基于層次分析的高校校園排水系統優化

王新文，杜宇塵

(1. 洛陽理工學院土木工程學院，河南洛陽 471023；2. 鄭州大學綜合設計研究院有限公司，河南鄭州 450002)

根據教育部《2019年全國教育事業發展統計公報》，2019年全國共有普通高等學校2 688所(含獨立學院257所)，普通高等學校平均規模為11 260人[1]。以河南省高校為例，根據河南省《工業與城鎮生活用水定額》(DB41/T 385—2014)規定，住宿生的用水定額為115 L/(人·d)，調節系數為0.9～1.6[2]，則一所普通高等學校年均用水量為32.0萬～57.0萬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戶，合理規劃其排水系統，根據其經濟和技術等多種因素，選擇最佳的污廢水處理和處置方式，對其所在城市乃至其所在流域水資源的保護有積極作用。層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是美國匹茲堡大學運籌學家Saaty教授于1973年提出的一種層次權重決策分析方法[4]。AHP可把復雜問題中的所有因素，通過設置相互聯系的層次，使其條理化，并能根據客觀現實的判斷，對每一層次元素相對重要性予以定量表示，然后通過數學計算的方法確定全部要素的相對權重，給出全部要素的重要性次序，幫助決策者更好地選擇方案。汪迎瑞等[5]利用AHP對建筑施工安全管理提出了合理的建議，麻昊等[6]基于AHP對生態系統進行了合理評估，楊婷婷等[7]利用AHP和模糊綜合評判方法對城市排水體制的選擇給出了合理建議，因此，借助于AHP可以對高校的排水系統進行優化。

1 基于AHP的高校校園排水系統優化

1.1 高校校園排水系統存在的問題

校園污廢水量較大，且以生活污水為主，所以，許多研究者致力于高校中水處理與回用技術的研究，不少高校也建設了中水處理站。然而，深入調查發現，高校中水處理存在以下問題。

(1)個別高校盲目建設大而全的中水處理與回用設施，造成其污廢水收集、處理及回用基建投資過大，負債累累。部分中水處理與回用設施建好后運行費用過高，高校負擔不起導致閑置；部分中水處理設施因污水收集率的局限長期低負荷運轉；部分因假期水量過小，微生物死亡而失去處理能力。

(2)個別高校位于雨量充沛、降雨較均勻地區，在選擇中水水源時僅考慮生活污廢水，忽略了水質良好的雨水。

(3)對于北方一些具有供熱水或者有供暖的高校，每天大量的優質冷凝水沒有被重復利用。

由此可見，高校校園的中水處理與回用系統在處理規模、水源、工藝等方面選擇不當時，難以達到預期目的。為了最大限度實現校園污廢水資源化，且不過高增加高校的經濟和管理負擔，本文利用層次分析法，對校園污廢水處理與處置方式進行比較選擇，以期為校園污廢水處理與處置選擇最優方案。

1.2 模型構建

高校是否設置中水處理與回用系統，以及中水處理與回用系統的規模、工藝、水源等對高校的水資源利用率、水費、中水處理站的基建費、處理站運行費、排水管網體制選擇與造價、中水處理工藝選擇的難易性、工藝運行管理的方便性都產生直接影響。因此，構建高校污廢水合理處理與處置層次模型時，將上述7個主要被影響因素設為準則，準則層用符號“B”表示，上述7個準則依次為“B1”、“B2”、“B3”、“B4”、“B5”、“B6”、“B7”。層次模型的目標層為高校污廢水的合理處理與處置，用符號“A”表示。

高校污廢水的處理與處置有以下3種方案：(1)收集后全部排入城市管網；(2)收集后全部處理并回用；(3)污染物濃度較高的污廢水，如糞便污水等收集后排入城市管網，污染物濃度較低、水質較好、流量較大的集中廢水(如洗浴廢水、屋面雨水等)收集后處理并回用。

將上述3種處理與處置方案設為方案層，用符號“C”表示，依次為“C1”、“C2”、“C3”。根據上述目標層、準則層及方案層的設置及其相互關系，結合層次分析原理，高校污廢水合理處理與處置的層次模型如圖1所示。

圖1 高校校園污廢水合理處理與處置層次模型Fig.1 Hierarchical Model of Reasonable Treatment and Disposal of Wastewater in University Campuses

1.3 層次分析

為了選擇高校污廢水合理處理與處置的最優方案，對上述層次模型建立比較矩陣，并進行賦值、計算、分析，找出最佳方案。

判斷矩陣元素的取值采用1～9標度法，對不同情況的評比給予數量尺度，其中,1、3、5、7、9分別表示前者與后者相比具有同樣重要性、前者比后者稍微重要、明顯重要、強烈重要、極端重要；2、4、6、8是上述兩相鄰判斷的中間值，以及上述值的倒數值共17個[8]。

根據AHP中判斷矩陣的形式以及矩陣中元素1～9標度方法的取值，建立B和A的比較矩陣，以及各方案(Ci)和各準則(Bi)之間的比較矩陣。經過多方面的調查研究、計算及向有關專家咨詢，進一步確定了B-A比較矩陣中各元素的數值(表1)，以及Ci和Bi的比較矩陣中各元素的數值,CI為一致性指標，CR為一致性比例(率)(表2～表8)。

表1 B-A的比較矩陣Tab.1 Comparison Matrices between B-A

表2 Ci-B1的比較矩陣Tab.2 Comparison Matrices between Ci-B1

利用求根法計算判斷矩陣的最大特征值與特征向量，并進行一致性檢驗，具體步驟如下。

(1)

其中：aij——ai對aj相對重要性的數值表示。

表3 Ci-B2的比較矩陣Tab.3 Comparison Matrices between Ci-B2

表4 Ci-B3的比較矩陣Tab.4 Comparison Matrices between Ci-B3

表5 Ci-B4的比較矩陣Tab.5 Comparison Matrices between Ci-B4

表6 Ci-B5的比較矩陣Tab.6 Comparison Matrices between Ci-B5

表7 Ci-B6的比較矩陣Tab.7 Comparison Matrices between Ci-B6

表8 Ci-B7的比較矩陣Tab.8 Comparison Matrices between Ci-B7

3)求特征向量W對應的最大特征值λmax，如式(2)。

(2)

4)一致性性檢驗

利用λmax與n之差檢驗一致性，一致性指標CI如式(3)。

(3)

從3個方案中選出最優的方案，需要在上述同一層次各要素之間的相對重要度確定后，自上而下計算各級要素對總體的綜合重要度。

設二級共有m個要素c1，c2，…，cm，它們對總值的重要度為w1，w2，…，wm。其下一層次三級有p1，p2，…，pn共n個要素，令要素pi對cj的重要度(權重)為vij，則三級要素pi的綜合重要度如式(4)。

(4)

依據各方案綜合重要度的大小，對各方案進行排序、決策。最終3種方案的總排序如表9所示。

表9 3種方案的權重Tab.9 Weights of Three Schemes

由表9可知，方案C3的權重值高于方案C1和C2，即集中的優質廢水進行處理后回用，其余污廢水排入城市管網是最佳方案。

1.4 基于AHP的高校校園排水系統優化

根據上述層次分析結果,可以對高校校園的排水系統進行相應優化。

(1)中水處理的水源選擇

當高校設置有熱力交換站時，集中的優質廢水按水質的好壞依次為熱力交換站的冷凝水、屋面雨水(舍棄初期3 mm的降水量)、公共浴室廢水、洗漱廢水等。

熱力交換站的冷凝水因溫度在65 ℃左右稱之為廢水，但水質沒有受到污染，首先可將這部分廢水回用。在熱力交換站加裝收集設備將冷凝水進行收集，然后送到浴池兌入涼水即可用作洗浴，不需要處理費用。

高校一般綠化面積較大，需要較多的綠化用水，舍棄初期3 mm的屋面降雨量可直接用于綠化，對于有水系的高校,屋面雨水還可用于補充校園水系水量，也可處理后用于沖廁等。

根據徐勁草等[9]的研究，洗澡用水占高校學生總用水量的46.36%，沖廁用水占32.05%，洗漱、試驗等用水占21.59%。如果將高校的洗澡廢水和洗漱廢水收集處理后回用于沖廁，從總量上考慮洗澡廢水可滿足沖廁用水，由于洗澡和沖廁用水時間隨機且不一致，需要設置調節池進行水量平衡。

(2)排水管網的設置

選擇冷凝水、屋面雨水、公共浴室廢水及宿舍洗漱廢水等集中廢水作為中水水源，可使排水管網和中水回用管網布置簡單、費用較低。同時，建議中水出水優先用于沖廁和綠化，綠化用水所需的水壓小、管網簡單，可以優先考慮，但用水間隔時間較長，需要設置儲存設施；沖廁用水使用頻繁，可以降低儲存設施的容積。中水出水同時用于沖廁和綠化可降低回用水的輸送和儲存造價，如果出水還有剩余可用于補充校園水系用水及洗車，這兩種回用方式的管網造價較低。

(3)中水處理的工藝選擇

根據楊飛[10]的研究，一般洗澡廢水BOD5=45～55 mg/L、CODCr=110～120 mg/L、SS=35～55 mg/L；洗漱廢水BOD5=90～110 mg/L、CODCr=100～140 mg/L、SS=90～110 mg/L。洗澡廢水和洗漱廢水的污染物、有機物含量都較低，這類廢水處理工藝簡單，技術成熟，工藝選擇容易，如去除率較高、技術成熟、管理方便的MBR膜工藝即可。

(4)污染物濃度較高的污水處置

高校餐廳的污廢水含有大量的油脂，有機物濃度也較高；沖廁污水不僅有機物濃度高，還含有大量的微生物甚至是致病微生物。如果作為中水水源則處理工藝復雜，處理成本高，對于經濟條件有限的高校,可以考慮將這些污水直接排入城市管網，為高校中水處理工藝的選擇帶來方便，并降低其中水處理的基建費、運行費用及排水管網的造價，也不會給環境和水資源帶來過大危害。高校一般位于大中城市， 這些城市均設置污水處理廠，可以處理甚至回用這部分污水。

對于經濟水平和中水處理的管理水平都較高的高校，可以把所有污廢水進行處理回用，但這樣的中水處理出水總量不會過多增加，中水處理工藝會變得復雜，中水處理的成本也將大大增加。

2 工程應用

以某校王城校園為例，王城校區的主要建筑包括6棟教學辦公樓、1棟行政辦公樓、1棟圖書館、1棟實習車間、8棟學生公寓、2棟食堂、1棟大學生活動中心、1棟浴池、1棟開水房、2座熱交換站以及3個門崗、體育館等。根據近3年的數據統計，在校學生11 000多人，各類建筑物及花壇每年的用水量(近3年的平均值)如表10所示。

表10 王城校區各類建筑物及花壇每年的用水量Tab.10 Annual Water Consumption of Various Buildings and Flower Beds at Wangcheng Campus

由于中水只能用于沖廁、綠化灑掃及洗車等，使用范圍有限，根據表10及《建筑給水排水設計標準規范》(GB 50015—2019)[3]計算得知，學校的沖廁用水和綠化用水每年大約需要120 000 m3。如果采用方案C1，即全部污廢水收集排放，會造成學校水費過大；采用方案C2，即全部污廢水收集處理后回用，不僅造價高,而且中水大量剩余，而該市市政沒有中水回用管網，多余中水不得不排放，勢必造成學校資金浪費；采用方案C3，既可以節約學校水費，又可以充分利用水資源。由表10可知，用水量最大的是學生公寓，其次是教學及辦公樓。由于教學樓、辦公樓、門崗等其他建筑物分布較為分散，收集廢水和中水回用的管網造價高，結合經濟因素考慮，把分布較為集中的學生公寓廢水和浴池廢水作為中水水源。根據測算，在開學期間可收集到的中水水源(洗漱、洗浴用水)約為620 m3/d，經處理后產生中水約為500 m3/d，公寓沖廁用水約為400 m3/d，因此，中水可以滿足公寓沖廁用水，剩余部分用于綠化用水及沖洗車輛。該中水項目建設總投資為650 余萬元，其中，河南省發展改革委員會有180萬元的減排專項資金支持，中水處理站每天的運行費用(包括電費、人工工資、化學藥品)約為355.6元，每年可節約用水量為152 500 m3，獲得50余萬元的收益[11-12]，建設成本10年左右收回，沒給學校帶來過多的經濟負擔。同時，中水處理站還可作為環境工程與化學學院及土木工程學院市政工程系的實習基地，服務教學，經濟效益和社會效益比較顯著。

3 結論

利用層次原理，構建高校污廢水的處理與處置方式與其主要影響因素之間的層次模型，并經過經賦值、計算，得出集中優質廢水收集處理后回用，其余污廢水排入城市管網的方案。這種方案的權重值為0.341，高于其他方案，因此，高校的污廢水處理與處置首選該方案，并可根據該方案對高校的排水系統進行相應優化。主要依靠財政撥款的一般高校，在經濟水平和水處理管理水平有限的情況下，可最大程度地實現廢水資源化，節約水費，同時，不至于給其帶來較大的經濟負擔。