Analiza wielokryterialna – narzędzie do wyboru systemu usuwania i oczyszczania ścieków z terenów wiejskich
Multi-criteria analysis as a tool for selection for the disposal and wastewater treatment in rural areas
Fot. www.sxc.hu
Celem artykułu jest przedstawienie możliwości wykorzystania analizy decyzyjnej jako narzędzia wyboru, zgodnie z kryteriami zrównoważonego rozwoju, sposobu usuwania i oczyszczania ścieków z małej jednostki osadniczej o charakterze wiejskim.
Zobacz także
Xylem Water Solutions Polska Sp. z o.o. Inteligentny system pompowania ścieków Flygt ConcertorTM
Jak wybrać rozwiązanie do przepompowni, które sprosta każdej sytuacji? Odpowiedzią jest pierwszy na świecie zintegrowany inteligentny system pompowania ścieków Flygt ConcertorTM – nowatorskie rozwiązanie...
Jak wybrać rozwiązanie do przepompowni, które sprosta każdej sytuacji? Odpowiedzią jest pierwszy na świecie zintegrowany inteligentny system pompowania ścieków Flygt ConcertorTM – nowatorskie rozwiązanie zapewniające użytkownikowi najwyższą jakość i skuteczność działania przy znacznie ograniczonych kosztach operacyjnych.
HAP Armatura HAP – nowoczesna hurtownia instalacyjna
Praca instalatora to niełatwe zadanie. Ciągłe zmagania z Klientami i zmieniającym się rynkiem mogą uprzykrzać pracę i zafundować kilka siwych włosów. Zapewne nie raz spotkałeś Klienta, który przeszukiwał...
Praca instalatora to niełatwe zadanie. Ciągłe zmagania z Klientami i zmieniającym się rynkiem mogą uprzykrzać pracę i zafundować kilka siwych włosów. Zapewne nie raz spotkałeś Klienta, który przeszukiwał Internet w poszukiwaniu tańszych produktów, bo Twoja oferta wydawała się nieatrakcyjna. Albo czekała Cię godzina tłumaczeń, bo wujek Google podpowiedział mu, co będzie dla niego najlepsze, oczywiście nie uwzględniając podstawowych parametrów, przez co nie do końca była to dobra opcja... Montaż zaplanowany,...
RESAN pracownia projektowa Instalacja wodno-kanalizacyjna: niezawodna i bezpieczna
Każdy budynek musi być wyposażony w instalację wodociągową i kanalizacyjną. Ważne jest nie tylko zapewnienie ciągłości dostawy wody do całego budynku i nieuciążliwy odbiór ścieków, ale też aspekty bezpieczeństwa.
Każdy budynek musi być wyposażony w instalację wodociągową i kanalizacyjną. Ważne jest nie tylko zapewnienie ciągłości dostawy wody do całego budynku i nieuciążliwy odbiór ścieków, ale też aspekty bezpieczeństwa.
Pomimo że w ostatnich latach na terenach wiejskich nastąpił znaczny wzrost liczby osób podłączonych do zbiorowej kanalizacji i oczyszczalni ścieków, a także wybudowano wiele przydomowych oczyszczalni ścieków, w dalszym ciągu istnieje duża dysproporcja pomiędzy liczbą mieszkańców wsi i miast podłączonych do kanalizacji i oczyszczalni ścieków. Z danych GUS [5] wynika, że w 2011 r. udział ludności korzystającej z oczyszczalni na terenach wiejskich wynosił 30,6%, w porównaniu do 88,4% w miastach.
Zgodnie z zapisami dyrektywy 91/271/EWG dotyczącej oczyszczania ścieków komunalnych [15] oraz opracowanym na jej podstawie Krajowym Programem Oczyszczania Ścieków Komunalnych do końca 2015 r. wszystkie aglomeracje o równoważnej liczbie mieszkańców RLM powyżej 2000 powinny zostać wyposażone w zbiorowe systemy kanalizacji i oczyszczalnie ścieków o efekcie oczyszczania uzależnionym od wielkości oczyszczalni.
W przypadkach gdy budowa systemu kanalizacji zbiorowej nie przyniosłaby korzyści dla środowiska lub powodowała nadmierne koszty, możliwe jest zastosowanie systemów indywidualnych odbioru ścieków.
Taki zapis i porównanie wariantów różnych rozwiązań stanowi wielokryterialne zadanie decyzyjne, które powinno dać odpowiedź na pytanie, czy korzystniejsze jest rozwiązanie ze zbiorową kanalizacją i oczyszczalnią ścieków, czy budowa pojedynczych jednostek przydomowych oczyszczalni ścieków, obejmujących swym zasięgiem jedno lub kilka gospodarstw domowych.
Jest to tym bardziej istotne, że w ostatnim czasie w związku z brakiem środków na zbiorową kanalizację gminy wiejskie starają się o fundusze na budowę przydomowych oczyszczalni często bez szczegółowego rozpoznania warunków gruntowo-wodnych oraz bez uwzględnienia innych kryteriów zrównoważonego rozwoju.
Analiza wymaga doboru kryteriów oceniających poszczególne rozwiązania, wśród których zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju pod uwagę muszą zostać wzięte kryteria ekologiczne, ekonomiczne i społeczne. Dla przyjęcia prawidłowych rozwiązań, z uwzględnieniem lokalnych uwarunkowań społeczno-gospodarczych, konieczne jest również uwzględnienie aspektów technicznych.
Metody wyboru systemów usuwania i oczyszczania ścieków
Wybór sposobu usuwania i oczyszczania ścieków z małych jednostek osadniczych uzależniony jest od wielu czynników, z których najważniejsze to: lokalne warunki terenowe i gruntowo-wodne, odbiornik ścieków i wymagany stopień ich oczyszczania, wielkość jednostki osadniczej i stopień rozproszenia jej zabudowy, wpływ na środowisko i aspekty ekonomiczne. Liczba kryteriów, które wstępnie mogą być przyjęte do takiej oceny i uwzględnione w obliczeniach, przedstawia rys. 1.
Ich znaczna liczba, różny sposób wyceny, różne jednostki powodują trudności w podjęciu decyzji dotyczącej rodzaju rozwiązania. Dodatkową trudność stanowi fakt, że przyjęte kryteria obliczeniowe prezentują różne, często sprzeczne ze sobą cele. Dlatego przyjęcie kryteriów obliczeniowych i sposób ich wyceny stanowi najtrudniejszy element analizy decyzyjnej.
Kolejnym etapem analizy decyzyjnej jest przyjęcie wariantów obliczeniowych, które najpierw będą poddane ocenie poprzez przyjęte kryteria, a następnie analizie decyzyjnej. Uwzględniając możliwe rozwiązania, do oceny i analizy przyjęto następujące warianty usuwania i oczyszczania ścieków z małej jednostki osadniczej o charakterze wiejskim:
- gromadzenie ścieków w szczelnych zbiornikach (tzw. kanalizacja bezodpływowa) i okresowe ich wywożenie do punktów zlewnych zbiorczych oczyszczalni taborem asenizacyjnym,
- oczyszczanie ścieków w oczyszczalniach przydomowych z ich odprowadzeniem do gruntu lub wód powierzchniowych,
- odprowadzenie ścieków do zbiorowej sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni ścieków.
W praktyce występuje najczęściej kombinacja ww. wariantów, czego nie uwzględniono w obliczeniach.
Parametrem pozwalającym na racjonalny wybór systemu kanalizacji na obszarze o rozproszonej zabudowie jest długość kolektorów przypadająca na 1 mieszkańca. Przyjmuje się, że budowa zbiorowego systemu kanalizacji jest celowa wówczas, gdy długość kolektora przypadająca na mieszkańca jest mniejsza od 12–17 m w zależności od warunków lokalnych [6]. Według [2] przy średniej odległości między budynkami powyżej 20–60 m przydomowe oczyszczalnie ścieków stanowią alternatywę dla kanalizacji zbiorowej.
Zgodnie z rozporządzeniem w sprawie sposobu wyznaczania obszaru i granic aglomeracji [10] ustalono, że wskaźnik długości sieci ze względów technicznych i ekonomicznych nie powinien być mniejszy niż 120 mieszkańców na 1 km sieci przewidywanej do wybudowania, tj. powinien być mniejszy niż 8,3 m sieci kanalizacyjnej przypadającej na 1 mieszkańca.
W pewnych określonych warunkach (na terenach objętych formami ochrony przyrody, terenach o znacznym spadku oraz w celu zabezpieczenia stref ochronnych ujęć wody) możliwe jest zmniejszenie tego wskaźnika do 90 mieszkańców na 1 km sieci, tj. maksymalnie 11,1 m na mieszkańca.
W publikacji [4] podano następujące kryteria wyboru rodzaju kanalizacji: kryterium gęstości zaludnienia lub gęstości zabudowy, kryterium liczby mieszkańców oraz kryterium możliwości terenowych i gruntowych.
Jeżeli gęstość zabudowy jest mniejsza niż 5 gospodarstw domowych przypadających na 1 hektar powierzchni zainwestowania, wskazane jest stosowanie kanalizacji zagrodowej (indywidualnej). W przeciwnym razie zasadne jest stosowanie kanalizacji zbiorowej. Jeżeli RLM £ 100, wskazane jest stosowanie kanalizacji zagrodowej. Wymaga to jednak przeprowadzenia analizy ekonomicznej.
Trzecie kryterium dotyczy uwarunkowań stosowania kanalizacji zagrodowej w zależności od możliwości terenowych i warunków gruntowo‑wodnych.
Kryteria wyboru systemu odprowadzania i oczyszczania ścieków komunalnych z uwzględnieniem rodzaju kanalizacji podano w publikacji [3]. Natomiast przykład zastosowania hierarchicznej metody AHP wspomagającej rozwiązywanie wielokryterialnych problemów decyzyjnych do wyboru systemu usuwania i oczyszczania ścieków przedstawiono w pracach [8, 11]. Obecnie przeprowadzone obliczenia pozwolą na porównanie wyników otrzymywanych przy zastosowaniu różnych metod decyzyjnych.
Dla ustalenia hierarchii potrzeb i pilności realizacji inwestycji w zakresie budowy kanalizacji w osiedlach wiejskich gminy lub regionu wodno-gospodarczego przyjmuje się trzy rodzaje wskaźników preferencji, którym przypisuje się punkty. Są to: wskaźniki funkcji osiedla wiejskiego – f1, wskaźniki położenia na obszarach szczególnej ochrony – f2, wskaźniki etapowania inwestycji – f3.
Przypisanie liczby punktów poszczególnym czynnikom nadaje im odpowiedni priorytet, wyrażający preferencje decydenta [4]. Programowanie inwestycji budowy kanalizacji wiejskich dotyczy więc rozwiązywania wielokryterialnych problemów decyzyjnych, wymagających agregacji kilku kryteriów, które określono wskaźnikami f1, f2, f3.
W przedstawionej metodyce zaproponowano wyznaczenie zagregowanego wskaźnika hierarchii inwestycji (fhi) z zastosowaniem następującej zależności funkcyjnej:
Kolejność realizacji inwestycji powinna odbywać się według malejących wartości tego wskaźnika.
Założenia do analizy decyzyjnej
Analizę wykonano dla jednostki osadniczej o liczbie mieszkańców 800, zamieszkałych w 200 budynkach jednorodzinnych. Do analizy wybrano następujące warianty [7]:
- zbiorniki bezodpływowe z wywożeniem do punktu zlewnego oczyszczalni ścieków (ZB),
- przydomowe oczyszczalnie ścieków (POŚ) z częściowym odprowadzeniem ich do gruntu i wód powierzchniowych płynących,
- cztery lokalne systemy kanalizacyjne zakończone oczyszczalniami (OL) z odprowadzeniem ścieków oczyszczonych do wód powierzchniowych płynących,
- zbiorowa kanalizacja i oczyszczalnia ścieków (ZOŚ) z odprowadzeniem ścieków oczyszczonych do wód powierzchniowych płynących.
Jako przydomowe oczyszczalnie zaproponowano osadniki gnilne z filtrem żwirowo-piaskowym z odprowadzeniem do wód powierzchniowych oraz drenaż rozsączający. Przyjęto jednostkową powierzchnię filtra 7 m2/RLM oraz długość ciągu drenowego rozsączającego 12 mb./RLM.
Układ technologiczny lokalnych oczyszczalni o przepustowości ok. Q = 27 m3/d każda i równoważnej liczbie mieszkańców RLM = 200 składa się z osadnika gnilnego i złoża biologicznego zraszanego. Osady z osadników gnilnych lokalnych i przydomowych oczyszczalni wywożone będą do odwadniania w większej oczyszczalni.
Jako zbiorczą przyjęto mechaniczno-biologiczną oczyszczalnię z niskoobciążonym osadem czynnym o działaniu cyklicznym typu SBR (Sequencing Batch Reaktor) o przepustowości Q = 108 m3/d i równoważnej liczbie mieszkańców RLM = 800.
Do mechanicznego oczyszczania zastosowano zblokowane urządzenie, tzw. sitopiaskownik. Przeróbka osadu polega na stabilizacji tlenowej oraz odwadnianiu w filtrze workowym.
Do obliczeń kosztów inwestycyjnych przyjęto wskaźniki jednostkowe kosztów na podstawie danych z wybudowanych w ostatnich latach obiektów oraz na podstawie kosztorysów ofertowych firm wykonujących obiekty o takiej wielkości dla przeciętnych warunków gruntowo-wodnych.
Koszt wywozu osadu przyjęto w wysokości 150 zł/wywóz i obejmuje on wszystkie koszty związane z przewozem oraz przeróbką osadu [11, 12]. Koszt eksploatacji oczyszczalni przyjęto na podstawie wskaźników jednostkowych jako 3,5 i 4,0 zł/m3 ścieków. Obejmują one koszty obsługi, energii elektrycznej, materiałów eksploatacyjnych i badań. Zaproponowane rozwiązania techniczno-technologiczne spełniają wymagania przepisów ochrony środowiska, w tym rozporządzenia w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziem [9].
Proponowane warianty usuwania i oczyszczania ścieków przedstawiono na rys. 1, a kryteria opisujące funkcjonowanie poszczególnych rozwiązań w tabeli 1.
Analiza wielokryterialna i wybór systemu usuwania i oczyszczania ścieków
Matematycznym zapisem decyzyjnego problemu matematycznego jest tzw. macierz decyzyjna. Jest to tabela liczbowa ujmująca opis poszczególnych wariantów wraz z kryteriami opisującymi te warianty. Kryteria zapisane z macierzy stanowią miarę realizacji założonych zadań i celów, które powinny być spełnione przez poszczególne warianty. Zapis macierzy decyzyjnej przedstawiony został w tabeli 2.
Do rozwiązania zadania decyzyjnego zastosowano metodę programowania kompromisowego opisanego równaniami (1) i (2). Pozwala ona na szeregowanie wariantów od najbardziej do najmniej korzystnego, wykorzystując koncepcję porządkowania ich według ich odległości od tzw. ustalonego punktu idealnego o współrzędnych X’ (x1’, x2’, …, xm’) [1, 13–14].
Matematyczny zapis miary szukanej odległości badanego wariantu od punktu idealnego ma postać:
(1)
natomiast wybór najlepszej strategii odbywa się wg zasady:
(2)
gdzie:
La(sn) – miara rozbieżności danej strategii sn od punktu idealnego,
s– – wybrana strategia,
wm – współczynnik wagi kryterium m,
xm’ – m-ta współrzędna punktu idealnego,
rNM’ – znormalizowana wartość kryterium,
M – liczba kryteriów,
a – wykładnik potęgowy mierzący odchylenie strategii od punktu idealnego X’, przyjmowany w praktyce jako 1, 2 oraz ¥.
Metoda daje możliwość nadawania wag poszczególnym kryteriom lub grupom kryteriów, tzn. istnieje możliwość uwzględnienia w obliczeniach ważności niektórych parametrów, które mają dla decydenta szczególne znaczenie.
Dla zobiektywizowania obliczeń w artykule nadawano wyższą wagę kolejno wszystkim kryteriom, co pozwalało prześledzić wyniki obliczeń i wykonać analizę wrażliwości uszeregowań w zależności od przyjętych wag kryteriów. Rozwiązaniem jest uszeregowanie propozycji rozwiązań systemu odprowadzenia i oczyszczenia ścieków – od rozwiązania najkorzystniejszego do najmniej korzystnego.
Podsumowując wyniki obliczeń i uszeregowania podane w tabeli 3, należy zauważyć:
- najczęściej wybierane jako najkorzystniejsze było rozwiązanie ZOŚ – zbiorcza kanalizacja i oczyszczalnia ścieków z odprowadzeniem ścieków oczyszczonych do wód powierzchniowych płynących – 31 razy, w 39 przypadkach obliczeniowych, przy różnych założonych wagach kryteriów obliczeniowych; można je traktować jako rozwiązanie zdecydowanie najkorzystniejsze,
- 6 razy jako najkorzystniejsze wybrane zostało rozwiązanie POŚ, czyli przydomowe oczyszczalnie ścieków z częściowym odprowadzeniem ścieków do gruntu i wód powierzchniowych płynących; zostaje ono wybrane w przypadku przeważania kryteriów ekonomicznych i traktowania ich jako ważniejszych od pozostałych, co w praktyce często ma miejsce; jest ono jednak kilkukrotnie wybrane jako najmniej korzystne (ostatnie w uszeregowaniu),
- jako najbardziej niekorzystne 21 razy wybrane zostało rozwiązanie ZB, czyli zbiorniki bezodpływowe z wywozem okresowym do punktu zlewnego oczyszczalni ścieków.
Porównanie wyników różnych metod analizy decyzyjnej
Podobną metodę analizy decyzyjnej wykorzystano w artykule [8]. Przy przyjęciu tych samych kryteriów oceniono warianty rozwiązań systemowych, poddając je ocenie metodą hierarchicznego wyboru AHP (Analitycal Hierarchy Process). Pozwoliło to dokonać rankingu wariantów projektowych, w sytuacji gdy jednocześnie należy uwzględnić szereg kryteriów oceny.
Metoda AHP pozwoliła na ostateczne uszeregowanie wariantów projektowych na podstawie kryterium zagregowanego. Według zaproponowanej w pracy metody najwyższą ocenę, ze względu na wszystkie kryteria łącznie, uzyskał wariant ze zbiorczą oczyszczalnią ścieków (ZOŚ), co oznacza, że w najwyższym stopniu spełnia on oczekiwania decydenta. Niewiele gorszy jest wariant z oczyszczalniami lokalnymi (OL), a najgorsze jest zastosowanie zbiorników bezodpływowych (ZB).
Potwierdza to rozwiązanie przedstawione w niniejszym artykule, w którym zaproponowano metodykę programowania kompromisowego. W zależności od wagi przyjętych kryteriów w większości przypadków rozwiązaniem najkorzystniejszym jest zbiorcza oczyszczalnia ścieków, a jako najmniej korzystny wariant ze zbiornikami bezodpływowymi z wywozem okresowym ścieków.
Można więc wysunąć hipotezę, że przyjęta do analizy decyzyjnej metoda nie ma tak dużego znaczenia, jak przyjęte kryteria oceniające. To one mają kluczowe znaczenie w opisie i w wymiarze zadania decyzyjnego.
Wnioski
Wybór miedzy sposobem i możliwościami odbioru i unieszkodliwiania ścieków z terenów wiejskich jest trudnym i złożonym zadaniem decyzyjnym. Od lat istnieje duża dysproporcja pomiędzy liczbą mieszkańców wsi i miast podłączonych do kanalizacji i oczyszczalni ścieków.
Przeprowadzenie analizy wielokryterialnej takiego zadania pozwala na pełną ocenę funkcjonowania i umożliwia przeprowadzenie wyboru rozwiązania najkorzystniejszego wariantu odprowadzenia i unieszkodliwienia ścieków.
Na podstawie przeprowadzonej analizy wielokryterialnej stwierdzono, że najkorzystniejszym rozwiązaniem sposobu usuwania i oczyszczania małej ilości ścieków jest zastosowanie zbiorowej kanalizacji i oczyszczalni ścieków, a najbardziej niekorzystnym rozwiązaniem jest stosowanie zbiorników bezodpływowych z uwagi na znaczną uciążliwość dla środowiska związaną z występowaniem odorów i hałasu podczas opróżniania zbiorników.
Zastosowana do analizy metoda programowania kompromisowego potwierdziła wykonane wcześniej obliczenia metodą AHP.
Literatura
1. Aragonés-Beltrána P., Mendoza-Rocab J.A., Bes-Piáa A. et al., Application of multi-criteria decision analysis to jar-test results for chemicals selection in the physical-chemical treatment of textile wastewater, „Journal of Hazardous Materials” No. 164 (2009).
2. Błażejewski R., Kryteria oceny techniczno-ekonomicznej oczyszczalni ścieków, materiały Sympozjum Jubileuszowego z okazji 15-lecia Katedry Technologii Wody i Ścieków „Oczyszczanie wody i ścieków oraz unieszkodliwianie odpadów”, Gdańsk 1998.
3. Błażejewski R., Nawrot T., Kryteria wyboru systemu odprowadzania i oczyszczania ścieków komunalnych, „Forum Eksploatatora” nr 2/2012.
4. Grabarczyk C., Zasady programowania inwestycji kanalizacji wiejskich, materiały III Ogólnopolskiej Konferencji Szkoleniowej „Sieci kanalizacyjne, pompownie i oczyszczalnie ścieków na terenach niezurbanizowanych”, Piła-Bydgoszcz 2000.
5. GUS, Ochrona Środowiska. Informacje i opracowania statystyczne, Warszawa, 2012.
6. Łomotowski J., Szpindor A., Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków, Arkady, Warszawa 1999.
7. Mucha Z., Mikosz J., Racjonalne stosowanie małych oczyszczalni ścieków zgodnie z kryteriami zrównoważonego rozwoju, „Czasopismo Techniczne Politechniki Krakowskiej” seria Środowisko z. 2-Ś/2009, Kraków 2009.
8. Mucha Z., Iwanejko R., Zastosowanie metody AHP do wyboru systemu usuwania i oczyszczania ścieków z małej jednostki osadniczej, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 10/2012.
9. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (DzU nr 137/2006, poz. 984).
10. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 lipca 2010 r. w sprawie sposobu wyznaczania obszaru i granic aglomeracji (DzU nr 137/2010, poz. 992).
11. Mucha Z., Jednostkowe koszty inwestycyjne małych oczyszczalni ścieków, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 9/2005.
12. Mikosz J., Badania analityczne jako podstawa symulacji komputerowej w oczyszczaniu ścieków, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 9/2007.
13. Generowicz A., Kulczycka J., Kowalski Z., Banach M., Assessment of waste management technology using BATNEEC options, technology quality method and multi-criteria analysis, „Journal of Environmental Management” No. 92 (2011).
14. Generowicz A., Kowalski Z., Kulczycka J., Planning of waste management systems in urban area using multi-criteria analysis, „Journal of Environmental Protection” No. 2 (2011).
15. Dyrektywa Rady 91/271/EWG z dnia 21 maja 1991 r. dotycząca oczyszczania ścieków komunalnych (DzU UE L 271 z 30 maja 1991 r.).