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基于层次分析法的 A/O 工艺夏冬季节能耗评价 熊焱1齐香汝1金文杰2姜萍2 1. 辽宁科技大学理学院， 辽宁 鞍山 114051; 2. 辽宁科技大学环境科学系， 辽宁 鞍山 114051 摘要 以辽宁喀左城市污水处理厂实测数据为基础， 运用层次分析法建立 A/O 工艺的夏、 冬季节能耗评价体系， 对该 厂两个季节的能耗状况进行比较分析。层次分析模型综合考虑了环境状况、 运行参数和处理效果三方面的要素。研 究发现目前污水处理厂的工艺运行设置状态更适合于夏季运行， 冬季应调整运行参数在尾水达标的前提下降低能耗。 研究结果对未来污水处理厂的运行管理具有一定的指导价值。 关键词 A/O 工艺; 层次分析法; 能耗评价; 季节 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404034 ENEＲGY CONSUMPTION UATION OF A/O PＲOCESS IN WINTEＲ AND SUMMEＲ BASED ON AHP Xiong Yan1Qi Xiangru1Jin Wenjie2Jiang Ping2 1. School of Science，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China; 2. Department of Environmental Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China AbstractBased on the measured data of Kazuo Municipal Sewage Treatment Plant in Liaoning，AHP was established for energy uation system of A/O process in summer and winter． There was a comparative analysis of the plant’ s energy consumption in the two seasons． In this AHP model，environmental conditions，operating parameters and treatment effect were taken into account． The result shows that the current process operation settings of the sewage treatment plant is more suitable for summer． But in winter，the operating parameters should be altered to drop energy consumption in the premise of that the effluent water can meet standards． The results can give references to the future operation and management of the sewage treatment plant． KeywordsA/O process;AHP;energy consumption uation;season 收稿日期 2013 －07 －07 0引言 城镇污水处理厂是能耗密集的高耗能产业之一。 高能耗一方面加剧能源危机， 给市政部门带来沉重的 经济负担， 另一方面高能耗造成的高处理成本使得一 些中小型污水处理厂难以正常运行。因此， 开展污水 处理节能降耗研究是十分必要的［1 ］。在保障城市污 水处理尾水达标排放的前提下， 提高能源利用率、 降 低处理成本， 对缓解我国当前的能源危机并保障城市 污水处理厂正常运行具有重要意义。 随着污水处理行业的迅速发展， 能耗研究逐渐深 入。Jacobs 比较了各类生物处理系统的总能量需求 和运转费用 ［2 ］。Hagan 等从分析典型活性污泥污水 处理厂总能耗需求入手， 得出处理厂能量利用结 构 ［3 ］。国内污水处理厂能耗分析工作起步较晚， 研 究成果主要集中在对污水处理厂整体能耗的评价分 析上。如文献［ 4］ 依据污水处理的三个阶段， 给出单 元能耗分析。文献［ 5］建立了一个污水处理厂的能 耗评价体系。而针对工艺过程的能耗分析鲜有报道。 通过对辽宁喀左污水处理厂实测数据计算得到 该厂能耗分布情况为 一级处理占 35; 二级处理占 56; 污泥处理占 9。其中， 二级生化处理阶段占 污水处理占总能耗比例最大。鉴于此， 本文针对辽宁 喀左污水处理厂的二级生化处理阶段的工艺运行特 点， 将工艺运行与能耗分析有机结合起来， 建立 A/O 工艺夏冬季节能耗评价体系， 实现利用能耗评判工艺 841 环境工程 Environmental Engineering 运行效能的目的。 1A/O 工艺流程 辽宁喀左污水处理厂采用 A/O 工艺对污水进行 生物处理后， 再经人工湿地处理， 从而实现污水处理、 利用和生态建设的三重统一。该厂处理污水主要来 源于综合生活污水和部分工业废水。日处理量约为 15 000 m3。该 A/O 工艺有2 个系列生化池。生化池 平面尺寸为 34. 0 m 31. 2 m， 池深 6 m， 有效水深 5 m， 池体总容积5 100 m3。每组生化池分成3 格， 即预 缺氧区、 缺氧区、 好氧区。预缺氧区和缺氧区分别设 潜水搅拌器 1 套， 好氧区曝气量为 3 750 m3/h。二沉 池内沉降下来的污泥， 由二沉池流入污泥泵池， 一部 分由污泥回流泵送至生化池， 另一部分剩余污泥由剩 余污泥泵打入污泥储池。图 1 为 A/O 工艺污水处理 流程。 图 1喀左污水处理厂的 A/O 工艺污水处理流程 Fig．1A/O process in Kazuo Municipal Sewage Treatment Plant 由污水处理厂实测数据知， 该厂平均处理水量在 夏冬两季的均值分别为 14 190， 13 760 m3/L， 进出水 水质如表 1 所示。其出水要求达到 GB 180182002 城镇污水处理厂污染物排放标准 I 级 B 排放标准， 即 COD 不高于 60 mg/L， 氨氮不高于8 mg/L， 总氮不 高于 20 mg/L。 表 1冬夏两季平均进出水水质 Table 1Average influent and effluent water quality in winter and summermg/L 进水出水 ρ COD ρ NH3- N ρ TNρ COD ρ NH3- Nρ TN 夏季 239. 806526. 651928. 574227. 2258 3. 51399. 9839 冬季 283. 806529. 273529. 235533. 7484 9. 22169. 9000 2建立层次分析法能耗评价体系 该厂目前的工艺运行方案没有依据季节因素进 行调整部分。该厂统计数据表明， 夏季和冬季在进水 量、 水质组成和环境条件方面均存在显著差异。因 此， 目前该厂的运行方式更适合于哪个季节， 需要给 出评判方法， 进而为该厂季节性调整策略的制定提供 依据。 目前层次分析法已在社会、 政治、 经济和技术等 方面得到广泛推广和使用。故本研究引入层次分析 法建立 A/O 工艺夏冬季节能耗评价体系， 给出评判 结果。 2. 1构建评价体系指标 A/O 工艺夏冬季节能耗评价体系分为四个 层次。 第一层是 AHP 的决策目标层， 记为 A 层。设置 为 A/O 工艺能耗评价， 旨在对比分析该厂冬夏两季 工艺运行耗能状况。 A/O 工艺运行过程包含着复杂的生物反应和化 学反应， 影响能耗的因素众多， 主要表现在三部分 环 境状况、 可调整的运行参数及处理效果。因此， 第二 层为 AHP 的准则层， 记为 P 层。设置 P1环境状况、 P2运行参数和 P3处理效果 3 项准则。 第三层是 AHP 的指标层， 记为 M 层。我们在该 层设置 16 项指标， 即 M1－ M16。环境状况主要受处 理水量、 进水 COD、 进水氨氮、 进水总氮、 处理能力利 用率、 温度、 菌群活性等客观因素影响， 因此， 在环境 状况 P1下设置7 项指标 M1－ M7 ; A/O 工艺的可调 整运行参数主要是内回流比、 外回流比及曝气量， 将 这三个指标设置在运行参数 P2下 M8－ M10 。生化 处理效果考虑的主要的水质指标是 COD、 氨氮和总 氮， 因而处理效果 P3选取这三个指标的去除率和达 标效果 达标效果 达标要求浓度/出水浓度 共6 项 指标 M11－ M16 。 第四层是季节层， 记为 S 层， 包含夏季 S1 和冬 季 S2 。 综上， 基于层次分析法所建立 A/O 工艺夏冬季 节能耗评价体系结构见图 2。 2. 2确定指标权重 根据污水处理厂的实测数据， 结合专家意见利用 1 －9 标度法进行对比分析， 确定每个元素对上一层 次的相对重要程度， 赋予相应的权重值。为了确定合 理的权重值， 需对判断矩阵进行一致性检验。一致性 检验公式由式 1 给出。当判断矩阵的一致性比率 CＲ CI/ＲI ＜ 0. 1 时， 该判断矩阵一致性可以接受。 CI λmax－ N / N － 1 CＲ CI/ＲI 1 式中 CI 为一致性指标值; λmax为判断矩阵的最大特 征值; N 为判断矩阵的维数; ＲI 为随机一致性指标。 A 与 P 之间构成的判断矩阵见表 2， 求出其最大 941 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 图 2 A/O 工艺夏冬季节能耗评价体系结构 Fig． 2Energy- saving uation system structure of A/O process in winter and summer 特征根 λmax 3. 0， 特征向量 Wa 0. 3333， 0. 5556， 0. 1111。 N 3 时， CI 0. 58 。根据检验判断矩阵 的一致性公式 1 可求得， 一致性比率 CＲ －1. 15 10 －15 ＜ 0. 1 。因此， AP1－ P3矩阵的一致性是可以 接受的。 表 2判断矩阵 A- P Table 2A- P judgment matrix AP1P2P3Wa P113/530. 3333 P25/3150. 5556 P3 1/31/510. 1111 P 与 M 之间构成的判断矩阵见表 3、 表4 和表5。 一致性检验结果见表 6， 结果表明 P- S 矩阵的一致性 是可以接受的。 表 3判断矩阵 P1- M Table 3P1- M judgment matrix P1M1M2M3M4M5M6M7W1 M1 13/43/236/73/71/20. 1132 M24/31248/74/72/30. 1132 M3 2/31/2124/72/71/30. 0755 M41/31/41/212/71/71/60. 0377 M57/67/87/47/211/27/120. 1321 M6 7/37/47/27217/60. 2642 M723/23612/76/710. 2264 表 4判断矩阵 P2- M Table 4P2- M judgment matrix P2M8M9M10W2 M8 133/50. 3333 M91/311/30. 1111 M10 5/3510. 5556 表 5判断矩阵 P3- M Table 5P3- M judgment matrix P3M11M12M13M14M15M16W3 M1114/344/92/31/20. 1290 M123/4131/31/23/80. 0968 M131/41/311/91/61/80. 0323 M149/43913/29/80. 2903 M153/2262/313/40. 1935 M1628/388/94/310. 2591 表 6 P- M 判断矩阵一致性检验 Table 6Consistency check for P- M judgment matrix 指标 最大 特征值 特征向量 一致性 比率 CＲ 是否 接受 P1- M7. 00－0.27， －0.35， －0.18， －0.09， －0.31， －0.62， －0.53 －2. 24 10 －16 是 P2- M3. 00 0. 51， 0. 17， 0. 85 3. 83 10 －16 是 P3- M6. 00－0. 28， －0. 21， －0. 07， －0. 63， －0. 42， －0. 56 0是 M 与 S 之间构成的判断矩阵见表 7表 22。一 致性检验结果见表 23， 结果表明 M- S 矩阵的一致性 是可以接受的。 表 7判断矩阵 M1- S Table 7M1- S judgment matrix M1S1S2W11 S111. 03120. 5077 S20. 969710. 4923 表 8判断矩阵 M2- S Table 8M2- S judgment matrix M2S1S2W12 S110. 84500. 4580 S21. 183410. 5420 051 环境工程 Environmental Engineering 表 9判断矩阵 M3- S Table 9M3- S judgment matrix M3S1S2W13 S110. 91040. 4766 S21. 098410. 5234 表 10判断矩阵 M4- S Table 10M4- S jndgment matrix M4S1S2W14 S110. 97740. 4943 S21. 023110. 5057 表 11判断矩阵 M5- S Table 11M5- S judgment matrix M5S1S2W15 S110. 94710. 4864 S21. 055910. 5136 表 12判断矩阵 M6- S Table 12M6- S judgment matrix M6S1S2W16 S1130. 7500 S21/310. 2500 表 13判断矩阵 M7- S Table 13M7- S judgment matrix M7S1S2W17 S115/20. 7143 S22/510. 2857 表 14判断矩阵 M8- S Table 14M8- S judgment matrix M8S1S2W28 S111/30. 2500 S2310. 7500 表 15判断矩阵 M9- S Table 15M9- S judgment matrix M9S1S2W29 S1120. 6667 S21/210. 3333 表 16判断矩阵 M10- S Table 16M10- S judgment matrix M10S1S2W20 S113/20. 6000 S22/310. 4000 表 17判断矩阵 M11- S Table 17M11- S judgment matrix M11S1S2W31 S111. 00610. 5015 S20. 993910. 4985 表 18判断矩阵 M12- S Table 18M12- S judgment matrix M12S1S2W32 S111. 26740. 5590 S20. 789010. 4410 表 19判断矩阵 M13- S Table 19M13- S judgment matrix M13S1S2W33 S110. 98370. 4959 S21. 016610. 5041 表 20判断矩阵 M14- S Table 20M14- S judgment matrix M14S1S2W34 S111. 17890. 5411 S20. 848210. 4589 表 21判断矩阵 M15- S Table 21M15- S judgment matrix M15S1S2W35 S1150. 8333 S21/510. 1667 表 22判断矩阵 M16- S Table 22M16- S judgment matrix M16S1S2W36 S110. 99120. 4978 S21. 008910. 5022 表 23M- S 判断矩阵一致性检验 Table 23Consistency check for M- S judgment matrix 指标最大特征值特征向量一致性比率是否接受 M1- S2. 00 0. 72， 0. 70 －2. 27 10 －5 是 M2- S2. 00 0. 65， 0. 76 －1. 35 10 －5 是 M3- S2. 00 0. 67， 0. 74 －8. 32 10 －6 是 M4- S2. 00 0. 70， 0. 72 －1. 10 10 －5 是 M5- S2. 00 0. 69， 0. 73 2. 14 10 －5 是 M6- S2. 00 0. 95， 0. 320 是 M7- S2. 00 0. 93， 0. 370 是 M8- S2. 00 0. 32， 0. 950 是 M9- S 2. 00 0. 89， 0. 450是 M10- S2. 00 0. 83， 0. 550 是 M11- S2. 00 0. 71， 0. 70 －1. 86 10 －5 是 M12- S2. 00 0. 79， 0. 62 －1. 07 10 －5 是 M13- S2. 00 0. 70， 0. 71 1. 47 10 －5 是 M14- S2. 00 0. 76， 0. 65 －2. 85 10 －5 是 M15- S2. 00 0. 98， 0. 200 是 M16- S 2. 00 0. 70， 0. 711. 08 10 －5 是 3能耗评价体系的运用 对影响 A/O 工艺能耗的所有因素进行总排序， 获得 M 层指标对应 A 层的权重总排序表， 见表 24。 于是， 通过式 2 算得 S 层相对于 A 层的权重。 151 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction Ti 0. 0377 m1i 0. 0503 m2i 0. 0252 m3i 0. 0126 m4i 0. 0440 m5i 0. 0880 m6i 0. 0755 m7i 0. 1852 m8i 0. 0617 m9i 0. 3087 m10i 0. 0137 m11i 0. 0103 m12i 0. 0034 m13i 0. 0358 m14i 0. 0205 m15i 0. 0274 m16ii 1， 2 2 式中 Ti为 Si对 A 层的权值; m1i－ m16i为 M1 － M16对 A 层的权重。 表 24M 层各指标对 A 层的层次总排序 Table 24Total sequencing of each index in level M to level A 指标层 M P1P2P3 0. 33330. 55560. 1111 M 层总排序 权值 W M10. 11320. 0377 M20. 15090. 0503 M30. 07550. 0252 M40. 03770. 0126 M50. 13210. 0440 M60. 26420. 0880 M70. 22640. 0755 M80. 33330. 1852 M90. 11110. 0617 M100. 55560. 3087 M110. 12320. 0137 M120. 09240. 0103 M130. 03080. 0034 M140. 32230. 0358 M150. 18480. 0205 M160. 24650. 0274 经过计算得出 夏季该厂工艺的综合能耗的评价 指数 T1 0. 5390， 冬季该厂工艺的综合能耗的评价 指数 T20. 4610， T1＞ T2。由此可以得出 辽宁喀左 污水处理厂目前采用的工艺运行方案夏季工艺能耗 优于冬季。故而， 如果将季节因素作为调整工艺运 行， 实现节能目标的影响要素， 应该重点调整该厂在 冬季的运行参数以达到节能目的。根据表 24 可以看 出， 外回流比 M8和曝气量 M10的指标权重相对较大， 分别为 0. 1852、 0. 3087。显然， 外回流比和曝气量将 是该厂工艺节能的关键之处。 4结论 本文建立的能耗评价体系主要用于污水处理过 程的核心部分生化处理单元， 并参照辽宁喀左污水 处理厂夏冬两季的运行情况进行分析， 具有一定的 客观性、 准确性和有效性。对污水处理的节能降耗 具有一定的指导作用， 使污水处理厂在参数调整及 运行过程中， 能够更加合理地利用资源达到节能达 标的目的。 参考文献 ［1］周鑫， 郭雪松， 刘俊新， 等． 氧化沟工艺城市污水处理厂的能耗 特征研究［J］． 给水排水， 2011， 37 8 31- 34. ［2］Jaeobs A． Ｒeduction and recoveryKeys to energy self- sufficiency ［J］． Water ＆ Sewage Works， 1977， 20 24- 37. ［3］Ｒobert M Hagan，Edwin B Ｒoberts．Energy requirements for wastewater treatment． part2［J］． Water ＆ Sewage Works，1976， 123 11 52- 57. ［4］金昌权， 汪诚文． 污水处理厂能耗分析［J］． 建设科技，2009 3 54- 56. ［5］李为， 袁宏林． 层次分析法在污水处理能耗评价中的应用［J］． 煤化工， 2010， 38 4 33- 36. 第一作者 熊焱 1973 － ， 女， 博士， 副教授， 主要研究方向为污水处理 节能措施与优化运行技术。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 xy- zhxw163． com 上接第 74 页 ［ 11］Sun Y， Zhuang G， Wang Y， et al． The air- borne particulate pollution in Beijing- concentration， composition， distribution and sources［J］． Atmospheric Environment， 2004， 38 5991- 6004． ［ 12］Ye B， Ji X， Yang H， et al． Concentration and chemical composition of PM2. 5in Shanghai for a l- year period ［J］ ． Atmospheric Environment， 2003， 37 499- 510． ［ 13］Hagler G S W， Bergin M H， Salmon L G， et al． Source areas and chemical composition of fine particulate matter in the Pearl Ｒever Delta Ｒegion of China［ J］ ． Atmospheric Environment， 2006， 40 3802- 3815． ［ 14］Loule P K， Watson J G， Chow J C， et al． Seasonal charaeteristies and regional transport of PM2. 5in HongKong［J］ ． Atmospheric Environment， 2005， 39 1695- 1710． ［ 15］Kazuhiko I， Nan X， George T． Spatia variation of PM2. 5chemical species and source apportioned mass concentrations in New York City［J］． Atmospheric Environment， 2004， 38 5269- 5282． ［ 16］迟旭光， 段凤魁， 董树屏， 等． 北京大气颗粒物中有机碳和元素碳 的浓度水平和季节变化［ J］ ． 中国环境监测， 2000， 16 3 35- 38． ［ 17］许明君， 王月华， 汤莉莉， 等． 南京城区与郊区秋季大气 PM10中 水溶性离子的特征研究［J］． 环境工程， 2012， 30 5 108- 113． ［ 18］亚力昆江 吐尔逊， 迪丽努尔 塔力甫， 阿不力克木阿布力孜， 等． 乌鲁木齐市冬季大气 PM10 －2. 5、 PM2. 5中水溶性无机离子 的化学特征［J］． 环境工程， 2010， 28 S1 196- 197． 第一作者 张保生 1963 － ， 男， 教授， 主要研究方向为环境质量影响 与评价。727612244 qq． com 通讯作者 张婉婷 1988 － 女， 硕士。lulu88candy163． com 251 环境工程 Environmental Engineering