基于層次分析法的泥水分離絮凝劑比選

郝占豪 （上海建工集團股份有限公司，上海 200080）

1 引言

在鉆孔樁基施工、地下連續墻施工、泥水盾構施工及某些非開挖施工過程中，需輔以人工造漿，以起到護壁、攜渣、冷卻、清孔等作用[1]。該泥漿一般為黏稠狀流體或半流體，主要由液體、膨潤土及化學添加劑形成。使用后的泥漿，成分及性能指標發生變化，不再滿足泥漿性能規定的要求，即成為廢棄泥漿。大量的廢棄泥漿，如不及時處理不僅會破壞施工現場安全文明施工形象，也會占用有限的施工場地，制約現場交通組織。由于工程泥漿使用時須添加各類處理劑，廢棄泥漿中含有不少對環境有害的物質。過去，一些企業縱容施工工地非法將廢棄泥漿無序偷排亂排入河道，對自然生態造成嚴重污染。現在，為避免麻煩，較多工地使用直接裝車外運進行填埋的方式，該方法直接簡單，但運輸成本高昂，外運過程中有產生二次污染的可能。因此，如何經濟高效妥善處置廢棄泥漿成為人們的研究重點。

常見的廢棄泥漿處理方法主要有通過添加水泥、礦渣等固化劑使其固化[1][2]，投加化學絮凝劑破壞其膠體狀態進行泥水分離，機械設備物理脫水等[3]。近年來，工程實踐中多采用絮凝劑和機械設備脫水相結合的方法，即先通過投放絮凝劑對廢棄泥漿進行初步泥水分離，再用機械設備進一步處理。絮凝劑的選用對廢棄泥漿脫水效果具有重要影響，不少學者在這方面進行了研究。武亞軍等[4]進行試驗研究發現pH值對泥漿穩定性及絮凝劑絮凝效果有較大影響，基于此進一步研究了泥漿添加絮凝劑后pH值不同調節方式；梁止水等[5]研究分析了不同種類絮凝劑和聯合絮凝劑對廢棄泥漿泥水分離的效果，為快速泥水分離技術提供參考；羅禮華等[6]試驗分析了多種絮凝劑，指出水溫、攪拌方式及投入量是影響絮凝劑作用效果的敏感因素。

目前關于絮凝劑的研究多側重于在理想環境下絮凝效果的影響因素分析，對于如何綜合各性能參數對選擇絮凝劑種類鮮有研究[7]。通過已有的文獻可以看出，絮凝劑的作用效果受到溫度、PH值、泥漿濃度等因素影響。現今大多數工程工期緊、場地有限，幾乎沒有為達到最佳絮凝效果創造最適宜環境的條件。因此本文在不考慮最佳外界環境的因素的基礎上，就如何選取處理廢棄泥漿最佳絮凝劑進行分析。

2 層次分析法概述

層次分析法（AHP）是上世紀七十年代T.L.Saaty提出的，該方法將復雜問題分解，形成遞階的組成因素層次，同一層次的兩兩因素進行比較，對重要性進行賦值，既可以定性又能定量地分析問題，為決策提供綜合判斷依據[7]。

層次分析法首先將問題分解為若干元素，歸納分類后形成不同層次，通常上一層次的元素支配下一層次的元素，層層遞階，形成遞階層次結構。其中首層為目標層，最底層為方案層，中間若干層為準則層或子準則層。針對上一層次各元素，受支配的下一層次n個元素，需進行兩兩比較（表1），構建判斷矩陣(aij)nxn，其中。

比例標度表 表1

利用根法計算矩陣A的最大特征值和對應特征向量，矩陣A各元素按行相乘，乘積分別開n次方，得到的方根向量歸一化即為權向量w。

為保證判斷矩陣不出現極端矛盾情況，需進行一致性檢驗。

當 C.R.<0.1時，則一致性檢驗通過；否則，需對判斷矩陣進行修改。其中一致性指標R.I.可通過查表獲得。

最后，自上而下進行總層次排序，計算某層次對于目標層的權值，并進行一致性檢驗。

3 基于層次分析法的絮凝劑比選

絮凝劑種類繁多，包括無機絮凝劑和有機絮凝劑。本文分別選取4種絮凝劑進行試驗，分別為聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁、聚合聚鐵硅、聚硅酸硫酸鐵，其中。取用上海某工程廢棄泥漿，對每份150mL廢棄泥漿樣本，分別加入不同種類的濃度為1‰的絮凝劑溶液，充分攪拌3min，靜置1min后，測定上清液體積和上清液濁度。利用抽氣泵繼續對沉積物進行抽濾，完全分離固液體，測定抽濾水體積及濁度，計算濾餅含水率。

將測定的五個參數作為判斷指標對絮凝劑進行優選，其中清液濁度表示經絮凝劑作用，泥漿膠體穩定性被破壞，絮凝沉淀后上層清液的渾濁程度，數值越小越好；濾液濁度表示絮凝作用后的沉積物經充分過濾后濾水的渾濁程度，數值越小越好；上清液和抽濾水的量越大，代表脫水效果越好；殘余固化物含水率為絮凝并過濾后沉積物的含水率，數值越小越好。可以看到，上清液和抽濾水越多，清液濁度、濾液濁度及殘余固化物含水率并不一定越小，判斷指標兩兩之間并不一定呈正向變化關系。因此，如何進行合理取舍從而選擇出最佳絮凝劑變得復雜困難。

根據試驗結果，采用層次分析法綜合上清液、清液濁度、抽濾水、濾液濁度以及殘余固化物含水率等性能參數比選出最佳絮凝劑。

3.1 建立層次結構體系

將選擇最佳絮凝劑作為目標層A，上清液體積、上清液濁度、抽濾水體積、濾液濁度、殘余固化物含水率作為準則層B，絮凝劑種類作為方案層C。

3.2 構造判斷矩陣、確定最佳絮凝劑

根據1～9標度法，兩兩比較可得準則層對目標層的判斷矩陣：

圖1 遞階層次結構

絮凝劑脫水性能參數結果 表2

根據表1，在本次判斷矩陣構造中，認為指標上清液體積和指標清液濁度介于同等重要和稍微重要之間，因此對應元素取值為2或1/2；指標上清液體積和指標抽濾水體積介于稍微重要和較強重要之間，因此對應元素取值為4或1/4；指標上清液體積和指標濾液濁度介于同等重要和稍微重要之間，因此對應元素取值為2或1/2；指標上清液體積和殘余固化物含水率介于同等重要和稍微重要之間，因此對應元素取值為2或1/2；指標清液濁度和指標抽濾水體積相比為強烈重要，因此對應元素取值為7或1/7；指標清液濁度和指標濾液濁度介于同等重要和稍微重要之間，因此對應元素取值為2或1/2；指標清液濁度和指標殘余固化物含水率介于稍微重要和較強重要之間，因此對應元素取值為4或1/4；指標抽濾水體積和指標濾液濁度相比為較強重要，因此對應元素取值為5或1/5；指標抽濾水體積和指標殘余固化物含水率介于同等重要和稍微重要之間，因此對應元素取值為2或1/2；指標濾液濁度和指標殘余固化物含水率相比為稍微重要，因此對應元素取值為3或1/3。

由MATLAB計算得最大特征值λmax=5.0462，歸一化后權向量 w=[0.18 0.4038 0.0505 0.2713 0.0945]T，根據式（2）計算一致性指標 C.I.=0.0116，查表R.I.=1.12，根據式（3）計算一致性比例C.R.=0.0103＜0.1，滿足一致性。

同理，方案層對準則層五個元素，根據實驗結果可寫出5個單因子判斷矩陣，借助MATLAB計算，結果見表 3，均滿足一致性。

組合權重 表3

計算方案層對目標層的組合權重及一致性比例，結果見表3，層次總排序滿足一致性。根據權重結果進行排序，聚丙烯酰胺占的組合權重最大，因此選擇聚丙烯酰胺作為絮凝劑。

4 結論

本文建立了絮凝劑選擇層次結構體系，綜合五個判斷指標，利用層次分析法對絮凝劑進行了優選。該方法簡單實用，復雜問題分解化，量化了判斷指標對結果的影響程度，通過簡便的計算得到明確的答案，可用于指導問題選擇。本文基于層次分析法，根據選取的多個性能參數指標，選出適用于特定工程廢棄泥漿的最佳絮凝劑，可為同類工程提供參考。