工业废盐无害化技术建模评价及分析

徐学骁， 左 武， 武 倩， 吕宜廉， 周海云， 姚烘烨

（江苏省环境工程技术有限公司， 江苏 南京 210019）

0 引言

工业废盐主要来源于工业生产（包括精细化工、医药生产以及高盐废水处理等过程[1-2]）。 我国工业废盐产量随着工业的快速发展而快速增长， 我国工业废盐年产量已超过2.0 × 107t[3]。 其具有种类多、产生量大、成分复杂、毒性大、处理成本高、环境危害大等特点[4]。

目前，工业废盐处理技术主要包括物理法、氧化法、膜分离法、热处理法等[5-9]。 物理法通过溶解结晶及提纯等方法进行处理，其主要包括重结晶法、盐洗法和萃取法等[10]。 氧化法主要利用氧化剂使废盐中不易降解的有机物氧化， 物理法难以处理时可采用氧化法迅速地将有毒、有害有机物完全氧化，以得到干净的产物[11]。 膜分离法采用纳滤膜或离子交换膜使有机物与盐分离，其主要方法包括纳滤、微滤以及电渗析等。 热处理法通过高温使得废盐中有机杂质迅速分解，实现有机物脱除[12]，因热处理对脱除有机物比较彻底，故研究人员对其广泛关注[13-15]。 因企业通常无法综合多方面因素进行技术评估并有效选择处理技术，所以，对工业废盐无害化处理关键技术评估具有技术指导的实际需求。

工业废盐无害化处理技术种类多、应用场景广、技术系统性强，由于评估指标涉及技术性能、污染防治、经济成本、再生产品等多方面，故单一方面的指标无法准确有效评估技术的优劣势及适用性。 层次分析法（AHP）是一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的分析方法，可为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。 逼近理想解排序法（TOPSIS）是根据评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的方法， 是一种距离综合评价方法。 通过采用AHP-TOPSIS 耦合评估，将2 种评估方法有机结合， 对废盐无害化处理技术进行评估分析，具有一定的技术先进性及创新性。

1 评估对象

拟对洗涤、膜处理、焚烧、热解、高温氧化、液中焚烧6 类无害化处理技术工艺开展评估， 通过对镇江江南化工、南通江山化工、江苏丰山集团、江苏杰林环保等企业进行调研， 获取相关参数资料并进行技术对比，具体情况见表1。

2 评估方法

2.1 评估思路

①通过现场调研、文献收集、监测分析等方式，获取技术性能、污染防治、经济成本和再生产品4 个方面数据； ②选取技术表征指标， 基于层次分析法（AHP）建立多准则决策模型；③评估指标量化，对无法精准判断的指标， 采用模糊综合评价方法进行分级赋值；④建立判断矩阵，计算各指标权重值；⑤通过逼近理想解排序技术（TOPSIS），对废盐无害化、资源化开展优先级排序。 技术评估体系见图1。

图1 技术评估体系

2.2 指标及数据收集

经济成本主要包括投资成本和运行成本指标，主要来源于企业数据等。 污染防治主要包括产生的废气、废水、固废量等指标，主要来源于企业数据等。技术性能主要包括稳定运行、技术适用性、自动化程度、使用寿命等指标，主要来源于企业数据、文献收集及现场调研等。再生产品指标主要包括产品标准、TOC 含量及杂质含量等指标， 主要来源于企业数据、检测分析数据等。

2.3 赋分标准

技术评估的16 个指标包含定量和定性判断且部分数据存在数量级的差异， 因此采用分级赋值的方式，实现数据的定量化和标准化。各评价指标总分为100， 其余等级的赋值计算公式为总分除以该等级在指标中的危害排序。对无法精准判断的指标，采用模糊综合评价方法进行分级赋值。

3 AHP-TOPSIS 模型

3.1 构建AHP 模型

根据选取的16 个评估指标构建递阶层次结构模型。第一层级为研究目的，第二层为评估的主要方面，其他层级为各因素包含的评价指标。 技术评估层次结构模型见图2。

图2 技术评估层次结构模型

由图2 可以看出， 工业废盐无害化处理技术评估主要包括经济成本、污染防治、技术性能和再生产品4 个方面的综合指标，该层级无法实现量化评估，需进一步下分设置细化指标。以投资成本、运行成本作为经济成本的细化指标，以“三废”产量作为污染防治的细化指标。 技术性能主要包括适用性、 可靠性、先进性3 个方面，这3 方面分别是对技术的适用范围、污染物去除效率和稳定运行、自动化程度、使用寿命和抗冲击负荷进行评价。

3.2 计算权重

根据不同参数的优先级，建立比较矩阵，按照1～9 标度法进行AHP 权重量化，并通过一致性检验。

式中：w1，w2，……，wj为指标参数的归一化权向量。

根据1～9 标度法量化各指标重要性，形成m×m 维的成对比较矩阵A。

式中：aij为参数pi和pjw1/w1的权重比；p1，p2，……，pm为指标参数。

若成对比较矩阵A 中的任何i,j,k=1,2…,m 满足aij=aikakj，则称矩阵A 为完全一致矩阵；否则，它不是一个完全一致的矩阵。 可通过求解以下特征方程来获得权向量（W）。

式中：λmax为成对比较矩阵A 的最大特征值。成对比较矩阵A 的一致性需要在可接受的一致性范围内，使用一致性比（CR）进行检验。

式中：RI 为同阶矩阵的平均随机一致性。如果CR 满足要求， 说明构建的成对比较矩阵的一致性是可以接受的。

3.3 构建TOPSIS 模型

采用TOPSIS 算法、结合AHP 和利用Python 编译，开展废盐无害化、资源化优先级排序。TOPSIS 计算的具体步骤如下：

（1）评价指标标准化转换

式中：XN为正样本值；Xi为指标样本值；Xmax和Xmin分别为该评价指标的最大值和最小值。

（2）参数样本归一化

式中：XN,STD为归一化的值；Xmean和Xstd分别为样本平均值和标准差。

（3）计算正、负理想解（Si+，Si-）

式中：Si+，Si-分别为正、负理想解的计算值。

（4）计算到正、负理想解的距离

式中：Sdi+，Sdi-分别为到正、负理想解的距离值。

（5）TOPSIS 得分

式中：εi为TOPSIS 得分。

4 评估结果与分析

4.1 判断矩阵权重

通过Yaahp10.1 软件进行评估体系建模， 对判断矩阵进行赋值计算，得出AHP 计算权重，第二层级评估因素权重值见表2。 其它子层级评估因素权重值见表3。

表2 第二层级评估因素权重值

表3 技术评估因素权重值

由表2 可以看出，污染防治的权重值最高（Wi=0.357 3），经济成本的权重值最低（Wi=0.117 3），在选择实际技术中应重点关注评估技术在污染防治方面的表现，不可过度以投资低、运行省作为技术决策的主要评估依据。 技术性能、 再生产品的权重值一致，说明除污染防治外，这2 方面评估指标是同等重要的评估依据。 由表3 可以看出，细分指标中TOC含量的权重值最高（Wi=0.131 4），说明无害化产物中的TOC 含量指标是评估处理技术的重要指标，在技术选择过程中应重点关注其处理后的无害化产物中TOC 含量值。 其次是废水、废气、固废产生量，权重值Wi=0.119 1。

4.2 评分结果及分析

采用TOPSIS 算法，对洗涤、膜处理、焚烧、热解、高温氧化、液中焚烧等6 类技术工艺进行赋值评分，具体见表4。

表4 技术评估综合评分

由表4 可以看出， 得分由高到低排序为热解＞液中焚烧工艺＞定向焚烧＞高温氧化＞膜处理＞洗涤。①高温热化学处理工艺得分较高，说明其在污染物去除效率、产品质量保证等方面具有较大优势；②热解工艺整体得分最高，说明其技术优势高，其优势主要体现在产物污染物去除效率高、 次生污染风险小、设备运行稳定性好方面等，其劣势主要在于投资及运行成本相对较高。 该工艺适用于大多数灰熔点小于其运行操作温度（450～550 ℃）的工业废盐，如农药、印染行业产生的NaCl，Na2SO4废盐等；③液中焚烧和焚烧工艺得分均中等偏上， 说明两者相对常温物化技术的优势均较大。 两类工艺均为进料形式为液态废盐的高温热化学处理技术， 炉型均为立式炉， 不同之处在于两者出料形式分别为急冷溶解后母液出料和传动输送式固态出料， 前者稳定性相对较高。液中焚烧广泛应用于农药、化学原料药行业产生的液态废盐及高盐废水的处理，焚烧工艺（定向转化炉）主要用于草甘膦母液资源化生产焦磷酸钠；④洗涤工艺得分最低， 其主要优势体现在经济成本低、技术成熟度高，劣势在于污染物去除效率明显不足、产物中污染物含量控制不足等，该技术在国内早期工业废盐无害化资源化应用案例较多。

在经济成本方面， 通过计算高温处理工艺设备投入成本和运行成本发现，两者均较高，故在投资、运行成本评分上得分较低；在技术性能方面，液中焚烧、热解工艺应用案例较为广泛（如江苏丰山集团、南通先正达、江苏蓝丰生化等单位），这2 类技术均采用高温热化学技术且运行稳定性高， 为自动化水平高的技术。洗涤工艺在技术性能指标上评分较高，原因在于其工艺成熟度较高，在各行业中应用广泛，具有流程单一、操作简单、稳定性好的特点。 焚烧工艺其应用广泛度虽较高，但仍存在一定设备故障率，高温氧化、 膜处理工艺这2 类技术稳定性仍需有待提升；再生产品方面，因液中焚烧、热解、焚烧、高温氧化工艺均采用高温处理工艺， 去除废盐中有机污染物效率较高， 故以上工艺的再生产品质量指标更优。洗涤工艺由于采用单纯水洗或其他溶剂洗涤，故去除废盐中有机物的效率不彻底， 导致产品中有机物残存量较高，使得产品质量无法得到有效保证。

5 结论

工业废盐无害化处理技术种类多、应用场景广、技术系统性强，评估指标涉及技术性能、污染防治、经济成本、 再生产品等多方面。 通过构建AHPTOPSIS 模型对工业废盐无害化处理技术进行评价分析，以技术性能、污染防治、经济成本、再生产品为主要评估层面，细化16 个具体技术指标，研究得出污染防治为技术评估的重点关注层面，技术性能、再生产品相关指标也相对重要， 其中， 无害化产物中TOC 含量值为评估技术的重要关注点。采用TOPSIS算法对6 类无害化处理技术进行赋值评分后发现，热解等高温处理技术的整体技术优势较大， 为今后技术发展的主导方向。