰废水作为一种典型的高浓度有机废水，其所含的污染物主要以溶解性有机物、胶体和悬浮物的形式存在[7]。已有大量针对屠宰废水的工艺研究与设计[8-9]，但在实际产业化过程中，包括投资成本、环境效益、设备稳定性在内的部分定性定量指标没有合理统筹，造成实验室最佳方案与实际工程存在偏差。本研究选用3套实验室中试组合工艺：上流式厌氧污泥床(UASB)/膜生物反应器(MBR)、UASB/序批式活性污泥法(SBR)、厌氧生物滤池(AF)/生物接触氧化，根据其处理效果，采用AHP从经济效益、技术性能和管理效益3方面优选出最佳处理方案。

1 层次模型

1.1 层次模型的建立

层次模型的建立是AHP的基础，构建合理有效的层次模型有助于AHP分析结果的可靠性和科学性[10-12]。构建的层次模型如图1所示。本研究将工艺综合效益(A)作为目标层，经济效益(B1)、技术性能(B2)和管理效益(B3)作为第1准则层，投资额等12个指标(M1～M12)作为第2准则层，各组合工艺(C1～C3)作为方案层。

图1 屠宰废水处理方案的评价指标体系Fig.1 Evaluation criteria system of slaughter wastewater treatment process

1.2 取值标准的确定

AHP的应用过程中，需要针对评价对象的性质和特点，建立相应的指标体系，再按照指标体系确定多层次的评价结构模型。其中指标体系包括体系参数、指标间的关系和取值标准3个方面的内容。取值标准的确定可采用专家咨询法和实验数据结论法。

1.2.1 专家咨询法

选择不同层次的环保技术人员和管理人员，通过参加讨论会和专家咨询会这两种方式，了解这些人员对工业污水处理关键技术评价的认识以及对影响污水处理设计运行中关键点的认知，再对结果进行统计分析；在所给出的众多的影响因子中选出3个指标作为AHP准则层的指标；然后，通过问卷调查的形式进行调查分析，最终确定每个指标的相对重要性权值及取值范围；最后，根据以上调查结果归纳统计出每个准则的相对重要性权值及取值标准。

1.2.2 实验数据结论法

对专家模糊判断或可通过实验室准确得出结论的目标，采取实验室中试进行测定，获得包括M5、M6、M7、M8及M11等指标的优劣性，列入判断矩阵。

2 实验室中试结果及相应判断矩阵的构建

中试从启动到结束共进行了16个月，期间记录各反应器启动及运行情况，通过调节水力停留时间(HRT)及回流比，使系统出水稳定并达到最佳情况。屠宰废水试验的原水取自沈阳某屠宰场，经混凝/气浮预处理后进入生物段处理，3套组合工艺中涉及的装置见图2。

2.1 组合工艺的COD去除效果及M6判断矩阵

2.1.1 组合工艺COD去除效果

由图3可知，预处理后进入生物段处理的屠宰废水COD平均值为836.5 mg/L。通过C1、C2和C3处理后，出水COD分别维持在35.5、32.4、41.4 mg/L左右，去除率分别约为95.8%、96.2%、95.1%，3套组合工艺的COD去除效果表现为C2>C1>C3。3套组合工艺的COD出水小于《污水综合排放标准》(DB 21/1627—2008)中的COD排放限值(50 mg/L)。

2.1.2 构建M6判断矩阵

判断矩阵中各元素的取值反映了人们对各元素相对重要性(如优劣、偏好、强度等)的认识，一般采用1～9及其倒数的标度方法[13]，见表1。

根据实验数据对3套组合工艺进行对比赋值，建立M6判断矩阵后计算特征向量(W)并检验判断矩阵一致性，见表2。

图2 中试装置图Fig.2 The pilot test devices

图3 组合工艺稳定运行期间对COD的去除效果Fig.3 COD removal effect of combined processes during the stable operation

根据表2计算得出M6判断矩阵的最大特征根(λmax)为3.018 3，再根据式(1)和式(2)[14]检验M6判断矩阵的一致性。

CI=(λmax-N)/(N-1)

(1)

(2)

式中：CI为判断矩阵偏离度；N为判断矩阵阶数；CR为判断矩阵随机一致性比率；RI为判断矩阵具有一致性的临界值。

表1 判断矩阵标度及其含义

表2 M6判断矩阵及其特征向量

当N=3时，RI=0.58，则计算可得CR=0.015 8，CR<0.1，因此该判断矩阵满足一致性，判断矩阵的赋值合理。其他判断矩阵也依照相同原理构造并检验一致性。

2.2 组合工艺对TN、TP的去除效果及判断矩阵

由图4可见，进水TN维持在110 mg/L左右，通过C1、C2和C3处理后，出水TN分别维持在13.0、13.8、15.7 mg/L左右，去除率分别约为88.2%、86.5%、85.2%。进水TP维持在5.5 mg/L左右，通过C1、C2和C3处理后，出水TP分别维持在0.43、0.48、0.45 mg/L左右，去除率分别约为92.2%、88.1%、91.8%。通过实验结果可知，C3存在出水TN不达标情况，其他两套组合工艺均能满足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。总体上看，3套组合工艺对TN、TP的去除效果为C1>C2>C3，由此构建M7判断矩阵并计算特征向量，结果见表3。

图4 组合工艺稳定运行期间对TN、TP的去除效果Fig.4 TN and TP removal effect of combined processes during the stable operation

表3 M7判断矩阵及其特征向量

2.3 其他中试结果及判断矩阵

C1、C2、C3的其他进出水水质指标见表4。

表4 其他进出水水质指标

从整体上看，3套组合工艺在稳定运行过程中对污染物的去除能力较强，出水基本满足DB 21/1627—2008(氨氮<8 mg/L，悬浮物<20 mg/L，色度<30)的排放要求。组合工艺的优缺点也较为明显。

C1运行情况较好，经过UASB处理后的水质较适合后续MBR处理，出水指标较好；但MBR出水用泵抽吸，耗电量远高于C1和C3；且MBR膜丝容易断丝、堵塞，影响膜通量，导致负压增大，耗电量也相应增加。

对C2而言，整体运行情况较好，但对于突然的水质冲击，需要较长的恢复时间。分析其原因可能是SBR使用悬浮型污泥，相比生物接触氧化和MBR，其形成的生物膜系统微生物菌群单一，抗冲击负荷能力较弱。且C2的污泥产量比C1、C3大，在工程操作中会带来额外的经济负担。

对C3而言，AF启动速率比UASB快，UASB需6周启动时间，而AF只用了4周；但堵塞问题是影响AF应用的最主要问题之一，每隔4周AF需要反冲洗，反冲洗过程中，生物膜脱落影响水质处理效果；AF进水之前，需要通过物化处理控制水中悬浮物。

建立M5、M8和M11的判断矩阵并计算特征向量，结果分别见表5、表6和表7。

表5 M5判断矩阵及其特征向量

表6 M8判断矩阵及其特征向量

表7 M11判断矩阵及其特征向量

3 屠宰废水处理技术性能评价

根据屠宰废水处理方案评价指标体系分别构建各层指标的判断矩阵，并计算特征向量，最终得到AHP排序结果，见表8。

表8 屠宰废水处理方案AHP排序结果

注：1)括号里的数值表示权重；2)括号里的数值表示AHP综合指数。

从表8中方案层总排序可看出，实现屠宰废水处理达标排放，3套组合工艺的排序为C2最优、C3其次，C1最差。因此，C2为筛选出的最佳处理方案，这与江涛[15]得到的结论基本相同。

4 结 语

屠宰废水的方案优选是一个多决策的过程，实验数据结论法多停留在最佳条件或最优化结果，但忽略了实际工程中的复杂性与多层次性。因此，仅依靠实验数据结论法不能满足成果产业化的需求。同时，仅依靠专家咨询法对AHP中的权重进行赋值，也不能准确衡量特定废水的处理效果。本研究将屠宰废水处理的实际成果纳入处理方案优选体系，提高了AHP的准确性，并结合专家咨询法调整层次权重，科学筛选屠宰废水的最佳处理方案。根据3个第1准则层和12个第2准则层，对C1、C2和C3判断矩阵中各因素标度与权重赋值，并进行排序，得出方案层中C2综合指数最高，为0.420 7。因此，3套组合工艺中，C2综合效益最高，最适用于屠宰废水处理产业化应用。

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