تحلیل حساسیت فرایندهای تصفیه فاضلاب شهری با استفاده از AHP

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره نوزدهم،ویژه نامه شماره4، بهار1396

تحلیل حساسیت فرایندهای تصفیه فاضلاب شهری با استفاده از AHP

مهنازحسین زاده کلخوران[1]*

mahnaz931@yahoo.com

شهناز حسین زاده[2]

ابراهیم فتایی[3]

چکیده

زمینه و هدف: یکی از  مهم ترین موضوعات پیش  از طراحی و احداث هر تصفیه خانه فاضلاب، انتخاب فرایند بهینه تصفیه است، به طوری که انتخاب نادرست تاثیر زیادی در افزایش هزینه ها و همچنین عدم دست یابی به نتیجه موردنظر دارد.

روش بررسی: در این مطالعه به منظور تعیین حساسیت  معیارهای موثر بر اولویت بندی فرایندها و انتخاب فرایند مناسب تصفیه فاضلاب شهری در شهرهای اردبیل، تبریز و ارومیه از آزمون حساسیت بر اساس مدل AHP استفاده شد. فرایندهای تصفیه این شهرها شامل لاگون هوادهی، لجن فعال و بیولاک می باشد. این فرایندها، بر اساس معیارهای فنی ، اقتصادی و محیط زیستی و زیرمعیارهای مربوطه از طریق مقایسه زوجی وزن دهی شد و نتایج با استفاده از نرم افزار Expert Choice بررسی شد.

یافته‌ها: بر این اساس فرایند بیولاک در اولویت اول قرار گرفت و فرایندهای لجن فعال و لاگون هوادهی به ترتیب در اولویت های دوم و سوم قرار گرفتند. در نهایت، تحلیل حساسیت برای معیارهای اصلی  انجام گرفت تا حساسیت اولویت بندی  گزینه ها را نسبت به تغییرات وزن معیارها مشخص نماید.

واژه­های کلیدی: تحلیل حساسیت، فرایند تحلیل سلسله مراتبی، معیار فنی ، معیار اقتصادی ، معیار محیط زیستی، فرایندهای تصفیه فاضلاب.

Performing Sensitivity Analysis of Municipal Wastewater Treatment Process Using AHP

Mahnaz Hosseinzadeh Kalkhoran [4]*

mahnaz931@yahoo.com

Shahnaz Hosseinzadeh[5]

Ebrahim Fataei  [6]

Abstract

Background and Objective: One of the main issues before the design and construction of any wastewater treatment plant is the selection of the optimal wastewater treatment process, since the wrong choice can have considerable effect in increasing expense, and also led to unattainable and undesired result.

Method: The current study used the Analytic Hierarchy Process (AHP) model to determine the effective criteria in the selection of the appropriate wastewater treatment process, are developing in cities such as Ardebil, Tabriz, and Uremia in order to prioritize and choose the most appropriate treatment process. In such cities the treatment process involved: Aerated Lagoon, Activated sludge, and Biolak. Based on the technical, economic and environmental criteria and related sub-criteria, the processes are weighted through pair wise comparison and the results obtained are assessed using the Expert Choice software.

Findings: Finally, Biolak was selected as the optimal process and Activated Sludge and Aerated Lagoon were respectively placed in the next priorities. Sensitivity Analysis is performed on the major factors to investigate the sensitivity of the alternatives in order to apply changes in the priorities of the criteria.

Keywords: Sensitivity Analysis, Analytical Hierarchy Process, Technical Criterion, Economical Criterion, Environmental Criterion, Wastewater Treatment Processes.

مقدمه

رشدجمعیت، بالا رفتن سطح رفاه عمومی و توسعه صنعتی  باعث افت کمی و کیفی منابع آب  شده و مدیریت منابع آب را روز به روز پیچیده تر کرده است(1). در حال حاضر تولید حجم زیاد فاضلاب خانگی و تخلیه کنترل نشده آن به منابع آب پذیرنده و زیرزمینی، مشکلات جدی و قابل طرحی را پیش روی برنامه ریزان کشور نهاده است. به طوری که پیش بینی می شود تا سال 1400، حدود 800 تصفیه خانه فاضلاب شهری در کشور بوجود آید که سرمایه گذاری مالی و انسانی عظیمی را در بر خواهد داشت. چنین سرمایه گذاری ایجاب می نماید که به انتخاب فرایند تصفیه با توجه به معیارهای اقتصادی و مهندسی توجه خاصی مبذول گردد(2).

دراین مطالعه، فرایندها براساس معیارهای فنی، اقتصادی و محیط زیستی مورد ارزیابی قرار می گیرند که برای این منظور  بایستی  ارتباط بین ملاحظات فنی و اقتصادی و اثرات محیط زیستی فرایندها در نظر گرفته شود و روشی بکار رود که با لحاظ نمودن هم زمان این معیارها، فرایند مناسب راانتخاب نماید. مدلهای تصمیم گیری چندمعیاره دارای چنین قابلیتی بوده و در این زمینه مفید خواهند بود. تاکنون روش های تصمیم گیری چند معیاره متعددی اعم از روش های وزن دهی، روش حدی، روش شباهت  به گزینه ایده ال (TOPSIS) و فرایند  تحلیل سلسله مراتبی (AHP) ارایه شده است (3). روش های تصمیم گیری چند معیاره بطور موفقیت آمیزی در زمینه مسایل محیط زیستی مورد استفاده قرار گرفته اند(4). کاربرد متعدد این روش ها نشان داده که آن ها ابزار مناسبی در فرایند تصمیم گیری می باشند(5).

در طول سال های گذشته، برای انتخاب گزینه بهینه  تصفیه فاضلاب، مدل های بهینه سازی مختلفی ارایه شده است. در یکی از این مطالعات که توسط کریمی در سال 1389 انجام شد. فرایندهای تصفیه بی هوازی موجود در شهرک های صنعتی ایران با استفاده از AHP و TOPSIS فازی مورد ارزیابی قرار گرفت. در این مطالعه، پنج فرایند تصفیه بی هوازی شامل: UASB، UAFB،ABR ، فرایند تماس بی هوازی و لاگون بی هوازی بر اساس معیارهای فنی، اقتصادی، محیط زیستی و مدیریتی و زیر معیارهای مربوطه بررسی شد و فرایند UAFB به عنوان بهترین فرایند انتخاب شد. سپس تحلیل حساسیت برای معیارها انجام گرفت (6). در مطالعه ای دیگر که بوسیله دباغیان  در سال 1386 انجام شد، انتخاب بهترین روش تصفیه فاضلاب در صنایع آبکاری با استفاده از روش AHPبررسی شده است. در این مطالعه چهار فرایند تصفیه شامل: ترسیب شیمیایی، تعویض یونی،RO و نانو فیلتراسیون بر اساس معیار های فنی و کاربردی، اقتصادی، محیط زیستی و اجتماعی با یکدیگر مقایسه شده و فرایند ROبه عنوان مناسب ترین گزینه برای تصفیه فاضلاب صنایع آبکاری انتخاب شده است.سپس تحلیل حساسیت برای معیارهای مذکور انجام گرفت( 7). در مطالعه ای که توسط احمدی در سال 1383 انجام گرفت. به مقایسه فنی و اقتصادی فرایندهای تصفیه فاضلاب صنایع قند در ایران پرداخته شد و تحلیل حساسیت فرایندهای تصفیه نسبت به COD ورودی، درجه حرارت بحرانی هوای محیط، قیمت زمین، قیمت انرژی، COD خروجی و ضریب تولید فاضلاب انجام شد(8). در مطالعه ای که توسط تاج و همکاران در سال 1380 انجام شد. به بررسی اقتصادی چهار فرایند تصفیه  لجن فعال شامل: هوادهی نهرگونه ، فرایند اختلاط کامل، هوادهی گسترده، هوادهی با بار بالا پرداخته شد. در این مطالعه حوض هوادهی با بار بالا به عنوان اقتصادی ترین فرایند تصفیه و   هوادهی گسترده به عنوان پرهزینه ترین فرایند تصفیه معرفی شده است(9). در مطالعه ای که توسط کالبار و همکاران در سال 2012 انجام شد. جهت انتخاب بهترین فرایند تصفیه فاضلاب شهری در هند از روشTOPSIS استفاده شد. در این مطالعه چهار فرایند تصفیه فاضلاب شهری در هند شامل: لجن فعال، UASB، RBC و وت لند بر اساس معیارهای فنی ، اقتصادی، محیط زیستی و اجتماعی  ارزیابی شده و رتبه بندی گردید( 10). پوفالی و همکاران در سال 2011  تلفیقی از روش های   AHPو GRA را به منظور دست یابی به گزینه بهینه تصفیه فاضلاب صنعت دباغی مورد استفاده قرار دادند. در این مطالعه  اطلاعات مربوط به هفت صنعت دباغی و فرایندهای تصفیه آنها بر اساس عملکرد فنی، سود اقتصادی و معیارهای مدیریتی ارزیابی و مقایسه گردیده و بهترین فرایند تصفیه انتخاب شده است(11). گانگمینگ و همکاران در سال 2007 جهت انتخاب بهترین فرایند تصفیه فاضلاب شهری ، از روش هایAHP وGRA  بصورت توامان استفاده کردند. در این مطالعه، چهار فرایند تصفیه فاضلاب شهری  شامل A²/O،  نهر اکسیداسیون سه مرحله‏ای،  نهر اکسیداسیون بی‏هوازی منفرد و SBR از نقطه نظر اقتصادی، فنی، مدیریتی مقایسه شد و  نهر اکسیداسیون بی‏هوازی منفرد به عنوان بهینه‏ ترین گزینه تصفیه انتخاب گردید(12).

در تحقیق حاضر، با فراهم نمودن امکان اثرگذاری معیارهای مختلف متناسب با وزن آنها، از  مدل تحلیل سلسله مراتبی(AHP) به منظور اولویت بندی فرایندها  و انتخاب بهترین فرایند تصفیه فاضلاب برای شهرهای اردبیل، تبریز و ارومیه استفاده شد و پس از انجام  تحلیل حساسیت ، معیارهای موثر در انتخاب فرایند مشخص گردید.

روش بررسی

در این مطالعه، ابتدا فرایندهای تصفیه فاضلاب در شهرهای اردبیل، تبریز و ارومیه شناسایی شد و اطلاعات مربوط به آن ها گردآوری گردید. سپس معیارها و زیر معیارهای موثر در انتخاب فرایند از طریق  مطالعه مراجع و مصاحبه با متخصصان مشخص شد. در مرحله بعد این معیارها در قالب دو پرسش نامه توسط گروه خبرگان شامل کارشناسان ، مشاوران و واحدهای بهره بردای تصفیه خانه های فاضلاب تکمیل گردید. در این مطالعه از دو پرسش نامه استفاده شد. پرسشنامه اول شامل 4 ماتریس مقایسه زوجی بود. در ماتریس اول میزان اهمیت 3 معیار(فنی ، اقتصادی و زیست محیطی) نسبت به هدف(انتخاب فرایند بهینه تصفیه فاضلاب) ارزیابی شد و در ماتریس دوم و سوم و چهارم میزان اهمیت زیرمعیارهای مربوط به هر یک ازمعیارها نسبت به معیار مربوطه سنجیده شد. پرسشنامه دوم شامل 22 ماتریس مقایسه زوجی بود. دراین ماتریس ها  میزان اهمیت گزینه ها (لاگون هوادهی، لجن فعال و بیولاک) نسبت به معیارها و زیر معیارها مورد ارزیابی  قرار گرفت. نحوه  امتیازدهی به پارامترها در ماتریس های مقایسه زوجی به این صورت است که در این ماتریس ها پارامترها به صورت دو به دو با یکدیگر مقایسه می­شوند و طبق جدول1 امتیاز دهی می شوند(13).

جدول1- مقیاس اهمیتهای نسبی

Table1-The scale of relative importances

پس از تکمیل پرسش نامه ها توسط گروه خبرگان، میانگین نظرات کارشناسان به عنوان وزن هر پارامتر شناخته می شود. در مرحله بعد سلسله مراتب مقایسه ها  ساخته می شود که در بالاترین بخش هدف تصمیم گیری قرار می گیرد که در اینجا انتخاب بهترین فرایند تصفیه است و بعداز آن معیارها و زیرمعیارها قرار می گیرند و در پایین ترین بخش گزینه ها قرار دارند. معیارهایی که در انتخاب فرایند مناسب تصفیه مد نظر قرار گرفته اند عبارتند از: معیار فنی، معیار اقتصادی و معیار محیط زیستی. همچنین به علت وسیع بودن ابعاد هر یک از معیارهای  تعریف شده، به منظور دست یابی به نتایج بهتر برای هریک از معیارها، زیرمعیارهایی تعریف شد. زیر معیارهایی که در ارزیابی فنی فرایندهای مورد مطالعه مورد توجه قرار گرفتند عبارتند از: کارایی فرایند، مقاومت به شوک های هیدرولیکی، سازگاری و انعطاف پذیری در برابر شوک های آلی، عدم نیاز به تجهیزات الکترومکانیکی پیچیده، سادگی راهبری، سابقه و تجربه کاربرد فرایند،  قابلیت کاربرد فرایند، قابلیت ارتقا کمی و کیفی فرایند، قابلیت اعتماد فرایند و عدم وابستگی به تکنولوژی کشور سازنده. در ارزیابی اقتصادی فرایندهای مورد مطالعه، زیر معیارهای زیر مورد استفاده قرار گرفت: هزینه های سرمایه گذاری اولیه، هزینه های بهره برداری و نگهداری، انرژی مصرفی ، زمین موردنیاز، هزینه دفع لجن. در ارزیابی محیط زیستی فرایندهای منتخب، زیر معیارهای زیر مورد توجه قرار گرفته است: شرایط اقلیمی و محیطی منطقه، ایجاد بو، تامین ضوابط و استاندارد های زیست محیطی مربوط به تخلیه پساب و زیبایی منظر. سطح گزینه ها شامل فرایندهای تصفیه فاضلاب است که بایستی مقایسه و ارزیابی گردند. در این مطالعه سه فرایند تصفیه فاضلاب شهری که در تصفیه خانه های فاضلاب شهرهای اردبیل ،تبریز و ارومیه در حال بهره برداری هستند به عنوان گزینه های مساله تصمیم گیری انتخاب شده اند که عبارتند از: لاگون هوادهی، لجن فعال و بیولاک.

بعد از تشکیل ماتریس ها و انجام مقایسات زوجی، وزن های نسبی، وزن های نهایی و حداکثر مقدار ویژه با استفاده از نرم افزار  Expert Choice محاسبه گردید.یکی از مزایای مهم فرایند تحلیلی سلسله مراتبی، اندازه گیری و کنترل سازگاری هر ماتریس است. شاخص ناسازگاری I.I بصورت زیر تعریف می شود:

I.I=λ_maxn/n1                       

که در این رابطه λ_max حداکثر مقدار ویژه ماتریس و  nطول ماتریس و I.I شاخص ناسازگاری است. با تقسیم مقدار I.I بر I.I.R  میزان نرخ ناسازگاری محاسبه می شود در صورتی که شاخص ناسازگاری کم تر از ده درصد باشد محاسبات مورد تایید قرار می گیرد، در غیر اینصورت تحلیل باید مجددا صورت گیرد. (I.I.R عبارت است از شاخص ناسازگاری ماتریس تصادفی، که از محاسبه مقادیر شاخص ناسازگاری برای ماتریس هایی که اعداد آن ها کاملا تصادفی اختیار شده، محاسبه می گردد.) مقادیر این شاخص برای ماتریس های n بعدی مطابق جدول 2 است. در این مرحله (بعد از حصول رتبه بندی گزینه ها) قبل از انتخاب گزینه نهایی  ، باید تحلیل حساسیت  بر روی مسئله صورت گیرد تا درجه اطمینان  نتایج  سنجیده شود (14).

جدول2-  شاخص ناسازگاری ماتریس های  تصادفی

Table - The inconsistency index for random matrixes

یافته ها

همان طور که در  شکل 1 مشاهده می شود بیولاک بالاترین رتبه را  نسبت به هدف کلی  بدست آورده و به عنوان بهترین فرایند مشخص شد. اولویت بندی فرایندها نسبت به معیار فنی و اقتصادی و محیط زیستی نیز در شکل های 2و3و4 نشان داده شده است.

شکل1- اولویت بندی گزینه های تصفیه نسبت به هدف کلی

Figure1-Prioritizing of treatment alternatives based on goal

شکل 2- اولویت بندی گزینه های تصفیه نسبت به معیار فنی

Figure2- Prioritizing of treatment alternatives based on technical criterion

شکل 3- اولویت بندی گزینه های تصفیه نسبت به معیار اقتصادی

Figure3- Prioritizing of treatment alternatives based on economical criterion

شکل 4- اولویت بندی گزینه های تصفیه نسبت به معیار محیط زیستی

Figure 4- Prioritizing of treatment alternatives based on environmental criterion

در جدول 4 اوزان نرمال مربوط به معیارها و زیرمعیارهای مختلف  بدست آمده ارایه شده است. بر اساس نتایج حاصل از این تحقیق از میان شاخص های مربوط به معیار فنی؛ کارایی فرایند و  مقاومت در برابر شوک های آلی و انعطاف پذیری در برابر شوک های هیدرولیکی به ترتیب با اوزان 171/0 ، 123/0 ، 102/0  بیش ترین اهمیت را به خود اختصاص دادند. در بین زیر معیارهای محیط زیستی، معیارهای شرایط اقلیمی و محیطی منطقه و تامین استانداردهای محیط زیستی و ایجاد بو به ترتیب با اوزان 363/0 ، 295/0 و 212/0 بیش ترین امتیاز را بدست آوردند. در بین زیرمعیارهای اقتصادی، هزینه های سرمایه گذاری و هزینه های بهره برداری و انرژی مصرفی به ترتیب با وزن های 348/0، 253/0 و210/0 بیش ترین اهمیت را داشتند(جدول 4). وزن نسبی گزینه ها  نسبت به معیارها در جدول 5  ارایه شده است.

جدول3- وزن نرمال معیارها و زیرمعیارها

Table 3-The criteria and sub- criteria normalized weights

جدول 4- وزن نسبی گزینه ها  نسبت به معیارها

Table 4. The relative weight of alternatives based on criteria and sub- criteria

در شکل 5 رتبه بندی گزینه های مختلف تصفیه در ارتباط با معیارها نشان داده شده است. همان طور که در این  نمودار مشاهده می شود فرایند بیولاک بیش ترین حساسیت را نسبت به معیار محیط زیستی دارد.

شکل 5 -  تحلیل حساسیت بر اساس کارایی نسبت به هدف کلی

Figure 5-The performance sensitivity analysis based on goal

همان طور که در شکل6 مشاهده می شود در تحلیل حساسیت بر اساس پویایی نسبت به هدف کلی، بیش ترین حساسیت به ترتیب مربوط به معیار فنی، سپس محیط زیستی و اقتصادی بوده است. یعنی در اولویت بندی فرایندها وانتخاب فرایند بهینه تصفیه فاضلاب شهری، معیار فنی بیش ترین تاثیر را داشته است. در این نمودار علاوه بر اولویت بندی معیارها، اولویت بندی گزینه های تصفیه نسبت به هدف کلی (انتخاب بهترین فرایند تصفیه فاضلاب ) نیز نشان داده شده است.  همان طور که مشاهده می شود، بیولاک رتبه اول را بدست آورده و لجن فعال و لاگون هوادهی به ترتیب  در رتبه های بعدی قرار گرفتند.

شکل 6- تحلیل حساسیت بر اساس پویایی نسبت به هدف کلی

Figure6-The dynamic sensitivity analysis based on goal

شکل 7 تاثیر معیار فنی را در اولویت بندی گزینه ها  نشان می دهد و مشخص می نماید که فرایند  لجن فعال از نظر بعد فنی بالاتر از بقیه می باشد. البته همان طور که در این نمودار مشاهده می شود بیولاک از نظر عملکرد  فنی مشابه با لجن فعال می باشد.

شکل 7-  تحلیل حساسیت بر اساس شیب نسبت به هدف کلی

Figure7-The gradient sensitivity analysis based on goal

همان طور که در نمودار تحلیل حساسیت سر به سری دو فرایند لاگون هوادهی و لجن فعال مشاهده می شود، در لاگون هوادهی معیار اقتصادی  بیش ترین وزن را به خود اختصاص داده است و به عنوان موثر ترین معیار در انتخاب فرایند لاگون هوادهی مشخص شده است. و فرایند لجن فعال از نظر فنی و محیط زیستی بیش ترین وزن را بدست آورده است و معیارهای فنی و محیط زیستی دارای بیش ترین تاثیر در انتخاب لجن فعال می باشند.

شکل8-  تحلیل حساسیت بر اساس سر به سری نسبت به هدف کلی

Figure8-The head to head sensitivity analysis based on goal

در شکل9 تحلیل حساسیت بر روی دو معیار فنی و محیط زیستی صورت گرفته است . این نمودار نشان می دهد که فرایند بیولاک  از نظر فنی و محیط زیستی به عنوان گزینه مطلوب شناخته شده است.

شکل 9- تحلیل حساسیت دوبعدی نسبت به هدف کلی

Figure9-The two dimensional sensitivity analysis based on goal

بحث و نتیجه گیری