基于AHP-FCE模型的制藥廢水處理技術綜合評價

李娟，成璐瑤，曾萍*，王研，韓璐，趙秀梅

1.中國環境科學研究院水生態環境研究所 2.華北制藥股份有限公司環保部

近年來，隨著制藥行業的快速發展，我國藥品生產種類日益增多，生產規模也不斷擴大。與此同時，制藥行業生產廢水所帶來的環境污染引起了越來越多的關注。制藥廢水是最難處理的工業廢水之一，具有水質復雜、化學需氧量(COD)高、有毒有害物濃度高、可生化性差、色度高等特點[1]，直接排放會對人類和環境造成極大威脅[2]。按生產方法不同，制藥工業生產主要包括化學合成類、發酵類、提取類、生物工程類、中藥類和混裝制劑類6類[3]，不同類別的制藥廢水水質具有較大差異[1]，其中污染較重的是化學合成類和發酵類藥物的生產廢水。

為有效控制制藥廢水帶來的環境污染，國內外學者已經開展了諸多制藥廢水處理技術的研究，主要包括物理法(吸附法[4]、膜分離法[5]等)，化學法(混凝法[6]、絡合萃取法[7]、鐵碳微電解法[8]、高級氧化法[9-10]等)，生物法(好氧/厭氧生物處理技術[11-12]、厭氧-好氧組合技術等[13])。不同類型的制藥廢水處理技術具有不同的特點，且制藥廢水各組分比例通常不穩定、水質較為復雜，僅靠單一的處理技術很難達到排放標準，通常需要采用多種處理技術聯合使理。為選擇合適的制藥廢水處理技術，改善制藥行業的污染現狀，有效減少制藥行業污染物的產生量和排放量，有必要對制藥廢水處理技術進行綜合評價，為企業推薦合適的可行技術。

層次分析法與模糊綜合評價法相結合的評價方法(AHP-FCE)是一種對多影響因素的事物進行綜合定量評價的有效方法[14]。該方法將層次分析法和模糊綜合評價法結合起來，充分發揮二者的優點：首先通過層次分析法進行評價指標權重的計算，實現評價指標的量化，增強評價結果的客觀性；然后通過模糊綜合評價法進行綜合評價，提高評價結果的嚴謹性和可靠性。目前，AHP-FCE評價法已經在方案優選[15]、礦山綜合評價[16]、績效評價[17]等諸多領域得到了廣泛應用。

制藥行業是我國環境治理的重點監測行業，是我國《水污染防治行動計劃》中十大重點整治行業之一。國家水體污染控制與治理科技重大專項(簡稱“水專項”)針對制藥行業的污染治理持續開展了技術研發并產出大量技術成果，基于這些技術成果，筆者建立適合制藥廢水處理技術評價的指標體系，采用AHP-FCE模型對“水專項”研發的制藥廢水處理技術進行綜合評價，以期為制藥廢水處理技術的選擇提供技術支持。

1 評價技術的來源與清單

通過文獻查閱、企業調研與專家咨詢相結合的方法，選取了催化濕式氧化、鐵碳微電解技術、沉淀結晶技術、樹脂吸附技術、無機陶瓷膜分離技術、超濾-反滲透雙膜分離技術、臭氧催化氧化技術、復合厭氧反應器-好氧反應器(ABR-CASS)生物強化處理技術、水解酸化-接觸氧化技術、脈沖電絮凝技術、升流式厭氧污泥床-膜生物反應器(UASB-MBR)組合技術、多級內循環(MIC)厭氧強化生物處理技術、兩級分離內循環厭氧反應器共13項“水專項”研發的關鍵技術作為制藥廢水處理技術備選清單，該13項技術中包含了物化處理法、生物處理法及組合處理技術等[8,18-19]，技術簡介如表1所示。

表1 評價技術簡介Table 1 Introduction of evaluation technology

續表1

2 技術評價方法

2.1 評價指標體系的建立

評價指標的選擇主要以相關廢水處理技術評價指標體系作為參考，同時結合制藥廢水處理的特點，通過文獻查閱、現場調研及專家咨詢的方法，形成了制藥廢水處理技術評價指標體系(表2)。指標體系分為目標層、準則層、指標層3個層次，一級指標(B層)包括技術性能、經濟性能和環境效益3方面指標，二級指標(C層)包括技術先進性、技術可靠性、技術適用性等6類指標，三級指標(D層)包括技術先進性、COD去除率等15個指標。

表2 制藥廢水處理技術評價指標體系Table 2 Evaluation index system of pharmaceutical wastewater treatment technology

2.2 AHP-FCE評價方法

2.2.1層次分析法計算不同層級指標權重

由判斷矩陣標度及含義的評價標準[14]，根據專家對不同層級評價指標相對重要性的賦值結果構建判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的特征向量，分別計算得到各評價指標對上一層級的權重。同時，根據判斷矩陣的最大特征根進行一致性檢驗，當隨機一致性比例(CR)小于0.1時，判斷矩陣通過一致性檢驗，可通過歸一化處理得到各評價指標的權重,公式如下:

D層各評價指標對A層的綜合權重=一級指標權重×二級指標權重×三級指標權重

(1)

2.2.2模糊綜合評價

2.2.2.1評價標準

通過文獻查閱、現場調研及專家咨詢，將指標的評價標準分為很好、較好和一般3個等級(表3)。根據專家對13項技術的各評價指標的打分結果構建權重矩陣。

表3 指標評價標準Table 3 Index evaluation criteria

2.2.2.2一級模糊綜合評價

根據式(1)計算得到評價技術的第一層模糊綜合評價集，由此得到C層的權重矩陣：

WCj=Wi×Ri

(2)

式中：WCj為評價技術的第一層模糊綜合評價集；j為C層指標的序號，j取1，2，…，6；i為D層指標的序號，i取1，2，…，15；Wi為評價技術的D層指標i的權重；Ri為評價技術的D層指標i的權重矩陣。

由此可以得到技術性能的C層權重矩陣(WE1)=[WC1，WC2，WC3]T，經濟性能的C層權重矩陣(WE2)=[WC4]T，環境性能的C層權重矩陣(WE3)=[WC5，WC6]T。

2.2.2.3二級模糊綜合評價

根據式(2)可計算得到評價技術的第二層模糊綜合評價集，并由此可以得到B層權重矩陣：

WBm=Wj×WEj

(3)

式中：WBm為評價技術的第二層模糊綜合評價集；Wj為評價技術的C層指標j的權重；WEj為評價技術的C層指標j的權重矩陣。

由此可以得到評價技術的B層權重矩陣(WB)=[WB1，WB2，WB3]T。

2.2.2.4三級模糊綜合評價

根據式(3)可計算得到評價技術的第三層模糊綜合評價集：

WA=W×WB

(4)

式中：WA為評價技術的第三層模糊綜合評價集；W為B層指標的權重；WB為B層權重矩陣。

2.2.2.5綜合評價得分計算

對指標的3個評價等級很好、較好、一般，分別賦值(F)為5分、3分、1分，由WA得到的模糊綜合評價所屬隸屬度乘以F，即得到被評價技術的綜合評價得分(G)。計算公式為：

G=WA×F

(5)

3 技術評價結果與分析

3.1 評價指標權重計算結果

根據專家對各評價指標相對重要性的賦值結果，分別計算得到不同層級指標的權重和D層各指標對A層的綜合權重(表4)。由表4可知，B層中，環境效益所占的權重最大，表明相較于技術性能和經濟性能，環境效益更為重要。技術性能中，技術可靠性的權重最大，表明技術性能中最重視技術可靠性；環境效益中，污染物削減的權重較大，表明相較于二次污染指標，污染物削減更加重要。D層中，綜合權重最大的是環境效益下的COD削減效果，表明在制藥廢水污染控制技術中，最重視的是COD的削減效果。

表4 制藥廢水處理技術評價指標的權重Table 4 Comprehensive weight of technical evaluation indexes for pharmaceutical wastewater treatment technology

技術性能各指標中，綜合權重最大的是運行安全性，其次為抗沖擊負荷，表明制藥廢水處理技術的運行安全性和穩定性是企業關注的重點；經濟性能各指標中，綜合權重最大的是噸水處理成本，表明相較于基建投資費用和年運行維護費，噸水處理成本對企業的運行成本影響更大；環境效益各指標中，綜合權重最大的是COD削減效果，表明相較于氨氮、總磷削減效果以及污泥產生量，制藥企業更加關注COD的削減效果。

3.2 模糊綜合評價結果

邀請行業內相關專家根據指標評價標準(表3)對13項制藥廢水處理技術進行打分，采用百分比統計法統計專家意見，得到13項技術的評價結果如表5所示。

表5 制藥廢水處理技術專家評價結果統計Table 5 Statistics of expert evaluation results for pharmaceutical wastewater treatment technology

首先根據式(2)、式(3)、式(4)，分別對催化濕式氧化技術、鐵碳微電解技術、沉淀結晶技術、樹脂吸附技術、無機陶瓷膜分離技術、超濾-反滲透雙膜分離技術、臭氧催化氧化技術、ABR-CASS生物強化處理技術、水解酸化-接觸氧化技術、脈沖電絮凝技術、UASB-MBR組合技術、MIC厭氧強化生物處理技術、兩級分離內循環厭氧反應器13種制藥廢水處理技術進行一級、二級和三級模糊綜合評價。三級模糊綜合評價結果如下：催化濕式氧化技術的WA為{0.316 4，0.348 8，0.334 8}；鐵碳微電解技術的WA為{0.283 3，0.404 6，0.312 1}；沉淀結晶技術的WA為{0.249 8，0.418 5，0.331 7}；樹脂吸附技術的WA為{0.201 6，0.422 8，0.375 6}；無機陶瓷膜分離技術的WA為{0.403 7，0.406 2，0.190 1}；超濾-反滲透雙膜分離技術的WA為{0.389 0，0.367 2，0.243 8}；臭氧催化氧化技術WA為{0.360 8，0.406 4，0.232 8}；ABR-CASS生物強化處理技術的WA為{0.343 2，0.562 4，0.094 4}；水解酸化-接觸氧化技術的WA為{0.278 1，0.608 6，0.113 3}；脈沖電絮凝技術的WA為{0.284 3，0.499 6，0.216 1}；UASB-MBR組合技術的WA為{0.384 5，0.533 6，0.081 9}；MIC多級內循環厭氧強化生物處理技術的WA為{0.376 3，0.423 4，0.200 3}；兩級分離內循環厭氧反應器的WA為{0.463 3，0.323 3，0.213 4}。

根據式(5)可計算得到各項制藥廢水處理技術的綜合得分，結果如表6所示。由表6可知，制藥廢水處理技術綜合得分最高的是UASB-MBR組合技術，得分最低的是樹脂吸附技術。UASB-MBR組合技術將厭氧生物處理與好氧生物處理技術結合起來，利用UASB工藝中的顆粒污泥和MBR工藝中微濾膜的菌體固定作用和截留能力[20]，實現制藥廢水中污染物的有效去除。崔曉宇等[21]采用UASB-MBR組合技術對黃連素制藥廢水的處理效果進行了中試研究，針對黃連素廢水可生化性差、有機物濃度高等特點，利用微生物的生化反應去除黃連素廢水中的高濃度有機物和黃連素，考察了UASB-MBR組合技術對CODCr和黃連素的去除效果，并對系統進、出水中的特征污染物進行了分析。結果表明：UASB可以明顯降低黃連素廢水中特征污染物的種類和濃度；UASB出水經MBR處理后，廢水中的11種主要特征污染物均可得到有效降解。在中試條件下，UASB-MBR組合技術處理黃連素廢水粗算的運行成本約為10.3元/t。可見，本研究對UASB-MBR組合技術的評價結果與該技術的試驗效果一致。樹脂吸附技術是以樹脂作為吸附劑處理制藥廢水的方法，具有吸附容量大、污染物回收利用率高、無二次污染等特點[22]，但由于制藥廢水中污染物濃度較高、成分復雜，樹脂吸附技術對制藥廢水的處理效果有限，通常需要與其他技術組合應用。

續表5

表6 制藥廢水處理技術綜合得分Table 6 Comprehensive score of pharmaceutical wastewater treatment technology

4 結論

(1)構建了包含技術性能、經濟性能、環境效益3個層級、15項指標的適用于制藥廢水處理技術評價的指標體系，采用AHP法計算不同層級指標權重，通過FCE模型得到三級模糊綜合評價集，由此計算綜合得分。

(2)采用AHP-FCE方法對制藥廢水處理13種技術進行評價，得出最優的制藥廢水處理技術是UASB-MBR組合技術，該評價結果與企業目前普遍采用的廢水處理技術一致。