層次分析法在農村生活污水處理模式優選中的應用

曲麗麗 李 悅 孔范龍 趙麗霞 孫 鵬

（青島大學化學化工與環境學院，山東青島 266071）

當前我國農村地區生活污水未經處理而直接排放的現象導致了農村水環境問題長期存在。農村地區居民居住分散性的特點和經濟因素等各項限制條件的存在，導致農村生活污水的處理不能延用和照搬大、中規模城市污水處理模式。其處理模式的選擇必須遵循經濟、高效、節能和簡便易行的原則，要求處理工藝簡單，運行費用低廉，凈化效果有保證，運行維護簡便［1］。基于此，農村生活污水處理時需考慮環境、經濟、技術、管理和政策等諸多影響因素，而如何選取合適的處理模式也成為當前農村生活污水處理的研究熱點。

由于農村生活污水處理模式的選取涉及諸多影響因素，而且其中含一些難以定量表示的定性因子，運用常規的數學方法很難作出判斷，因此要選取合適的農村生活污水處理模式，需要尋求一種可以將各因素定量化的方法。層次分析法可以針對農村生活污水處理模式選擇中的多目標、多層次因素進行定性與定量綜合評判，將決策思維過程數學化。目前，國內對層次分析法應用于生活污水處理技術選擇方面已開展了相關研究，謝禮國［2］、劉揚［3］、郝曉偉［4］等利用層次分析法建立了評價體系，并對污水處理技術進行了綜合評價，這為層次分析法在農村生活污水處理技術選取中的應用提供了參考，但是仍存在不足，如在層次模型中所考慮的影響因素不全面，基礎數據不足等。鑒于此，本文在利用層次分析法進行模式選取時將進一步對層次模型、基礎數據等關鍵要素進行完善，以期為農村生活污水處理模式的選取提供方法指導。

1 農村生活污水特點及處理技術存在問題

1.1 農村生活污水的特點

農村生活污水是農村居民在生活和家庭養殖等過程中產生的污水的總稱，主要包括廚房炊事廢水、洗衣、洗浴和廁所污水、家養蓄禽糞便、廢水等［5］。因生活習慣、生活方式、經濟水平等不同，農村生活污水也表現有不同的特點［6－8］:①水質特點:農村生活污水來源多、分布廣泛且分散，污水成分復雜，含有一定量的氮、磷，可生化性較高，基本不含重金屬和有毒有害物質;②水量特征:農村生活污水量比較小，變化系數大，一般排放量早晚比白天大，夜間排水量小;③排放體制特征:農村生活污水一般呈粗放型排放;④增長速度快:隨著農民生活水平的提高以及農村生活方式的改變，生活污水的產生量也隨之增長。

1.2 農村生活污水處理存在的問題及探討

由于我國農村地區存在著經濟水平相對落后，居民環保意識不到位，生活污水的產生分散而不易集中等因素，當前在生活污水的處理方面存在有一定的問題:①費用問題:由于農村地區經濟相對落后，污水管網建設滯后，配套不完善，收集范圍小，污水處理規模小，造成工程建設費及運行費用過高;②環境問題:由于當地自然與生態條件（氣溫、降水、風向和土壤等）對所選擇的處理工藝與處理技術有負面影響，使其不能正常發揮效力［9］;③政策問題:污水處理工藝與技術的選擇，受到當地排放標準要求、水環境功能要求的制約;由于農村的環境機制不健全，缺少專業的環保人才。④管理問題:對于污水處理技術缺少維護管理技術人員及運行管理經驗嚴重缺乏［10］。

分析農村生活污水處理方面存在的問題（見圖1），發現其所存在的問題歸根到底都是因農村生活污水處理模式的選擇不當而產生。只有結合農村地區的經濟狀況、環境條件、當地的排放標準以及水環境功能要求，因地制宜的選擇適合當地的農村生活污水處理模式，才能更好的發揮污水處理的效果和作用，達到防治農村水體污染的目的。

圖1 農村生活污水處理問題探討

2 層次分析法在農村生活污水處理模式優選中的應用

AHP法是用定量與定性相結合的模糊綜合評判模型，綜合考慮各方面的因素，并按因素對評判結果的影響程度，將其劃分為不同的層次，加以逐層的綜合評判，從而得到一個既定量化又較符合實際的評價結果，能較好解決污水處理模式選擇的難題。

2.1 農村生活污水處理模式層次模型的建立

針對農村地區生活污水特點結合農村經濟水平和水環境質量要求的實際情況，應尋求經濟、高效、簡便、易行的農村生活污水處理適用技術。因此，處理工藝選取時應綜合考慮以下因素:①環境因素，主要有占地面積、選址條件、自然條件;②經濟因素，包括基建投資、運行與維護費用;③技術因素，主要考慮技術的可靠性、工藝條件、處理效果;④政策因素，主要考慮相關污水排放和水環境保護的政策、法規及標準;⑤管理因素，主要考慮運行過程的管理和廢水處理后回用的管理。

根據影響因素將農村生活污水處理技術設為方案層，將適合某一農村生活污水的處理模式設為目標層;將各影響因素作為準則層，建立層次結構模型如圖2。

圖2 層次結構模型

2.2 工程實例

2.2.1 工程概況

E村占地面積375畝，地勢北高南低，人口約1500人，居民以種植業為主，工農業總產值約3000萬元，經調查該村總污水流量約為130m3/d，其中COD平均含量為300－400mg/L、氨氮含量為35－45 mg/L、總磷含量為5－10mg/L，污水未經處理直接排出。未經處理的生活污水直接排放，一方面嚴重污染了各類水體，另一方面容易造成地區的傳染病、地方病和人畜共患疾病的發生與流行，直接威脅到廣大農民群眾的身體健康以及農村的經濟發展。

2.2.2 構造判斷矩陣及權重計算

根據已建立的層次結構模型，選取目前圖內較為成熟的污水處理技術:人工濕地處理技術（D1）、厭氧沼氣處理技術（D2）、地埋式無動力凈化處理技術（D3）、地下滲濾系統（D4）、高效藻類塘系統（D5）、凈化槽處理技術（D6）作為方案層，建立起針對E村的層次結構模型，進而進行排序。在排序計算中，每一層次中的排序又可簡化為一系列成對因素的判斷比較。根據一定的比率標度將判斷量化后，形成比較判斷矩陣。

（1）構造準則層對目標層的判斷矩陣。綜合分析E村的自然條件、經濟狀況、居民文化水平以及該地區的法律法規，采用專家打分法對準則層各影響因素的重要性進行評判，構造判斷矩陣A－B。

根據所構造的判斷矩陣，計算求得最大特征根λmax=5，相應的特征向量w=（0.171，0.229，0.257，0.143，0.200），根據檢驗判斷矩陣的一致性公式可得:CI=（λmaxn）/（n－1）=0;根據0－10階矩陣RI值，計算其一致性比率CR為:CR=CI/RI=0＜0.1，則判斷矩陣A－B具有滿意的一致性。

（2）構造各個評價準則Bi對方案層Di的判斷矩陣。

①對環境要求:根據對占地面積、選址條件、自然條件等的綜合分析，6種方案成對比較后，得環境要求對6種方案的判斷矩陣B1－D，計算得矩陣的最大特征值為λmax=6，相應的特征向量w=（0.286，0.190，0.095，0.143，0.048，0.238），判斷矩陣偏離一致性指標CI=0;隨機一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

②對經濟要求:根據對6中方案的基建投資、運行與維護費用等的綜合分析，6種方案成對比較后得經濟要求對6種方案層的判斷矩陣B2－D。計算得矩陣的最大特征值為 λmax=6，相應的特征向量w=（0.286，0.238，0.143，0.095，0.190，0.048），判斷矩陣偏離一致性指標CI=0;隨機一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

③技術要求:根據對技術的可靠性、工藝條件、處理效果等綜合分析，6種方案成對比較后得經濟要求對6種方案層的判斷矩陣B3－D。計算得矩陣的最大特征值為λmax=6，相應的特征向量w=（0.286，0.095，0.143，0.238，0.048，0.190），判斷矩陣偏離一致性指標CI=0;隨機一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

④政策要求:根據對相關政策、法律法規以及標準等的綜合分析，6種方案成對比較后得經濟要求對6種方案層的判斷矩陣B4－D。計算得矩陣的最大特征值為λmax=6，相應的特征向量w=（0.286，0.095，0.143，0.190，0.238，0.048），判斷矩陣偏離一致性指標CI=0;隨機一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

⑤管理要求:根據運行過程管理的難易度和廢水處理后回用管理的難易度等綜合分析，6種方案成對比較后得管理要求對6種方案層的判斷矩陣B5－D。計算得矩陣的最大特征值為 λmax=6，相應的特征向量w=（0.238，0.286，0.095，0.048，0.190，0.143），判斷矩陣偏離一致性指標CI=0;隨機一致性比率CR=0＜0.1，則判斷矩陣具有滿意一致性。

2.2.3 層次總排序及其一致性檢驗

根據各個評價準則對方案層的權重，構造農村生活污水處理方案層次總排序見表1。

表1 農村生活污水處理方案層次總排序

層次總排序一致性檢驗:CR總=（∑ajCIj）/（∑ajRIj）=0＜0.1，通過層次總排序表可以看出對于E村而言，6種農村生活污水處理模式的排序為:人工濕地處理技術、厭氧沼氣處理技術、凈化槽處理技術、地下滲濾系統、高效藻類塘系統、地埋式無動力凈化處理技術，由此得出最優方案為人工濕地處理技術。

3 結論

農村生活污水處理模式的選擇是農村生活污水處理的重要環節，需要綜合考慮環境、經濟、技術、管理和政策等諸多影響因素，層次分析法可以針對農村生活污水處理模式選擇中的多目標、多層次因素進行定性與定量綜合評判，用于農村生活污水處理模式的優選，具有較強的科學性。本文根據層次分析法的原理，建立了農村生活污水處理模式選擇的層次模型。以E村為研究實例，根據已建立的層次模型結合E村的實際情況，建立針對E村的農村生活污水處理模式選擇的層次模型，并根據模型將定量分析與定性分析相結合，進行權重計算以及層次總排序，得出適合E村的分散式生活污水處理模式為人工濕地處理模式，這為農村地區生活污水處理模式的選擇提供了方法指導。

（編輯:張 英）

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