工業廢鹽無害化技術建模評價及分析

徐學驍， 左 武， 武 倩， 呂宜廉， 周海云， 姚烘燁

（江蘇省環境工程技術有限公司， 江蘇 南京 210019）

0 引言

工業廢鹽主要來源于工業生產（包括精細化工、醫藥生產以及高鹽廢水處理等過程[1-2]）。 我國工業廢鹽產量隨著工業的快速發展而快速增長， 我國工業廢鹽年產量已超過2.0 × 107t[3]。 其具有種類多、產生量大、成分復雜、毒性大、處理成本高、環境危害大等特點[4]。

目前，工業廢鹽處理技術主要包括物理法、氧化法、膜分離法、熱處理法等[5-9]。 物理法通過溶解結晶及提純等方法進行處理，其主要包括重結晶法、鹽洗法和萃取法等[10]。 氧化法主要利用氧化劑使廢鹽中不易降解的有機物氧化， 物理法難以處理時可采用氧化法迅速地將有毒、有害有機物完全氧化，以得到干凈的產物[11]。 膜分離法采用納濾膜或離子交換膜使有機物與鹽分離，其主要方法包括納濾、微濾以及電滲析等。 熱處理法通過高溫使得廢鹽中有機雜質迅速分解，實現有機物脫除[12]，因熱處理對脫除有機物比較徹底，故研究人員對其廣泛關注[13-15]。 因企業通常無法綜合多方面因素進行技術評估并有效選擇處理技術，所以，對工業廢鹽無害化處理關鍵技術評估具有技術指導的實際需求。

工業廢鹽無害化處理技術種類多、應用場景廣、技術系統性強，由于評估指標涉及技術性能、污染防治、經濟成本、再生產品等多方面，故單一方面的指標無法準確有效評估技術的優劣勢及適用性。 層次分析法（AHP）是一種定性和定量相結合的、系統的、層次化的分析方法，可為多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法。 逼近理想解排序法（TOPSIS）是根據評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的方法， 是一種距離綜合評價方法。 通過采用AHP-TOPSIS 耦合評估，將2 種評估方法有機結合， 對廢鹽無害化處理技術進行評估分析，具有一定的技術先進性及創新性。

1 評估對象

擬對洗滌、膜處理、焚燒、熱解、高溫氧化、液中焚燒6 類無害化處理技術工藝開展評估， 通過對鎮江江南化工、南通江山化工、江蘇豐山集團、江蘇杰林環保等企業進行調研， 獲取相關參數資料并進行技術對比，具體情況見表1。

2 評估方法

2.1 評估思路

①通過現場調研、文獻收集、監測分析等方式，獲取技術性能、污染防治、經濟成本和再生產品4 個方面數據； ②選取技術表征指標， 基于層次分析法（AHP）建立多準則決策模型；③評估指標量化，對無法精準判斷的指標， 采用模糊綜合評價方法進行分級賦值；④建立判斷矩陣，計算各指標權重值；⑤通過逼近理想解排序技術（TOPSIS），對廢鹽無害化、資源化開展優先級排序。 技術評估體系見圖1。

圖1 技術評估體系

2.2 指標及數據收集

經濟成本主要包括投資成本和運行成本指標，主要來源于企業數據等。 污染防治主要包括產生的廢氣、廢水、固廢量等指標，主要來源于企業數據等。技術性能主要包括穩定運行、技術適用性、自動化程度、使用壽命等指標，主要來源于企業數據、文獻收集及現場調研等。再生產品指標主要包括產品標準、TOC 含量及雜質含量等指標， 主要來源于企業數據、檢測分析數據等。

2.3 賦分標準

技術評估的16 個指標包含定量和定性判斷且部分數據存在數量級的差異， 因此采用分級賦值的方式，實現數據的定量化和標準化。各評價指標總分為100， 其余等級的賦值計算公式為總分除以該等級在指標中的危害排序。對無法精準判斷的指標，采用模糊綜合評價方法進行分級賦值。

3 AHP-TOPSIS 模型

3.1 構建AHP 模型

根據選取的16 個評估指標構建遞階層次結構模型。第一層級為研究目的，第二層為評估的主要方面，其他層級為各因素包含的評價指標。 技術評估層次結構模型見圖2。

圖2 技術評估層次結構模型

由圖2 可以看出， 工業廢鹽無害化處理技術評估主要包括經濟成本、污染防治、技術性能和再生產品4 個方面的綜合指標，該層級無法實現量化評估，需進一步下分設置細化指標。以投資成本、運行成本作為經濟成本的細化指標，以“三廢”產量作為污染防治的細化指標。 技術性能主要包括適用性、 可靠性、先進性3 個方面，這3 方面分別是對技術的適用范圍、污染物去除效率和穩定運行、自動化程度、使用壽命和抗沖擊負荷進行評價。

3.2 計算權重

根據不同參數的優先級，建立比較矩陣，按照1～9 標度法進行AHP 權重量化，并通過一致性檢驗。

式中：w1，w2，……，wj為指標參數的歸一化權向量。

根據1～9 標度法量化各指標重要性，形成m×m 維的成對比較矩陣A。

式中：aij為參數pi和pjw1/w1的權重比；p1，p2，……，pm為指標參數。

若成對比較矩陣A 中的任何i,j,k=1,2…,m 滿足aij=aikakj，則稱矩陣A 為完全一致矩陣；否則，它不是一個完全一致的矩陣。 可通過求解以下特征方程來獲得權向量（W）。

式中：λmax為成對比較矩陣A 的最大特征值。成對比較矩陣A 的一致性需要在可接受的一致性范圍內，使用一致性比（CR）進行檢驗。

式中：RI 為同階矩陣的平均隨機一致性。如果CR 滿足要求， 說明構建的成對比較矩陣的一致性是可以接受的。

3.3 構建TOPSIS 模型

采用TOPSIS 算法、結合AHP 和利用Python 編譯，開展廢鹽無害化、資源化優先級排序。TOPSIS 計算的具體步驟如下：

（1）評價指標標準化轉換

式中：XN為正樣本值；Xi為指標樣本值；Xmax和Xmin分別為該評價指標的最大值和最小值。

（2）參數樣本歸一化

式中：XN,STD為歸一化的值；Xmean和Xstd分別為樣本平均值和標準差。

（3）計算正、負理想解（Si+，Si-）

式中：Si+，Si-分別為正、負理想解的計算值。

（4）計算到正、負理想解的距離

式中：Sdi+，Sdi-分別為到正、負理想解的距離值。

（5）TOPSIS 得分

式中：εi為TOPSIS 得分。

4 評估結果與分析

4.1 判斷矩陣權重

通過Yaahp10.1 軟件進行評估體系建模， 對判斷矩陣進行賦值計算，得出AHP 計算權重，第二層級評估因素權重值見表2。 其它子層級評估因素權重值見表3。

表2 第二層級評估因素權重值

表3 技術評估因素權重值

由表2 可以看出，污染防治的權重值最高（Wi=0.357 3），經濟成本的權重值最低（Wi=0.117 3），在選擇實際技術中應重點關注評估技術在污染防治方面的表現，不可過度以投資低、運行省作為技術決策的主要評估依據。 技術性能、 再生產品的權重值一致，說明除污染防治外，這2 方面評估指標是同等重要的評估依據。 由表3 可以看出，細分指標中TOC含量的權重值最高（Wi=0.131 4），說明無害化產物中的TOC 含量指標是評估處理技術的重要指標，在技術選擇過程中應重點關注其處理后的無害化產物中TOC 含量值。 其次是廢水、廢氣、固廢產生量，權重值Wi=0.119 1。

4.2 評分結果及分析

采用TOPSIS 算法，對洗滌、膜處理、焚燒、熱解、高溫氧化、液中焚燒等6 類技術工藝進行賦值評分，具體見表4。

表4 技術評估綜合評分

由表4 可以看出， 得分由高到低排序為熱解＞液中焚燒工藝＞定向焚燒＞高溫氧化＞膜處理＞洗滌。①高溫熱化學處理工藝得分較高，說明其在污染物去除效率、產品質量保證等方面具有較大優勢；②熱解工藝整體得分最高，說明其技術優勢高，其優勢主要體現在產物污染物去除效率高、 次生污染風險小、設備運行穩定性好方面等，其劣勢主要在于投資及運行成本相對較高。 該工藝適用于大多數灰熔點小于其運行操作溫度（450～550 ℃）的工業廢鹽，如農藥、印染行業產生的NaCl，Na2SO4廢鹽等；③液中焚燒和焚燒工藝得分均中等偏上， 說明兩者相對常溫物化技術的優勢均較大。 兩類工藝均為進料形式為液態廢鹽的高溫熱化學處理技術， 爐型均為立式爐， 不同之處在于兩者出料形式分別為急冷溶解后母液出料和傳動輸送式固態出料， 前者穩定性相對較高。液中焚燒廣泛應用于農藥、化學原料藥行業產生的液態廢鹽及高鹽廢水的處理，焚燒工藝（定向轉化爐）主要用于草甘膦母液資源化生產焦磷酸鈉；④洗滌工藝得分最低， 其主要優勢體現在經濟成本低、技術成熟度高，劣勢在于污染物去除效率明顯不足、產物中污染物含量控制不足等，該技術在國內早期工業廢鹽無害化資源化應用案例較多。

在經濟成本方面， 通過計算高溫處理工藝設備投入成本和運行成本發現，兩者均較高，故在投資、運行成本評分上得分較低；在技術性能方面，液中焚燒、熱解工藝應用案例較為廣泛（如江蘇豐山集團、南通先正達、江蘇藍豐生化等單位），這2 類技術均采用高溫熱化學技術且運行穩定性高， 為自動化水平高的技術。洗滌工藝在技術性能指標上評分較高，原因在于其工藝成熟度較高，在各行業中應用廣泛，具有流程單一、操作簡單、穩定性好的特點。 焚燒工藝其應用廣泛度雖較高，但仍存在一定設備故障率，高溫氧化、 膜處理工藝這2 類技術穩定性仍需有待提升；再生產品方面，因液中焚燒、熱解、焚燒、高溫氧化工藝均采用高溫處理工藝， 去除廢鹽中有機污染物效率較高， 故以上工藝的再生產品質量指標更優。洗滌工藝由于采用單純水洗或其他溶劑洗滌，故去除廢鹽中有機物的效率不徹底， 導致產品中有機物殘存量較高，使得產品質量無法得到有效保證。

5 結論

工業廢鹽無害化處理技術種類多、應用場景廣、技術系統性強，評估指標涉及技術性能、污染防治、經濟成本、 再生產品等多方面。 通過構建AHPTOPSIS 模型對工業廢鹽無害化處理技術進行評價分析，以技術性能、污染防治、經濟成本、再生產品為主要評估層面，細化16 個具體技術指標，研究得出污染防治為技術評估的重點關注層面，技術性能、再生產品相關指標也相對重要， 其中， 無害化產物中TOC 含量值為評估技術的重要關注點。采用TOPSIS算法對6 類無害化處理技術進行賦值評分后發現，熱解等高溫處理技術的整體技術優勢較大， 為今后技術發展的主導方向。