李娟，成璐瑤，曾萍*，王研，韓璐，趙秀梅

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所 2.華北制藥股份有限公司環(huán)保部

近年來(lái)，隨著制藥行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)藥品生產(chǎn)種類(lèi)日益增多，生產(chǎn)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。與此同時(shí)，制藥行業(yè)生產(chǎn)廢水所帶來(lái)的環(huán)境污染引起了越來(lái)越多的關(guān)注。制藥廢水是最難處理的工業(yè)廢水之一，具有水質(zhì)復(fù)雜、化學(xué)需氧量(COD)高、有毒有害物濃度高、可生化性差、色度高等特點(diǎn)[1]，直接排放會(huì)對(duì)人類(lèi)和環(huán)境造成極大威脅[2]。按生產(chǎn)方法不同，制藥工業(yè)生產(chǎn)主要包括化學(xué)合成類(lèi)、發(fā)酵類(lèi)、提取類(lèi)、生物工程類(lèi)、中藥類(lèi)和混裝制劑類(lèi)6類(lèi)[3]，不同類(lèi)別的制藥廢水水質(zhì)具有較大差異[1]，其中污染較重的是化學(xué)合成類(lèi)和發(fā)酵類(lèi)藥物的生產(chǎn)廢水。

為有效控制制藥廢水帶來(lái)的環(huán)境污染，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了諸多制藥廢水處理技術(shù)的研究，主要包括物理法(吸附法[4]、膜分離法[5]等)，化學(xué)法(混凝法[6]、絡(luò)合萃取法[7]、鐵碳微電解法[8]、高級(jí)氧化法[9-10]等)，生物法(好氧/厭氧生物處理技術(shù)[11-12]、厭氧-好氧組合技術(shù)等[13])。不同類(lèi)型的制藥廢水處理技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，且制藥廢水各組分比例通常不穩(wěn)定、水質(zhì)較為復(fù)雜，僅靠單一的處理技術(shù)很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，通常需要采用多種處理技術(shù)聯(lián)合使理。為選擇合適的制藥廢水處理技術(shù)，改善制藥行業(yè)的污染現(xiàn)狀，有效減少制藥行業(yè)污染物的產(chǎn)生量和排放量，有必要對(duì)制藥廢水處理技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為企業(yè)推薦合適的可行技術(shù)。

層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法(AHP-FCE)是一種對(duì)多影響因素的事物進(jìn)行綜合定量評(píng)價(jià)的有效方法[14]。該方法將層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)：首先通過(guò)層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化，增強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性；然后通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性和可靠性。目前，AHP-FCE評(píng)價(jià)法已經(jīng)在方案優(yōu)選[15]、礦山綜合評(píng)價(jià)[16]、績(jī)效評(píng)價(jià)[17]等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

制藥行業(yè)是我國(guó)環(huán)境治理的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)行業(yè)，是我國(guó)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中十大重點(diǎn)整治行業(yè)之一。國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“水專(zhuān)項(xiàng)”)針對(duì)制藥行業(yè)的污染治理持續(xù)開(kāi)展了技術(shù)研發(fā)并產(chǎn)出大量技術(shù)成果，基于這些技術(shù)成果，筆者建立適合制藥廢水處理技術(shù)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，采用AHP-FCE模型對(duì)“水專(zhuān)項(xiàng)”研發(fā)的制藥廢水處理技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為制藥廢水處理技術(shù)的選擇提供技術(shù)支持。

1 評(píng)價(jià)技術(shù)的來(lái)源與清單

通過(guò)文獻(xiàn)查閱、企業(yè)調(diào)研與專(zhuān)家咨詢(xún)相結(jié)合的方法，選取了催化濕式氧化、鐵碳微電解技術(shù)、沉淀結(jié)晶技術(shù)、樹(shù)脂吸附技術(shù)、無(wú)機(jī)陶瓷膜分離技術(shù)、超濾-反滲透雙膜分離技術(shù)、臭氧催化氧化技術(shù)、復(fù)合厭氧反應(yīng)器-好氧反應(yīng)器(ABR-CASS)生物強(qiáng)化處理技術(shù)、水解酸化-接觸氧化技術(shù)、脈沖電絮凝技術(shù)、升流式厭氧污泥床-膜生物反應(yīng)器(UASB-MBR)組合技術(shù)、多級(jí)內(nèi)循環(huán)(MIC)厭氧強(qiáng)化生物處理技術(shù)、兩級(jí)分離內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器共13項(xiàng)“水專(zhuān)項(xiàng)”研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)作為制藥廢水處理技術(shù)備選清單，該13項(xiàng)技術(shù)中包含了物化處理法、生物處理法及組合處理技術(shù)等[8,18-19]，技術(shù)簡(jiǎn)介如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)技術(shù)簡(jiǎn)介T(mén)able 1 Introduction of evaluation technology

續(xù)表1

2 技術(shù)評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇主要以相關(guān)廢水處理技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系作為參考，同時(shí)結(jié)合制藥廢水處理的特點(diǎn)，通過(guò)文獻(xiàn)查閱、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及專(zhuān)家咨詢(xún)的方法，形成了制藥廢水處理技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表2)。指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3個(gè)層次，一級(jí)指標(biāo)(B層)包括技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境效益3方面指標(biāo)，二級(jí)指標(biāo)(C層)包括技術(shù)先進(jìn)性、技術(shù)可靠性、技術(shù)適用性等6類(lèi)指標(biāo)，三級(jí)指標(biāo)(D層)包括技術(shù)先進(jìn)性、COD去除率等15個(gè)指標(biāo)。

表2 制藥廢水處理技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 2 Evaluation index system of pharmaceutical wastewater treatment technology

2.2 AHP-FCE評(píng)價(jià)方法

2.2.1層次分析法計(jì)算不同層級(jí)指標(biāo)權(quán)重

由判斷矩陣標(biāo)度及含義的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[14]，根據(jù)專(zhuān)家對(duì)不同層級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性的賦值結(jié)果構(gòu)建判斷矩陣，通過(guò)計(jì)算判斷矩陣的特征向量，分別計(jì)算得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)上一層級(jí)的權(quán)重。同時(shí)，根據(jù)判斷矩陣的最大特征根進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，當(dāng)隨機(jī)一致性比例(CR)小于0.1時(shí)，判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，可通過(guò)歸一化處理得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,公式如下:

D層各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)A層的綜合權(quán)重=一級(jí)指標(biāo)權(quán)重×二級(jí)指標(biāo)權(quán)重×三級(jí)指標(biāo)權(quán)重

(1)

2.2.2模糊綜合評(píng)價(jià)

2.2.2.1評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)文獻(xiàn)查閱、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及專(zhuān)家咨詢(xún)，將指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為很好、較好和一般3個(gè)等級(jí)(表3)。根據(jù)專(zhuān)家對(duì)13項(xiàng)技術(shù)的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分結(jié)果構(gòu)建權(quán)重矩陣。

表3 指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Index evaluation criteria

2.2.2.2一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)式(1)計(jì)算得到評(píng)價(jià)技術(shù)的第一層模糊綜合評(píng)價(jià)集，由此得到C層的權(quán)重矩陣：

WCj=Wi×Ri

(2)

式中：WCj為評(píng)價(jià)技術(shù)的第一層模糊綜合評(píng)價(jià)集；j為C層指標(biāo)的序號(hào)，j取1，2，…，6；i為D層指標(biāo)的序號(hào)，i取1，2，…，15；Wi為評(píng)價(jià)技術(shù)的D層指標(biāo)i的權(quán)重；Ri為評(píng)價(jià)技術(shù)的D層指標(biāo)i的權(quán)重矩陣。

由此可以得到技術(shù)性能的C層權(quán)重矩陣(WE1)=[WC1，WC2，WC3]T，經(jīng)濟(jì)性能的C層權(quán)重矩陣(WE2)=[WC4]T，環(huán)境性能的C層權(quán)重矩陣(WE3)=[WC5，WC6]T。

2.2.2.3二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)式(2)可計(jì)算得到評(píng)價(jià)技術(shù)的第二層模糊綜合評(píng)價(jià)集，并由此可以得到B層權(quán)重矩陣：

WBm=Wj×WEj

(3)

式中：WBm為評(píng)價(jià)技術(shù)的第二層模糊綜合評(píng)價(jià)集；Wj為評(píng)價(jià)技術(shù)的C層指標(biāo)j的權(quán)重；WEj為評(píng)價(jià)技術(shù)的C層指標(biāo)j的權(quán)重矩陣。

由此可以得到評(píng)價(jià)技術(shù)的B層權(quán)重矩陣(WB)=[WB1，WB2，WB3]T。

2.2.2.4三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)式(3)可計(jì)算得到評(píng)價(jià)技術(shù)的第三層模糊綜合評(píng)價(jià)集：

WA=W×WB

(4)

式中：WA為評(píng)價(jià)技術(shù)的第三層模糊綜合評(píng)價(jià)集；W為B層指標(biāo)的權(quán)重；WB為B層權(quán)重矩陣。

2.2.2.5綜合評(píng)價(jià)得分計(jì)算

對(duì)指標(biāo)的3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)很好、較好、一般，分別賦值(F)為5分、3分、1分，由WA得到的模糊綜合評(píng)價(jià)所屬隸屬度乘以F，即得到被評(píng)價(jià)技術(shù)的綜合評(píng)價(jià)得分(G)。計(jì)算公式為：

G=WA×F

(5)

3 技術(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

根據(jù)專(zhuān)家對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性的賦值結(jié)果，分別計(jì)算得到不同層級(jí)指標(biāo)的權(quán)重和D層各指標(biāo)對(duì)A層的綜合權(quán)重(表4)。由表4可知，B層中，環(huán)境效益所占的權(quán)重最大，表明相較于技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能，環(huán)境效益更為重要。技術(shù)性能中，技術(shù)可靠性的權(quán)重最大，表明技術(shù)性能中最重視技術(shù)可靠性；環(huán)境效益中，污染物削減的權(quán)重較大，表明相較于二次污染指標(biāo)，污染物削減更加重要。D層中，綜合權(quán)重最大的是環(huán)境效益下的COD削減效果，表明在制藥廢水污染控制技術(shù)中，最重視的是COD的削減效果。

表4 制藥廢水處理技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Table 4 Comprehensive weight of technical evaluation indexes for pharmaceutical wastewater treatment technology

技術(shù)性能各指標(biāo)中，綜合權(quán)重最大的是運(yùn)行安全性，其次為抗沖擊負(fù)荷，表明制藥廢水處理技術(shù)的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)；經(jīng)濟(jì)性能各指標(biāo)中，綜合權(quán)重最大的是噸水處理成本，表明相較于基建投資費(fèi)用和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)，噸水處理成本對(duì)企業(yè)的運(yùn)行成本影響更大；環(huán)境效益各指標(biāo)中，綜合權(quán)重最大的是COD削減效果，表明相較于氨氮、總磷削減效果以及污泥產(chǎn)生量，制藥企業(yè)更加關(guān)注COD的削減效果。

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表3)對(duì)13項(xiàng)制藥廢水處理技術(shù)進(jìn)行打分，采用百分比統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)專(zhuān)家意見(jiàn)，得到13項(xiàng)技術(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 制藥廢水處理技術(shù)專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of expert evaluation results for pharmaceutical wastewater treatment technology

首先根據(jù)式(2)、式(3)、式(4)，分別對(duì)催化濕式氧化技術(shù)、鐵碳微電解技術(shù)、沉淀結(jié)晶技術(shù)、樹(shù)脂吸附技術(shù)、無(wú)機(jī)陶瓷膜分離技術(shù)、超濾-反滲透雙膜分離技術(shù)、臭氧催化氧化技術(shù)、ABR-CASS生物強(qiáng)化處理技術(shù)、水解酸化-接觸氧化技術(shù)、脈沖電絮凝技術(shù)、UASB-MBR組合技術(shù)、MIC厭氧強(qiáng)化生物處理技術(shù)、兩級(jí)分離內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器13種制藥廢水處理技術(shù)進(jìn)行一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如下：催化濕式氧化技術(shù)的WA為{0.316 4，0.348 8，0.334 8}；鐵碳微電解技術(shù)的WA為{0.283 3，0.404 6，0.312 1}；沉淀結(jié)晶技術(shù)的WA為{0.249 8，0.418 5，0.331 7}；樹(shù)脂吸附技術(shù)的WA為{0.201 6，0.422 8，0.375 6}；無(wú)機(jī)陶瓷膜分離技術(shù)的WA為{0.403 7，0.406 2，0.190 1}；超濾-反滲透雙膜分離技術(shù)的WA為{0.389 0，0.367 2，0.243 8}；臭氧催化氧化技術(shù)WA為{0.360 8，0.406 4，0.232 8}；ABR-CASS生物強(qiáng)化處理技術(shù)的WA為{0.343 2，0.562 4，0.094 4}；水解酸化-接觸氧化技術(shù)的WA為{0.278 1，0.608 6，0.113 3}；脈沖電絮凝技術(shù)的WA為{0.284 3，0.499 6，0.216 1}；UASB-MBR組合技術(shù)的WA為{0.384 5，0.533 6，0.081 9}；MIC多級(jí)內(nèi)循環(huán)厭氧強(qiáng)化生物處理技術(shù)的WA為{0.376 3，0.423 4，0.200 3}；兩級(jí)分離內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的WA為{0.463 3，0.323 3，0.213 4}。

根據(jù)式(5)可計(jì)算得到各項(xiàng)制藥廢水處理技術(shù)的綜合得分，結(jié)果如表6所示。由表6可知，制藥廢水處理技術(shù)綜合得分最高的是UASB-MBR組合技術(shù)，得分最低的是樹(shù)脂吸附技術(shù)。UASB-MBR組合技術(shù)將厭氧生物處理與好氧生物處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用UASB工藝中的顆粒污泥和MBR工藝中微濾膜的菌體固定作用和截留能力[20]，實(shí)現(xiàn)制藥廢水中污染物的有效去除。崔曉宇等[21]采用UASB-MBR組合技術(shù)對(duì)黃連素制藥廢水的處理效果進(jìn)行了中試研究，針對(duì)黃連素廢水可生化性差、有機(jī)物濃度高等特點(diǎn)，利用微生物的生化反應(yīng)去除黃連素廢水中的高濃度有機(jī)物和黃連素，考察了UASB-MBR組合技術(shù)對(duì)CODCr和黃連素的去除效果，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)、出水中的特征污染物進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：UASB可以明顯降低黃連素廢水中特征污染物的種類(lèi)和濃度；UASB出水經(jīng)MBR處理后，廢水中的11種主要特征污染物均可得到有效降解。在中試條件下，UASB-MBR組合技術(shù)處理黃連素廢水粗算的運(yùn)行成本約為10.3元/t?？梢?jiàn)，本研究對(duì)UASB-MBR組合技術(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果與該技術(shù)的試驗(yàn)效果一致。樹(shù)脂吸附技術(shù)是以樹(shù)脂作為吸附劑處理制藥廢水的方法，具有吸附容量大、污染物回收利用率高、無(wú)二次污染等特點(diǎn)[22]，但由于制藥廢水中污染物濃度較高、成分復(fù)雜，樹(shù)脂吸附技術(shù)對(duì)制藥廢水的處理效果有限，通常需要與其他技術(shù)組合應(yīng)用。

續(xù)表5

表6 制藥廢水處理技術(shù)綜合得分Table 6 Comprehensive score of pharmaceutical wastewater treatment technology

4 結(jié)論

(1)構(gòu)建了包含技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能、環(huán)境效益3個(gè)層級(jí)、15項(xiàng)指標(biāo)的適用于制藥廢水處理技術(shù)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，采用AHP法計(jì)算不同層級(jí)指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)FCE模型得到三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集，由此計(jì)算綜合得分。

(2)采用AHP-FCE方法對(duì)制藥廢水處理13種技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出最優(yōu)的制藥廢水處理技術(shù)是UASB-MBR組合技術(shù)，該評(píng)價(jià)結(jié)果與企業(yè)目前普遍采用的廢水處理技術(shù)一致。