人工湿地基质综合评价方法构建与应用--基于层次分析法和模糊综合评价法

李清濯

(长江工程职业技术学院,武汉 430212)

人工湿地是一种人工构建的,模拟自然湿地净化过程的处理系统,已被广泛应用于废水处理和污染河湖的水质净化[1]等方面。基质是人工湿地中的关键组成之一。近年来,其研究进展迅速,多种材料被研究使用,主要可以分为天然材料(如:膨润土[2]、凹凸棒石[3]、硅藻土[4]、沸石[5]等),工业副产品(如:煤渣[6]、钢渣[7]、高炉炉渣[8]、粉煤灰[9]和污水厂污泥[10]等),农业副产品(如:花生壳[11]、蛋壳[12]、橙子废料[13]等),人工合成材料(如:海绵铁[7]、活性氧化铝[14]、层状复合金属氢氧化物、生物炭[7]、轻质骨料[15]等)等几类。

不同的基质材料之间存在显著差异,如何评价和筛选合适的基质是人工湿地设计和使用过程中需要考虑的重要问题之一,但缺少一个系统的方法。目前,我国对人工湿地基质的评价和选择主要以各级职能部门颁布的规范或开发人员的实际工程经验得出。规范主要以定性的描述性要求为主,开发人员则以单因素评价为主。由于缺乏具体统一的评价标准和综合性地评价手段,导致评价结果具有局限性,难以定量地反应基质的性能水平。因此,应当建立一套科学的基质评价方法和筛选体系,从而更好地发挥基质的效果。

基于层次分析法和模糊综合评价法,构建了人工湿地基质综合评价方法,并进行案例分析。该方法可以针对不同的应用需求,为现有基质的效能进行打分排序,快速、科学、系统地筛选出合适的基质材料。

1 方法和数据来源

1.1 研究方法

影响基质效能高低的因素很多,具有明显的层次性。同时,多种因素对基质效能的影响评价具有模糊性且量纲不统一,需要将定性评价转换为定量评价,将不统一的量纲转换为统一的量纲,便于量化比较。因此可采用层次分析法和模糊综合评价法进行多层次定量综合评价。评价的主要步骤分别为确定基质应用需求、构建评价指标体系、确定指标权重、量化指标、计算评价对象得分和综合评价筛选。

1.2 数据来源

该研究以净化城镇生活污水处理厂尾水的人工湿地为对象,选择沸石、石灰石、凹凸棒黏土、改性钢渣、改性粉煤灰、改性给水厂铝污泥、牡蛎壳、生物炭、轻质骨料和海绵铁十种基质为例,进行综合评价。基质的有关数据来自文献报道的规模化应用实测数据、实际工程经验以及专家咨询的模糊数据,具体数据见表1。

表1 人工湿地基质特性

2 人工湿地基质综合评价体系的构建

2.1 评价指标的选取

根据人工湿地基质的实际功能和应用需求,选择出15个评价指标,并将其分为理化性能指标、实际处理效果指标、使用成本指标和运行风险指标四大类。具体分类如表2所示。

表2 人工湿地基质评价指标体系

2.2 指标权重的确定

依据层次分析法的要求,设计“人工湿地基质调查问卷”,并让人工湿地相关从业人员、研究人员和研究生进行打分。对每一层次上的指标进行两两比较排序,按照1～9的标度方法表示各个指标间的相对重要程度,所得结果根据群组决策构造判断矩阵。采用层次分析法计算软件yaahp10.1,对判断矩阵进行一致性检验,一致性比例小于0.1即可认为结果可接受。最后根据判断矩阵最大特征根对应的特征向量,计算得到人工湿地基质综合评价体系各指标的权重系数,结果见表3。

表3 各指标的权重系数

2.3 评价指标的量化

采用模糊综合评价法量化指标分数,根据指标类型的不同,选择其对应的指标集分布。本指标体系中主要存在效益性指标(数值越大越好的指标)和成本型指标(数值越小越好的指标)。采用Matlab(R2019a)中的模糊逻辑工具箱建立其对应的模糊隶属函数,效益性指标和成本型指标对应的模糊隶属函数分别为s型和z型。

2.3.1 理化性质指标

(1)比表面积、孔隙率、机械强度和水力传导系数

四项指标影响着人工湿地的水力条件和吸附效果。开发高比表面积、高孔隙率、高机械强度和高水力传导系数的基质,可以有效减少堵塞风险。因此,上述指标是效益型指标,模糊隶属函数应设置为s型,根据统计结果的最大值和最小值作为上下限。

(2)TP理论吸附容量和氨氮理论吸附容量

TP理论吸附容量和氨氮理论吸附容量体现了基质的吸附能力和最佳运行周期,理论吸附容量越高,基质的吸附性能越强,最佳运行周期也有所延长。故两项指标均为效益型指标,其模糊隶属函数设置为s型。

2.3.2 实际处理效果指标

污染物去除率直接反应人工湿地的运行效果。污染物去除率越高,效果越好,故各项指标是效益型指标,模糊隶属函数设置为s型。参照人工湿地污水处理工程技术规范(HJ2005-2010)(见表4)中的参数,设置各项指标的上下限。

表4 人工湿地系统污染物去除效率 单位:%

2.3.3 使用成本指标

(1)基质售价

基质的售价为典型的成本型指标,模糊隶属函数设置成z型。根据统计数据,基质的售价基本在262～3 143元/吨的范围内,因此将其设置为该项的上下限。

(2)最佳运行周期

最佳运行周期越长的基质其人工湿地全过程的成本就越低,故基质的最佳运行周期是效益型指标,模糊隶属函数设置为s型。根据世界水协会(IWA)的报道[16],人工湿地在2年左右会出现运行效率显著下降的问题,理想的最佳运行周期在15年左右,故将其设置为指标的上下限。

2.3.4 运行风险指标

运行风险指标无法通过数据量化,因此采用等级赋值法,将材料的堵塞风险及二次污染风险指标按高、较高、一般、较低、低分为5级(如表5所示)。根据专家对材料评估等级,赋予其相应的初始数值。

表5 堵塞风险及二次污染风险评估等级

其隶属函数为:

各项指标的隶属函数如表6所示。

表6 各指标的隶属函数

3 结果与讨论

3.1 各项指标权重结果

从表3专家打分得出的权重中可以看出,准则层中四个因素的权重大小依次为实际处理效果(0.488 2)>投入成本(0.312 1)>运行风险(0.137 5)>理化性质(0.062 2)。表明实际处理效果和使用成本是主要考量的因素,这也与以往的实际工程经验相吻合。

指标层中,总磷去除率的权重最高(0.196 7)。而基质售价(0.156 0)、使用成本(0.156 0)和总氮去除率(0.127 6)也是重点考虑的因素。对于城镇生活污水厂尾水而言,在经过生化处理后有机质含量和悬浮物也已较少,出水中硝酸盐含量占总氮含量较多,且目前污水厂出水中磷的含量对于地表水标准而言依然较高,污水厂出水仍属于尾水受纳水体富营养化的源。因此基质对磷和硝态氮的去除能力尤为重要,是尾水水质稳定排放的重要保障。

3.2 基质评价结果与筛选

十种基质材料的指标原始值由文献报道和实际工程经验得出。将量化得分和权重值代入公式(1)中计算得到各种基质的综合得分Ci,满分为1。基质得分如表7所示。

表7 人工湿地基质综合评价得分

Ci=∑Cij×wi

(1)

式中,Cij表示第i项指标下第j种基质的得分,wij表示第i项指标的权重。

从表7可以看出,本研究中的基质得分高低顺序为:改性钢渣>改性给水厂铝污泥、轻质骨料>牡蛎壳>沸石>海绵铁>玉米芯生物炭>凹凸棒黏土>改性粉煤灰、石灰石。改性钢渣的综合得分最高,为0.81,是该研究筛选出的较适合使用材料。改性给水厂铝污泥和轻质骨料的得分其次,为0.79,可作为备选基质材料。钢渣是炼钢过程中的副产物,给水厂铝污泥是水处理中常见的废弃物,二者都是易大量获得并实现废弃物资源化利用的材料。近年来的研究发现,钢渣和给水厂铝污泥具有极好的磷吸附能力和氨氮去除能力,实际运行时间长,不易堵塞。王玉双等[17]以钢渣为基质构建了水平流人工湿地,用于处理污水厂尾水。结果表明出水除总氮外其余指标满足地表水IV类水标准;总氮较尾水的一级B标准提高到了一级A标准。胡沅胜等[18]以给水厂铝污泥为基质构建了潮汐流人工湿地。该湿地在10～70倍于传统人工湿地的污染物负荷下运行近一年,实现了对有机物(去除率70%)、氨氮(90%)和磷(90%)的高效去除。二者的实际应用潜力巨大,可进行进一步研究和应用。

此外,在不同的基质之间存在互补和协同的作用,尝试将不同材料组合在一起能得到更理想的复合基质,实现更好的污染物去除效果和延长湿地的使用时间。如分层组合的生物陶粒、沸石和无烟煤复合基质,增强了去除市政废水污染物的能力[19]。相较于单一基质,该复合基质能够有效的去除COD(73.9%～78.7%),高效地脱氮除磷(TN 88.3%～91.5%、TP 87.1%～90.9%)。同时,考虑到实际成本和施工简易性,应尽可能减少基质的类型,选择二到三个材料组合[20]。目前,该评价体系仅对单一基质进行量化评价,后期可针对不同材料组合的复合基质评价进行补充完善。

4 结 论

(1)基于层次分析法和模糊综合评价法,建立了人工湿地基质综合评价方法。以净化城镇生活污水处理厂尾水的人工湿地为对象,选择沸石、石灰石、凹凸棒黏土、改性钢渣、改性粉煤灰、改性给水厂铝污泥、牡蛎壳、生物炭、轻质骨料和海绵铁十种常见的基质为例,进行综合评价。权重结果表明实际处理效果(0.488 2)>投入成本(0.312 1)>运行风险(0.137 5)>理化性质(0.062 2)。结合文献报道的实测数据,改性钢渣的综合评估得分最高,能够达到较好的效能。

(2)不同的基质之间存在互补和协同作用,该评价体系目前仅对单一基质进行量化评价,后期可针对不同材料组合的复合基质评价进行补充完善。