基于層次分析法的滲瀝液處理阻垢劑選型決策研究

徐振威，王黎，劉超(.上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 003；.上海環境集團股份有限公司陽晨水務分公司，上海 000)

0 引言

磷酸鹽具有較好的金屬絡合性，且磷化物分子結構中具有親水性，洗滌劑、阻垢劑中均含有磷的成分。在滲瀝液膜處理系統中投加含磷阻垢劑，會重新引入原本應在生化系統中被分解的磷元素，導致出水中磷元素含量提升，出水水質不穩定。因此，選擇低磷、環保、經濟、適用于滲瀝液處理工藝的阻垢劑極為關鍵。

阻垢劑的篩選涉及處理效果、產水水質、經濟效益等諸多因素，故建立合理的阻垢劑篩選的決策指標極為重要。

1 層次分析法的基本原理

層次分析法(analytical hierarchy process，AHP)是一種系統分析方法，將定性與定量分析通過應用數學方法有機地結合起來，較為客觀、準確、高效。層次分析法是分析多目標、多準則的復雜決策系統的有力工具[1-2]。

利用層次分析法進行應用分析的基本步驟如下：

(1)建立評價結構模型。研究人員應根據問題的性質和決策目標進行深入分析，按照不同層次將問題中所包含的因素進行劃分，利用結構模型形式說明層次的遞階結構與因素的從屬關系。

(2)構造判斷矩陣。構造各層次的判斷矩陣應將研究者對決策問題相對重要性的判斷作為依據。

(3)研究者應對模型中各層每一因素的相對重要性進行計算并進行一致性檢驗。

(4)在計算各個層次因素的相對重要性的基礎上，研究者應進一步計算方案層和目標層的相對重要性的組合權重，并進行一致性檢驗。

(5)研究者對比組合權重的結果，并以此作為評價與選擇方案的依據。

近些年來，層次分析法受到了社會各界的廣泛關注。層次分析法非常適用于解決一些復雜的決策問題，具有實用性和有效性，目前已被廣泛應用于經濟、能源、軍事、運輸、農業、教育、人才、醫療、安全和環境等領域的方案選擇、行為決策、綜合分析等方面。

2 決策指標建立與指標權重計算

本文結合阻垢劑篩選的基本目標，運用層次分析法，綜合分析阻垢劑篩選的實際需求與特點，制定了阻垢劑篩選的模型體系。

2.1 決策指標體系的建立

本位根據阻垢劑選型的主要決定因素，將其分為4個層次，即：A、B、C、D，其中A、B、C為評價層，D為方案層。

2.1.1 目標層

A層為總目標層，即選擇低磷、環保、經濟、適用于滲瀝液處理的阻垢劑。

2.1.2 準則層

B層是實現目標層的3個準則層，即阻垢劑選型主要考慮的幾個因素：

B1為試用種類，指試用不同品牌的阻垢劑；

B2為處理效果，指阻垢劑磷含量、處理后清液中磷含量；

B3為經濟效益，即選擇阻垢劑的經濟效益。

2.1.3 指標層

C層是指標層，即達到總目標層和準則層的各種條件，共5項指標，具體如下：

(1)C1為阻垢劑總磷含量。阻垢劑中磷含量越高，在相同投加量的工況下引入磷化物越多，出水總磷指標超標的風險便越高。阻垢劑總磷含量一般使用百分比表示。

(2)C2為加藥量。加藥量是滲瀝液處理過程中阻垢劑的投加量與膜系統進水總量的比值。比值越低，加藥量越低，阻垢劑所用成本也隨之降低。加藥量單位為 kg/t。

(3)C3為出水磷含量。經過前端生化處理，水體中磷化物含量降低。但經過膜處理后，阻垢劑的投加重新了引入磷化物，因此有必要測量出水磷含量。出水磷含量影響磷元素是否超標，單位為mg/L。

(4)C4為膜系統運行壓力，阻垢劑的阻垢效果影響膜系統的運行壓力，運行壓力越大，表示阻垢效果越差。膜系統運行壓力的單位為MPa。

(5)C5為阻垢劑單價，即單位阻垢劑的價格。

2.1.4 方案層

D層是方案層，是阻垢劑篩選試用的具體方案。通常經過初選后，研究人員會選定幾種阻垢劑開展中試，根據試驗結果進行綜合分析和選擇。

2.2 構造判斷矩陣

為了進一步明確選型指標中各個元素對上一層次的相對重要性,本文選擇判斷矩陣法進行分析。判斷矩陣的元素aij采用Santy的1-9標度方法[3]。如表1所示，為確定B準則層對A目標層的重要性程度，本文構造了判斷矩陣A-B。

表1 判斷矩陣A-B

2.3 權重計算及一致性檢驗

為了確定選擇指標的判斷指標是否合理,本文對判斷矩陣進行了一致性檢驗。

本文針對判斷矩陣A-B求得判斷矩陣的最大特征根為λmax=3.039，相應的特征向量為wAB=(0.151,0.916,0.371)，其中3個分量為準則層B中3個元素(B1, B2,B3)的權值，n=3。根據檢驗判斷矩陣的一致性公式可得:

當n=3時,一致性指標RI=0.58，則其一致性比率CR為：

因此，確定的A-B矩陣具有滿意一致性，wAB中的權重值可以應用。

2.4 C層對A層的權重

本文首先對C層相對B層的重要性構造了判斷矩陣并保障其一致性，進而確定了C層對B層的權重值，得到了相應權重。

然后，本文綜合B層與C層，確定了C層中各個評價目標相對于A層總目標的權重。

經過計算，本文得出了C層指標對A層的總權重 (如表2所示)。

表2 C層指標對A層的總權重

3 決策評價方法應用

生活垃圾滲瀝液處理通常采用“生物處理+膜處理”工藝，根據進水水質、排水要求的不同選擇不同工藝組合。在對膜的深度處理過程中，因進水主要污染物為有機物、鹽及懸浮性顆粒雜質，工作人員在進行納濾膜處理后，高分子有機物、高價鹽及大顆粒雜質會被截留于濃縮液中。鹽分的溶解度較低，隨著濃縮倍數的提升，部分鹽會以結晶形式留在濃縮液中，結晶的鹽分會包裹顆粒雜質形成結垢，進而堵塞膜管。為提高鹽分在的溶解度、保護膜管，工作人員通常在生產期間投加阻垢劑以緩解膜管內結垢。常規阻垢劑利用磷化物作為絡合劑阻礙鹽分結垢；含磷阻垢劑的投加，重新在經過膜系統處理過的清液中引入了污染物，使得出水排放時存在磷超標的風險。

為選擇合適的阻垢劑，本文選定了不同阻垢劑進行中試，在綜合考慮阻垢劑的總磷含量、加藥量、出水磷含量、膜系統運行壓力、阻垢劑單價等因素的基礎上選擇綜合評價最好的阻垢劑。

3.1 阻垢劑選型試驗及結果

中試過程中，實驗分別選擇了4種類型阻垢劑，相關數據通過上位機及實驗室獲取。

在中試過程中，每一種類的阻垢劑處理量都被保持在設計處理能力的70%～80%之間，單批次中試時間為3天，每批次取樣6次，最終取6次實驗數據的平均值作為試驗結果。

3.2 試驗結果的評判

本文根據上述中試結果的數據，對單項指標得分進行了評價。本文將針對不同的阻垢劑，依據指標層中各指標的評價原則選擇出最佳的方案，以此為評價標準對各指標進行比值評分。

針對評價指標Ci，本文首先選擇方案D層中所對應的最佳指標值作為評價的基準值，將Ci指標對應的方案Dj的指標值與最佳值進行比較，再將得到相應的比值數據作為單項評價得分。

因此，就Ci指標而言，Dj方案的最高得分值為1。

3.3 選型結論分析

本文根據上述結果，按照C層對A層的權重對各單項指標的得分進行了匯總計算，綜合得分如表3所示：

表3 方案層各指標綜合得分匯總表

本文應用層次分析法對結果進行綜合判別后，得到了中試各方案的綜合得分，并對其按得分從高到低進行排序，依次為：D3 > D1 > D2。

因此，選擇D3方案的阻垢劑是綜合考慮阻垢劑性能、處理效果及經濟效益等因素后的最佳選擇。

4 常用客觀篩選指標方法

(1)逐個指標進行假設檢驗的方法：將一個指標的一種假設，記作H0，選取當H0成立時的檢測指標數據分布，進而根據預先給定的顯著性水平進行檢驗，作出拒絕或接受假設H0的判斷。

(2)多元回歸與逐步回歸法：多元回歸分析通常將標準化偏回歸系數絕對值較大的，或偏回歸系數假設檢驗有一定代表性的數據作為其評價指標。多元回歸與逐步分析法是常用的數據分析方法，應用廣泛，效果顯著。

(3)指標聚類法：該方法是將相同類別的標準進行聚集，使其成為一個完整而統一的類別，隨后在從中找出最具代表性的樣本。其核心在于通過一定的方式，以典型的樣本代替大量的評價模型。

5 結語

綜上所述，層次分析法是結合定量與定性分析的模糊綜合評價法。層次分析法綜合考慮了各種條件和因素，并將實際評判結果劃分為不同層次，其分析過程是一種逐層進行綜合評價的過程，能夠更好地保障評價結果的實際性。

本文通過應用層次分析法，解決了阻垢劑篩選的難題，并根據阻垢劑使用的性能指標、處理效果及經濟效益指標，建立了阻垢劑選型的綜合決策指標。

在阻垢劑選型的實際應用中，研究者通過燒杯試驗確定了上機試驗的3種阻垢劑，進而通過綜合評價選擇了綜合評價結果最佳的阻垢劑，為生產實踐提供了科學的決策依據。