层次分析法在某银矿尾矿库废水处理中的应用

冯维力

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司　武汉 430081)



层次分析法在某银矿尾矿库废水处理中的应用

冯维力

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司武汉 430081)

摘要研究了投加量对三种水样中总氰、总铜、总锌处理效果的影响，并采用层次分析法分析得出漂白粉处理某银矿尾矿库废水的最佳投加量。结果表明：层次分析法能使总氰、总铜、总锌多条去除率曲线综合成一条总去除率曲线，从而更容易判断出最佳投加量为2.5 g/L；当漂白粉的投加量为2.5 g/L、pH=8、接触反应时间为60 min时，可使原水水质在一定范围内变化的某银矿尾矿库废水处理达标；稳定性验证试验表明，层次分析法分析得出的漂白粉最佳投加量，可使含氰废水的处理出水稳定达标。

关键词层次分析法权重银矿尾矿库废水

0引言

层次分析法是一种定性与定量分析方法相结合的综合性评价方法，能使多个指标综合成一个指标，使评价更简单、更直观。层次分析法在很多行业都有一定的应用，在环境保护研究中的应用主要包括：水安全评价[1-2]、水质指标和环境保护措施研究[3]、生态环境质量评价指标体系研究[4]以及水生野生动物保护区污染源确定[5]等。但在工业废水处理方面很少有研究。

某银矿采用氰化钠浸出工艺，有一部分含氰废水排入尾矿库，致使尾矿库废水含有氰化物。由于氰化物毒性很大，如不达标排放就会污染水源，并威胁人类、牲畜的生命安全。尾矿库里的废水不仅含有氰化物，而且还含有重金属，因此需多个指标来评价处理效果。层次分析法是综合多个指标后，再对处理效果进行评价，从而可以避免因单个指标变化规律不一致而无法判断最佳处理效果。

本文应用层次分析法于漂白粉处理某银矿尾矿库废水中，并通过层次分析法确定最佳投加量。

1材料和方法

1.1试验水样与试验试剂

水样：取自某银矿尾矿库(水质有波动所以取3个样)，水质参数如下表1。漂白粉，工业纯，实验室测定有效氯含量为17.29%(有效氯的测定采用碘量法)。其他试剂均为分析纯，实验室用水为超纯水。

表1　3种水样的水质参数

1.2试验方法

取3.0L水样分别均等地置于6个烧杯中，再向6个烧杯中分别投加0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0g/L的漂白粉，调节到最佳pH值(pH=8)，搅拌反应足够时间(60min)后，测定溶液总氰、总铜、总锌，并计算总氰、总铜、总锌去除率。总氰测定采用AgNO3滴定法，总铜与总锌的测定采用原子吸收分光光度法。

1.3层次分析法

层次分析法又称AHP构权法，是美国运筹学家萨蒂(SaatyTL)于20世纪70年代提出的一种定性方法与定量分析相结合多目标决策分析方法。它将复杂的评价对象排列为一个有序的递阶层次结构的整体，然后在各个评价项目之间进行两两的比较、判断，计算各个评价项目的相对重要性系数(即权重)，最后判断最佳方案。

1.3.1指标的选择与层次结构模型的建立

根据某银矿的生产工艺判断主要污染物为氰化物、铜(+1、+2离子)、锌离子，本文选取总氰、总铜、总锌作为评价指标。对评价某银矿尾矿库废水处理效果主要考虑处理效果的好坏，故评价的目标层为尾矿库废水处理效果(η总)，指标为前面已经确定的3个评价指标总氰(η1)、总铜(η2)、总锌(η3)。因此，建立层次结构图见图1。

图1废水处理效果综合评价的层次结构图

1.3.2构造判断矩阵

采用1～9标度法[4]，逐项就任意2个评价指标进行比较，主要根据各项指标的处理程度(即去除率)、各项指标的初始浓度、污水综合排放标准(总氰≤0.5mg/L，总铜≤0.5mg/L，总锌≤2.0mg/L[6])来定它们的相对重要性并赋予相应的值，即表2。

表2　各项指标的判断矩阵

1.3.3计算各指标权重

为避免采用一种方法求权重产生偏差，本文采用4种方法求权重，使得出的结果更全面、更有效。4种方法分别为几何平均法、算术平均法、特征向量法和最小二乘法[7-9]。

(1)几何平均法。

(1)

计算方法：①A的元素按行相乘得一新向量(A为判断矩阵)；②将新向量的每个分量开n次方；③将所得向量归一化即为权重向量。

(2)算术平均法。

(2)

(3)特征向量法。

将权重向量W右乘权重比矩阵A，有

AW=λmaxW

(3)

λmax为判断矩阵的最大特征值，存在且唯一，W的分量均为正分量。最后，将求得的权重向量作归一化处理即为所求。

(4)最小二乘法。

用拟合方法确定权重向量，使残差平方和为最小。即求解如下模型：

(4)

ωi>0，i=1，2，…，n

根据判断矩阵采用上述4种方法求得相同的权重：

ω1=ω2=0.444 4、ω3=0.111 2 (ω1、ω2、ω3分别为总氰、总铜、总锌的权重系数)

1.3.4一致性检验

检验判断矩阵的一致性检验指标CI：

由上述判断矩阵及权重向量可求出λmax=3，

CI=(λmax-n)/(n-1)=(3-3)/(3-1)=0

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

显然判断矩阵具有满意的一致性，故所求权重可以应用。

2试验结果与讨论

2.1投加量对处理效果的影响

图2为不同漂白粉投加量对3种水样处理效果的影响。从图2可以看出，总氰和总铜的去除率总体上是随投加量的增加而增加，而总锌的去除率总体上是随投加量的增加而减少。还可以看出总氰与总铜的去除率在整体上具有正相关性，这可能主要是由于Cu+与CN-在溶液中是以络合物的形式存在且此络合物比较稳定。由于水样1、水样2、水样3的总氰、总铜、总锌去除率曲线变化不一致，甚至有相反的趋势，因此无法直观判断出最佳投加量。接下来利用层次分析法来处理总氰、总铜、总锌多条去除率曲线使之成为一条曲线，以便更好判断最佳投加量。

(a)水样1

(b)水样2

2.2层次分析法应用

根据上文分析，某银矿尾矿库废水处理效果的总去除率可表示成：

η总=η1×ω1+η2×ω2+η3×ω3

(5)

即：η总=η1×0.444 4+η2×0.444 4+η3×0.111 2

(6)

漂白粉处理3种水样的总去除率变化曲线如图3所示。

从图2、图3可以看到，运用层次分析法把某种水样的3条曲线拟合成1条曲线，可以避免总氰、总铜、总锌去除率规律不一致而无法判断最佳投加量。通过运用层次分析法将总氰、总铜、总锌去除率曲线综合成一条曲线后，可以明显看出某种水样去除率曲线的规律，并且能更直观、更明显地判断最佳投加量。从图3可以看出，3个水样都是随着投加量的增大，总去除率也在增大，当投加量达到2.5g/L时，去除率达到最大。并且投加量在2.5g/L时，3种水样的3种指标都能达到污水综合排放标准一级标准的要求(总氰≤0.5mg/l，总铜≤0.5mg/L，总锌≤2.0mg/L)。因此，3种水样的最佳投加量为2.5g/L。综上所述，漂白粉投加量为2.5g/L时，能使水质在一定范围变化的某银矿尾矿库废水处理达标。

图3　投加量对3种水样总去除率的影响

2.3稳定性验证试验

在最佳条件下，为验证漂白粉处理含氰废水的稳定性，以水样3为待处理水样，取9个平行样，控制漂白粉投加量为2.5g/L、初始溶液pH=8.0、反应时间为60min，反应结果见表3。

从表3可以看出，在最佳条件下，漂白粉处理水样3，可使出水水质稳定达标。但总氰指标有个别不达标，可能是由于实验误差。综上所述，通过层次分析法分析得出的漂白粉最佳投加量，可使含氰废水的处理出水稳定达标。

表3　最佳条件下漂白粉处理水样3结果

注：上述表格中的标准是指污水综合排放标准一级标准(总氰≤0.5mg/L，总铜≤0.5mg/L，总锌≤2.0mg/L)。

3结论

采用4种方法求权重并得到同样的结果，这样使结果更全面、更有效。层次分析法能综合评价某银矿尾矿库废水处理效果，使3条变化不一致的曲线综合成1条变化趋势明显的曲线，从而更容易判断出漂白粉最佳投加量为2.5g/L。当漂白粉的投加量为2.5g/L、pH=8、接触反应时间为60min时，可使原水水质在一定范围内变化的某银矿尾矿库废水处理达标。稳定性验证试验表明，层次分析法分析得出的漂白粉最佳投加量，可使含氰废水的处理出水稳定达标。

参考文献

[1]徐兵兵,张妙仙,王肖肖.改进的模糊层次分析法在南苕溪临安段水质评价中的应用[J].环境科学学报,2011,31(9):2066-2072.

[2]卢文喜,李迪,张蕾,伊燕平.基于层次分析法的模糊综合评价在水质评价中的应用[J].节水灌溉,2011(3):43-46.

[3]王晓明,许玉,王秀珍,钱翌.运用层次分析法的水质指标和环境保护措施研究[J].黑龙江水专学报,2005,32(4):130-133.

[4]李凯.层次分析法在生态环境综合评价中的应用[J].环境科学与技术,2009,32(2):183-185.

[5]李铸衡.应用层次分析法确定水生野生动物保护区主要污染源[J].长春师范学院学报(自然科学版),2005,24(4):116-119.

[6]国家技术监督局,国家环境保护局.GB8978—1996污水综合排放标准[M].北京：中国环境科学出版社,1996.

[7]李荣钧,肖宇堂.运筹学[M].广州:华南理工大学出版社,2002：196-199.

[8]邓雪,李家铭,曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识,2012,42(7):93-100.

[9]邓宇镌.用最小二乘法求解判断矩阵的权重向量[J].长春光学精密机械学院学报,1995,18(1):52-55.

作者简介冯维力，男，1965年生，高级工程师，主要从事市政及工业给水排水工程设计与研究工作。

(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