基于层次分析法的泥水分离絮凝剂比选

郝占豪 （上海建工集团股份有限公司，上海 200080）

1 引言

在钻孔桩基施工、地下连续墙施工、泥水盾构施工及某些非开挖施工过程中，需辅以人工造浆，以起到护壁、携渣、冷却、清孔等作用[1]。该泥浆一般为黏稠状流体或半流体，主要由液体、膨润土及化学添加剂形成。使用后的泥浆，成分及性能指标发生变化，不再满足泥浆性能规定的要求，即成为废弃泥浆。大量的废弃泥浆，如不及时处理不仅会破坏施工现场安全文明施工形象，也会占用有限的施工场地，制约现场交通组织。由于工程泥浆使用时须添加各类处理剂，废弃泥浆中含有不少对环境有害的物质。过去，一些企业纵容施工工地非法将废弃泥浆无序偷排乱排入河道，对自然生态造成严重污染。现在，为避免麻烦，较多工地使用直接装车外运进行填埋的方式，该方法直接简单，但运输成本高昂，外运过程中有产生二次污染的可能。因此，如何经济高效妥善处置废弃泥浆成为人们的研究重点。

常见的废弃泥浆处理方法主要有通过添加水泥、矿渣等固化剂使其固化[1][2]，投加化学絮凝剂破坏其胶体状态进行泥水分离，机械设备物理脱水等[3]。近年来，工程实践中多采用絮凝剂和机械设备脱水相结合的方法，即先通过投放絮凝剂对废弃泥浆进行初步泥水分离，再用机械设备进一步处理。絮凝剂的选用对废弃泥浆脱水效果具有重要影响，不少学者在这方面进行了研究。武亚军等[4]进行试验研究发现pH值对泥浆稳定性及絮凝剂絮凝效果有较大影响，基于此进一步研究了泥浆添加絮凝剂后pH值不同调节方式；梁止水等[5]研究分析了不同种类絮凝剂和联合絮凝剂对废弃泥浆泥水分离的效果，为快速泥水分离技术提供参考；罗礼华等[6]试验分析了多种絮凝剂，指出水温、搅拌方式及投入量是影响絮凝剂作用效果的敏感因素。

目前关于絮凝剂的研究多侧重于在理想环境下絮凝效果的影响因素分析，对于如何综合各性能参数对选择絮凝剂种类鲜有研究[7]。通过已有的文献可以看出，絮凝剂的作用效果受到温度、PH值、泥浆浓度等因素影响。现今大多数工程工期紧、场地有限，几乎没有为达到最佳絮凝效果创造最适宜环境的条件。因此本文在不考虑最佳外界环境的因素的基础上，就如何选取处理废弃泥浆最佳絮凝剂进行分析。

2 层次分析法概述

层次分析法（AHP）是上世纪七十年代T.L.Saaty提出的，该方法将复杂问题分解，形成递阶的组成因素层次，同一层次的两两因素进行比较，对重要性进行赋值，既可以定性又能定量地分析问题，为决策提供综合判断依据[7]。

层次分析法首先将问题分解为若干元素，归纳分类后形成不同层次，通常上一层次的元素支配下一层次的元素，层层递阶，形成递阶层次结构。其中首层为目标层，最底层为方案层，中间若干层为准则层或子准则层。针对上一层次各元素，受支配的下一层次n个元素，需进行两两比较（表1），构建判断矩阵(aij)nxn，其中。

比例标度表 表1

利用根法计算矩阵A的最大特征值和对应特征向量，矩阵A各元素按行相乘，乘积分别开n次方，得到的方根向量归一化即为权向量w。

为保证判断矩阵不出现极端矛盾情况，需进行一致性检验。

当 C.R.<0.1时，则一致性检验通过；否则，需对判断矩阵进行修改。其中一致性指标R.I.可通过查表获得。

最后，自上而下进行总层次排序，计算某层次对于目标层的权值，并进行一致性检验。

3 基于层次分析法的絮凝剂比选

絮凝剂种类繁多，包括无机絮凝剂和有机絮凝剂。本文分别选取4种絮凝剂进行试验，分别为聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、聚合聚铁硅、聚硅酸硫酸铁，其中。取用上海某工程废弃泥浆，对每份150mL废弃泥浆样本，分别加入不同种类的浓度为1‰的絮凝剂溶液，充分搅拌3min，静置1min后，测定上清液体积和上清液浊度。利用抽气泵继续对沉积物进行抽滤，完全分离固液体，测定抽滤水体积及浊度，计算滤饼含水率。

将测定的五个参数作为判断指标对絮凝剂进行优选，其中清液浊度表示经絮凝剂作用，泥浆胶体稳定性被破坏，絮凝沉淀后上层清液的浑浊程度，数值越小越好；滤液浊度表示絮凝作用后的沉积物经充分过滤后滤水的浑浊程度，数值越小越好；上清液和抽滤水的量越大，代表脱水效果越好；残余固化物含水率为絮凝并过滤后沉积物的含水率，数值越小越好。可以看到，上清液和抽滤水越多，清液浊度、滤液浊度及残余固化物含水率并不一定越小，判断指标两两之间并不一定呈正向变化关系。因此，如何进行合理取舍从而选择出最佳絮凝剂变得复杂困难。

根据试验结果，采用层次分析法综合上清液、清液浊度、抽滤水、滤液浊度以及残余固化物含水率等性能参数比选出最佳絮凝剂。

3.1 建立层次结构体系

将选择最佳絮凝剂作为目标层A，上清液体积、上清液浊度、抽滤水体积、滤液浊度、残余固化物含水率作为准则层B，絮凝剂种类作为方案层C。

3.2 构造判断矩阵、确定最佳絮凝剂

根据1～9标度法，两两比较可得准则层对目标层的判断矩阵：

图1 递阶层次结构

絮凝剂脱水性能参数结果 表2

根据表1，在本次判断矩阵构造中，认为指标上清液体积和指标清液浊度介于同等重要和稍微重要之间，因此对应元素取值为2或1/2；指标上清液体积和指标抽滤水体积介于稍微重要和较强重要之间，因此对应元素取值为4或1/4；指标上清液体积和指标滤液浊度介于同等重要和稍微重要之间，因此对应元素取值为2或1/2；指标上清液体积和残余固化物含水率介于同等重要和稍微重要之间，因此对应元素取值为2或1/2；指标清液浊度和指标抽滤水体积相比为强烈重要，因此对应元素取值为7或1/7；指标清液浊度和指标滤液浊度介于同等重要和稍微重要之间，因此对应元素取值为2或1/2；指标清液浊度和指标残余固化物含水率介于稍微重要和较强重要之间，因此对应元素取值为4或1/4；指标抽滤水体积和指标滤液浊度相比为较强重要，因此对应元素取值为5或1/5；指标抽滤水体积和指标残余固化物含水率介于同等重要和稍微重要之间，因此对应元素取值为2或1/2；指标滤液浊度和指标残余固化物含水率相比为稍微重要，因此对应元素取值为3或1/3。

由MATLAB计算得最大特征值λmax=5.0462，归一化后权向量 w=[0.18 0.4038 0.0505 0.2713 0.0945]T，根据式（2）计算一致性指标 C.I.=0.0116，查表R.I.=1.12，根据式（3）计算一致性比例C.R.=0.0103＜0.1，满足一致性。

同理，方案层对准则层五个元素，根据实验结果可写出5个单因子判断矩阵，借助MATLAB计算，结果见表 3，均满足一致性。

组合权重 表3

计算方案层对目标层的组合权重及一致性比例，结果见表3，层次总排序满足一致性。根据权重结果进行排序，聚丙烯酰胺占的组合权重最大，因此选择聚丙烯酰胺作为絮凝剂。

4 结论

本文建立了絮凝剂选择层次结构体系，综合五个判断指标，利用层次分析法对絮凝剂进行了优选。该方法简单实用，复杂问题分解化，量化了判断指标对结果的影响程度，通过简便的计算得到明确的答案，可用于指导问题选择。本文基于层次分析法，根据选取的多个性能参数指标，选出适用于特定工程废弃泥浆的最佳絮凝剂，可为同类工程提供参考。