寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化技術(shù)模式的評(píng)價(jià)與篩選

劉沛含，劉虎成，寇 巍，邵麗杰，王曉明

（1.遼寧省能源研究所有限公司，遼寧 營(yíng)口 115003；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的支持和厭氧發(fā)酵新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，針對(duì)不同發(fā)酵原料和不同地區(qū)的大中型沼氣項(xiàng)目正在逐步建立。寒冷地區(qū)的沼氣工程須要保障反應(yīng)器在低溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沼氣工程中的增溫、保溫工藝進(jìn)行了相應(yīng)研究。由于氣候條件、原料來(lái)源、各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)要求的不同，沼氣工程所采用的厭氧消化技術(shù)也各不相同。常用的厭氧消化技術(shù)包括全混式厭氧消化技術(shù)（CSTR）[1]、升流式厭氧污泥床消化技術(shù)（UASB）[2]、升流式固體厭氧消化技術(shù)（USR）、塞流式厭氧消化技術(shù)（PFR）、序批式厭氧消化技術(shù)（ASBR）、高濃度立/臥式厭氧連續(xù)干發(fā)酵技術(shù)（CDAF）、半地下水泥發(fā)酵池技術(shù)（UCFT）和紅泥膜厭氧消化技術(shù)等。

由于天氣條件、原材料和運(yùn)行需要的不同，不同的厭氧消化技術(shù)在發(fā)酵效率、經(jīng)濟(jì)效益、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間等方面可能有所不同[3]，[4]。同時(shí)，厭氧消化技術(shù)的選擇原則也逐漸從成本驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)可行性優(yōu)先，直至現(xiàn)在的多因素（技術(shù)適應(yīng)性、二次污染、溫室氣體排放等）并行。由此可見(jiàn)，沼氣厭氧發(fā)酵技術(shù)的選擇過(guò)程是由多種因素決定的復(fù)雜決策過(guò)程。因此，特定地區(qū)的沼氣厭氧發(fā)酵技術(shù)篩選已成為全面建設(shè)沼氣工程需要面臨的一個(gè)主要問(wèn)題[5]，[6]。

多因素決策中常用的指標(biāo)權(quán)重確定方法有層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[7]、主成分分析法、熵權(quán)法[8]、德?tīng)柗品ǎ―elphi）、模糊聚類法[9]和TOPSIS法[10]等。

AHP是一種系統(tǒng)的規(guī)劃方法，能夠?qū)⒍ㄐ院投糠治雠c決策過(guò)程有機(jī)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化處理得到更加準(zhǔn)確、客觀、合理的結(jié)果，其基本原則是確定不同方法之間的優(yōu)先順序，并以此作為最終的決策依據(jù)。目前，AHP法在沼氣工程技術(shù)篩選中已多有應(yīng)用[11]～[14]。

針對(duì)北方寒冷地區(qū)沼氣工程的選擇問(wèn)題，本文運(yùn)用層次分析法構(gòu)建了一個(gè)技術(shù)篩選模型，并運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)沼氣工程技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)選排序，從而對(duì)寒冷地區(qū)沼氣工程厭氧發(fā)酵技術(shù)的選擇提供一定的參考。

1 寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化技術(shù)篩選體系構(gòu)建及權(quán)重確定

采用層次分析法確定目標(biāo)的權(quán)重，首先，根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和目標(biāo)，將問(wèn)題分為不同層次的因素。根據(jù)各因素之間的關(guān)系及其影響和隸屬關(guān)系，形成不同層次的組合，形成多層次的分析結(jié)構(gòu)模型；然后，構(gòu)建判斷矩陣并邀請(qǐng)專家進(jìn)行打分；最后，計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化技術(shù)的篩選是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，須要考慮各種相互關(guān)聯(lián)、相互作用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是AHP法的基礎(chǔ)。結(jié)合中國(guó)北方寒冷地區(qū)的實(shí)際情況，并收集近10年來(lái)應(yīng)用率較高的指標(biāo)，本文將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系劃分為2個(gè)層次，將適應(yīng)性指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、社會(huì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為預(yù)達(dá)到總目標(biāo)的準(zhǔn)則層，建立如圖1所示的層次模型。

圖1 寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化技術(shù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Comprehensive evaluation index system of anaerobic digestion technology of agriculturalwaste in cold area

1.2 判斷矩陣的構(gòu)建與權(quán)重的確定

為確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（圖1）中每個(gè)因素對(duì)上一層次的相對(duì)重要性，對(duì)同層次指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比，確定其在目標(biāo)Z中所占的比重。20位專家根據(jù)表1分別對(duì)5個(gè)同層次指標(biāo)組{（C1，C2，C3，C4），（C11，C12，C13，C14），（C21，C22，C23，C24），（C31，C32，C33），（C41，C42）}中指標(biāo)之間的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩對(duì)比賦值，由賦值結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣A=（aij），并對(duì)其進(jìn)行單排序計(jì)算，由式（1）～（3）確定最終的權(quán)重向量W=[W1，W2，…，Wn]T。

表1 指標(biāo)相對(duì)重要性等級(jí)表Table 1 Index relative importance grade table

構(gòu)建判斷矩陣后，須對(duì)其一致性進(jìn)行檢查。將計(jì)算所得一致性指標(biāo)CI與判斷矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI（表2）相比較，可得到隨機(jī)一致性比CR，當(dāng)CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣與層次單排序結(jié)果的一致性良好，否則須要重新調(diào)整判斷矩陣中元素的賦值。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI數(shù)值Table 2 Random consistency index RI

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；（AWi）為AW中的第i個(gè)元素。

1.3二級(jí)指標(biāo)綜合權(quán)重的確定

上述計(jì)算過(guò)程可由Matlab計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際操作中，對(duì)中國(guó)北方地區(qū)20名厭氧消化技術(shù)領(lǐng)域的專家進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，共收回17份問(wèn)卷。由于受個(gè)人主觀因素的影響，每位專家的賦值結(jié)果不盡相同，須對(duì)其賦值所得出的權(quán)重進(jìn)行綜合集結(jié)，統(tǒng)一結(jié)果。在此通過(guò)Hadamard乘積法[式（7）]對(duì)多個(gè)權(quán)重進(jìn)行乘積聚集，再進(jìn)行幾何平均。

式中：Wik為第k個(gè)專家對(duì)第i項(xiàng)指標(biāo)賦值所得出的權(quán)重值；p為專家總?cè)藬?shù)，取值為17。

表3為根據(jù)一位專家的打分得出的一級(jí)指標(biāo)組（C1，C2，C3，C4）指標(biāo)重要性賦值與權(quán)重向量的計(jì)算結(jié)果。通過(guò)計(jì)算可得：一級(jí)指標(biāo)組向量權(quán)重W=（0.393 7，0.393 7，0.075 2，0.137 4）。對(duì)其進(jìn)行一致性檢查，CI=0.001 4，RI=0.90，CR=0.001 6＜0.10，即一致性良好，所得一級(jí)指標(biāo)組向量權(quán)重可用。

表3 根據(jù)專家打分得出的一級(jí)指標(biāo)組賦值與權(quán)重向量的計(jì)算結(jié)果Table 3 According to the expert scoring，the first level index group is assigned and theweight vector is calculated

用上述方法構(gòu)建準(zhǔn)則層與指標(biāo)層的4個(gè)判斷矩陣，求出二級(jí)指標(biāo)組內(nèi)權(quán)重，并檢驗(yàn)一致性。最終得到指標(biāo)層的各指標(biāo)對(duì)寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化技術(shù)篩選權(quán)重值的總排序列（表4）。

表4 各指標(biāo)組內(nèi)權(quán)重與二級(jí)指標(biāo)權(quán)重Table 4 Intra group weightand secondary index weightof each index

2 寒冷地區(qū)厭氧消化技術(shù)方案評(píng)判

2.1 方案與評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的確定

通過(guò)查閱相關(guān)資料，篩選出北方寒冷地區(qū)較為常見(jiàn)的8項(xiàng)厭氧消化技術(shù)。專家須要按照“很好”、“較好”、“一般”、“較差”、“很差”對(duì)應(yīng)“100～80”，“80～60”，“60～40”，“40～20”，“20～0”的分值標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各項(xiàng)技術(shù)方案進(jìn)行打分。

2.2 各項(xiàng)方案綜合得分的分析

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法確定寒冷地區(qū)沼氣工程技術(shù)的綜合排序[15]，對(duì)每位專家的評(píng)分表進(jìn)行整理并對(duì)同種技術(shù)的相同指標(biāo)做算術(shù)平均，將得到的各項(xiàng)技術(shù)不同指標(biāo)的平均得分與對(duì)應(yīng)權(quán)重相乘，從而得到每項(xiàng)技術(shù)的綜合得分，具體結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 寒冷地區(qū)沼氣工程技術(shù)模糊綜合評(píng)判優(yōu)等級(jí)模糊隸屬度Table 5 Fuzzy comprehensive evaluation of Biogas Engineering Technology in cold area

由表5可知：CDAF技術(shù)和UCFT技術(shù)的綜合得分較高，這兩項(xiàng)技術(shù)在冬季低溫影響和太陽(yáng)能利用方面有較大優(yōu)勢(shì)，適用于北方寒冷地區(qū)的厭氧發(fā)酵工程；紅泥膜技術(shù)的綜合得分最低，其抗低溫能力較差，在冬季會(huì)因低溫而停止運(yùn)行；其余技術(shù)的綜合得分相差不大。對(duì)寒冷地區(qū)的適應(yīng)性從高到低依次為CDAF技術(shù)、UCFT技術(shù)、USR技術(shù)、UASB技術(shù)、CSTR技術(shù)、ASBR技術(shù)、PFR技術(shù)、紅泥膜技術(shù)。

3 結(jié)論

結(jié)合專家意見(jiàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)，選擇適應(yīng)性指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、社會(huì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為一級(jí)指標(biāo)，其在寒冷地區(qū)沼氣工程技術(shù)的選擇中所占的比重分別為0.395 1，0.388 5，0.073 6和0.142 8。所選擇的13項(xiàng)2級(jí)指標(biāo)中，權(quán)重最高的前3項(xiàng)分別為技術(shù)穩(wěn)定性、太陽(yáng)能利用和冬季低溫影響，其所占權(quán)重分別為0.223 1，0.192 5和0.125 1。

在確定指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法完成對(duì)沼氣工程技術(shù)的優(yōu)選排序，8項(xiàng)主要技術(shù)的優(yōu)選排序?yàn)镃DAF技術(shù)、UCFT技術(shù)、USR技術(shù)、UASB技術(shù)、CSTR技術(shù)、ASBR技術(shù)、PFR技術(shù)、紅泥膜技術(shù)。