基于层次分析的高校校园排水系统优化

王新文，杜宇尘

(1. 洛阳理工学院土木工程学院，河南洛阳 471023；2. 郑州大学综合设计研究院有限公司，河南郑州 450002)

根据教育部《2019年全国教育事业发展统计公报》，2019年全国共有普通高等学校2 688所(含独立学院257所)，普通高等学校平均规模为11 260人[1]。以河南省高校为例，根据河南省《工业与城镇生活用水定额》(DB41/T 385—2014)规定，住宿生的用水定额为115 L/(人·d)，调节系数为0.9～1.6[2]，则一所普通高等学校年均用水量为32.0万～57.0万m3，而排水量近似等于用水量[3]。因此，高校是城市的用水和排水大户，合理规划其排水系统，根据其经济和技术等多种因素，选择最佳的污废水处理和处置方式，对其所在城市乃至其所在流域水资源的保护有积极作用。层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是美国匹兹堡大学运筹学家Saaty教授于1973年提出的一种层次权重决策分析方法[4]。AHP可把复杂问题中的所有因素，通过设置相互联系的层次，使其条理化，并能根据客观现实的判断，对每一层次元素相对重要性予以定量表示，然后通过数学计算的方法确定全部要素的相对权重，给出全部要素的重要性次序，帮助决策者更好地选择方案。汪迎瑞等[5]利用AHP对建筑施工安全管理提出了合理的建议，麻昊等[6]基于AHP对生态系统进行了合理评估，杨婷婷等[7]利用AHP和模糊综合评判方法对城市排水体制的选择给出了合理建议，因此，借助于AHP可以对高校的排水系统进行优化。

1 基于AHP的高校校园排水系统优化

1.1 高校校园排水系统存在的问题

校园污废水量较大，且以生活污水为主，所以，许多研究者致力于高校中水处理与回用技术的研究，不少高校也建设了中水处理站。然而，深入调查发现，高校中水处理存在以下问题。

(1)个别高校盲目建设大而全的中水处理与回用设施，造成其污废水收集、处理及回用基建投资过大，负债累累。部分中水处理与回用设施建好后运行费用过高，高校负担不起导致闲置；部分中水处理设施因污水收集率的局限长期低负荷运转；部分因假期水量过小，微生物死亡而失去处理能力。

(2)个别高校位于雨量充沛、降雨较均匀地区，在选择中水水源时仅考虑生活污废水，忽略了水质良好的雨水。

(3)对于北方一些具有供热水或者有供暖的高校，每天大量的优质冷凝水没有被重复利用。

由此可见，高校校园的中水处理与回用系统在处理规模、水源、工艺等方面选择不当时，难以达到预期目的。为了最大限度实现校园污废水资源化，且不过高增加高校的经济和管理负担，本文利用层次分析法，对校园污废水处理与处置方式进行比较选择，以期为校园污废水处理与处置选择最优方案。

1.2 模型构建

高校是否设置中水处理与回用系统，以及中水处理与回用系统的规模、工艺、水源等对高校的水资源利用率、水费、中水处理站的基建费、处理站运行费、排水管网体制选择与造价、中水处理工艺选择的难易性、工艺运行管理的方便性都产生直接影响。因此，构建高校污废水合理处理与处置层次模型时，将上述7个主要被影响因素设为准则，准则层用符号“B”表示，上述7个准则依次为“B1”、“B2”、“B3”、“B4”、“B5”、“B6”、“B7”。层次模型的目标层为高校污废水的合理处理与处置，用符号“A”表示。

高校污废水的处理与处置有以下3种方案：(1)收集后全部排入城市管网；(2)收集后全部处理并回用；(3)污染物浓度较高的污废水，如粪便污水等收集后排入城市管网，污染物浓度较低、水质较好、流量较大的集中废水(如洗浴废水、屋面雨水等)收集后处理并回用。

将上述3种处理与处置方案设为方案层，用符号“C”表示，依次为“C1”、“C2”、“C3”。根据上述目标层、准则层及方案层的设置及其相互关系，结合层次分析原理，高校污废水合理处理与处置的层次模型如图1所示。

图1 高校校园污废水合理处理与处置层次模型Fig.1 Hierarchical Model of Reasonable Treatment and Disposal of Wastewater in University Campuses

1.3 层次分析

为了选择高校污废水合理处理与处置的最优方案，对上述层次模型建立比较矩阵，并进行赋值、计算、分析，找出最佳方案。

判断矩阵元素的取值采用1～9标度法，对不同情况的评比给予数量尺度，其中,1、3、5、7、9分别表示前者与后者相比具有同样重要性、前者比后者稍微重要、明显重要、强烈重要、极端重要；2、4、6、8是上述两相邻判断的中间值，以及上述值的倒数值共17个[8]。

根据AHP中判断矩阵的形式以及矩阵中元素1～9标度方法的取值，建立B和A的比较矩阵，以及各方案(Ci)和各准则(Bi)之间的比较矩阵。经过多方面的调查研究、计算及向有关专家咨询，进一步确定了B-A比较矩阵中各元素的数值(表1)，以及Ci和Bi的比较矩阵中各元素的数值,CI为一致性指标，CR为一致性比例(率)(表2～表8)。

表1 B-A的比较矩阵Tab.1 Comparison Matrices between B-A

表2 Ci-B1的比较矩阵Tab.2 Comparison Matrices between Ci-B1

利用求根法计算判断矩阵的最大特征值与特征向量，并进行一致性检验，具体步骤如下。

(1)

其中：aij——ai对aj相对重要性的数值表示。

表3 Ci-B2的比较矩阵Tab.3 Comparison Matrices between Ci-B2

表4 Ci-B3的比较矩阵Tab.4 Comparison Matrices between Ci-B3

表5 Ci-B4的比较矩阵Tab.5 Comparison Matrices between Ci-B4

表6 Ci-B5的比较矩阵Tab.6 Comparison Matrices between Ci-B5

表7 Ci-B6的比较矩阵Tab.7 Comparison Matrices between Ci-B6

表8 Ci-B7的比较矩阵Tab.8 Comparison Matrices between Ci-B7

3)求特征向量W对应的最大特征值λmax，如式(2)。

(2)

4)一致性性检验

利用λmax与n之差检验一致性，一致性指标CI如式(3)。

(3)

从3个方案中选出最优的方案，需要在上述同一层次各要素之间的相对重要度确定后，自上而下计算各级要素对总体的综合重要度。

设二级共有m个要素c1，c2，…，cm，它们对总值的重要度为w1，w2，…，wm。其下一层次三级有p1，p2，…，pn共n个要素，令要素pi对cj的重要度(权重)为vij，则三级要素pi的综合重要度如式(4)。

(4)

依据各方案综合重要度的大小，对各方案进行排序、决策。最终3种方案的总排序如表9所示。

表9 3种方案的权重Tab.9 Weights of Three Schemes

由表9可知，方案C3的权重值高于方案C1和C2，即集中的优质废水进行处理后回用，其余污废水排入城市管网是最佳方案。

1.4 基于AHP的高校校园排水系统优化

根据上述层次分析结果,可以对高校校园的排水系统进行相应优化。

(1)中水处理的水源选择

当高校设置有热力交换站时，集中的优质废水按水质的好坏依次为热力交换站的冷凝水、屋面雨水(舍弃初期3 mm的降水量)、公共浴室废水、洗漱废水等。

热力交换站的冷凝水因温度在65 ℃左右称之为废水，但水质没有受到污染，首先可将这部分废水回用。在热力交换站加装收集设备将冷凝水进行收集，然后送到浴池兑入凉水即可用作洗浴，不需要处理费用。

高校一般绿化面积较大，需要较多的绿化用水，舍弃初期3 mm的屋面降雨量可直接用于绿化，对于有水系的高校,屋面雨水还可用于补充校园水系水量，也可处理后用于冲厕等。

根据徐劲草等[9]的研究，洗澡用水占高校学生总用水量的46.36%，冲厕用水占32.05%，洗漱、试验等用水占21.59%。如果将高校的洗澡废水和洗漱废水收集处理后回用于冲厕，从总量上考虑洗澡废水可满足冲厕用水，由于洗澡和冲厕用水时间随机且不一致，需要设置调节池进行水量平衡。

(2)排水管网的设置

选择冷凝水、屋面雨水、公共浴室废水及宿舍洗漱废水等集中废水作为中水水源，可使排水管网和中水回用管网布置简单、费用较低。同时，建议中水出水优先用于冲厕和绿化，绿化用水所需的水压小、管网简单，可以优先考虑，但用水间隔时间较长，需要设置储存设施；冲厕用水使用频繁，可以降低储存设施的容积。中水出水同时用于冲厕和绿化可降低回用水的输送和储存造价，如果出水还有剩余可用于补充校园水系用水及洗车，这两种回用方式的管网造价较低。

(3)中水处理的工艺选择

根据杨飞[10]的研究，一般洗澡废水BOD5=45～55 mg/L、CODCr=110～120 mg/L、SS=35～55 mg/L；洗漱废水BOD5=90～110 mg/L、CODCr=100～140 mg/L、SS=90～110 mg/L。洗澡废水和洗漱废水的污染物、有机物含量都较低，这类废水处理工艺简单，技术成熟，工艺选择容易，如去除率较高、技术成熟、管理方便的MBR膜工艺即可。

(4)污染物浓度较高的污水处置

高校餐厅的污废水含有大量的油脂，有机物浓度也较高；冲厕污水不仅有机物浓度高，还含有大量的微生物甚至是致病微生物。如果作为中水水源则处理工艺复杂，处理成本高，对于经济条件有限的高校,可以考虑将这些污水直接排入城市管网，为高校中水处理工艺的选择带来方便，并降低其中水处理的基建费、运行费用及排水管网的造价，也不会给环境和水资源带来过大危害。高校一般位于大中城市， 这些城市均设置污水处理厂，可以处理甚至回用这部分污水。

对于经济水平和中水处理的管理水平都较高的高校，可以把所有污废水进行处理回用，但这样的中水处理出水总量不会过多增加，中水处理工艺会变得复杂，中水处理的成本也将大大增加。

2 工程应用

以某校王城校园为例，王城校区的主要建筑包括6栋教学办公楼、1栋行政办公楼、1栋图书馆、1栋实习车间、8栋学生公寓、2栋食堂、1栋大学生活动中心、1栋浴池、1栋开水房、2座热交换站以及3个门岗、体育馆等。根据近3年的数据统计，在校学生11 000多人，各类建筑物及花坛每年的用水量(近3年的平均值)如表10所示。

表10 王城校区各类建筑物及花坛每年的用水量Tab.10 Annual Water Consumption of Various Buildings and Flower Beds at Wangcheng Campus

由于中水只能用于冲厕、绿化洒扫及洗车等，使用范围有限，根据表10及《建筑给水排水设计标准规范》(GB 50015—2019)[3]计算得知，学校的冲厕用水和绿化用水每年大约需要120 000 m3。如果采用方案C1，即全部污废水收集排放，会造成学校水费过大；采用方案C2，即全部污废水收集处理后回用，不仅造价高,而且中水大量剩余，而该市市政没有中水回用管网，多余中水不得不排放，势必造成学校资金浪费；采用方案C3，既可以节约学校水费，又可以充分利用水资源。由表10可知，用水量最大的是学生公寓，其次是教学及办公楼。由于教学楼、办公楼、门岗等其他建筑物分布较为分散，收集废水和中水回用的管网造价高，结合经济因素考虑，把分布较为集中的学生公寓废水和浴池废水作为中水水源。根据测算，在开学期间可收集到的中水水源(洗漱、洗浴用水)约为620 m3/d，经处理后产生中水约为500 m3/d，公寓冲厕用水约为400 m3/d，因此，中水可以满足公寓冲厕用水，剩余部分用于绿化用水及冲洗车辆。该中水项目建设总投资为650 余万元，其中，河南省发展改革委员会有180万元的减排专项资金支持，中水处理站每天的运行费用(包括电费、人工工资、化学药品)约为355.6元，每年可节约用水量为152 500 m3，获得50余万元的收益[11-12]，建设成本10年左右收回，没给学校带来过多的经济负担。同时，中水处理站还可作为环境工程与化学学院及土木工程学院市政工程系的实习基地，服务教学，经济效益和社会效益比较显著。

3 结论

利用层次原理，构建高校污废水的处理与处置方式与其主要影响因素之间的层次模型，并经过经赋值、计算，得出集中优质废水收集处理后回用，其余污废水排入城市管网的方案。这种方案的权重值为0.341，高于其他方案，因此，高校的污废水处理与处置首选该方案，并可根据该方案对高校的排水系统进行相应优化。主要依靠财政拨款的一般高校，在经济水平和水处理管理水平有限的情况下，可最大程度地实现废水资源化，节约水费，同时，不至于给其带来较大的经济负担。