层次分析-模糊综合评价法在制浆造纸水污染控制技术评估中的应用

2021-07-27王敏尹崇鑫程金兰朱文远

林业工程学报 2021年4期

王敏,尹崇鑫,程金兰,朱文远

(南京林业大学轻工与食品学院，江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,南京 210037)

制浆造纸工业工艺复杂，产生的废水量较大。不同制浆造纸企业采用不同的原料、生产工艺以及水污染控制技术方式等，产生的废水污染负荷有所不同，污染物种类与性质也千差万别[1]。当前的制浆造纸废水节能减排技术目录与技术政策中未有系统规范的制浆造纸水污染控制技术遴选和评价方法，不同学者提出的评价标准和方法也参差不齐，遴选结果存在较大的不确定性[2]。故当前急需形成制浆造纸水污染控制技术遴选、评价与推广的长效机制。

现代综合评价方法有很多，如主成分分析法、人工神经网络法、层次分析法、模糊综合评价法等。由于评价对象的所属目标范围不同，现代综合评价方法的选用与实际技术应用时存在一定的差异。根据2015年第9号中华人民共和国国家发展和改革委员会颁布的《制浆造纸行业清洁生产评价指标体系》法规，制浆造纸水污染控制处理技术评估涉及技术、经济、资源和环境等多个方面，有多属性、多层次及模糊性等特点，定量分析比较困难。而层次分析法(AHP)[3]所需的定量数据信息较少，计算结果和过程简单明确、容易理解，是一种定性和定量相结合可评价多指标、多层次的多准则决策方法。模糊综合评价法(FCE)[4]则基于模糊数学，可以表示出各因素之间的模糊关系，解决传统方法无法解决的多种因素评价之间的模糊性问题。AHP-FCE结合模型应用广泛，准确性高，已应用于政策评价、风险评估等许多领域[5-7]。杨国洪[8]聘请了5位环保专家，针对造纸企业的部分节水减排措施采用了AHP-FCE进行评估，认为对企业节水减排贡献较大的措施为添加助留助滤剂、废水和白水回用以及安装高压清水泵等，研究中未涉及制浆过程与终端废水处理，专家人数与咨询次数相对较少，指标体系的构建不够全面。

笔者结合“十三五重点行业水污染全过程控制技术集成与工程实证”课题，参考相近行业的最新研究成果，构建了制浆造纸水污染控制技术的评估指标体系，建立各评估指标的隶属函数，实现了指标的定量化，并构建了制浆造纸行业水污染控制技术评估模型，对不同制浆造纸水污染控制技术进行了现状调研和技术评估，进而计算综合指标，遴选最优技术。

1 制浆造纸水污染控制技术评估指标体系的建构

评估指标的合理选择与制浆造纸行业水污染控制技术评估相关联，且要满足层次性与系统性的原则。参考杨国洪[8]的体系构建，并结合四川大学姜河等[9]对牛皮制革过程污染控制技术评估模型及其他行业评估模型[10-12]，本研究构建的制浆造纸废水污染控制技术层次结构模型，确定了隶属关系。模型中包含目标层(A层)、准则层(B层)、指标层(C层)3个层次，形成了4个准则层指标和11个指标层指标的递阶层次评价体系，其中准则层4个指标分别为技术技能、经济成本、环境影响和运行管理，主要从技术、经济、社会效益和环境安全性角度考虑。具体评价指标体系框架见图1。

2 层次分析指标权重确定

跟多家制浆造纸企业与研究所沟通后遴选了多位制浆造纸、环境工程等领域的专家，分别来自华南理工大学、南京林业大学、中国科学院林产化学研究所、亚洲浆纸业有限公司等13家单位。其中，制浆造纸工业清洁生产专家8名，环保专家5名。通过专家咨询与打分，在B层和C层因素各层次元素中将两两因素进行相互比较，并构造出判断矩阵，先计算准则层B中的4个一级指标权重，再进一步计算它们的二级指标权重。专家评定表的设定基于九分标度法的基本原理[9]，由专家判定指标间两两因素比较时的相对重要性和优劣程度，填写合适的重要程度赋值。

根据n的阶数查表1可得平均一致性指标(RI，RI)[13]，当n的阶数为4时，RI=0.90。首先计算一致性检验指标(CI，记为CI)，见公式(1)：

(1)

式中：λmax表示矩阵的最大特征根；n表示矩阵的阶数。再检验随机一致性比例(CR=CI/RI)是否小于0.1：若小于，则表示一致性比例验证通过；若结果显示一致性检验不满足，则需要征求专家意见，并对打分结果进行适当调整，直至满足一致性检验为止并计算权重值。

2.1 一级指标层次分析指标权重计算

对13位专家打分制定评定表，得到构造矩阵A。如根据第1位专家的技术评估赋值打分，得矩阵：

求得矩阵A的最大特征根λmax=4.096 3，相应的特征向量w=(0.152 2，0.115 6，0.255 9，0.476 3)，即为该专家赋值的一级权重系数。已知矩阵阶数n=4，平均随机一致性指标RI=0.90，根据公式(1)，得到CI=0.032 1，随机一致性比例CR=0.035 7<0.1，因此，一致性检验通过。同理计算得到其余12位专家一级权重系数，见表1。用同样的方法计算其二级权重系数，结果见表2。

表1 一级指标权重系数

表2 二级指标权重系数

2.2 综合权重计算

综合权重计算公式为W=一级指标权重×二级指标权重。因专家打分因人而异，需要对专家各级权重评分表进行统计分析，计算权重平均值，计算得到评价指标最终的综合权重系数，见表3。

由表3可知：4个一级指标中，环境影响所占比重最大，远超过其他一级指标，其次是运行管理，再次是技术性能，经济成本所占比重最小。二级指标中的废水减少量与污染物减少量综合权重系数最高，说明它们对评估得分的影响程度最高，综合能耗与资源消耗影响程度紧随其后。综合权重系数最低的二级指标是工程投资，其次是技术先进性。从专家打分结果看，对水污染控制技术的评价而言，环境影响是首要考虑因素，并不是投资与技术先进性。

表3 制浆造纸水污染控制技术评估指标综合权重

3 模糊数学综合评价

模糊综合评价按以下3个步骤进行：

1)确定隶属度。邀请10位专家对制浆造纸水污染控制技术进行打分，采用百分比统计法统计专家意见。例如10位专家对C1指标按“很好、较好、一般”3个等级进行打分评判，10位专家中有5位认为很好，3位认为较好，2位认为一般，那么这一指标所对应的隶属度为0.5，0.3和0.2，它的模糊隶属矩阵为[0.5 0.3 0.2]。

2)一级模糊综合评价。构造准则层Bi所包含的最底层模糊隶属矩阵和权重矩阵，见公式(2)：

Bi=W1i×Ri

(2)

式中：Bi为准则层B中第i项指标的模糊评价矩阵；W1i为指标层C相对于其所属准则层Bi的权重矩阵；Ri为指标层C的模糊隶属矩阵；i为第几个因素。

3)二级模糊综合评价。通过一级模糊综合计算得出准则层B中各项指标所对应的不同评价等级的隶属度，见公式(3)：

E=W2×M

(3)

式中：E为最终的综合判断结果；W2为准则层B中的各项指标相对于目标层A的权重矩阵；M为准则层B中各项指标的一级综合评价结果所构成的模糊评价矩阵。

3.1 制浆工段废水污染控制技术综合评价计算

制浆水污染控制技术评估选取漂白工段，对包括传统的氯化、碱处理、次氯酸盐(CEH)三段漂白、常用的无元素氯(ECF)漂白和最新的全无氯(TCF)漂白3种技术进行综合评估。

1)确定指标隶属度：对清洁漂白的3种技术，选择采用百分比统计方法对专家意见进行统计，最后得到定性指标的评价结果。专家评估结果见表4。

表4 漂白工序专家隶属度打分统计

2)进行一级模糊评价：以其中CEH三段漂白技术为例，构造准则层B，根据公式(2)，得到：

同理可得：B2=[0.673 2 0.227 3 0.100 1]，B3=[0.300 0 0.300 0 0.400 0]，B4=[0.100 0 0.155 2 0.744 8]。由此可以得到第2层评价矩阵，M=[B1B2B3B4]T。

3)进行二级模糊综合评价：根据公式(3)，得到二级模糊综合评价集：E1=[0.330 2 0.219 1 0.436 4]。

通过同样的步骤，ECF清洁漂白技术和TCF清洁漂白技术进行一级和二级模糊评估：得到结果E2=[0.743 8 0.140 5 0.101 5]，E3=[0.657 6 0.194 7 0.133 4]。根据最大隶属度原则，综合评价指标值越大表明综合效益越高[14]。对于清洁漂白技术的3种污染控制技术，ECF清洁漂白技术综合评价矩阵E2与TCF综合评价矩阵E3中都是第1个元素的数值最大，表明ECF与TCF清洁漂白技术是很好的污染控制技术；而CEH三段漂白技术综合评价矩阵E1中第3个元素的数值最大，表明该技术为一般的污染控制技术。从专家赋值来看，TCF漂白技术先进、综合能耗低，污染控制好，得分高，但没有ECF 技术稳定。ECF技术先进性不如TCF，但技术适用性好，稳定性好。CEH漂白的技术成熟度好，但污染控制困难，得分低，技术一般。有资料表明，河南银鸽实业投资股份有限公司利用ECF漂白技术处理后，发现废水排放量减少91.97万t/a，COD减排量81.6 t/a，BOD5减排量8.74 t/a，同时减少了氯气排放，达到了清洁生产的目的，对环境效益较明显[15]。

3.2 造纸工段水污染控制技术综合评价

造纸工段水污染控制技术选择造纸白水梯级循环回用工段进行综合量化评估，评估技术为微气浮技术和多圆盘过滤技术2个技术。造纸白水梯级循环回用技术专家详细打分表见附录表14。在进行模糊评价计算后，同样得到2个矩阵：E1=[0.609 5 0.266 5 0.109 9]，E2=[0.656 7 0.229 0 0.100 1]。2个矩阵中都是第1个元素的数值最大，说明多圆盘过滤技术和微气浮技术都是有效的污染控制技术。从专家赋值来看，微气浮技术较先进，并且可以节约经济工程投资，得分高，但是技术适用性和技术成熟度不如多圆盘过滤技术。多圆盘过滤技术虽在技术先进性上不如微气浮技术，但污染控制得分项高。据文献资料报道[16]，利用多圆盘处理白水使得超清滤液澄清度明显提高，其中OCC浆造纸白水回收的超清滤液澄清度低于50 mg/L，全木浆卫生纸白水回收的超清滤液澄清度不高于25 mg/L，可以增加纸机清水代替量，且提高了白水回收利用率。

3.3 末端废水综合处理工段水污染控制技术综合评价

末端废水综合处理工段水污染控制技术种类较多，笔者主要选择较为常见均改良Fenton氧化工艺、臭氧氧化深度处理技术和混凝沉淀或气浮深度处理这3项技术进行评估。专家详细评估打分统计表见附录表15，通过计算得到3个矩阵：E1=[0.711 8 0.179 9 0.094 1]，E2=[0.597 9 0.233 8 0.149 3]，E3=[0.607 9 0.295 0 0.098 6]。3个矩阵中都是第1个元素的数值最大，说明3种技术都是很好的水污染控制技术。但改良Fenton氧化工艺的第1个元素数值最大，表明其相对最好；混凝沉淀或者气浮深度处理技术的第1个元素值居次，表示其技术较好；臭氧氧化深度处理技术的第1个元素值最小，于3种技术比较而言，它相对一般。从专家赋值表中看到，混凝沉淀或者气浮深度处理技术运行成本相对较低，臭氧氧化深度处理技术先进性好，Fenton氧化工艺的污染物控制程度高。相关资料表明，Fenton氧化工艺技术可以在废水预处理工段提高废水的可生化性[17]，还能高效地脱色废水，降解难处理有机物和毒性物质[18]。气浮深度处理技术可以节约土地资源、提升污水的净化速率[19]，高效气浮法对COD去除率为58.6%，SS去除率为90.2%[20]，混凝沉淀对COD、SS去除率分别在37%、70%以上[21]。臭氧处理可以完全降解制浆造纸废水中的木质素类物质，同时降低水中淀粉类物质的污染负荷，有效增加废水中COD的去除率[22]。

4 综合评估得分计算

采用AHP-FCE模型，最后的评价结果得到一个隶属等级，无法准确判断出不同技术间的优越性，还需要通过计算综合得分来对多个技术进行比较优选，在层次分析-模糊综合评价的基础上，对3个指标评价等级“很好，较好，一般”，分别赋予“5分，3分，1分”的分值，将最后的模糊综合评估结果所属的隶属度分别乘以等级分值Fn，即可以得到该技术最终的综合评估得分，结果见表5。综合评估得分计算方法见公式(4)：

(4)

式中：Di为污染控制技术i的综合评估得分；Eij为污染控制技术i的指标j的模糊评价结果；Fn为评价等级分值，n=1，2，3。

用上述方式计算，对一特定工序所有的污染控制技术按照分数高低进行排序，筛选出该工序的最佳可行污染控制技术。由表5可知，虽然ECF和TCF在模糊综合评价结果中都是很好的清洁漂白技术，但ECF得分高于TCF，评估结果推荐首选ECF。造纸白水梯级循环回用工段的2种技术的得分都不错，但微气浮技术的得分略低于多圆盘过滤技术，说明多圆盘过滤技术更被推荐。3种造纸废水综合处理技术的综合得分都比较高，即它们在废水处理中都有很好的发展和应用。相对而言，改良Fenton氧化工艺综合评估得分最高，混凝沉淀或气浮深度处理技术其次，臭氧氧化深度处理技术在三者中居后。