人工濕地基質綜合評價方法構建與應用
--基于層次分析法和模糊綜合評價法

李清濯

(長江工程職業技術學院,武漢 430212)

人工濕地是一種人工構建的,模擬自然濕地凈化過程的處理系統,已被廣泛應用于廢水處理和污染河湖的水質凈化[1]等方面。基質是人工濕地中的關鍵組成之一。近年來,其研究進展迅速,多種材料被研究使用,主要可以分為天然材料(如:膨潤土[2]、凹凸棒石[3]、硅藻土[4]、沸石[5]等),工業副產品(如:煤渣[6]、鋼渣[7]、高爐爐渣[8]、粉煤灰[9]和污水廠污泥[10]等),農業副產品(如:花生殼[11]、蛋殼[12]、橙子廢料[13]等),人工合成材料(如:海綿鐵[7]、活性氧化鋁[14]、層狀復合金屬氫氧化物、生物炭[7]、輕質骨料[15]等)等幾類。

不同的基質材料之間存在顯著差異,如何評價和篩選合適的基質是人工濕地設計和使用過程中需要考慮的重要問題之一,但缺少一個系統的方法。目前,我國對人工濕地基質的評價和選擇主要以各級職能部門頒布的規范或開發人員的實際工程經驗得出。規范主要以定性的描述性要求為主,開發人員則以單因素評價為主。由于缺乏具體統一的評價標準和綜合性地評價手段,導致評價結果具有局限性,難以定量地反應基質的性能水平。因此,應當建立一套科學的基質評價方法和篩選體系,從而更好地發揮基質的效果。

基于層次分析法和模糊綜合評價法,構建了人工濕地基質綜合評價方法,并進行案例分析。該方法可以針對不同的應用需求,為現有基質的效能進行打分排序,快速、科學、系統地篩選出合適的基質材料。

1 方法和數據來源

1.1 研究方法

影響基質效能高低的因素很多,具有明顯的層次性。同時,多種因素對基質效能的影響評價具有模糊性且量綱不統一,需要將定性評價轉換為定量評價,將不統一的量綱轉換為統一的量綱,便于量化比較。因此可采用層次分析法和模糊綜合評價法進行多層次定量綜合評價。評價的主要步驟分別為確定基質應用需求、構建評價指標體系、確定指標權重、量化指標、計算評價對象得分和綜合評價篩選。

1.2 數據來源

該研究以凈化城鎮生活污水處理廠尾水的人工濕地為對象,選擇沸石、石灰石、凹凸棒黏土、改性鋼渣、改性粉煤灰、改性給水廠鋁污泥、牡蠣殼、生物炭、輕質骨料和海綿鐵十種基質為例,進行綜合評價。基質的有關數據來自文獻報道的規?；瘧脤崪y數據、實際工程經驗以及專家咨詢的模糊數據,具體數據見表1。

表1 人工濕地基質特性

2 人工濕地基質綜合評價體系的構建

2.1 評價指標的選取

根據人工濕地基質的實際功能和應用需求,選擇出15個評價指標,并將其分為理化性能指標、實際處理效果指標、使用成本指標和運行風險指標四大類。具體分類如表2所示。

表2 人工濕地基質評價指標體系

2.2 指標權重的確定

依據層次分析法的要求,設計“人工濕地基質調查問卷”,并讓人工濕地相關從業人員、研究人員和研究生進行打分。對每一層次上的指標進行兩兩比較排序,按照1～9的標度方法表示各個指標間的相對重要程度,所得結果根據群組決策構造判斷矩陣。采用層次分析法計算軟件yaahp10.1,對判斷矩陣進行一致性檢驗,一致性比例小于0.1即可認為結果可接受。最后根據判斷矩陣最大特征根對應的特征向量,計算得到人工濕地基質綜合評價體系各指標的權重系數,結果見表3。

表3 各指標的權重系數

2.3 評價指標的量化

采用模糊綜合評價法量化指標分數,根據指標類型的不同,選擇其對應的指標集分布。本指標體系中主要存在效益性指標(數值越大越好的指標)和成本型指標(數值越小越好的指標)。采用Matlab(R2019a)中的模糊邏輯工具箱建立其對應的模糊隸屬函數,效益性指標和成本型指標對應的模糊隸屬函數分別為s型和z型。

2.3.1 理化性質指標

(1)比表面積、孔隙率、機械強度和水力傳導系數

四項指標影響著人工濕地的水力條件和吸附效果。開發高比表面積、高孔隙率、高機械強度和高水力傳導系數的基質,可以有效減少堵塞風險。因此,上述指標是效益型指標,模糊隸屬函數應設置為s型,根據統計結果的最大值和最小值作為上下限。

(2)TP理論吸附容量和氨氮理論吸附容量

TP理論吸附容量和氨氮理論吸附容量體現了基質的吸附能力和最佳運行周期,理論吸附容量越高,基質的吸附性能越強,最佳運行周期也有所延長。故兩項指標均為效益型指標,其模糊隸屬函數設置為s型。

2.3.2 實際處理效果指標

污染物去除率直接反應人工濕地的運行效果。污染物去除率越高,效果越好,故各項指標是效益型指標,模糊隸屬函數設置為s型。參照人工濕地污水處理工程技術規范(HJ2005-2010)(見表4)中的參數,設置各項指標的上下限。

表4 人工濕地系統污染物去除效率 單位:%

2.3.3 使用成本指標

(1)基質售價

基質的售價為典型的成本型指標,模糊隸屬函數設置成z型。根據統計數據,基質的售價基本在262～3 143元/噸的范圍內,因此將其設置為該項的上下限。

(2)最佳運行周期

最佳運行周期越長的基質其人工濕地全過程的成本就越低,故基質的最佳運行周期是效益型指標,模糊隸屬函數設置為s型。根據世界水協會(IWA)的報道[16],人工濕地在2年左右會出現運行效率顯著下降的問題,理想的最佳運行周期在15年左右,故將其設置為指標的上下限。

2.3.4 運行風險指標

運行風險指標無法通過數據量化,因此采用等級賦值法,將材料的堵塞風險及二次污染風險指標按高、較高、一般、較低、低分為5級(如表5所示)。根據專家對材料評估等級,賦予其相應的初始數值。

表5 堵塞風險及二次污染風險評估等級

其隸屬函數為:

各項指標的隸屬函數如表6所示。

表6 各指標的隸屬函數

3 結果與討論

3.1 各項指標權重結果

從表3專家打分得出的權重中可以看出,準則層中四個因素的權重大小依次為實際處理效果(0.488 2)>投入成本(0.312 1)>運行風險(0.137 5)>理化性質(0.062 2)。表明實際處理效果和使用成本是主要考量的因素,這也與以往的實際工程經驗相吻合。

指標層中,總磷去除率的權重最高(0.196 7)。而基質售價(0.156 0)、使用成本(0.156 0)和總氮去除率(0.127 6)也是重點考慮的因素。對于城鎮生活污水廠尾水而言,在經過生化處理后有機質含量和懸浮物也已較少,出水中硝酸鹽含量占總氮含量較多,且目前污水廠出水中磷的含量對于地表水標準而言依然較高,污水廠出水仍屬于尾水受納水體富營養化的源。因此基質對磷和硝態氮的去除能力尤為重要,是尾水水質穩定排放的重要保障。

3.2 基質評價結果與篩選

十種基質材料的指標原始值由文獻報道和實際工程經驗得出。將量化得分和權重值代入公式(1)中計算得到各種基質的綜合得分Ci,滿分為1?；|得分如表7所示。

表7 人工濕地基質綜合評價得分

Ci=∑Cij×wi

(1)

式中,Cij表示第i項指標下第j種基質的得分,wij表示第i項指標的權重。

從表7可以看出,本研究中的基質得分高低順序為:改性鋼渣>改性給水廠鋁污泥、輕質骨料>牡蠣殼>沸石>海綿鐵>玉米芯生物炭>凹凸棒黏土>改性粉煤灰、石灰石。改性鋼渣的綜合得分最高,為0.81,是該研究篩選出的較適合使用材料。改性給水廠鋁污泥和輕質骨料的得分其次,為0.79,可作為備選基質材料。鋼渣是煉鋼過程中的副產物,給水廠鋁污泥是水處理中常見的廢棄物,二者都是易大量獲得并實現廢棄物資源化利用的材料。近年來的研究發現,鋼渣和給水廠鋁污泥具有極好的磷吸附能力和氨氮去除能力,實際運行時間長,不易堵塞。王玉雙等[17]以鋼渣為基質構建了水平流人工濕地,用于處理污水廠尾水。結果表明出水除總氮外其余指標滿足地表水IV類水標準;總氮較尾水的一級B標準提高到了一級A標準。胡沅勝等[18]以給水廠鋁污泥為基質構建了潮汐流人工濕地。該濕地在10～70倍于傳統人工濕地的污染物負荷下運行近一年,實現了對有機物(去除率70%)、氨氮(90%)和磷(90%)的高效去除。二者的實際應用潛力巨大,可進行進一步研究和應用。

此外,在不同的基質之間存在互補和協同的作用,嘗試將不同材料組合在一起能得到更理想的復合基質,實現更好的污染物去除效果和延長濕地的使用時間。如分層組合的生物陶粒、沸石和無煙煤復合基質,增強了去除市政廢水污染物的能力[19]。相較于單一基質,該復合基質能夠有效的去除COD(73.9%～78.7%),高效地脫氮除磷(TN 88.3%～91.5%、TP 87.1%～90.9%)。同時,考慮到實際成本和施工簡易性,應盡可能減少基質的類型,選擇二到三個材料組合[20]。目前,該評價體系僅對單一基質進行量化評價,后期可針對不同材料組合的復合基質評價進行補充完善。

4 結 論

(1)基于層次分析法和模糊綜合評價法,建立了人工濕地基質綜合評價方法。以凈化城鎮生活污水處理廠尾水的人工濕地為對象,選擇沸石、石灰石、凹凸棒黏土、改性鋼渣、改性粉煤灰、改性給水廠鋁污泥、牡蠣殼、生物炭、輕質骨料和海綿鐵十種常見的基質為例,進行綜合評價。權重結果表明實際處理效果(0.488 2)>投入成本(0.312 1)>運行風險(0.137 5)>理化性質(0.062 2)。結合文獻報道的實測數據,改性鋼渣的綜合評估得分最高,能夠達到較好的效能。

(2)不同的基質之間存在互補和協同作用,該評價體系目前僅對單一基質進行量化評價,后期可針對不同材料組合的復合基質評價進行補充完善。