基于层次分析法的化学除磷方案选择研究

郭众一，赵晓莉，李金成，石志慧(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266033)

湖泊富营养化多由水体中过量的氮磷元素导致[1]，有研究表明[2]水体中磷元素含量过高会对沉水植物的生长产生一定的抑制作用，从而导致沉水植被难以完成对水体的生态调节作用，最终导致环境水质恶化.目前，城镇生活污水处理厂多采用生物法对污水中的氮磷以及有机污染物进行去除[3]，部分可生化性较好的工业废水也多采用生物法进行脱氮除磷处理[4]，例如食品加工废水和水产品加工废水等.生物法除磷的原理是由聚磷菌在好氧条件下过量摄取水体中的磷从而形成高磷污泥，再通过系统排泥达到除磷的效果.受限于生物法除磷的机制，在工业废水处理的过程中，如果单一应用生物法处理含磷浓度较高的工业废水，往往难以达到相关排放标准中对总磷的处理要求，因此通常在污水处理系统中设置化学除磷单元，即通过向水体中投加铁盐等混凝剂使之与水中磷酸盐发生化学反应生成絮体，再将絮体从水体中沉淀分离，以此达到强化除磷效果的目的.

混凝剂的投加伴随着工业生产是一个持续的过程，药剂的种类、投加量和投加方式的差异不仅影响着污水处理系统的除磷效果，还与水处理系统出水pH、出水色度以及运行成本紧密相关，因此选用适宜的化学除磷方案显得尤为重要.层次分析法作为1种可以解决复杂决策问题中各因素权重分配问题的方法[5]，能够辅助相关人员进行决策，近年来在水处理领域也得到了广泛的应用，例如给水处理工艺优选中的应用[6]，南水北调中线水源区的水质评价[7]以及炼化污水回用技术研究[8]等.

以青岛某水产品加工企业污水处理系统除磷功能升级改造为例，本文分析了污水处理工艺设计过程中影响化学除磷方案选择的主要因素，并通过应用层次分析法建立了化学除磷方案的量化评价体系，旨在综合考虑水处理效果、水处理成本、运行管理难易程度以及环境影响等因素后量化各化学除磷方案，选出较优方案以辅助设计人员进行决策，为污水处理工艺设计过程中除磷方案的选择提供了参考.

1 材料与方法

1.1 试验用水

本文试验用水取自青岛某水产品加工厂，水质指标见表1.

表1 试验用水水质

1.2 分析方法

水中总磷采用钼酸铵分光光度法[9]测定；水中总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[10]测定；pH采用HACH pHC101便携式检测仪测定；色度采用稀释倍数法[11]测定.

2 化学除磷方案评估及选择

本文试验用水为青岛某水厂品加工厂生产废水，废水中的总磷含量约为60～70 mg/L，远高于城镇生活污水，且废水排放量大，利用生物法对水体中磷进行去除难以满足排放要求，因此需要增加化学除磷单元来进一步去除水体中的磷，提高污水处理工艺对系统出水总磷的去除效果.

根据药剂的投加位置一般将化学沉淀除磷工艺分为前置除磷工艺、同步除磷工艺和后置除磷工艺.前置除磷工艺是在污水进入生物处理段前进行药剂的投加，前置除磷工艺不仅可以对水中磷进行去除，还可减少后续生物处理段的有机负荷，但会增加系统产泥量且污泥成分较为复杂；同步除磷工艺是在二沉池进水处投加混凝剂，同步除磷具有设施工程量较小的优点；后置除磷工艺将化学沉淀除磷单元与生物处理单元分离使之互不影响，产生的磷酸盐污泥可以单独排放收集并可加以利用.

根据实际情况设计了如下4种化学除磷方案：前置除磷投加聚合硫酸铁(S1)，前置除磷投加氯化铁(S2)，后置除磷投加聚合硫酸铁(S3)和后置除磷投加氯化铁(S4).通过试验测定各方案中的总磷去除率、出水pH、出水色度以及药剂投加量等指标，并应用层次分析法对各除磷方案进行量化评估并进行选择.

2.1 化学除磷方案评估体系的建立

2.1.1 层次结构模型的建立

层次结构模型一般包括目标层、准则层和子准则层，根据实际问题及其影响因素建立适当的层次结构模型是层次分析法的关键[12].本文建立的化学除磷方案评估体系层次结构如图1所示.

图1 除磷方案选择层次结构

图1所示层次结构中决策目标为最优药剂投加方案G.通过充分考虑项目的实际需求，查阅相关排放标准以及相关环保条例等确定了准则层A中包含处理效果A1、直接经济成本A2、管理运行难易程度A3以及环境影响A44个子项.

在准则层A中下设子准则层B作为补充，对准则层A中的子项进行了更进一步划分：分析目标层中药剂投加方案的主要目的，设置了总磷去除率B11，出水pH值B12和出水色度B13作为处理效果A1的子项；考虑实际工程中污水处理系统运行的成本，设置了药剂投加成本B21和产泥处理成本B22作为直接经济成本A2的子项；在实际工程方案的选择中除了考虑处理效果以及运行成本以外，还需要充分考虑到污水处理工艺运行维护的难易程度，因此设置了药剂的使用条件B31和药剂贮存要求B32作为管理运行难易程度A3的补充子项；环境影响A4主要考虑前置除磷和后置除磷方案产泥成分差异对后续污泥处理的影响，设置产泥处理B41子项.

2.1.2 判断矩阵的构建

判断矩阵表示了层次结构中同一准则层(或子准则层)内各项指标之间两两相比的重要程度，本文中判断矩阵采用1～9标度法[13]，标度的应用说明见表2.通过比较因素间对决策问题影响的强弱关系所构建判断矩阵是层次分析法计算的主要依据.本文通过查阅相关文献、比较前期积累的试验数据以及问询专家意见建立各准则层相对应的判断矩阵，主要准则层判断矩阵见表3和表4.

表2 1～9 判断矩阵标度

表3 G-A判断矩阵

表4 A1-B判断矩阵

2.1.3 一致性检验及权重计算

判断矩阵的一致性检验结果一般由一致性比率CR来衡量[14]：

表5 平均随机一致性RI的取值

一般认为CR<0.1时所构建的判断矩阵具有一致性，否则应对前述构建的判断矩阵进行调整以通过一致性检验.

本文主要判断矩阵相关计算结果见表6，权重系数计算结果见表7.

表6 判断矩阵检验结果

表7 权重系数计算结果

2.2 化学除磷方案的选择

本文通过试验测定了子准则层B中的各水质指标.由于总磷去除率、出水pH以及其他指标的性质不同，各子项指标具有不同的量纲和数量级，若原始数据不进行预处理直接使用往往会突出数值较高的指标在评价体系中的作用而削弱数值较小的指标的作用，从而导致前述由层次分析法计算得到的权重系数在评价体系中的加权作用失效.

为避免原始指标数值量级的差异对评价结果造成的不利影响，本文先将原始数据按下式进行0～1标准化处理.

式中：x*为经标准化处理后的数据，用于下一步数据分析；xmax和xmin为某1项指标中数值的最大值和最小值。

各方案量化结果如图2所示.

将试验数据标准化后结合前述权重系数分别对各工艺方案进行量化评分，由图2中综合分数结果可以看出各化学除磷方案的工程适用性为S4>S2>S1>S3.

S4在评价体系中得分最高，认为是最优的工艺方案，其在水处理效果(A1)和环境影响(A4)方面表现较好，也符合工艺方案选择的出发点；但应注意到S4在运行成本(A2)方面因FeCl3投加成本较高导致此项目得分较低.在本文所构建的评价体系中A1项权重为0.63，A2项权重为0.19，综合考虑确定S4为最优化学除磷方案.

3 结论

1) 应用层次分析法构建了化学除磷方案的评价体系，计算各因素在评价体系中的权重系数分别为A1权重为0.63，A2权重为0.19，A3权重为0.09，A4权重为0.10，量化了各因素对化学除磷方案选择的影响.

2) 采用1～9标度法构建了可进行动态调整，以满足不同工程设计需求的准则层判断矩阵.

3) 根据实际情况设计了4种化学除磷方案：前置除磷投加聚合硫酸铁(S1)，前置除磷投加氯化铁(S2)，后置除磷投加聚合硫酸铁(S3)和后置除磷投加氯化铁(S4) 应用层次分析法得出各方案的工程适用性为S4>S2>S1>S3，综合确定S4为最优化学除磷方案.