層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)法在制漿造紙水污染控制技術(shù)評(píng)估中的應(yīng)用

王敏,尹崇鑫,程金蘭,朱文遠(yuǎn)

(南京林業(yè)大學(xué)輕工與食品學(xué)院，江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210037)

制漿造紙工業(yè)工藝復(fù)雜，產(chǎn)生的廢水量較大。不同制漿造紙企業(yè)采用不同的原料、生產(chǎn)工藝以及水污染控制技術(shù)方式等，產(chǎn)生的廢水污染負(fù)荷有所不同，污染物種類與性質(zhì)也千差萬別[1]。當(dāng)前的制漿造紙廢水節(jié)能減排技術(shù)目錄與技術(shù)政策中未有系統(tǒng)規(guī)范的制漿造紙水污染控制技術(shù)遴選和評(píng)價(jià)方法，不同學(xué)者提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法也參差不齊，遴選結(jié)果存在較大的不確定性[2]。故當(dāng)前急需形成制漿造紙水污染控制技術(shù)遴選、評(píng)價(jià)與推廣的長效機(jī)制。

現(xiàn)代綜合評(píng)價(jià)方法有很多，如主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。由于評(píng)價(jià)對(duì)象的所屬目標(biāo)范圍不同，現(xiàn)代綜合評(píng)價(jià)方法的選用與實(shí)際技術(shù)應(yīng)用時(shí)存在一定的差異。根據(jù)2015年第9號(hào)中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)頒布的《制漿造紙行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》法規(guī)，制漿造紙水污染控制處理技術(shù)評(píng)估涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境等多個(gè)方面，有多屬性、多層次及模糊性等特點(diǎn)，定量分析比較困難。而層次分析法(AHP)[3]所需的定量數(shù)據(jù)信息較少，計(jì)算結(jié)果和過程簡(jiǎn)單明確、容易理解，是一種定性和定量相結(jié)合可評(píng)價(jià)多指標(biāo)、多層次的多準(zhǔn)則決策方法。模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)[4]則基于模糊數(shù)學(xué)，可以表示出各因素之間的模糊關(guān)系，解決傳統(tǒng)方法無法解決的多種因素評(píng)價(jià)之間的模糊性問題。AHP-FCE結(jié)合模型應(yīng)用廣泛，準(zhǔn)確性高，已應(yīng)用于政策評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等許多領(lǐng)域[5-7]。楊國洪[8]聘請(qǐng)了5位環(huán)保專家，針對(duì)造紙企業(yè)的部分節(jié)水減排措施采用了AHP-FCE進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為對(duì)企業(yè)節(jié)水減排貢獻(xiàn)較大的措施為添加助留助濾劑、廢水和白水回用以及安裝高壓清水泵等，研究中未涉及制漿過程與終端廢水處理，專家人數(shù)與咨詢次數(shù)相對(duì)較少，指標(biāo)體系的構(gòu)建不夠全面。

筆者結(jié)合“十三五重點(diǎn)行業(yè)水污染全過程控制技術(shù)集成與工程實(shí)證”課題，參考相近行業(yè)的最新研究成果，構(gòu)建了制漿造紙水污染控制技術(shù)的評(píng)估指標(biāo)體系，建立各評(píng)估指標(biāo)的隸屬函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)的定量化，并構(gòu)建了制漿造紙行業(yè)水污染控制技術(shù)評(píng)估模型，對(duì)不同制漿造紙水污染控制技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)狀調(diào)研和技術(shù)評(píng)估，進(jìn)而計(jì)算綜合指標(biāo)，遴選最優(yōu)技術(shù)。

1 制漿造紙水污染控制技術(shù)評(píng)估指標(biāo)體系的建構(gòu)

評(píng)估指標(biāo)的合理選擇與制漿造紙行業(yè)水污染控制技術(shù)評(píng)估相關(guān)聯(lián)，且要滿足層次性與系統(tǒng)性的原則。參考楊國洪[8]的體系構(gòu)建，并結(jié)合四川大學(xué)姜河等[9]對(duì)牛皮制革過程污染控制技術(shù)評(píng)估模型及其他行業(yè)評(píng)估模型[10-12]，本研究構(gòu)建的制漿造紙廢水污染控制技術(shù)層次結(jié)構(gòu)模型，確定了隸屬關(guān)系。模型中包含目標(biāo)層(A層)、準(zhǔn)則層(B層)、指標(biāo)層(C層)3個(gè)層次，形成了4個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)和11個(gè)指標(biāo)層指標(biāo)的遞階層次評(píng)價(jià)體系，其中準(zhǔn)則層4個(gè)指標(biāo)分別為技術(shù)技能、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境影響和運(yùn)行管理，主要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益和環(huán)境安全性角度考慮。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架見圖1。

2 層次分析指標(biāo)權(quán)重確定

跟多家制漿造紙企業(yè)與研究所溝通后遴選了多位制漿造紙、環(huán)境工程等領(lǐng)域的專家，分別來自華南理工大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院林產(chǎn)化學(xué)研究所、亞洲漿紙業(yè)有限公司等13家單位。其中，制漿造紙工業(yè)清潔生產(chǎn)專家8名，環(huán)保專家5名。通過專家咨詢與打分，在B層和C層因素各層次元素中將兩兩因素進(jìn)行相互比較，并構(gòu)造出判斷矩陣，先計(jì)算準(zhǔn)則層B中的4個(gè)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重，再進(jìn)一步計(jì)算它們的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。專家評(píng)定表的設(shè)定基于九分標(biāo)度法的基本原理[9]，由專家判定指標(biāo)間兩兩因素比較時(shí)的相對(duì)重要性和優(yōu)劣程度，填寫合適的重要程度賦值。

根據(jù)n的階數(shù)查表1可得平均一致性指標(biāo)(RI，RI)[13]，當(dāng)n的階數(shù)為4時(shí)，RI=0.90。首先計(jì)算一致性檢驗(yàn)指標(biāo)(CI，記為CI)，見公式(1)：

(1)

式中：λmax表示矩陣的最大特征根；n表示矩陣的階數(shù)。再檢驗(yàn)隨機(jī)一致性比例(CR=CI/RI)是否小于0.1：若小于，則表示一致性比例驗(yàn)證通過；若結(jié)果顯示一致性檢驗(yàn)不滿足，則需要征求專家意見，并對(duì)打分結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直至滿足一致性檢驗(yàn)為止并計(jì)算權(quán)重值。

2.1 一級(jí)指標(biāo)層次分析指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

對(duì)13位專家打分制定評(píng)定表，得到構(gòu)造矩陣A。如根據(jù)第1位專家的技術(shù)評(píng)估賦值打分，得矩陣：

求得矩陣A的最大特征根λmax=4.096 3，相應(yīng)的特征向量w=(0.152 2，0.115 6，0.255 9，0.476 3)，即為該專家賦值的一級(jí)權(quán)重系數(shù)。已知矩陣階數(shù)n=4，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=0.90，根據(jù)公式(1)，得到CI=0.032 1，隨機(jī)一致性比例CR=0.035 7<0.1，因此，一致性檢驗(yàn)通過。同理計(jì)算得到其余12位專家一級(jí)權(quán)重系數(shù)，見表1。用同樣的方法計(jì)算其二級(jí)權(quán)重系數(shù)，結(jié)果見表2。

表1 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

表2 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

2.2 綜合權(quán)重計(jì)算

綜合權(quán)重計(jì)算公式為W=一級(jí)指標(biāo)權(quán)重×二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。因?qū)＜掖蚍忠蛉硕悾枰獙?duì)專家各級(jí)權(quán)重評(píng)分表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算權(quán)重平均值，計(jì)算得到評(píng)價(jià)指標(biāo)最終的綜合權(quán)重系數(shù)，見表3。

由表3可知：4個(gè)一級(jí)指標(biāo)中，環(huán)境影響所占比重最大，遠(yuǎn)超過其他一級(jí)指標(biāo)，其次是運(yùn)行管理，再次是技術(shù)性能，經(jīng)濟(jì)成本所占比重最小。二級(jí)指標(biāo)中的廢水減少量與污染物減少量綜合權(quán)重系數(shù)最高，說明它們對(duì)評(píng)估得分的影響程度最高，綜合能耗與資源消耗影響程度緊隨其后。綜合權(quán)重系數(shù)最低的二級(jí)指標(biāo)是工程投資，其次是技術(shù)先進(jìn)性。從專家打分結(jié)果看，對(duì)水污染控制技術(shù)的評(píng)價(jià)而言，環(huán)境影響是首要考慮因素，并不是投資與技術(shù)先進(jìn)性。

表3 制漿造紙水污染控制技術(shù)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重

3 模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)按以下3個(gè)步驟進(jìn)行：

1)確定隸屬度。邀請(qǐng)10位專家對(duì)制漿造紙水污染控制技術(shù)進(jìn)行打分，采用百分比統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)專家意見。例如10位專家對(duì)C1指標(biāo)按“很好、較好、一般”3個(gè)等級(jí)進(jìn)行打分評(píng)判，10位專家中有5位認(rèn)為很好，3位認(rèn)為較好，2位認(rèn)為一般，那么這一指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的隸屬度為0.5，0.3和0.2，它的模糊隸屬矩陣為[0.5 0.3 0.2]。

2)一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。構(gòu)造準(zhǔn)則層Bi所包含的最底層模糊隸屬矩陣和權(quán)重矩陣，見公式(2)：

Bi=W1i×Ri

(2)

式中：Bi為準(zhǔn)則層B中第i項(xiàng)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)矩陣；W1i為指標(biāo)層C相對(duì)于其所屬準(zhǔn)則層Bi的權(quán)重矩陣；Ri為指標(biāo)層C的模糊隸屬矩陣；i為第幾個(gè)因素。

3)二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。通過一級(jí)模糊綜合計(jì)算得出準(zhǔn)則層B中各項(xiàng)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，見公式(3)：

E=W2×M

(3)

式中：E為最終的綜合判斷結(jié)果；W2為準(zhǔn)則層B中的各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層A的權(quán)重矩陣；M為準(zhǔn)則層B中各項(xiàng)指標(biāo)的一級(jí)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果所構(gòu)成的模糊評(píng)價(jià)矩陣。

3.1 制漿工段廢水污染控制技術(shù)綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

制漿水污染控制技術(shù)評(píng)估選取漂白工段，對(duì)包括傳統(tǒng)的氯化、堿處理、次氯酸鹽(CEH)三段漂白、常用的無元素氯(ECF)漂白和最新的全無氯(TCF)漂白3種技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)估。

1)確定指標(biāo)隸屬度：對(duì)清潔漂白的3種技術(shù)，選擇采用百分比統(tǒng)計(jì)方法對(duì)專家意見進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后得到定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。專家評(píng)估結(jié)果見表4。

表4 漂白工序?qū)＜译`屬度打分統(tǒng)計(jì)

2)進(jìn)行一級(jí)模糊評(píng)價(jià)：以其中CEH三段漂白技術(shù)為例，構(gòu)造準(zhǔn)則層B，根據(jù)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層評(píng)價(jià)矩陣，M=[B1B2B3B4]T。

3)進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)：根據(jù)公式(3)，得到二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集：E1=[0.330 2 0.219 1 0.436 4]。

通過同樣的步驟，ECF清潔漂白技術(shù)和TCF清潔漂白技術(shù)進(jìn)行一級(jí)和二級(jí)模糊評(píng)估：得到結(jié)果E2=[0.743 8 0.140 5 0.101 5]，E3=[0.657 6 0.194 7 0.133 4]。根據(jù)最大隸屬度原則，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大表明綜合效益越高[14]。對(duì)于清潔漂白技術(shù)的3種污染控制技術(shù)，ECF清潔漂白技術(shù)綜合評(píng)價(jià)矩陣E2與TCF綜合評(píng)價(jià)矩陣E3中都是第1個(gè)元素的數(shù)值最大，表明ECF與TCF清潔漂白技術(shù)是很好的污染控制技術(shù)；而CEH三段漂白技術(shù)綜合評(píng)價(jià)矩陣E1中第3個(gè)元素的數(shù)值最大，表明該技術(shù)為一般的污染控制技術(shù)。從專家賦值來看，TCF漂白技術(shù)先進(jìn)、綜合能耗低，污染控制好，得分高，但沒有ECF 技術(shù)穩(wěn)定。ECF技術(shù)先進(jìn)性不如TCF，但技術(shù)適用性好，穩(wěn)定性好。CEH漂白的技術(shù)成熟度好，但污染控制困難，得分低，技術(shù)一般。有資料表明，河南銀鴿實(shí)業(yè)投資股份有限公司利用ECF漂白技術(shù)處理后，發(fā)現(xiàn)廢水排放量減少91.97萬t/a，COD減排量81.6 t/a，BOD5減排量8.74 t/a，同時(shí)減少了氯氣排放，達(dá)到了清潔生產(chǎn)的目的，對(duì)環(huán)境效益較明顯[15]。

3.2 造紙工段水污染控制技術(shù)綜合評(píng)價(jià)

造紙工段水污染控制技術(shù)選擇造紙白水梯級(jí)循環(huán)回用工段進(jìn)行綜合量化評(píng)估，評(píng)估技術(shù)為微氣浮技術(shù)和多圓盤過濾技術(shù)2個(gè)技術(shù)。造紙白水梯級(jí)循環(huán)回用技術(shù)專家詳細(xì)打分表見附錄表14。在進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)計(jì)算后，同樣得到2個(gè)矩陣：E1=[0.609 5 0.266 5 0.109 9]，E2=[0.656 7 0.229 0 0.100 1]。2個(gè)矩陣中都是第1個(gè)元素的數(shù)值最大，說明多圓盤過濾技術(shù)和微氣浮技術(shù)都是有效的污染控制技術(shù)。從專家賦值來看，微氣浮技術(shù)較先進(jìn)，并且可以節(jié)約經(jīng)濟(jì)工程投資，得分高，但是技術(shù)適用性和技術(shù)成熟度不如多圓盤過濾技術(shù)。多圓盤過濾技術(shù)雖在技術(shù)先進(jìn)性上不如微氣浮技術(shù)，但污染控制得分項(xiàng)高。據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)道[16]，利用多圓盤處理白水使得超清濾液澄清度明顯提高，其中OCC漿造紙白水回收的超清濾液澄清度低于50 mg/L，全木漿衛(wèi)生紙白水回收的超清濾液澄清度不高于25 mg/L，可以增加紙機(jī)清水代替量，且提高了白水回收利用率。

3.3 末端廢水綜合處理工段水污染控制技術(shù)綜合評(píng)價(jià)

末端廢水綜合處理工段水污染控制技術(shù)種類較多，筆者主要選擇較為常見均改良Fenton氧化工藝、臭氧氧化深度處理技術(shù)和混凝沉淀或氣浮深度處理這3項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。專家詳細(xì)評(píng)估打分統(tǒng)計(jì)表見附錄表15，通過計(jì)算得到3個(gè)矩陣：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個(gè)矩陣中都是第1個(gè)元素的數(shù)值最大，說明3種技術(shù)都是很好的水污染控制技術(shù)。但改良Fenton氧化工藝的第1個(gè)元素?cái)?shù)值最大，表明其相對(duì)最好；混凝沉淀或者氣浮深度處理技術(shù)的第1個(gè)元素值居次，表示其技術(shù)較好；臭氧氧化深度處理技術(shù)的第1個(gè)元素值最小，于3種技術(shù)比較而言，它相對(duì)一般。從專家賦值表中看到，混凝沉淀或者氣浮深度處理技術(shù)運(yùn)行成本相對(duì)較低，臭氧氧化深度處理技術(shù)先進(jìn)性好，F(xiàn)enton氧化工藝的污染物控制程度高。相關(guān)資料表明，F(xiàn)enton氧化工藝技術(shù)可以在廢水預(yù)處理工段提高廢水的可生化性[17]，還能高效地脫色廢水，降解難處理有機(jī)物和毒性物質(zhì)[18]。氣浮深度處理技術(shù)可以節(jié)約土地資源、提升污水的凈化速率[19]，高效氣浮法對(duì)COD去除率為58.6%，SS去除率為90.2%[20]，混凝沉淀對(duì)COD、SS去除率分別在37%、70%以上[21]。臭氧處理可以完全降解制漿造紙廢水中的木質(zhì)素類物質(zhì)，同時(shí)降低水中淀粉類物質(zhì)的污染負(fù)荷，有效增加廢水中COD的去除率[22]。

4 綜合評(píng)估得分計(jì)算

采用AHP-FCE模型，最后的評(píng)價(jià)結(jié)果得到一個(gè)隸屬等級(jí)，無法準(zhǔn)確判斷出不同技術(shù)間的優(yōu)越性，還需要通過計(jì)算綜合得分來對(duì)多個(gè)技術(shù)進(jìn)行比較優(yōu)選，在層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)“很好，較好，一般”，分別賦予“5分，3分，1分”的分值，將最后的模糊綜合評(píng)估結(jié)果所屬的隸屬度分別乘以等級(jí)分值Fn，即可以得到該技術(shù)最終的綜合評(píng)估得分，結(jié)果見表5。綜合評(píng)估得分計(jì)算方法見公式(4)：

(4)

式中：Di為污染控制技術(shù)i的綜合評(píng)估得分；Eij為污染控制技術(shù)i的指標(biāo)j的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果；Fn為評(píng)價(jià)等級(jí)分值，n=1，2，3。

用上述方式計(jì)算，對(duì)一特定工序所有的污染控制技術(shù)按照分?jǐn)?shù)高低進(jìn)行排序，篩選出該工序的最佳可行污染控制技術(shù)。由表5可知，雖然ECF和TCF在模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果中都是很好的清潔漂白技術(shù)，但ECF得分高于TCF，評(píng)估結(jié)果推薦首選ECF。造紙白水梯級(jí)循環(huán)回用工段的2種技術(shù)的得分都不錯(cuò)，但微氣浮技術(shù)的得分略低于多圓盤過濾技術(shù)，說明多圓盤過濾技術(shù)更被推薦。3種造紙廢水綜合處理技術(shù)的綜合得分都比較高，即它們?cè)趶U水處理中都有很好的發(fā)展和應(yīng)用。相對(duì)而言，改良Fenton氧化工藝綜合評(píng)估得分最高，混凝沉淀或氣浮深度處理技術(shù)其次，臭氧氧化深度處理技術(shù)在三者中居后。

表5 制漿造紙水污染控制技術(shù)綜合評(píng)估得分

5 結(jié) 論

本研究構(gòu)建了制漿造紙水污染控制技術(shù)評(píng)估體系，依照專家打分進(jìn)行層次分析與模糊評(píng)價(jià)，對(duì)制漿造紙水污染控制技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)估與優(yōu)選。

1)環(huán)境影響是4個(gè)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重中最主要的影響因素，而運(yùn)行管理影響最小。二級(jí)指標(biāo)中廢水減少量、污染物減少量綜合權(quán)重系數(shù)最高，工程投資綜合權(quán)重系數(shù)最低。

2)使用AHP-FCE模型對(duì)制漿漂白的3種技術(shù)進(jìn)行水污染控制技術(shù)評(píng)估，按最終得分得出最優(yōu)的水污染控制技術(shù)是ECF；造紙白水梯級(jí)循環(huán)回用技術(shù)中的多圓盤過濾技術(shù)優(yōu)于微氣浮技術(shù)；末端廢水綜合處理工段中的改良Fenton氧化工藝最優(yōu)。其中ECF在所有評(píng)價(jià)技術(shù)中得分最高。

3)應(yīng)用AHP-FCE對(duì)制漿造紙工藝的水污染控制技術(shù)評(píng)估與篩選是可行的，可以為企業(yè)決策與政策制定等提供參考。