基于層次分析法的泥水分離絮凝劑比選

郝占豪 （上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080）

1 引言

在鉆孔樁基施工、地下連續(xù)墻施工、泥水盾構(gòu)施工及某些非開挖施工過程中，需輔以人工造漿，以起到護(hù)壁、攜渣、冷卻、清孔等作用[1]。該泥漿一般為黏稠狀流體或半流體，主要由液體、膨潤(rùn)土及化學(xué)添加劑形成。使用后的泥漿，成分及性能指標(biāo)發(fā)生變化，不再滿足泥漿性能規(guī)定的要求，即成為廢棄泥漿。大量的廢棄泥漿，如不及時(shí)處理不僅會(huì)破壞施工現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工形象，也會(huì)占用有限的施工場(chǎng)地，制約現(xiàn)場(chǎng)交通組織。由于工程泥漿使用時(shí)須添加各類處理劑，廢棄泥漿中含有不少對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)。過去，一些企業(yè)縱容施工工地非法將廢棄泥漿無序偷排亂排入河道，對(duì)自然生態(tài)造成嚴(yán)重污染。現(xiàn)在，為避免麻煩，較多工地使用直接裝車外運(yùn)進(jìn)行填埋的方式，該方法直接簡(jiǎn)單，但運(yùn)輸成本高昂，外運(yùn)過程中有產(chǎn)生二次污染的可能。因此，如何經(jīng)濟(jì)高效妥善處置廢棄泥漿成為人們的研究重點(diǎn)。

常見的廢棄泥漿處理方法主要有通過添加水泥、礦渣等固化劑使其固化[1][2]，投加化學(xué)絮凝劑破壞其膠體狀態(tài)進(jìn)行泥水分離，機(jī)械設(shè)備物理脫水等[3]。近年來，工程實(shí)踐中多采用絮凝劑和機(jī)械設(shè)備脫水相結(jié)合的方法，即先通過投放絮凝劑對(duì)廢棄泥漿進(jìn)行初步泥水分離，再用機(jī)械設(shè)備進(jìn)一步處理。絮凝劑的選用對(duì)廢棄泥漿脫水效果具有重要影響，不少學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究。武亞軍等[4]進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)pH值對(duì)泥漿穩(wěn)定性及絮凝劑絮凝效果有較大影響，基于此進(jìn)一步研究了泥漿添加絮凝劑后pH值不同調(diào)節(jié)方式；梁止水等[5]研究分析了不同種類絮凝劑和聯(lián)合絮凝劑對(duì)廢棄泥漿泥水分離的效果，為快速泥水分離技術(shù)提供參考；羅禮華等[6]試驗(yàn)分析了多種絮凝劑，指出水溫、攪拌方式及投入量是影響絮凝劑作用效果的敏感因素。

目前關(guān)于絮凝劑的研究多側(cè)重于在理想環(huán)境下絮凝效果的影響因素分析，對(duì)于如何綜合各性能參數(shù)對(duì)選擇絮凝劑種類鮮有研究[7]。通過已有的文獻(xiàn)可以看出，絮凝劑的作用效果受到溫度、PH值、泥漿濃度等因素影響。現(xiàn)今大多數(shù)工程工期緊、場(chǎng)地有限，幾乎沒有為達(dá)到最佳絮凝效果創(chuàng)造最適宜環(huán)境的條件。因此本文在不考慮最佳外界環(huán)境的因素的基礎(chǔ)上，就如何選取處理廢棄泥漿最佳絮凝劑進(jìn)行分析。

2 層次分析法概述

層次分析法（AHP）是上世紀(jì)七十年代T.L.Saaty提出的，該方法將復(fù)雜問題分解，形成遞階的組成因素層次，同一層次的兩兩因素進(jìn)行比較，對(duì)重要性進(jìn)行賦值，既可以定性又能定量地分析問題，為決策提供綜合判斷依據(jù)[7]。

層次分析法首先將問題分解為若干元素，歸納分類后形成不同層次，通常上一層次的元素支配下一層次的元素，層層遞階，形成遞階層次結(jié)構(gòu)。其中首層為目標(biāo)層，最底層為方案層，中間若干層為準(zhǔn)則層或子準(zhǔn)則層。針對(duì)上一層次各元素，受支配的下一層次n個(gè)元素，需進(jìn)行兩兩比較（表1），構(gòu)建判斷矩陣(aij)nxn，其中。

比例標(biāo)度表 表1

利用根法計(jì)算矩陣A的最大特征值和對(duì)應(yīng)特征向量，矩陣A各元素按行相乘，乘積分別開n次方，得到的方根向量歸一化即為權(quán)向量w。

為保證判斷矩陣不出現(xiàn)極端矛盾情況，需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

當(dāng) C.R.<0.1時(shí)，則一致性檢驗(yàn)通過；否則，需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修改。其中一致性指標(biāo)R.I.可通過查表獲得。

最后，自上而下進(jìn)行總層次排序，計(jì)算某層次對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

3 基于層次分析法的絮凝劑比選

絮凝劑種類繁多，包括無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑。本文分別選取4種絮凝劑進(jìn)行試驗(yàn)，分別為聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁、聚合聚鐵硅、聚硅酸硫酸鐵，其中。取用上海某工程廢棄泥漿，對(duì)每份150mL廢棄泥漿樣本，分別加入不同種類的濃度為1‰的絮凝劑溶液，充分?jǐn)嚢?min，靜置1min后，測(cè)定上清液體積和上清液濁度。利用抽氣泵繼續(xù)對(duì)沉積物進(jìn)行抽濾，完全分離固液體，測(cè)定抽濾水體積及濁度，計(jì)算濾餅含水率。

將測(cè)定的五個(gè)參數(shù)作為判斷指標(biāo)對(duì)絮凝劑進(jìn)行優(yōu)選，其中清液濁度表示經(jīng)絮凝劑作用，泥漿膠體穩(wěn)定性被破壞，絮凝沉淀后上層清液的渾濁程度，數(shù)值越小越好；濾液濁度表示絮凝作用后的沉積物經(jīng)充分過濾后濾水的渾濁程度，數(shù)值越小越好；上清液和抽濾水的量越大，代表脫水效果越好；殘余固化物含水率為絮凝并過濾后沉積物的含水率，數(shù)值越小越好?？梢钥吹?，上清液和抽濾水越多，清液濁度、濾液濁度及殘余固化物含水率并不一定越小，判斷指標(biāo)兩兩之間并不一定呈正向變化關(guān)系。因此，如何進(jìn)行合理取舍從而選擇出最佳絮凝劑變得復(fù)雜困難。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用層次分析法綜合上清液、清液濁度、抽濾水、濾液濁度以及殘余固化物含水率等性能參數(shù)比選出最佳絮凝劑。

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)體系

將選擇最佳絮凝劑作為目標(biāo)層A，上清液體積、上清液濁度、抽濾水體積、濾液濁度、殘余固化物含水率作為準(zhǔn)則層B，絮凝劑種類作為方案層C。

3.2 構(gòu)造判斷矩陣、確定最佳絮凝劑

根據(jù)1～9標(biāo)度法，兩兩比較可得準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣：

圖1 遞階層次結(jié)構(gòu)

絮凝劑脫水性能參數(shù)結(jié)果 表2

根據(jù)表1，在本次判斷矩陣構(gòu)造中，認(rèn)為指標(biāo)上清液體積和指標(biāo)清液濁度介于同等重要和稍微重要之間，因此對(duì)應(yīng)元素取值為2或1/2；指標(biāo)上清液體積和指標(biāo)抽濾水體積介于稍微重要和較強(qiáng)重要之間，因此對(duì)應(yīng)元素取值為4或1/4；指標(biāo)上清液體積和指標(biāo)濾液濁度介于同等重要和稍微重要之間，因此對(duì)應(yīng)元素取值為2或1/2；指標(biāo)上清液體積和殘余固化物含水率介于同等重要和稍微重要之間，因此對(duì)應(yīng)元素取值為2或1/2；指標(biāo)清液濁度和指標(biāo)抽濾水體積相比為強(qiáng)烈重要，因此對(duì)應(yīng)元素取值為7或1/7；指標(biāo)清液濁度和指標(biāo)濾液濁度介于同等重要和稍微重要之間，因此對(duì)應(yīng)元素取值為2或1/2；指標(biāo)清液濁度和指標(biāo)殘余固化物含水率介于稍微重要和較強(qiáng)重要之間，因此對(duì)應(yīng)元素取值為4或1/4；指標(biāo)抽濾水體積和指標(biāo)濾液濁度相比為較強(qiáng)重要，因此對(duì)應(yīng)元素取值為5或1/5；指標(biāo)抽濾水體積和指標(biāo)殘余固化物含水率介于同等重要和稍微重要之間，因此對(duì)應(yīng)元素取值為2或1/2；指標(biāo)濾液濁度和指標(biāo)殘余固化物含水率相比為稍微重要，因此對(duì)應(yīng)元素取值為3或1/3。

由MATLAB計(jì)算得最大特征值λmax=5.0462，歸一化后權(quán)向量 w=[0.18 0.4038 0.0505 0.2713 0.0945]T，根據(jù)式（2）計(jì)算一致性指標(biāo) C.I.=0.0116，查表R.I.=1.12，根據(jù)式（3）計(jì)算一致性比例C.R.=0.0103＜0.1，滿足一致性。

同理，方案層對(duì)準(zhǔn)則層五個(gè)元素，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可寫出5個(gè)單因子判斷矩陣，借助MATLAB計(jì)算，結(jié)果見表 3，均滿足一致性。

組合權(quán)重 表3

計(jì)算方案層對(duì)目標(biāo)層的組合權(quán)重及一致性比例，結(jié)果見表3，層次總排序滿足一致性。根據(jù)權(quán)重結(jié)果進(jìn)行排序，聚丙烯酰胺占的組合權(quán)重最大，因此選擇聚丙烯酰胺作為絮凝劑。

4 結(jié)論

本文建立了絮凝劑選擇層次結(jié)構(gòu)體系，綜合五個(gè)判斷指標(biāo)，利用層次分析法對(duì)絮凝劑進(jìn)行了優(yōu)選。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，復(fù)雜問題分解化，量化了判斷指標(biāo)對(duì)結(jié)果的影響程度，通過簡(jiǎn)便的計(jì)算得到明確的答案，可用于指導(dǎo)問題選擇。本文基于層次分析法，根據(jù)選取的多個(gè)性能參數(shù)指標(biāo)，選出適用于特定工程廢棄泥漿的最佳絮凝劑，可為同類工程提供參考。