Analiza wielokryterialna – narzędzie do wyboru systemu usuwania i oczyszczania ścieków z terenów wiejskich

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 – f_2, 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 (f_hi) 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’, …, x_m’) [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:
L_a(s_n) – miara rozbieżności danej strategii sn od punktu idealnego,
s– – wybrana strategia,
w_m – współczynnik wagi kryterium m,
x_m’ – m-ta współrzędna punktu idealnego,
r_NM’ – 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.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!