層次分析法在某銀礦尾礦庫廢水處理中的應用

馮維力

(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司　武漢 430081)

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層次分析法在某銀礦尾礦庫廢水處理中的應用

馮維力

(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司武漢 430081)

摘要研究了投加量對三種水樣中總氰、總銅、總鋅處理效果的影響，并采用層次分析法分析得出漂白粉處理某銀礦尾礦庫廢水的最佳投加量。結果表明：層次分析法能使總氰、總銅、總鋅多條去除率曲線綜合成一條總去除率曲線，從而更容易判斷出最佳投加量為2.5 g/L；當漂白粉的投加量為2.5 g/L、pH=8、接觸反應時間為60 min時，可使原水水質在一定范圍內變化的某銀礦尾礦庫廢水處理達標；穩(wěn)定性驗證試驗表明，層次分析法分析得出的漂白粉最佳投加量，可使含氰廢水的處理出水穩(wěn)定達標。

關鍵詞層次分析法權重銀礦尾礦庫廢水

0引言

層次分析法是一種定性與定量分析方法相結合的綜合性評價方法，能使多個指標綜合成一個指標，使評價更簡單、更直觀。層次分析法在很多行業(yè)都有一定的應用，在環(huán)境保護研究中的應用主要包括：水安全評價[1-2]、水質指標和環(huán)境保護措施研究[3]、生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系研究[4]以及水生野生動物保護區(qū)污染源確定[5]等。但在工業(yè)廢水處理方面很少有研究。

某銀礦采用氰化鈉浸出工藝，有一部分含氰廢水排入尾礦庫，致使尾礦庫廢水含有氰化物。由于氰化物毒性很大，如不達標排放就會污染水源，并威脅人類、牲畜的生命安全。尾礦庫里的廢水不僅含有氰化物，而且還含有重金屬，因此需多個指標來評價處理效果。層次分析法是綜合多個指標后，再對處理效果進行評價，從而可以避免因單個指標變化規(guī)律不一致而無法判斷最佳處理效果。

本文應用層次分析法于漂白粉處理某銀礦尾礦庫廢水中，并通過層次分析法確定最佳投加量。

1材料和方法

1.1試驗水樣與試驗試劑

水樣：取自某銀礦尾礦庫(水質有波動所以取3個樣)，水質參數(shù)如下表1。漂白粉，工業(yè)純，實驗室測定有效氯含量為17.29%(有效氯的測定采用碘量法)。其他試劑均為分析純，實驗室用水為超純水。

表1　3種水樣的水質參數(shù)

1.2試驗方法

取3.0L水樣分別均等地置于6個燒杯中，再向6個燒杯中分別投加0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0g/L的漂白粉，調節(jié)到最佳pH值(pH=8)，攪拌反應足夠時間(60min)后，測定溶液總氰、總銅、總鋅，并計算總氰、總銅、總鋅去除率?？偳铚y定采用AgNO3滴定法，總銅與總鋅的測定采用原子吸收分光光度法。

1.3層次分析法

層次分析法又稱AHP構權法，是美國運籌學家薩蒂(SaatyTL)于20世紀70年代提出的一種定性方法與定量分析相結合多目標決策分析方法。它將復雜的評價對象排列為一個有序的遞階層次結構的整體，然后在各個評價項目之間進行兩兩的比較、判斷，計算各個評價項目的相對重要性系數(shù)(即權重)，最后判斷最佳方案。

1.3.1指標的選擇與層次結構模型的建立

根據某銀礦的生產工藝判斷主要污染物為氰化物、銅(+1、+2離子)、鋅離子，本文選取總氰、總銅、總鋅作為評價指標。對評價某銀礦尾礦庫廢水處理效果主要考慮處理效果的好壞，故評價的目標層為尾礦庫廢水處理效果(η總)，指標為前面已經確定的3個評價指標總氰(η1)、總銅(η2)、總鋅(η3)。因此，建立層次結構圖見圖1。

圖1廢水處理效果綜合評價的層次結構圖

1.3.2構造判斷矩陣

采用1～9標度法[4]，逐項就任意2個評價指標進行比較，主要根據各項指標的處理程度(即去除率)、各項指標的初始濃度、污水綜合排放標準(總氰≤0.5mg/L，總銅≤0.5mg/L，總鋅≤2.0mg/L[6])來定它們的相對重要性并賦予相應的值，即表2。

表2　各項指標的判斷矩陣

1.3.3計算各指標權重

為避免采用一種方法求權重產生偏差，本文采用4種方法求權重，使得出的結果更全面、更有效。4種方法分別為幾何平均法、算術平均法、特征向量法和最小二乘法[7-9]。

(1)幾何平均法。

(1)

計算方法：①A的元素按行相乘得一新向量(A為判斷矩陣)；②將新向量的每個分量開n次方；③將所得向量歸一化即為權重向量。

(2)算術平均法。

(2)

(3)特征向量法。

將權重向量W右乘權重比矩陣A，有

AW=λmaxW

(3)

λmax為判斷矩陣的最大特征值，存在且唯一，W的分量均為正分量。最后，將求得的權重向量作歸一化處理即為所求。

(4)最小二乘法。

用擬合方法確定權重向量，使殘差平方和為最小。即求解如下模型：

(4)

ωi>0，i=1，2，…，n

根據判斷矩陣采用上述4種方法求得相同的權重：

ω1=ω2=0.444 4、ω3=0.111 2 (ω1、ω2、ω3分別為總氰、總銅、總鋅的權重系數(shù))

1.3.4一致性檢驗

檢驗判斷矩陣的一致性檢驗指標CI：

由上述判斷矩陣及權重向量可求出λmax=3，

CI=(λmax-n)/(n-1)=(3-3)/(3-1)=0

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

顯然判斷矩陣具有滿意的一致性，故所求權重可以應用。

2試驗結果與討論

2.1投加量對處理效果的影響

圖2為不同漂白粉投加量對3種水樣處理效果的影響。從圖2可以看出，總氰和總銅的去除率總體上是隨投加量的增加而增加，而總鋅的去除率總體上是隨投加量的增加而減少。還可以看出總氰與總銅的去除率在整體上具有正相關性，這可能主要是由于Cu+與CN-在溶液中是以絡合物的形式存在且此絡合物比較穩(wěn)定。由于水樣1、水樣2、水樣3的總氰、總銅、總鋅去除率曲線變化不一致，甚至有相反的趨勢，因此無法直觀判斷出最佳投加量。接下來利用層次分析法來處理總氰、總銅、總鋅多條去除率曲線使之成為一條曲線，以便更好判斷最佳投加量。

(a)水樣1

(b)水樣2

2.2層次分析法應用

根據上文分析，某銀礦尾礦庫廢水處理效果的總去除率可表示成：

η總=η1×ω1+η2×ω2+η3×ω3

(5)

即：η總=η1×0.444 4+η2×0.444 4+η3×0.111 2

(6)

漂白粉處理3種水樣的總去除率變化曲線如圖3所示。

從圖2、圖3可以看到，運用層次分析法把某種水樣的3條曲線擬合成1條曲線，可以避免總氰、總銅、總鋅去除率規(guī)律不一致而無法判斷最佳投加量。通過運用層次分析法將總氰、總銅、總鋅去除率曲線綜合成一條曲線后，可以明顯看出某種水樣去除率曲線的規(guī)律，并且能更直觀、更明顯地判斷最佳投加量。從圖3可以看出，3個水樣都是隨著投加量的增大，總去除率也在增大，當投加量達到2.5g/L時，去除率達到最大。并且投加量在2.5g/L時，3種水樣的3種指標都能達到污水綜合排放標準一級標準的要求(總氰≤0.5mg/l，總銅≤0.5mg/L，總鋅≤2.0mg/L)。因此，3種水樣的最佳投加量為2.5g/L。綜上所述，漂白粉投加量為2.5g/L時，能使水質在一定范圍變化的某銀礦尾礦庫廢水處理達標。

圖3　投加量對3種水樣總去除率的影響

2.3穩(wěn)定性驗證試驗

在最佳條件下，為驗證漂白粉處理含氰廢水的穩(wěn)定性，以水樣3為待處理水樣，取9個平行樣，控制漂白粉投加量為2.5g/L、初始溶液pH=8.0、反應時間為60min，反應結果見表3。

從表3可以看出，在最佳條件下，漂白粉處理水樣3，可使出水水質穩(wěn)定達標。但總氰指標有個別不達標，可能是由于實驗誤差。綜上所述，通過層次分析法分析得出的漂白粉最佳投加量，可使含氰廢水的處理出水穩(wěn)定達標。

表3　最佳條件下漂白粉處理水樣3結果

注：上述表格中的標準是指污水綜合排放標準一級標準(總氰≤0.5mg/L，總銅≤0.5mg/L，總鋅≤2.0mg/L)。

3結論

采用4種方法求權重并得到同樣的結果，這樣使結果更全面、更有效。層次分析法能綜合評價某銀礦尾礦庫廢水處理效果，使3條變化不一致的曲線綜合成1條變化趨勢明顯的曲線，從而更容易判斷出漂白粉最佳投加量為2.5g/L。當漂白粉的投加量為2.5g/L、pH=8、接觸反應時間為60min時，可使原水水質在一定范圍內變化的某銀礦尾礦庫廢水處理達標。穩(wěn)定性驗證試驗表明，層次分析法分析得出的漂白粉最佳投加量，可使含氰廢水的處理出水穩(wěn)定達標。

參考文獻

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作者簡介馮維力，男，1965年生，高級工程師，主要從事市政及工業(yè)給水排水工程設計與研究工作。

(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