王敏,尹崇鑫,程金蘭,朱文遠

(南京林業(yè)大學輕工與食品學院，江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室,南京 210037)

制漿造紙工業(yè)工藝復雜，產(chǎn)生的廢水量較大。不同制漿造紙企業(yè)采用不同的原料、生產(chǎn)工藝以及水污染控制技術方式等，產(chǎn)生的廢水污染負荷有所不同，污染物種類與性質(zhì)也千差萬別[1]。當前的制漿造紙廢水節(jié)能減排技術目錄與技術政策中未有系統(tǒng)規(guī)范的制漿造紙水污染控制技術遴選和評價方法，不同學者提出的評價標準和方法也參差不齊，遴選結果存在較大的不確定性[2]。故當前急需形成制漿造紙水污染控制技術遴選、評價與推廣的長效機制。

現(xiàn)代綜合評價方法有很多，如主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、層次分析法、模糊綜合評價法等。由于評價對象的所屬目標范圍不同，現(xiàn)代綜合評價方法的選用與實際技術應用時存在一定的差異。根據(jù)2015年第9號中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會頒布的《制漿造紙行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》法規(guī)，制漿造紙水污染控制處理技術評估涉及技術、經(jīng)濟、資源和環(huán)境等多個方面，有多屬性、多層次及模糊性等特點，定量分析比較困難。而層次分析法(AHP)[3]所需的定量數(shù)據(jù)信息較少，計算結果和過程簡單明確、容易理解，是一種定性和定量相結合可評價多指標、多層次的多準則決策方法。模糊綜合評價法(FCE)[4]則基于模糊數(shù)學，可以表示出各因素之間的模糊關系，解決傳統(tǒng)方法無法解決的多種因素評價之間的模糊性問題。AHP-FCE結合模型應用廣泛，準確性高，已應用于政策評價、風險評估等許多領域[5-7]。楊國洪[8]聘請了5位環(huán)保專家，針對造紙企業(yè)的部分節(jié)水減排措施采用了AHP-FCE進行評估，認為對企業(yè)節(jié)水減排貢獻較大的措施為添加助留助濾劑、廢水和白水回用以及安裝高壓清水泵等，研究中未涉及制漿過程與終端廢水處理，專家人數(shù)與咨詢次數(shù)相對較少，指標體系的構建不夠全面。

筆者結合“十三五重點行業(yè)水污染全過程控制技術集成與工程實證”課題，參考相近行業(yè)的最新研究成果，構建了制漿造紙水污染控制技術的評估指標體系，建立各評估指標的隸屬函數(shù)，實現(xiàn)了指標的定量化，并構建了制漿造紙行業(yè)水污染控制技術評估模型，對不同制漿造紙水污染控制技術進行了現(xiàn)狀調(diào)研和技術評估，進而計算綜合指標，遴選最優(yōu)技術。

1 制漿造紙水污染控制技術評估指標體系的建構

評估指標的合理選擇與制漿造紙行業(yè)水污染控制技術評估相關聯(lián)，且要滿足層次性與系統(tǒng)性的原則。參考楊國洪[8]的體系構建，并結合四川大學姜河等[9]對牛皮制革過程污染控制技術評估模型及其他行業(yè)評估模型[10-12]，本研究構建的制漿造紙廢水污染控制技術層次結構模型，確定了隸屬關系。模型中包含目標層(A層)、準則層(B層)、指標層(C層)3個層次，形成了4個準則層指標和11個指標層指標的遞階層次評價體系，其中準則層4個指標分別為技術技能、經(jīng)濟成本、環(huán)境影響和運行管理，主要從技術、經(jīng)濟、社會效益和環(huán)境安全性角度考慮。具體評價指標體系框架見圖1。

2 層次分析指標權重確定

跟多家制漿造紙企業(yè)與研究所溝通后遴選了多位制漿造紙、環(huán)境工程等領域的專家，分別來自華南理工大學、南京林業(yè)大學、中國科學院林產(chǎn)化學研究所、亞洲漿紙業(yè)有限公司等13家單位。其中，制漿造紙工業(yè)清潔生產(chǎn)專家8名，環(huán)保專家5名。通過專家咨詢與打分，在B層和C層因素各層次元素中將兩兩因素進行相互比較，并構造出判斷矩陣，先計算準則層B中的4個一級指標權重，再進一步計算它們的二級指標權重。專家評定表的設定基于九分標度法的基本原理[9]，由專家判定指標間兩兩因素比較時的相對重要性和優(yōu)劣程度，填寫合適的重要程度賦值。

根據(jù)n的階數(shù)查表1可得平均一致性指標(RI，RI)[13]，當n的階數(shù)為4時，RI=0.90。首先計算一致性檢驗指標(CI，記為CI)，見公式(1)：

(1)

式中：λmax表示矩陣的最大特征根；n表示矩陣的階數(shù)。再檢驗隨機一致性比例(CR=CI/RI)是否小于0.1：若小于，則表示一致性比例驗證通過；若結果顯示一致性檢驗不滿足，則需要征求專家意見，并對打分結果進行適當調(diào)整，直至滿足一致性檢驗為止并計算權重值。

2.1 一級指標層次分析指標權重計算

對13位專家打分制定評定表，得到構造矩陣A。如根據(jù)第1位專家的技術評估賦值打分，得矩陣：

求得矩陣A的最大特征根λmax=4.096 3，相應的特征向量w=(0.152 2，0.115 6，0.255 9，0.476 3)，即為該專家賦值的一級權重系數(shù)。已知矩陣階數(shù)n=4，平均隨機一致性指標RI=0.90，根據(jù)公式(1)，得到CI=0.032 1，隨機一致性比例CR=0.035 7<0.1，因此，一致性檢驗通過。同理計算得到其余12位專家一級權重系數(shù)，見表1。用同樣的方法計算其二級權重系數(shù)，結果見表2。

表1 一級指標權重系數(shù)

表2 二級指標權重系數(shù)

2.2 綜合權重計算

綜合權重計算公式為W=一級指標權重×二級指標權重。因?qū)＜掖蚍忠蛉硕悾枰獙＜腋骷墮嘀卦u分表進行統(tǒng)計分析，計算權重平均值，計算得到評價指標最終的綜合權重系數(shù)，見表3。

由表3可知：4個一級指標中，環(huán)境影響所占比重最大，遠超過其他一級指標，其次是運行管理，再次是技術性能，經(jīng)濟成本所占比重最小。二級指標中的廢水減少量與污染物減少量綜合權重系數(shù)最高，說明它們對評估得分的影響程度最高，綜合能耗與資源消耗影響程度緊隨其后。綜合權重系數(shù)最低的二級指標是工程投資，其次是技術先進性。從專家打分結果看，對水污染控制技術的評價而言，環(huán)境影響是首要考慮因素，并不是投資與技術先進性。

表3 制漿造紙水污染控制技術評估指標綜合權重

3 模糊數(shù)學綜合評價

模糊綜合評價按以下3個步驟進行：

1)確定隸屬度。邀請10位專家對制漿造紙水污染控制技術進行打分，采用百分比統(tǒng)計法統(tǒng)計專家意見。例如10位專家對C1指標按“很好、較好、一般”3個等級進行打分評判，10位專家中有5位認為很好，3位認為較好，2位認為一般，那么這一指標所對應的隸屬度為0.5，0.3和0.2，它的模糊隸屬矩陣為[0.5 0.3 0.2]。

2)一級模糊綜合評價。構造準則層Bi所包含的最底層模糊隸屬矩陣和權重矩陣，見公式(2)：

Bi=W1i×Ri

(2)

式中：Bi為準則層B中第i項指標的模糊評價矩陣；W1i為指標層C相對于其所屬準則層Bi的權重矩陣；Ri為指標層C的模糊隸屬矩陣；i為第幾個因素。

3)二級模糊綜合評價。通過一級模糊綜合計算得出準則層B中各項指標所對應的不同評價等級的隸屬度，見公式(3)：

E=W2×M

(3)

式中：E為最終的綜合判斷結果；W2為準則層B中的各項指標相對于目標層A的權重矩陣；M為準則層B中各項指標的一級綜合評價結果所構成的模糊評價矩陣。

3.1 制漿工段廢水污染控制技術綜合評價計算

制漿水污染控制技術評估選取漂白工段，對包括傳統(tǒng)的氯化、堿處理、次氯酸鹽(CEH)三段漂白、常用的無元素氯(ECF)漂白和最新的全無氯(TCF)漂白3種技術進行綜合評估。

1)確定指標隸屬度：對清潔漂白的3種技術，選擇采用百分比統(tǒng)計方法對專家意見進行統(tǒng)計，最后得到定性指標的評價結果。專家評估結果見表4。

表4 漂白工序?qū)＜译`屬度打分統(tǒng)計

2)進行一級模糊評價：以其中CEH三段漂白技術為例，構造準則層B，根據(jù)公式(2)，得到：

同理可得：B2=[0.673 2 0.227 3 0.100 1]，B3=[0.300 0 0.300 0 0.400 0]，B4=[0.100 0 0.155 2 0.744 8]。由此可以得到第2層評價矩陣，M=[B1B2B3B4]T。

3)進行二級模糊綜合評價：根據(jù)公式(3)，得到二級模糊綜合評價集：E1=[0.330 2 0.219 1 0.436 4]。

通過同樣的步驟，ECF清潔漂白技術和TCF清潔漂白技術進行一級和二級模糊評估：得到結果E2=[0.743 8 0.140 5 0.101 5]，E3=[0.657 6 0.194 7 0.133 4]。根據(jù)最大隸屬度原則，綜合評價指標值越大表明綜合效益越高[14]。對于清潔漂白技術的3種污染控制技術，ECF清潔漂白技術綜合評價矩陣E2與TCF綜合評價矩陣E3中都是第1個元素的數(shù)值最大，表明ECF與TCF清潔漂白技術是很好的污染控制技術；而CEH三段漂白技術綜合評價矩陣E1中第3個元素的數(shù)值最大，表明該技術為一般的污染控制技術。從專家賦值來看，TCF漂白技術先進、綜合能耗低，污染控制好，得分高，但沒有ECF 技術穩(wěn)定。ECF技術先進性不如TCF，但技術適用性好，穩(wěn)定性好。CEH漂白的技術成熟度好，但污染控制困難，得分低，技術一般。有資料表明，河南銀鴿實業(yè)投資股份有限公司利用ECF漂白技術處理后，發(fā)現(xiàn)廢水排放量減少91.97萬t/a，COD減排量81.6 t/a，BOD5減排量8.74 t/a，同時減少了氯氣排放，達到了清潔生產(chǎn)的目的，對環(huán)境效益較明顯[15]。

3.2 造紙工段水污染控制技術綜合評價

造紙工段水污染控制技術選擇造紙白水梯級循環(huán)回用工段進行綜合量化評估，評估技術為微氣浮技術和多圓盤過濾技術2個技術。造紙白水梯級循環(huán)回用技術專家詳細打分表見附錄表14。在進行模糊評價計算后，同樣得到2個矩陣：E1=[0.609 5 0.266 5 0.109 9]，E2=[0.656 7 0.229 0 0.100 1]。2個矩陣中都是第1個元素的數(shù)值最大，說明多圓盤過濾技術和微氣浮技術都是有效的污染控制技術。從專家賦值來看，微氣浮技術較先進，并且可以節(jié)約經(jīng)濟工程投資，得分高，但是技術適用性和技術成熟度不如多圓盤過濾技術。多圓盤過濾技術雖在技術先進性上不如微氣浮技術，但污染控制得分項高。據(jù)文獻資料報道[16]，利用多圓盤處理白水使得超清濾液澄清度明顯提高，其中OCC漿造紙白水回收的超清濾液澄清度低于50 mg/L，全木漿衛(wèi)生紙白水回收的超清濾液澄清度不高于25 mg/L，可以增加紙機清水代替量，且提高了白水回收利用率。

3.3 末端廢水綜合處理工段水污染控制技術綜合評價

末端廢水綜合處理工段水污染控制技術種類較多，筆者主要選擇較為常見均改良Fenton氧化工藝、臭氧氧化深度處理技術和混凝沉淀或氣浮深度處理這3項技術進行評估。專家詳細評估打分統(tǒng)計表見附錄表15，通過計算得到3個矩陣：E1=[0.711 8 0.179 9 0.094 1]，E2=[0.597 9 0.233 8 0.149 3]，E3=[0.607 9 0.295 0 0.098 6]。3個矩陣中都是第1個元素的數(shù)值最大，說明3種技術都是很好的水污染控制技術。但改良Fenton氧化工藝的第1個元素數(shù)值最大，表明其相對最好；混凝沉淀或者氣浮深度處理技術的第1個元素值居次，表示其技術較好；臭氧氧化深度處理技術的第1個元素值最小，于3種技術比較而言，它相對一般。從專家賦值表中看到，混凝沉淀或者氣浮深度處理技術運行成本相對較低，臭氧氧化深度處理技術先進性好，F(xiàn)enton氧化工藝的污染物控制程度高。相關資料表明，F(xiàn)enton氧化工藝技術可以在廢水預處理工段提高廢水的可生化性[17]，還能高效地脫色廢水，降解難處理有機物和毒性物質(zhì)[18]。氣浮深度處理技術可以節(jié)約土地資源、提升污水的凈化速率[19]，高效氣浮法對COD去除率為58.6%，SS去除率為90.2%[20]，混凝沉淀對COD、SS去除率分別在37%、70%以上[21]。臭氧處理可以完全降解制漿造紙廢水中的木質(zhì)素類物質(zhì)，同時降低水中淀粉類物質(zhì)的污染負荷，有效增加廢水中COD的去除率[22]。

4 綜合評估得分計算

采用AHP-FCE模型，最后的評價結果得到一個隸屬等級，無法準確判斷出不同技術間的優(yōu)越性，還需要通過計算綜合得分來對多個技術進行比較優(yōu)選，在層次分析-模糊綜合評價的基礎上，對3個指標評價等級“很好，較好，一般”，分別賦予“5分，3分，1分”的分值，將最后的模糊綜合評估結果所屬的隸屬度分別乘以等級分值Fn，即可以得到該技術最終的綜合評估得分，結果見表5。綜合評估得分計算方法見公式(4)：

(4)

式中：Di為污染控制技術i的綜合評估得分；Eij為污染控制技術i的指標j的模糊評價結果；Fn為評價等級分值，n=1，2，3。

用上述方式計算，對一特定工序所有的污染控制技術按照分數(shù)高低進行排序，篩選出該工序的最佳可行污染控制技術。由表5可知，雖然ECF和TCF在模糊綜合評價結果中都是很好的清潔漂白技術，但ECF得分高于TCF，評估結果推薦首選ECF。造紙白水梯級循環(huán)回用工段的2種技術的得分都不錯，但微氣浮技術的得分略低于多圓盤過濾技術，說明多圓盤過濾技術更被推薦。3種造紙廢水綜合處理技術的綜合得分都比較高，即它們在廢水處理中都有很好的發(fā)展和應用。相對而言，改良Fenton氧化工藝綜合評估得分最高，混凝沉淀或氣浮深度處理技術其次，臭氧氧化深度處理技術在三者中居后。

表5 制漿造紙水污染控制技術綜合評估得分

5 結 論

本研究構建了制漿造紙水污染控制技術評估體系，依照專家打分進行層次分析與模糊評價，對制漿造紙水污染控制技術進行綜合評估與優(yōu)選。

1)環(huán)境影響是4個一級指標權重中最主要的影響因素，而運行管理影響最小。二級指標中廢水減少量、污染物減少量綜合權重系數(shù)最高，工程投資綜合權重系數(shù)最低。

2)使用AHP-FCE模型對制漿漂白的3種技術進行水污染控制技術評估，按最終得分得出最優(yōu)的水污染控制技術是ECF；造紙白水梯級循環(huán)回用技術中的多圓盤過濾技術優(yōu)于微氣浮技術；末端廢水綜合處理工段中的改良Fenton氧化工藝最優(yōu)。其中ECF在所有評價技術中得分最高。

3)應用AHP-FCE對制漿造紙工藝的水污染控制技術評估與篩選是可行的，可以為企業(yè)決策與政策制定等提供參考。