基于层次分析法的渗沥液处理阻垢剂选型决策研究

徐振威，王黎，刘超(.上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 003；.上海环境集团股份有限公司阳晨水务分公司，上海 000)

0 引言

磷酸盐具有较好的金属络合性，且磷化物分子结构中具有亲水性，洗涤剂、阻垢剂中均含有磷的成分。在渗沥液膜处理系统中投加含磷阻垢剂，会重新引入原本应在生化系统中被分解的磷元素，导致出水中磷元素含量提升，出水水质不稳定。因此，选择低磷、环保、经济、适用于渗沥液处理工艺的阻垢剂极为关键。

阻垢剂的筛选涉及处理效果、产水水质、经济效益等诸多因素，故建立合理的阻垢剂筛选的决策指标极为重要。

1 层次分析法的基本原理

层次分析法(analytical hierarchy process，AHP)是一种系统分析方法，将定性与定量分析通过应用数学方法有机地结合起来，较为客观、准确、高效。层次分析法是分析多目标、多准则的复杂决策系统的有力工具[1-2]。

利用层次分析法进行应用分析的基本步骤如下：

(1)建立评价结构模型。研究人员应根据问题的性质和决策目标进行深入分析，按照不同层次将问题中所包含的因素进行划分，利用结构模型形式说明层次的递阶结构与因素的从属关系。

(2)构造判断矩阵。构造各层次的判断矩阵应将研究者对决策问题相对重要性的判断作为依据。

(3)研究者应对模型中各层每一因素的相对重要性进行计算并进行一致性检验。

(4)在计算各个层次因素的相对重要性的基础上，研究者应进一步计算方案层和目标层的相对重要性的组合权重，并进行一致性检验。

(5)研究者对比组合权重的结果，并以此作为评价与选择方案的依据。

近些年来，层次分析法受到了社会各界的广泛关注。层次分析法非常适用于解决一些复杂的决策问题，具有实用性和有效性，目前已被广泛应用于经济、能源、军事、运输、农业、教育、人才、医疗、安全和环境等领域的方案选择、行为决策、综合分析等方面。

2 决策指标建立与指标权重计算

本文结合阻垢剂筛选的基本目标，运用层次分析法，综合分析阻垢剂筛选的实际需求与特点，制定了阻垢剂筛选的模型体系。

2.1 决策指标体系的建立

本位根据阻垢剂选型的主要决定因素，将其分为4个层次，即：A、B、C、D，其中A、B、C为评价层，D为方案层。

2.1.1 目标层

A层为总目标层，即选择低磷、环保、经济、适用于渗沥液处理的阻垢剂。

2.1.2 准则层

B层是实现目标层的3个准则层，即阻垢剂选型主要考虑的几个因素：

B1为试用种类，指试用不同品牌的阻垢剂；

B2为处理效果，指阻垢剂磷含量、处理后清液中磷含量；

B3为经济效益，即选择阻垢剂的经济效益。

2.1.3 指标层

C层是指标层，即达到总目标层和准则层的各种条件，共5项指标，具体如下：

(1)C1为阻垢剂总磷含量。阻垢剂中磷含量越高，在相同投加量的工况下引入磷化物越多，出水总磷指标超标的风险便越高。阻垢剂总磷含量一般使用百分比表示。

(2)C2为加药量。加药量是渗沥液处理过程中阻垢剂的投加量与膜系统进水总量的比值。比值越低，加药量越低，阻垢剂所用成本也随之降低。加药量单位为 kg/t。

(3)C3为出水磷含量。经过前端生化处理，水体中磷化物含量降低。但经过膜处理后，阻垢剂的投加重新了引入磷化物，因此有必要测量出水磷含量。出水磷含量影响磷元素是否超标，单位为mg/L。

(4)C4为膜系统运行压力，阻垢剂的阻垢效果影响膜系统的运行压力，运行压力越大，表示阻垢效果越差。膜系统运行压力的单位为MPa。

(5)C5为阻垢剂单价，即单位阻垢剂的价格。

2.1.4 方案层

D层是方案层，是阻垢剂筛选试用的具体方案。通常经过初选后，研究人员会选定几种阻垢剂开展中试，根据试验结果进行综合分析和选择。

2.2 构造判断矩阵

为了进一步明确选型指标中各个元素对上一层次的相对重要性,本文选择判断矩阵法进行分析。判断矩阵的元素aij采用Santy的1-9标度方法[3]。如表1所示，为确定B准则层对A目标层的重要性程度，本文构造了判断矩阵A-B。

表1 判断矩阵A-B

2.3 权重计算及一致性检验

为了确定选择指标的判断指标是否合理,本文对判断矩阵进行了一致性检验。

本文针对判断矩阵A-B求得判断矩阵的最大特征根为λmax=3.039，相应的特征向量为wAB=(0.151,0.916,0.371)，其中3个分量为准则层B中3个元素(B1, B2,B3)的权值，n=3。根据检验判断矩阵的一致性公式可得:

当n=3时,一致性指标RI=0.58，则其一致性比率CR为：

因此，确定的A-B矩阵具有满意一致性，wAB中的权重值可以应用。

2.4 C层对A层的权重

本文首先对C层相对B层的重要性构造了判断矩阵并保障其一致性，进而确定了C层对B层的权重值，得到了相应权重。

然后，本文综合B层与C层，确定了C层中各个评价目标相对于A层总目标的权重。

经过计算，本文得出了C层指标对A层的总权重 (如表2所示)。

表2 C层指标对A层的总权重

3 决策评价方法应用

生活垃圾渗沥液处理通常采用“生物处理+膜处理”工艺，根据进水水质、排水要求的不同选择不同工艺组合。在对膜的深度处理过程中，因进水主要污染物为有机物、盐及悬浮性颗粒杂质，工作人员在进行纳滤膜处理后，高分子有机物、高价盐及大颗粒杂质会被截留于浓缩液中。盐分的溶解度较低，随着浓缩倍数的提升，部分盐会以结晶形式留在浓缩液中，结晶的盐分会包裹颗粒杂质形成结垢，进而堵塞膜管。为提高盐分在的溶解度、保护膜管，工作人员通常在生产期间投加阻垢剂以缓解膜管内结垢。常规阻垢剂利用磷化物作为络合剂阻碍盐分结垢；含磷阻垢剂的投加，重新在经过膜系统处理过的清液中引入了污染物，使得出水排放时存在磷超标的风险。

为选择合适的阻垢剂，本文选定了不同阻垢剂进行中试，在综合考虑阻垢剂的总磷含量、加药量、出水磷含量、膜系统运行压力、阻垢剂单价等因素的基础上选择综合评价最好的阻垢剂。

3.1 阻垢剂选型试验及结果

中试过程中，实验分别选择了4种类型阻垢剂，相关数据通过上位机及实验室获取。

在中试过程中，每一种类的阻垢剂处理量都被保持在设计处理能力的70%～80%之间，单批次中试时间为3天，每批次取样6次，最终取6次实验数据的平均值作为试验结果。

3.2 试验结果的评判

本文根据上述中试结果的数据，对单项指标得分进行了评价。本文将针对不同的阻垢剂，依据指标层中各指标的评价原则选择出最佳的方案，以此为评价标准对各指标进行比值评分。

针对评价指标Ci，本文首先选择方案D层中所对应的最佳指标值作为评价的基准值，将Ci指标对应的方案Dj的指标值与最佳值进行比较，再将得到相应的比值数据作为单项评价得分。

因此，就Ci指标而言，Dj方案的最高得分值为1。

3.3 选型结论分析

本文根据上述结果，按照C层对A层的权重对各单项指标的得分进行了汇总计算，综合得分如表3所示：

表3 方案层各指标综合得分汇总表

本文应用层次分析法对结果进行综合判别后，得到了中试各方案的综合得分，并对其按得分从高到低进行排序，依次为：D3 > D1 > D2。

因此，选择D3方案的阻垢剂是综合考虑阻垢剂性能、处理效果及经济效益等因素后的最佳选择。

4 常用客观筛选指标方法

(1)逐个指标进行假设检验的方法：将一个指标的一种假设，记作H0，选取当H0成立时的检测指标数据分布，进而根据预先给定的显著性水平进行检验，作出拒绝或接受假设H0的判断。

(2)多元回归与逐步回归法：多元回归分析通常将标准化偏回归系数绝对值较大的，或偏回归系数假设检验有一定代表性的数据作为其评价指标。多元回归与逐步分析法是常用的数据分析方法，应用广泛，效果显著。

(3)指标聚类法：该方法是将相同类别的标准进行聚集，使其成为一个完整而统一的类别，随后在从中找出最具代表性的样本。其核心在于通过一定的方式，以典型的样本代替大量的评价模型。

5 结语

综上所述，层次分析法是结合定量与定性分析的模糊综合评价法。层次分析法综合考虑了各种条件和因素，并将实际评判结果划分为不同层次，其分析过程是一种逐层进行综合评价的过程，能够更好地保障评价结果的实际性。

本文通过应用层次分析法，解决了阻垢剂筛选的难题，并根据阻垢剂使用的性能指标、处理效果及经济效益指标，建立了阻垢剂选型的综合决策指标。

在阻垢剂选型的实际应用中，研究者通过烧杯试验确定了上机试验的3种阻垢剂，进而通过综合评价选择了综合评价结果最佳的阻垢剂，为生产实践提供了科学的决策依据。