基于全流程最優的工業園區企業廢水處理技術評估

要亞靜,盧學強,邵曉龍,劉紅磊,李 慧,檀翠玲

基于全流程最優的工業園區企業廢水處理技術評估

要亞靜1,2,盧學強2*,邵曉龍2,劉紅磊2,李 慧2,檀翠玲2

(1.河北工業大學,天津 300401；2.天津市環境保護科學研究院,天津 300191)

由于排水去向的不同,一般的行業水污染技術評估方法對工業園區內企業廢水處理技術評估并不適用.為此,本文嘗試基于工業園區廢水處理全流程最優的角度,以工業園區末端污水處理廠出水穩定達標為目的,通過引入BOD/CODcr比、占標率等提出新的評價指標,建立了園區企業廢水處理技術的評估方法,并用該評估方法在天津某工業園區企業廢水處理技術進行了應用,結果顯示園區企業廢水處理技術中評分較低(<70分)的均含有生化處理工藝段,反映出工業園區企業層級過度生化處理加劇了園區末端污水處理廠的碳源缺乏問題,并不利于園區污水處理的總體的穩定達標,因而建議園區企業廢水處理應盡量減少生化處理的選用.同時,該結果也表明所構建的評估模型科學合理、符合實際.

工業園區；全流程最優；企業廢水處理技術評估；層次分析法；指標體系構建

工業廢水排放量大[1-2]、危害性高[3],篩選或優化工業廢水處理技術,并對工業廢水進行水污染物排放控制是緩解我國水污染嚴峻形勢、改善水環境的重要技術措施之一.環境技術評估(Environmental Technology Verification)是應用科學的方法和指標體系進行環境技術篩選與評估[4-6],是國際通行的一種篩選水污染防治最佳實用技術的重要手段.“十一五”期間我國開展了對化工、冶金、輕工、紡織、制藥等行業的水污染防治技術評估,其評價指標體系構建上主要考慮的是經濟、技術、資源能源以及對外環境的影響指標[7-12].隨著工業園區的不斷發展,越來越多的企業都已經或將要遷入工業園區.工業園區的廢水處理一般為園區內企業處理后再排入末端集中式污水處理廠進行集中處理.現有的企業水污染防治技術評估時,很少有考慮企業廢水處理對后續污水處理的影響,這種評估方法對位于工業園區內的企業污水處理技術的評估與篩選則不適用.

因此,本研究考慮園區企業出水對后續污水處理的影響,基于工業園區廢水處理全流程最優對園區企業廢水處理技術評估進行探討.在以往行業水污染防治技術評估指標體系的基礎上,增設BOD/CODcr、有毒有害污染物等會對末端水廠處理效果產生影響的指標,并運用層次分析法進行綜合評價,以期為我國工業園區水污染防治技術與管理的優化提供借鑒與參考.

1 工業園區企業廢水處理技術評估方法建立

工業園區企業廢水處理技術評估可以概化為一個涉及多因素的多指標綜合評價問題,可適用的多指標綜合評價法包括:定性評價法如德爾菲法[13]、基于統計定量評價方法[14](如:主成分分析法[15]、因子分析法、聚類分析)、基于目標規劃的定量評價法(如:消去轉換算法ELECTRE、數據包絡分析法DEA[16]、逼近理想點法TOPSIS)、定性定量相結合的評價方法[16](如:層次分析法AHP[17]、模糊數學方法FCA、灰色關聯分析法GIA、人工神經網絡法ANN)等.本文采用應用較為廣泛的層次分析法進行綜合評價,該方法屬于一種系統分析方法,具有簡單實用、對問題進行層層分析、充分利用專家智慧等優點.

1.1 評估指標體系構建原則和框架

評估指標體系的建立是開展技術評估的基礎環節,大致流程為:確定評估目標、確定評估指標預選集、確定評估指標體系[9].而評估指標體系則需遵循“全面系統性、科學準確性、可比性、可操作性、獨立性、代表性”等基本原則[9,11].

工業園區企業廢水處理技術評估的指標體系構建中采用了文獻調研與專家咨詢相結合方式.采用頻度統計法和理論分析法對文獻[7,9-10,12,18-20]中的指標體系設置情況進行分析,選用頻度較高的指標作為指標預選集,通過定性分析并遵循指標體系的構建原則從指標預選集中進行指標篩選,進行專家咨詢和技術咨詢、獨立性檢驗對指標體系進行調整,最終確定構建的評估指標體系分為目標層、準則層、一級評價指標層、二級評價指標層四個層次(表1).

1.2 工業園區企業廢水處理技術評估指標體系

現有的廢水處理技術評估模型多是從“技術性能、經濟性能、操作管理性能、環境影響性能”四方面[7-9,11-12,19]進行指標體系構建,前三個性能指標屬于對技術本身評價,而環境影響性能指標則是技術的二次污染也即對外環境的影響.對于工業園區內的企業廢水處理技術評估而言,從工業園區廢水處理的全流程最優角度出發,就是最終實現園區末端污水處理廠的穩定達標,園區企業廢水處理可以看作園區末端污水處理廠的“預處理”,因而,園區企業級的廢水處理應該支撐工業園區末端污水處理廠的穩定達標,基于此,本研究中針對工業園區企業廢水處理技術評估指標體系構建中,增加了“對園區末端污水處理廠影響”的指標.

這里,引入了“全流程最優”的概念,“全流程”就是指工業園區內廢水從園區內企業預處理到園區末端污水處理廠處理排放這一全流程,于是,“全流程最優”就不是單純評價企業采用的處理技術的污染物去除率的高低為最優,而是怎么對園區末端污水處理穩定達標最有利為最優.

工業園區末端污水處理廠絕大多數都是以生化工藝為主的處理工藝,影響其出水穩定達標的最突出問題有兩個:一個是碳源不足,另一個是有毒有害污染物的影響[21-23].當然,園區企業廢水處理對常規污染物排放量過高甚至過低以及水量的大幅度變化,這些因素也會影響工業園區末端污水處理廠穩定達標.故而,在工業園區企業廢水處理技術評估指標的設置上,本研究對這些因素進行了重點考慮.

碳源不足就是廢水中可生物降解的有機物不足支撐生化工藝中的生物降解過程的進行,一般可生物降解的有機物可以用BOD來表示,而總的有機物可以用CODCr來代表,進而用BOD/CODCr這一指標來表征碳源不足的狀況.工業園區企業廢水處理顯然不是像行業廢水處理那樣,污染物去除率越高越好,考慮到充分發揮工業園區末端污水處理廠的規?；?、集約化效果,工業園區層面的對可生化降解的有機物而言,并非去除率越高越好,而是在末端污水處理廠可接納范圍內不過度處理為好,這樣有助于解決末端污水處理碳源缺乏問題,基于此,本研究中在“對園區末端污水處理廠影響”指標下設置“BOD/ CODcr提高率”這一指標.

對于有毒有害污染物質而言,顯然企業廢水處理排水中其濃度越低越好,以降低對末端污水處理廠的生化系統的沖擊.工業園區產業結構復雜、廢水水質成分尤其是有毒有害物質復雜[23],對末端污水處理廠造成沖擊有毒有害物質各不相同,若將企業中所有有毒有害物質的去除程度都列為評價因子,那么不同企業的評價因子及因子數會出現極大差異,實質上無法開展技術評估.為此,本研究中采用企業廢水中對末端污水處理影響最大5種有毒有害物質的去除率來表征有毒有害物質去除對末端污水處理的影響,這樣雖然評價的因子所代表的污染物可能有所不同,但都是所評價對象排放廢水的主要有毒有害物質,同時評價因子的個數也變得相同.然而,如何識別和篩選影響最大的有毒有害物質,我們引入了“污染物占標率”這一指標來表征.與之類似,對于常規污染物,我們也采用了污染物占標率來表征.

污染物占標率是評價對象的出水水質與相關排放標準的比值.難降解有毒有害物質污染占標率主要為了選擇對末端污水處理廠影響較大的指標,即:根據計算的占標率將難降解有毒有害物質指標從大到小排序,選前5項指標,該指標為逆向指標即值越小得分越高.對于常規污染物而言,工業園區企業廢水中常規污染物的出水濃度接近企業排水標準或者說末端污水處理廠可接納的最高限值為優,所以對“常規污染物占標率”計算(1-占標率)并從小到大排序,選取前5項常規指標,該指標為逆向指標即值越小得分越高.將選取的前5項指標以各自占標率的比重作為權重加權求和處理,具體計算公式如式(1)、式(2).

式中:a為水質檢測的第個指標值;s為第個指標的標準值;為占標率;為各指標占標率中最大的5項;1為難降解有毒有害物質占標率指標值;2為常規污染物占標率指標值.

此外,針對對園區末端污水處理廠的影響,本研究中還設置了水質水量調節效果以及企業事故水池的緩沖能力等相關指標.

1.3 權重確定

采用德爾菲法對技術領域以及經濟領域共15位專家進行專家咨詢,用層次分析法進行權重確定[9-10,12],在yaahp軟件中輸入判斷矩陣,軟件計算求得各指標權重并進行一致性檢驗.計算得一致性(CR)=0.0005<0.1滿足一致性檢驗,得出各指標權重(表1).

1.4 線性加權綜合評價

通過實際調研以及相關標準查閱,將各指標劃分為五個等級區間,利用極差法將各指標數據標準化[9],參考模糊數學中隸屬度的概念對各單項指標進行賦分[10,16,24],綜合得分如式3.

=(,S)=∑w×S(3)

式中:w為第個指標的組合權重;S為第個指標的單項得分.

1.5 新方法與原方法比較

本研究中構建的工業園區企業廢水處理技術評估方法(新方法),與原行業水污染防治技術評估方法(原方法)[11-12]相比較,主要體現在評估指標體系的構建上除了原方法中“技術性能、經濟性能、操作管理性能、環境影響性能”等四類指標外,還考慮工業園區企業的特殊性,增設了“對園區末端污水處理廠的影響”指標.包括:“水質水量調節效果、企業事故水池緩沖能力、BOD/CODCr提高率、常規污染物占標率、難降解有毒有害物質占標率”等5項指標,其中BOD/CODCr、常規污染物占標率的設置是考慮園區末端污水處理廠的碳源缺乏問題;難降解有毒有害物質的指標的設置是為了考慮難降解有毒有害物質對園區末端污水處理廠的影響問題等.顯然,這些指標的設置是基于工業園區廢水全流程最優的思想,對工業園區內企業廢水處理技術的評估更為客觀,更符合工業園區的實際情況.

表1 各指標權重

2 應用實例

以天津某綜合型工業園區為例,該工業園區的末端污水處理廠的污水處理技術是以生化工藝為主,具體工藝為:進水→旋流沉砂池→厭氧池→缺氧池→生物膜流動床→二沉池→纖維轉盤過濾→紫外線消毒→出水.通過函調、實地調研以及專家咨詢獲取相關數據,選擇7種典型企業廢水處理技術進行評估.首先對相關數據進行標準化處理,然后用表1的指標體系及權重進行評價(新方法),結果如表2所示.為了對比,我們還用不考慮對末端污水處理廠的影響情況下的指標體系(也即:原行業廢水處理技術評估方法,原方法)進行了計算,結果如圖1.

由表2可知,總體上本研究中的7種典型廢水處理技術得分較低,這也符合目前園區企業廢水處理技術的實際情況,本研究中只有不含生化工藝段的技術1和技術2的得分尚可,這也體現出目前工業園區企業廢水處理技術選擇中對末端污水處理廠的考慮較少,技術3到技術7均采用以生化工藝為主,企業層面的“過度”生化處理,加大了園區末端污水處理廠的處理難度.

表3對各技術的各個評價指標得分進行了詳細比較.因為技術3至7中含有的生化環節,使B/C降低,加重了園區末端污水處理廠脫氮處理時碳源不足,造成“BOD/CODcr提高率”這一指標得分較低.由于技術1、技術2對難降解有毒有害物質的去除效果較好,避免了對末端污水處理廠的不利影響,“難降解有毒有害物質占標率”指標得分較高.技術1、技術2的對園區末端污水處理廠影響指標得分處于中等狀態是由于其調節池的容積較小使水質水量調節效果不佳,且企業未建設事故水池或其容積太小,使其對事故水的緩沖作用不佳,由此可能對末端污水處理廠產生不利影響等原因.顯然,在對工業園區企業廢水處理技術評估時對基于全流程最優化的角度進行評估是較為科學的,在工業園區的企業廢水處理技術中不含生化工藝段的技術對工業園區廢水處理全流程最優化更有利.

表2 天津某工業園區7種廢水處理技術及評價結果

圖1列出了應用新方法及原方法的對比圖,總體上采用本研究的新方法,各技術綜合得分均有不同程度的降低,這是由于新方法考慮了對園區末端污水處理廠影響所致,對于工業園區企業廢水處理技術評估而言,應用原來的行業廢水處理技術評估方法對技術“高估(over- estimated[25])”,例如:技術3和技術4用原評估方法評價等級為優、良,而用新的方法評價等級為一般,顯然技術3與技術4存在典型的過度處理的問題.實際上,目前該園區末端污水處理廠存在著穩定達標困難問題,利用原方法評價7項技術的平均分為81,屬于良好水平,這顯然與末端污水廠現狀污水處理相矛盾,而新的評估方法平均分為69,屬于一般水平,顯然這更符合工業園區實際.進而,如果根據這一評估結果,對于園區企業廢水處理進行改造,減少企業層面的過度生化處理,就會在整個工業園區水處理的全過程實現最優化.

表3 7種技術“對園區末端污水處理廠影響”下級指標得分

3 結論

3.1 本研究基于工業園區企業廢水處理到園區末端污水處理廠這一全流程最優的角度對園區企業廢水處理技術評估進行探討,重點對評估指標體系構建進行了研究,針對工業園區碳源不足這一問題提出了BOD/CODcr這一指標,同時針對主要污染物的篩選提出了占標率這一指標,并對單純以污染物去除率高低作為評價指標進行了改進,以達標時“常規污染物占標率”指標及“難降解有毒有害物質”占標率指標最低為最優.這些改進有利于末端污水處理規模效益的穩定發揮.

3.2 利用所提出新的指標體系建立的評估方法,以天津某園區為例,和原來評估方法進行了實證研究.目前該園區存在末端污水處理廠難以穩定達標的問題,而對所選擇的7項園區企業廢水處理技術評估發現,新方法評價的平均分為69分(一般水平),低于原方法的81分(良好水平),顯然新方法更符合園區實際,也表明園區企業廢水處理技術應該進一步改進優化,尤其是應該適當減少生化工藝在園區企業廢水處理中的選用.

3.3 上述評估指標體系及評估方法既可以為新入園的該類企業在選用廢水處理技術上提供參考,也可以對現有的技術進行結果分析,提出改進意見,確保園區末端污水處理廠穩定高效運行.

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Evaluation of wastewater treatment technologies of enterprises in an industrial park based on optimization of the whole wastewater treatment process.

YAO Ya-jing1,2, LU Xue-qiang2*, SHAO Xiao-long2, LIU Hong-lei2, LI Hui2, TAN Cui-ling2

(1.Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China；2.Tianjin Academy of Environmental Science, Tianjin 300191, China)., 2017,37(8)：3183~3189

The evaluation methods for common industrial wastewater treatment technologies are not applicable to enterprises in industrial parks, due to different drainage ways of the effluents from enterprises in or not in a park. Therefore, this paper aims to establish a method for evaluating wastewater treatment technologies of enterprises in the industrial parks from optimization of the whole wastewater treatment processes and steady compliance with discharge standards for effluent from wastewater treatment plant in the industrial park, using the new indicators like BOD/CODcr ratio and standard share ratio. The proposed evaluation method had been applied in one industrial park of Tianjin and the application results showed that scores for the technologies with biochemical process were relatively low (<70), indicating that the excessive biochemical treatment in the enterprise aggravated the lack of carbon source in the common end-pipe sewage treatment plant of the park and the biochemical process is not suggested to be applied for the wastewater treatment of the enterprises in an industrial park. The results also showed the established evaluation method is feasible.

industrial park；best performance for the whole wastewater treatment processes；enterprise wastewater treatment technology evaluation；analytic hierarchy process；establishment of indicator system

X32

A

1000-6923(2017)08-3183-07

要亞靜(1991-),女,河北邢臺人,河北工業大學碩士研究生,研究方向環境管理與可持續發展.

2017-01-11

國家水專項課題:重點流域典型工業園區水污染防治技術評估和管理制度研究(2014ZX07504-005)

* 責任作者, 正高級工程師, xueqianglu@yahoo.com