馮維力

(中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司　武漢 430081)

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層次分析法在某銀礦尾礦庫(kù)廢水處理中的應(yīng)用

馮維力

(中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司武漢 430081)

摘要研究了投加量對(duì)三種水樣中總氰、總銅、總鋅處理效果的影響，并采用層次分析法分析得出漂白粉處理某銀礦尾礦庫(kù)廢水的最佳投加量。結(jié)果表明：層次分析法能使總氰、總銅、總鋅多條去除率曲線綜合成一條總?cè)コ是€，從而更容易判斷出最佳投加量為2.5 g/L；當(dāng)漂白粉的投加量為2.5 g/L、pH=8、接觸反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，可使原水水質(zhì)在一定范圍內(nèi)變化的某銀礦尾礦庫(kù)廢水處理達(dá)標(biāo)；穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)表明，層次分析法分析得出的漂白粉最佳投加量，可使含氰廢水的處理出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

關(guān)鍵詞層次分析法權(quán)重銀礦尾礦庫(kù)廢水

0引言

層次分析法是一種定性與定量分析方法相結(jié)合的綜合性評(píng)價(jià)方法，能使多個(gè)指標(biāo)綜合成一個(gè)指標(biāo)，使評(píng)價(jià)更簡(jiǎn)單、更直觀。層次分析法在很多行業(yè)都有一定的應(yīng)用，在環(huán)境保護(hù)研究中的應(yīng)用主要包括：水安全評(píng)價(jià)[1-2]、水質(zhì)指標(biāo)和環(huán)境保護(hù)措施研究[3]、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[4]以及水生野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)污染源確定[5]等。但在工業(yè)廢水處理方面很少有研究。

某銀礦采用氰化鈉浸出工藝，有一部分含氰廢水排入尾礦庫(kù)，致使尾礦庫(kù)廢水含有氰化物。由于氰化物毒性很大，如不達(dá)標(biāo)排放就會(huì)污染水源，并威脅人類、牲畜的生命安全。尾礦庫(kù)里的廢水不僅含有氰化物，而且還含有重金屬，因此需多個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)處理效果。層次分析法是綜合多個(gè)指標(biāo)后，再對(duì)處理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而可以避免因單個(gè)指標(biāo)變化規(guī)律不一致而無(wú)法判斷最佳處理效果。

本文應(yīng)用層次分析法于漂白粉處理某銀礦尾礦庫(kù)廢水中，并通過(guò)層次分析法確定最佳投加量。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)水樣與試驗(yàn)試劑

水樣：取自某銀礦尾礦庫(kù)(水質(zhì)有波動(dòng)所以取3個(gè)樣)，水質(zhì)參數(shù)如下表1。漂白粉，工業(yè)純，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定有效氯含量為17.29%(有效氯的測(cè)定采用碘量法)。其他試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)室用水為超純水。

表1　3種水樣的水質(zhì)參數(shù)

1.2試驗(yàn)方法

取3.0L水樣分別均等地置于6個(gè)燒杯中，再向6個(gè)燒杯中分別投加0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0g/L的漂白粉，調(diào)節(jié)到最佳pH值(pH=8)，攪拌反應(yīng)足夠時(shí)間(60min)后，測(cè)定溶液總氰、總銅、總鋅，并計(jì)算總氰、總銅、總鋅去除率?？偳铚y(cè)定采用AgNO3滴定法，總銅與總鋅的測(cè)定采用原子吸收分光光度法。

1.3層次分析法

層次分析法又稱AHP構(gòu)權(quán)法，是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂(SaatyTL)于20世紀(jì)70年代提出的一種定性方法與定量分析相結(jié)合多目標(biāo)決策分析方法。它將復(fù)雜的評(píng)價(jià)對(duì)象排列為一個(gè)有序的遞階層次結(jié)構(gòu)的整體，然后在各個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目之間進(jìn)行兩兩的比較、判斷，計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的相對(duì)重要性系數(shù)(即權(quán)重)，最后判斷最佳方案。

1.3.1指標(biāo)的選擇與層次結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)某銀礦的生產(chǎn)工藝判斷主要污染物為氰化物、銅(+1、+2離子)、鋅離子，本文選取總氰、總銅、總鋅作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)評(píng)價(jià)某銀礦尾礦庫(kù)廢水處理效果主要考慮處理效果的好壞，故評(píng)價(jià)的目標(biāo)層為尾礦庫(kù)廢水處理效果(η總)，指標(biāo)為前面已經(jīng)確定的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)總氰(η1)、總銅(η2)、總鋅(η3)。因此，建立層次結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1廢水處理效果綜合評(píng)價(jià)的層次結(jié)構(gòu)圖

1.3.2構(gòu)造判斷矩陣

采用1～9標(biāo)度法[4]，逐項(xiàng)就任意2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較，主要根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的處理程度(即去除率)、各項(xiàng)指標(biāo)的初始濃度、污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(總氰≤0.5mg/L，總銅≤0.5mg/L，總鋅≤2.0mg/L[6])來(lái)定它們的相對(duì)重要性并賦予相應(yīng)的值，即表2。

表2　各項(xiàng)指標(biāo)的判斷矩陣

1.3.3計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重

為避免采用一種方法求權(quán)重產(chǎn)生偏差，本文采用4種方法求權(quán)重，使得出的結(jié)果更全面、更有效。4種方法分別為幾何平均法、算術(shù)平均法、特征向量法和最小二乘法[7-9]。

(1)幾何平均法。

(1)

計(jì)算方法：①A的元素按行相乘得一新向量(A為判斷矩陣)；②將新向量的每個(gè)分量開n次方；③將所得向量歸一化即為權(quán)重向量。

(2)算術(shù)平均法。

(2)

(3)特征向量法。

將權(quán)重向量W右乘權(quán)重比矩陣A，有

AW=λmaxW

(3)

λmax為判斷矩陣的最大特征值，存在且唯一，W的分量均為正分量。最后，將求得的權(quán)重向量作歸一化處理即為所求。

(4)最小二乘法。

用擬合方法確定權(quán)重向量，使殘差平方和為最小。即求解如下模型：

(4)

ωi>0，i=1，2，…，n

根據(jù)判斷矩陣采用上述4種方法求得相同的權(quán)重：

ω1=ω2=0.444 4、ω3=0.111 2 (ω1、ω2、ω3分別為總氰、總銅、總鋅的權(quán)重系數(shù))

1.3.4一致性檢驗(yàn)

檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI：

由上述判斷矩陣及權(quán)重向量可求出λmax=3，

CI=(λmax-n)/(n-1)=(3-3)/(3-1)=0

CR=CI/RI=0/0.52[7]=0<0.10

顯然判斷矩陣具有滿意的一致性，故所求權(quán)重可以應(yīng)用。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1投加量對(duì)處理效果的影響

圖2為不同漂白粉投加量對(duì)3種水樣處理效果的影響。從圖2可以看出，總氰和總銅的去除率總體上是隨投加量的增加而增加，而總鋅的去除率總體上是隨投加量的增加而減少。還可以看出總氰與總銅的去除率在整體上具有正相關(guān)性，這可能主要是由于Cu+與CN-在溶液中是以絡(luò)合物的形式存在且此絡(luò)合物比較穩(wěn)定。由于水樣1、水樣2、水樣3的總氰、總銅、總鋅去除率曲線變化不一致，甚至有相反的趨勢(shì)，因此無(wú)法直觀判斷出最佳投加量。接下來(lái)利用層次分析法來(lái)處理總氰、總銅、總鋅多條去除率曲線使之成為一條曲線，以便更好判斷最佳投加量。

(a)水樣1

(b)水樣2

2.2層次分析法應(yīng)用

根據(jù)上文分析，某銀礦尾礦庫(kù)廢水處理效果的總?cè)コ士杀硎境桑?/p>

η總=η1×ω1+η2×ω2+η3×ω3

(5)

即：η總=η1×0.444 4+η2×0.444 4+η3×0.111 2

(6)

漂白粉處理3種水樣的總?cè)コ首兓€如圖3所示。

從圖2、圖3可以看到，運(yùn)用層次分析法把某種水樣的3條曲線擬合成1條曲線，可以避免總氰、總銅、總鋅去除率規(guī)律不一致而無(wú)法判斷最佳投加量。通過(guò)運(yùn)用層次分析法將總氰、總銅、總鋅去除率曲線綜合成一條曲線后，可以明顯看出某種水樣去除率曲線的規(guī)律，并且能更直觀、更明顯地判斷最佳投加量。從圖3可以看出，3個(gè)水樣都是隨著投加量的增大，總?cè)コ室苍谠龃?，?dāng)投加量達(dá)到2.5g/L時(shí)，去除率達(dá)到最大。并且投加量在2.5g/L時(shí)，3種水樣的3種指標(biāo)都能達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求(總氰≤0.5mg/l，總銅≤0.5mg/L，總鋅≤2.0mg/L)。因此，3種水樣的最佳投加量為2.5g/L。綜上所述，漂白粉投加量為2.5g/L時(shí)，能使水質(zhì)在一定范圍變化的某銀礦尾礦庫(kù)廢水處理達(dá)標(biāo)。

圖3　投加量對(duì)3種水樣總?cè)コ实挠绊?/p>

2.3穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)

在最佳條件下，為驗(yàn)證漂白粉處理含氰廢水的穩(wěn)定性，以水樣3為待處理水樣，取9個(gè)平行樣，控制漂白粉投加量為2.5g/L、初始溶液pH=8.0、反應(yīng)時(shí)間為60min，反應(yīng)結(jié)果見表3。

從表3可以看出，在最佳條件下，漂白粉處理水樣3，可使出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。但總氰指標(biāo)有個(gè)別不達(dá)標(biāo)，可能是由于實(shí)驗(yàn)誤差。綜上所述，通過(guò)層次分析法分析得出的漂白粉最佳投加量，可使含氰廢水的處理出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

表3　最佳條件下漂白粉處理水樣3結(jié)果

注：上述表格中的標(biāo)準(zhǔn)是指污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(總氰≤0.5mg/L，總銅≤0.5mg/L，總鋅≤2.0mg/L)。

3結(jié)論

采用4種方法求權(quán)重并得到同樣的結(jié)果，這樣使結(jié)果更全面、更有效。層次分析法能綜合評(píng)價(jià)某銀礦尾礦庫(kù)廢水處理效果，使3條變化不一致的曲線綜合成1條變化趨勢(shì)明顯的曲線，從而更容易判斷出漂白粉最佳投加量為2.5g/L。當(dāng)漂白粉的投加量為2.5g/L、pH=8、接觸反應(yīng)時(shí)間為60min時(shí)，可使原水水質(zhì)在一定范圍內(nèi)變化的某銀礦尾礦庫(kù)廢水處理達(dá)標(biāo)。穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)表明，層次分析法分析得出的漂白粉最佳投加量，可使含氰廢水的處理出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介馮維力，男，1965年生，高級(jí)工程師，主要從事市政及工業(yè)給水排水工程設(shè)計(jì)與研究工作。

(收稿日期：2016-01-04)

ApplicationofAnalyticHierarchyProcessinWastewaterTreatmentofSilverMineTailings

FENGWeili

(Sinosteel Wuhan Safety & Environmental Protection Research Institute Co., Ltd.Wuhan 430081)

AbstractThe article studies the removal efficiency of total cyanide, total copper and total zinc influenced by the different dosage of bleaching powder for tailings wastewater, and the best dosage is determined by AHP. The results show that AHP can make total cyanide, total copper and total zinc removal rate curves integrated into a single and so the best dosage of bleaching powder should be 2.5 g/L. Under conditions of pH=8.0, contact time of 60 mins and 2.5 g/L bleaching powder, effluent quality of silver tailings wastewater can achieve the discharge standard. The experiment also shows that it can make the effluent of the wastewater containing cyanide meet the standards with the optimal dosage of bleaching powder determined by the analytic hierarchy process.

Key Wordsanalytic hierarchy processweightsilver ore tailings waste water