寒冷地区农业废弃物厌氧消化技术模式的评价与筛选

刘沛含，刘虎成，寇 巍，邵丽杰，王晓明

（1.辽宁省能源研究所有限公司，辽宁 营口 115003；2.沈阳航空航天大学 能源与环境学院，辽宁 沈阳110136）

0 引言

随着国家对农业废弃物资源化利用的支持和厌氧发酵新技术的不断涌现，针对不同发酵原料和不同地区的大中型沼气项目正在逐步建立。寒冷地区的沼气工程须要保障反应器在低温环境下稳定运行，为此国内外学者对沼气工程中的增温、保温工艺进行了相应研究。由于气候条件、原料来源、各种社会经济要求的不同，沼气工程所采用的厌氧消化技术也各不相同。常用的厌氧消化技术包括全混式厌氧消化技术（CSTR）[1]、升流式厌氧污泥床消化技术（UASB）[2]、升流式固体厌氧消化技术（USR）、塞流式厌氧消化技术（PFR）、序批式厌氧消化技术（ASBR）、高浓度立/卧式厌氧连续干发酵技术（CDAF）、半地下水泥发酵池技术（UCFT）和红泥膜厌氧消化技术等。

由于天气条件、原材料和运行需要的不同，不同的厌氧消化技术在发酵效率、经济效益、持续运行时间等方面可能有所不同[3]，[4]。同时，厌氧消化技术的选择原则也逐渐从成本驱动转变为技术可行性优先，直至现在的多因素（技术适应性、二次污染、温室气体排放等）并行。由此可见，沼气厌氧发酵技术的选择过程是由多种因素决定的复杂决策过程。因此，特定地区的沼气厌氧发酵技术筛选已成为全面建设沼气工程需要面临的一个主要问题[5]，[6]。

多因素决策中常用的指标权重确定方法有层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[7]、主成分分析法、熵权法[8]、德尔菲法（Delphi）、模糊聚类法[9]和TOPSIS法[10]等。

AHP是一种系统的规划方法，能够将定性和定量分析与决策过程有机结合起来，进而进行优化处理得到更加准确、客观、合理的结果，其基本原则是确定不同方法之间的优先顺序，并以此作为最终的决策依据。目前，AHP法在沼气工程技术筛选中已多有应用[11]～[14]。

针对北方寒冷地区沼气工程的选择问题，本文运用层次分析法构建了一个技术筛选模型，并运用模糊综合评价方法对沼气工程技术进行了优选排序，从而对寒冷地区沼气工程厌氧发酵技术的选择提供一定的参考。

1 寒冷地区农业废弃物厌氧消化技术筛选体系构建及权重确定

采用层次分析法确定目标的权重，首先，根据问题的性质和目标，将问题分为不同层次的因素。根据各因素之间的关系及其影响和隶属关系，形成不同层次的组合，形成多层次的分析结构模型；然后，构建判断矩阵并邀请专家进行打分；最后，计算出各项指标的权重。

1.1 指标体系构建

寒冷地区农业废弃物厌氧消化技术的筛选是一个非常复杂的过程，须要考虑各种相互关联、相互作用的评价标准，因此构建综合评价指标体系是AHP法的基础。结合中国北方寒冷地区的实际情况，并收集近10年来应用率较高的指标，本文将评价指标体系划分为2个层次，将适应性指标、技术指标、社会指标和经济指标作为预达到总目标的准则层，建立如图1所示的层次模型。

图1 寒冷地区农业废弃物厌氧消化技术综合评价指标体系Fig.1 Comprehensive evaluation index system of anaerobic digestion technology of agriculturalwaste in cold area

1.2 判断矩阵的构建与权重的确定

为确定评价指标体系（图1）中每个因素对上一层次的相对重要性，对同层次指标进行两两对比，确定其在目标Z中所占的比重。20位专家根据表1分别对5个同层次指标组{（C1，C2，C3，C4），（C11，C12，C13，C14），（C21，C22，C23，C24），（C31，C32，C33），（C41，C42）}中指标之间的相对重要性进行两两对比赋值，由赋值结果构造判断矩阵A=（aij），并对其进行单排序计算，由式（1）～（3）确定最终的权重向量W=[W1，W2，…，Wn]T。

表1 指标相对重要性等级表Table 1 Index relative importance grade table

构建判断矩阵后，须对其一致性进行检查。将计算所得一致性指标CI与判断矩阵平均随机一致性指标RI（表2）相比较，可得到随机一致性比CR，当CR＜0.1时，认为判断矩阵与层次单排序结果的一致性良好，否则须要重新调整判断矩阵中元素的赋值。

表2 随机一致性指标RI数值Table 2 Random consistency index RI

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根；（AWi）为AW中的第i个元素。

1.3二级指标综合权重的确定

上述计算过程可由Matlab计算软件实现。在实际操作中，对中国北方地区20名厌氧消化技术领域的专家进行问卷调查，共收回17份问卷。由于受个人主观因素的影响，每位专家的赋值结果不尽相同，须对其赋值所得出的权重进行综合集结，统一结果。在此通过Hadamard乘积法[式（7）]对多个权重进行乘积聚集，再进行几何平均。

式中：Wik为第k个专家对第i项指标赋值所得出的权重值；p为专家总人数，取值为17。

表3为根据一位专家的打分得出的一级指标组（C1，C2，C3，C4）指标重要性赋值与权重向量的计算结果。通过计算可得：一级指标组向量权重W=（0.393 7，0.393 7，0.075 2，0.137 4）。对其进行一致性检查，CI=0.001 4，RI=0.90，CR=0.001 6＜0.10，即一致性良好，所得一级指标组向量权重可用。

表3 根据专家打分得出的一级指标组赋值与权重向量的计算结果Table 3 According to the expert scoring，the first level index group is assigned and theweight vector is calculated

用上述方法构建准则层与指标层的4个判断矩阵，求出二级指标组内权重，并检验一致性。最终得到指标层的各指标对寒冷地区农业废弃物厌氧消化技术筛选权重值的总排序列（表4）。

表4 各指标组内权重与二级指标权重Table 4 Intra group weightand secondary index weightof each index

2 寒冷地区厌氧消化技术方案评判

2.1 方案与评判标准的确定

通过查阅相关资料，筛选出北方寒冷地区较为常见的8项厌氧消化技术。专家须要按照“很好”、“较好”、“一般”、“较差”、“很差”对应“100～80”，“80～60”，“60～40”，“40～20”，“20～0”的分值标准对各项技术方案进行打分。

2.2 各项方案综合得分的分析

采用模糊综合评价法确定寒冷地区沼气工程技术的综合排序[15]，对每位专家的评分表进行整理并对同种技术的相同指标做算术平均，将得到的各项技术不同指标的平均得分与对应权重相乘，从而得到每项技术的综合得分，具体结果见表5。

表5 寒冷地区沼气工程技术模糊综合评判优等级模糊隶属度Table 5 Fuzzy comprehensive evaluation of Biogas Engineering Technology in cold area

由表5可知：CDAF技术和UCFT技术的综合得分较高，这两项技术在冬季低温影响和太阳能利用方面有较大优势，适用于北方寒冷地区的厌氧发酵工程；红泥膜技术的综合得分最低，其抗低温能力较差，在冬季会因低温而停止运行；其余技术的综合得分相差不大。对寒冷地区的适应性从高到低依次为CDAF技术、UCFT技术、USR技术、UASB技术、CSTR技术、ASBR技术、PFR技术、红泥膜技术。

3 结论

结合专家意见以及相关文献，选择适应性指标、技术指标、社会指标和经济指标作为一级指标，其在寒冷地区沼气工程技术的选择中所占的比重分别为0.395 1，0.388 5，0.073 6和0.142 8。所选择的13项2级指标中，权重最高的前3项分别为技术稳定性、太阳能利用和冬季低温影响，其所占权重分别为0.223 1，0.192 5和0.125 1。

在确定指标权重的基础上采用模糊综合评价方法完成对沼气工程技术的优选排序，8项主要技术的优选排序为CDAF技术、UCFT技术、USR技术、UASB技术、CSTR技术、ASBR技术、PFR技术、红泥膜技术。