寒冷地區農業廢棄物厭氧消化技術模式的評價與篩選

劉沛含，劉虎成，寇 巍，邵麗杰，王曉明

（1.遼寧省能源研究所有限公司，遼寧 營口 115003；2.沈陽航空航天大學 能源與環境學院，遼寧 沈陽110136）

0 引言

隨著國家對農業廢棄物資源化利用的支持和厭氧發酵新技術的不斷涌現，針對不同發酵原料和不同地區的大中型沼氣項目正在逐步建立。寒冷地區的沼氣工程須要保障反應器在低溫環境下穩定運行，為此國內外學者對沼氣工程中的增溫、保溫工藝進行了相應研究。由于氣候條件、原料來源、各種社會經濟要求的不同，沼氣工程所采用的厭氧消化技術也各不相同。常用的厭氧消化技術包括全混式厭氧消化技術（CSTR）[1]、升流式厭氧污泥床消化技術（UASB）[2]、升流式固體厭氧消化技術（USR）、塞流式厭氧消化技術（PFR）、序批式厭氧消化技術（ASBR）、高濃度立/臥式厭氧連續干發酵技術（CDAF）、半地下水泥發酵池技術（UCFT）和紅泥膜厭氧消化技術等。

由于天氣條件、原材料和運行需要的不同，不同的厭氧消化技術在發酵效率、經濟效益、持續運行時間等方面可能有所不同[3]，[4]。同時，厭氧消化技術的選擇原則也逐漸從成本驅動轉變為技術可行性優先，直至現在的多因素（技術適應性、二次污染、溫室氣體排放等）并行。由此可見，沼氣厭氧發酵技術的選擇過程是由多種因素決定的復雜決策過程。因此，特定地區的沼氣厭氧發酵技術篩選已成為全面建設沼氣工程需要面臨的一個主要問題[5]，[6]。

多因素決策中常用的指標權重確定方法有層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[7]、主成分分析法、熵權法[8]、德爾菲法（Delphi）、模糊聚類法[9]和TOPSIS法[10]等。

AHP是一種系統的規劃方法，能夠將定性和定量分析與決策過程有機結合起來，進而進行優化處理得到更加準確、客觀、合理的結果，其基本原則是確定不同方法之間的優先順序，并以此作為最終的決策依據。目前，AHP法在沼氣工程技術篩選中已多有應用[11]～[14]。

針對北方寒冷地區沼氣工程的選擇問題，本文運用層次分析法構建了一個技術篩選模型，并運用模糊綜合評價方法對沼氣工程技術進行了優選排序，從而對寒冷地區沼氣工程厭氧發酵技術的選擇提供一定的參考。

1 寒冷地區農業廢棄物厭氧消化技術篩選體系構建及權重確定

采用層次分析法確定目標的權重，首先，根據問題的性質和目標，將問題分為不同層次的因素。根據各因素之間的關系及其影響和隸屬關系，形成不同層次的組合，形成多層次的分析結構模型；然后，構建判斷矩陣并邀請專家進行打分；最后，計算出各項指標的權重。

1.1 指標體系構建

寒冷地區農業廢棄物厭氧消化技術的篩選是一個非常復雜的過程，須要考慮各種相互關聯、相互作用的評價標準，因此構建綜合評價指標體系是AHP法的基礎。結合中國北方寒冷地區的實際情況，并收集近10年來應用率較高的指標，本文將評價指標體系劃分為2個層次，將適應性指標、技術指標、社會指標和經濟指標作為預達到總目標的準則層，建立如圖1所示的層次模型。

圖1 寒冷地區農業廢棄物厭氧消化技術綜合評價指標體系Fig.1 Comprehensive evaluation index system of anaerobic digestion technology of agriculturalwaste in cold area

1.2 判斷矩陣的構建與權重的確定

為確定評價指標體系（圖1）中每個因素對上一層次的相對重要性，對同層次指標進行兩兩對比，確定其在目標Z中所占的比重。20位專家根據表1分別對5個同層次指標組{（C1，C2，C3，C4），（C11，C12，C13，C14），（C21，C22，C23，C24），（C31，C32，C33），（C41，C42）}中指標之間的相對重要性進行兩兩對比賦值，由賦值結果構造判斷矩陣A=（aij），并對其進行單排序計算，由式（1）～（3）確定最終的權重向量W=[W1，W2，…，Wn]T。

表1 指標相對重要性等級表Table 1 Index relative importance grade table

構建判斷矩陣后，須對其一致性進行檢查。將計算所得一致性指標CI與判斷矩陣平均隨機一致性指標RI（表2）相比較，可得到隨機一致性比CR，當CR＜0.1時，認為判斷矩陣與層次單排序結果的一致性良好，否則須要重新調整判斷矩陣中元素的賦值。

表2 隨機一致性指標RI數值Table 2 Random consistency index RI

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；（AWi）為AW中的第i個元素。

1.3二級指標綜合權重的確定

上述計算過程可由Matlab計算軟件實現。在實際操作中，對中國北方地區20名厭氧消化技術領域的專家進行問卷調查，共收回17份問卷。由于受個人主觀因素的影響，每位專家的賦值結果不盡相同，須對其賦值所得出的權重進行綜合集結，統一結果。在此通過Hadamard乘積法[式（7）]對多個權重進行乘積聚集，再進行幾何平均。

式中：Wik為第k個專家對第i項指標賦值所得出的權重值；p為專家總人數，取值為17。

表3為根據一位專家的打分得出的一級指標組（C1，C2，C3，C4）指標重要性賦值與權重向量的計算結果。通過計算可得：一級指標組向量權重W=（0.393 7，0.393 7，0.075 2，0.137 4）。對其進行一致性檢查，CI=0.001 4，RI=0.90，CR=0.001 6＜0.10，即一致性良好，所得一級指標組向量權重可用。

表3 根據專家打分得出的一級指標組賦值與權重向量的計算結果Table 3 According to the expert scoring，the first level index group is assigned and theweight vector is calculated

用上述方法構建準則層與指標層的4個判斷矩陣，求出二級指標組內權重，并檢驗一致性。最終得到指標層的各指標對寒冷地區農業廢棄物厭氧消化技術篩選權重值的總排序列（表4）。

表4 各指標組內權重與二級指標權重Table 4 Intra group weightand secondary index weightof each index

2 寒冷地區厭氧消化技術方案評判

2.1 方案與評判標準的確定

通過查閱相關資料，篩選出北方寒冷地區較為常見的8項厭氧消化技術。專家須要按照“很好”、“較好”、“一般”、“較差”、“很差”對應“100～80”，“80～60”，“60～40”，“40～20”，“20～0”的分值標準對各項技術方案進行打分。

2.2 各項方案綜合得分的分析

采用模糊綜合評價法確定寒冷地區沼氣工程技術的綜合排序[15]，對每位專家的評分表進行整理并對同種技術的相同指標做算術平均，將得到的各項技術不同指標的平均得分與對應權重相乘，從而得到每項技術的綜合得分，具體結果見表5。

表5 寒冷地區沼氣工程技術模糊綜合評判優等級模糊隸屬度Table 5 Fuzzy comprehensive evaluation of Biogas Engineering Technology in cold area

由表5可知：CDAF技術和UCFT技術的綜合得分較高，這兩項技術在冬季低溫影響和太陽能利用方面有較大優勢，適用于北方寒冷地區的厭氧發酵工程；紅泥膜技術的綜合得分最低，其抗低溫能力較差，在冬季會因低溫而停止運行；其余技術的綜合得分相差不大。對寒冷地區的適應性從高到低依次為CDAF技術、UCFT技術、USR技術、UASB技術、CSTR技術、ASBR技術、PFR技術、紅泥膜技術。

3 結論

結合專家意見以及相關文獻，選擇適應性指標、技術指標、社會指標和經濟指標作為一級指標，其在寒冷地區沼氣工程技術的選擇中所占的比重分別為0.395 1，0.388 5，0.073 6和0.142 8。所選擇的13項2級指標中，權重最高的前3項分別為技術穩定性、太陽能利用和冬季低溫影響，其所占權重分別為0.223 1，0.192 5和0.125 1。

在確定指標權重的基礎上采用模糊綜合評價方法完成對沼氣工程技術的優選排序，8項主要技術的優選排序為CDAF技術、UCFT技術、USR技術、UASB技術、CSTR技術、ASBR技術、PFR技術、紅泥膜技術。