基于層次分析法的化學除磷方案選擇研究

郭眾一，趙曉莉，李金成，石志慧(青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266033)

湖泊富營養化多由水體中過量的氮磷元素導致[1]，有研究表明[2]水體中磷元素含量過高會對沉水植物的生長產生一定的抑制作用，從而導致沉水植被難以完成對水體的生態調節作用，最終導致環境水質惡化.目前，城鎮生活污水處理廠多采用生物法對污水中的氮磷以及有機污染物進行去除[3]，部分可生化性較好的工業廢水也多采用生物法進行脫氮除磷處理[4]，例如食品加工廢水和水產品加工廢水等.生物法除磷的原理是由聚磷菌在好氧條件下過量攝取水體中的磷從而形成高磷污泥，再通過系統排泥達到除磷的效果.受限于生物法除磷的機制，在工業廢水處理的過程中，如果單一應用生物法處理含磷濃度較高的工業廢水，往往難以達到相關排放標準中對總磷的處理要求，因此通常在污水處理系統中設置化學除磷單元，即通過向水體中投加鐵鹽等混凝劑使之與水中磷酸鹽發生化學反應生成絮體，再將絮體從水體中沉淀分離，以此達到強化除磷效果的目的.

混凝劑的投加伴隨著工業生產是一個持續的過程，藥劑的種類、投加量和投加方式的差異不僅影響著污水處理系統的除磷效果，還與水處理系統出水pH、出水色度以及運行成本緊密相關，因此選用適宜的化學除磷方案顯得尤為重要.層次分析法作為1種可以解決復雜決策問題中各因素權重分配問題的方法[5]，能夠輔助相關人員進行決策，近年來在水處理領域也得到了廣泛的應用，例如給水處理工藝優選中的應用[6]，南水北調中線水源區的水質評價[7]以及煉化污水回用技術研究[8]等.

以青島某水產品加工企業污水處理系統除磷功能升級改造為例，本文分析了污水處理工藝設計過程中影響化學除磷方案選擇的主要因素，并通過應用層次分析法建立了化學除磷方案的量化評價體系，旨在綜合考慮水處理效果、水處理成本、運行管理難易程度以及環境影響等因素后量化各化學除磷方案，選出較優方案以輔助設計人員進行決策，為污水處理工藝設計過程中除磷方案的選擇提供了參考.

1 材料與方法

1.1 試驗用水

本文試驗用水取自青島某水產品加工廠，水質指標見表1.

表1 試驗用水水質

1.2 分析方法

水中總磷采用鉬酸銨分光光度法[9]測定；水中總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[10]測定；pH采用HACH pHC101便攜式檢測儀測定；色度采用稀釋倍數法[11]測定.

2 化學除磷方案評估及選擇

本文試驗用水為青島某水廠品加工廠生產廢水，廢水中的總磷含量約為60～70 mg/L，遠高于城鎮生活污水，且廢水排放量大，利用生物法對水體中磷進行去除難以滿足排放要求，因此需要增加化學除磷單元來進一步去除水體中的磷，提高污水處理工藝對系統出水總磷的去除效果.

根據藥劑的投加位置一般將化學沉淀除磷工藝分為前置除磷工藝、同步除磷工藝和后置除磷工藝.前置除磷工藝是在污水進入生物處理段前進行藥劑的投加，前置除磷工藝不僅可以對水中磷進行去除，還可減少后續生物處理段的有機負荷，但會增加系統產泥量且污泥成分較為復雜；同步除磷工藝是在二沉池進水處投加混凝劑，同步除磷具有設施工程量較小的優點；后置除磷工藝將化學沉淀除磷單元與生物處理單元分離使之互不影響，產生的磷酸鹽污泥可以單獨排放收集并可加以利用.

根據實際情況設計了如下4種化學除磷方案：前置除磷投加聚合硫酸鐵(S1)，前置除磷投加氯化鐵(S2)，后置除磷投加聚合硫酸鐵(S3)和后置除磷投加氯化鐵(S4).通過試驗測定各方案中的總磷去除率、出水pH、出水色度以及藥劑投加量等指標，并應用層次分析法對各除磷方案進行量化評估并進行選擇.

2.1 化學除磷方案評估體系的建立

2.1.1 層次結構模型的建立

層次結構模型一般包括目標層、準則層和子準則層，根據實際問題及其影響因素建立適當的層次結構模型是層次分析法的關鍵[12].本文建立的化學除磷方案評估體系層次結構如圖1所示.

圖1 除磷方案選擇層次結構

圖1所示層次結構中決策目標為最優藥劑投加方案G.通過充分考慮項目的實際需求，查閱相關排放標準以及相關環保條例等確定了準則層A中包含處理效果A1、直接經濟成本A2、管理運行難易程度A3以及環境影響A44個子項.

在準則層A中下設子準則層B作為補充，對準則層A中的子項進行了更進一步劃分：分析目標層中藥劑投加方案的主要目的，設置了總磷去除率B11，出水pH值B12和出水色度B13作為處理效果A1的子項；考慮實際工程中污水處理系統運行的成本，設置了藥劑投加成本B21和產泥處理成本B22作為直接經濟成本A2的子項；在實際工程方案的選擇中除了考慮處理效果以及運行成本以外，還需要充分考慮到污水處理工藝運行維護的難易程度，因此設置了藥劑的使用條件B31和藥劑貯存要求B32作為管理運行難易程度A3的補充子項；環境影響A4主要考慮前置除磷和后置除磷方案產泥成分差異對后續污泥處理的影響，設置產泥處理B41子項.

2.1.2 判斷矩陣的構建

判斷矩陣表示了層次結構中同一準則層(或子準則層)內各項指標之間兩兩相比的重要程度，本文中判斷矩陣采用1～9標度法[13]，標度的應用說明見表2.通過比較因素間對決策問題影響的強弱關系所構建判斷矩陣是層次分析法計算的主要依據.本文通過查閱相關文獻、比較前期積累的試驗數據以及問詢專家意見建立各準則層相對應的判斷矩陣，主要準則層判斷矩陣見表3和表4.

表2 1～9 判斷矩陣標度

表3 G-A判斷矩陣

表4 A1-B判斷矩陣

2.1.3 一致性檢驗及權重計算

判斷矩陣的一致性檢驗結果一般由一致性比率CR來衡量[14]：

表5 平均隨機一致性RI的取值

一般認為CR<0.1時所構建的判斷矩陣具有一致性，否則應對前述構建的判斷矩陣進行調整以通過一致性檢驗.

本文主要判斷矩陣相關計算結果見表6，權重系數計算結果見表7.

表6 判斷矩陣檢驗結果

表7 權重系數計算結果

2.2 化學除磷方案的選擇

本文通過試驗測定了子準則層B中的各水質指標.由于總磷去除率、出水pH以及其他指標的性質不同，各子項指標具有不同的量綱和數量級，若原始數據不進行預處理直接使用往往會突出數值較高的指標在評價體系中的作用而削弱數值較小的指標的作用，從而導致前述由層次分析法計算得到的權重系數在評價體系中的加權作用失效.

為避免原始指標數值量級的差異對評價結果造成的不利影響，本文先將原始數據按下式進行0～1標準化處理.

式中：x*為經標準化處理后的數據，用于下一步數據分析；xmax和xmin為某1項指標中數值的最大值和最小值。

各方案量化結果如圖2所示.

將試驗數據標準化后結合前述權重系數分別對各工藝方案進行量化評分，由圖2中綜合分數結果可以看出各化學除磷方案的工程適用性為S4>S2>S1>S3.

S4在評價體系中得分最高，認為是最優的工藝方案，其在水處理效果(A1)和環境影響(A4)方面表現較好，也符合工藝方案選擇的出發點；但應注意到S4在運行成本(A2)方面因FeCl3投加成本較高導致此項目得分較低.在本文所構建的評價體系中A1項權重為0.63，A2項權重為0.19，綜合考慮確定S4為最優化學除磷方案.

3 結論

1) 應用層次分析法構建了化學除磷方案的評價體系，計算各因素在評價體系中的權重系數分別為A1權重為0.63，A2權重為0.19，A3權重為0.09，A4權重為0.10，量化了各因素對化學除磷方案選擇的影響.

2) 采用1～9標度法構建了可進行動態調整，以滿足不同工程設計需求的準則層判斷矩陣.

3) 根據實際情況設計了4種化學除磷方案：前置除磷投加聚合硫酸鐵(S1)，前置除磷投加氯化鐵(S2)，后置除磷投加聚合硫酸鐵(S3)和后置除磷投加氯化鐵(S4) 應用層次分析法得出各方案的工程適用性為S4>S2>S1>S3，綜合確定S4為最優化學除磷方案.