现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (S1) : 267-272. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S1.044

科研与开发

活性污泥厌氧发酵产酸外源添加剂评价研究

程尚 ¹^,² ,
陈红跃 ¹^,² ,
李莎 ³ ,
李勇 ⁴ ,
钱庆渝 ³ ,
潘伟亮 ²^,³^,^*

作者信息 +

Study on evaluation of the exogenous additive for the production of VFAs by anaerobic fermentation of activated sludges

CHENG Shang ¹^,² ,
CHEN Hong-yue ¹^,² ,
LI Sha ³ ,
LI Yong ⁴ ,
QIAN Qing-yu ³ ,
PAN Wei-liang ²^,³^,^*

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2025-12-24		2026-05-31
Issue Date	Revised Date
2026-06-05	2025-12-24

PDF (2484K)

摘要

厌氧发酵可将废水中的有机物转化为挥发性脂肪酸(VFAs),其可作为生物燃料或用于化学合成。为了提高厌氧发酵的效率和产挥发性脂肪酸的量,通常会向发酵系统中投加外源添加剂。研究旨在建立一个有效的模型来评价外源添加剂的效果,以优化厌氧发酵过程。基于外源添加剂的单价、投加量、产酸量等指标,收集了实际投加外源添加剂的相关数据;通过层次分析法(AHP)和CRITIC权重法,计算了各评价指标的综合权重;最后,通过综合权重公式,得到了该模型的评价结果。

Abstract

Anaerobic fermentation is an important biotechnology that can convert organic matter in wastewater into volatile fatty acids (VFAs),which can be used as biofuels or for chemical synthesis.To improve the efficiency of anaerobic fermentation and the yield of volatile fatty acids,exogenous additives are usually dosed into the fermentation system.This study aims to establish an effective model to evaluate the effect of exogenous additives and optimize the anaerobic fermentation process.Based on indicators such as unit price,dosage,and acid production of exogenous additives,relevant data from actual additive application were collected;the comprehensive weights of each evaluation indicator were calculated using the analytic hierarchy process (AHP) and the CRITIC weighting method;finally,the evaluation results of the model were obtained through the comprehensive weight formula.

Graphical abstract

关键词

厌氧发酵 / 挥发性脂肪酸 / 层次分析法 / CRITIC权重法 / 模型评价

Key words

anaerobic fermentation / volatile fatty acids / analytic hierarchy process / criteria importance through intercriteria correlation weighting method / model evaluation

引用本文

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程尚,陈红跃,李莎,李勇,钱庆渝,潘伟亮. 活性污泥厌氧发酵产酸外源添加剂评价研究[J]. 现代化工, 2026, 46(S1): 267-272 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S1.044

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面对全球水资源短缺和能源需求不断增长的双重挑战,可持续的废水处理技术变得尤为重要^[1-3]。这种技术不仅能够保护环境,还能有效回收资源^[4]。与传统方法相比,厌氧发酵具有操作简便、二次污染小、投资成本低等优点^[5],并且作为一种温和且可持续的方法,能够将有机废物转化为具有高价值的挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFAs),从而成为从污泥中回收有机资源的重要途径,也为生物燃料的生产和化学合成提供了原料^[6-8]。

VFAs作为一种性能良好的发酵产物,因较佳的可生化性,在农业、食品加工业以及化妆品行业作为农药、食品添加剂、个人护理产品而得到了广泛应用^[9]。为了进一步提升厌氧发酵的效率和VFAs的产量,研究人员通常会向发酵系统中添加外源添加剂。这些添加剂包括微生物代谢物、表面活性剂、酶、金属离子和有机物等^[10]。选择合适的外源添加剂对优化厌氧发酵过程至关重要,因此,建立一个有效的评价模型来评估外源添加剂的效果显得尤为关键。

当前,确定权重系数的方法主要分为主观赋权法和客观赋权法^[11]。主观赋权法,如层次分析法^[12]Analytic Hierarchy Process,AHP)、G1法和德尔菲法等^[13],特别强调决策者的主观意见,具有操作简便、灵活的特点,能够将复杂系统通过定性和定量相结合的方式进行层次化和条理化处理^[14]。客观赋权法则包括熵权法、变异系数法和CRITIC法(Criteria Importance Through Intercriteria Correlation,CRITIC)等^[13],其中CRITIC法基于指标间的相关性来确定权重,能够充分考虑数据间的对比强度和冲突性^[15]。

本研究采用AHP-CRITIC复合加权法,结合实际数据,旨在建立一个综合评价模型,以确定活性污泥厌氧发酵产VFAs的最佳外源添加剂。通过评价模型,综合考量了外源添加剂的单价、投加量和产酸量等关键因素,为厌氧发酵过程中外源添加剂的选择提供科学依据,进而推动废水资源的高效回收。

1 材料与方法

1.1 AHP法计算权重

将决策的目标、考虑的因素(决策准则)和决策对象根据其相互关系分为最高层、中间层和最底层,结合多种影响因素和研究目的等,绘制出模型评价的层次结构图,如图1所示。

通过AHP层次分析法确定主观权重,依次对评价体系中的准则层和指标层进行赋值,采用1~9标度法^[16]建立判断矩阵,对权重分配进行一致性检验^[17-18]。运用AHP法确定主观权重的基本步骤如下:

(1)首先将决策问题分解为若干组成因素,按照控制层级关系分为目标层、准则层和方案层等。

(2)采用专家打分法构造判断矩阵A=(a_ij)_m_×_n,进而计算权重向量。

(3)依据指标相对权重进行一致性检验,利用算术平均法、几何平均法和特征值法计算每个指标的权重。

为确保指标权重的合理性,通过公式(1)~(2)分别计算一般一致性指标CI值、随机一致性比率CR值,并进行一致性检验。当CI=0,则表明矩阵具有完全一致性,不存在逻辑矛盾,反之CI值越大,则表示矩阵中的不一致性程度加剧。当CR<0.1时,表明判断矩阵A满足一致性原则,此时可用A的特征向量进行权重计算;若CR≥0.1,则判断矩阵A不满足一致性原则,需要重新进行调整,其中RI是判断矩阵的平均随机一致性指标。

(1)

$CI=({\lambda }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-n)/(n-1)$

CR=CI/RI (2)

(4)权重确定。通过一致性检验后,对指标权重进行归一化处理得到各评价指标的主观权重值α_j。

1.2 CRITIC法计算权重

CRITIC法是一种多属性决策分析中的客观赋权方法,与只考虑数据分散程度的熵权法不同,CRITIC法在权重的确定中还考虑了评价指标间的相关性;运用CRITIC法确定客观权重的基本步骤如下:

计算信息度衡量指标C_i如式(3)所示。

(3)

${C}_{i}={\delta }_{i}\stackrel{n}{\sum _{i=1}}(1-{\rho }_{ij})$

式中,C_i为第i项指标的信息含量(信息度);δ_i为第i项指标的标准差;ρ_ij为第i与第j项指标的皮尔逊相关系数,范围为-1~1;n为评价指标总个数;

$\stackrel{n}{\sum _{i=1}}(1-{\rho }_{ij})$

为指标间冲突程度总和。

C_i的值越大,表示该评价指标越重要,应该给其分配更多的权重,从而进一步得到客观权重值β_i,如式(4)所示。

(4)

${\beta }_{i}={C}_{i}/\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{C}_{i}$

1.3 AHP-CRITIC法计算权重

为了使得最后的评价结果更加具有可靠性,需要通过确定主客观综合权重的方法,反映出主客观的综合情况。计算主客观综合权重的方法采用AHP-CRITIC复合权重计算方法,确定出综合权重W_j,见计算公式如式(5)所示。

(5)

${W}_{j}={\alpha }_{j}{\beta }_{j}/\stackrel{n}{\sum _{j=1}}{\alpha }_{j}{\beta }_{j}$

式中,W_j为第j项指标的CRITIC权重,范围为0~1;

$\stackrel{n}{\sum _{j=1}}{\alpha }_{j}{\beta }_{j}$

为所有指标信息度之和。

1.4 数据来源

为了对剩余污泥厌氧发酵产VFAs投加外源添加剂进行评价,针对本研究构建的评价指标体系,通过查阅不同文献,得到该评价模型准则层外源添加剂单价B₁、外源添加剂危害性B₂、外源添加剂投加量B₃、厌氧发酵产VFAs量B₄、厌氧发酵产VFAs效率B₅、厌氧发酵工艺技术B₆的具体情况及数据,此后将数据带入模型计算,得到权重得分,最终得分最高的指标即为最佳外源添加剂。

其中外源添加剂的投加成本从外源添加剂单价和外源添加剂投加量这两个方面来考虑。获取外源添加剂的购买价格,筛选出不同规格的外源添加剂的最低购买价格,随后通过文献查阅与比较得出厌氧发酵时外源添加剂的最佳投加量,结果如表1所示;由表可知,所有外源添加剂中高铁酸钾的成本最高,可达24 000元/t;而磁铁矿的成本最低,仅350元/t。

此外活性污泥厌氧发酵的产VFAs的效果从厌氧发酵产VFAs量及厌氧发酵产VFAs效率这两个方面来考虑。而厌氧发酵产VFAs效率可通过厌氧发酵最佳产酸量的速度表达,其中柠檬酸钠的时间最短为3 d^[19];零价铁、过碳酸钠、柠檬酸为4 d^[20];三氯化铁、亚硝酸盐、高铁酸钾为6 d^[21-23];过氧化钙和氢氧化钠为7 d^[24-26];而磁铁矿的时间最长高达9 d^[27-28]。

2 结果与分析

2.1 AHP法计算主观权重系数结果

2.1.1 准则层权重计算

准则层被划分为6个关键指标,通过构建两两比较的标度赋值矩阵,利用AHP法对判断矩阵进行权重计算,并对权重分配的一致性进行检验,其结果显示(表2),一般一致性指标CI值为0.019 0,随机一致性比率CR值为0.015 072,均小于0.1,由此可见判断矩阵的一致性是可以接受的。

随后利用Matlab软件分别采用算术平均法、几何平均法和特征值法计算每个指标的权重,将这3种方法得到的权重值取平均,得到每个指标的最终权重,计算结果如表3所示,准则层的权重得分为:B₅=B₄>B₂>B₁=B₃>B₆,这表明在评价活性污泥厌氧发酵产VFAs最佳外源添加剂时,产酸效率和产酸量是重要的考量因素。

2.1.2 方案层权重计算

方案层的权重计算是针对准则层下的各个外源添加剂进行的,具体来说,准则层对应的下属方案层共包含10个方案,分别对应10种不同的外源添加剂。

表4列出了基于AHP法得到的方案层各指标的权重。通过权重,可以进一步分析和比较不同外源添加剂在活性污泥厌氧发酵产VFAs过程中的表现和效果。

2.1.3 AHP层次分析法综合权重计算

综上所述,AHP法用来计算评价体系中各个指标的权重值,如表5所示。在准则层中,厌氧发酵产VFAs效率B₅和厌氧发酵产VFAs量B₄的权重最大,而厌氧发酵工艺技术B₆的权重最小;在方案层中,柠檬酸钠C₇的综合权重最大,而三氯化铁C₄的综合权重最小,这表明在评价活性污泥厌氧发酵产VFAs最佳外源添加剂时,产酸效率和产酸量是最重要的评价指标。综合权重的计算结果为进一步的评价分析提供了科学依据,有助于确定最佳的外源添加剂。

2.2 CRITIC确定客观权重

根据实际数据与分析出的理论数据,得到的数据见表6所示。其中B₁、B₃、B₅为负向指标,即该指标数据值越小越精确;而B₂、B₄、B₆为正向指标,即该指标的数据值越大越精确,从而最终计算结果越准确。

CRITIC法计算结果如表7所示,结果显示综合权重最大的为柠檬酸钠C₇,氢氧化钠C₆的综合权重最小。在添加柠檬酸钠条件下厌氧发酵的产酸量较其他外源添加剂相比,产酸量较多,且产酸效率也最好;然而氢氧化钠本身存在危害性以及厌氧发酵工艺技术较差从而导致其综合权重最小。

2.3 AHP-CRITIC复合加权法确定综合权重

基于上述AHP法和CRITIC法的计算结果,得出污泥厌氧发酵产酸最佳外源添加剂评价体系中准则层的综合权重及最终评价指标的综合评分,结果见表8和表9所示。

根据表8中准则层的综合权重的计算结果可知,准则层的权重值大小排序为:B₄>B₅>B₂>B₁>B₃>B₆。其中B₄、B₅、B₂这3个影响因素的综合权重均大于0.2,且B₄的综合权重大于0.3,较大程度的超过另外2个影响因素,其权重之和超过0.5,远超另外3个影响因素的值,即“厌氧发酵产VFAs量”、“厌氧发酵产VFAs效率”属于准则层中最为重要的影响因素,特别是“厌氧发酵产VFAs效率”,会较大的影响活性污泥厌氧发酵最佳外源添加剂的评价结果。

由表9可将各指标的权重值大小排序:C₇>C₂>C₁₀>C₃>C₅>C₁>C₉>C₈>C₄>C₆。该评价体系共10种外源添加剂,其中柠檬酸钠的综合评分最大,其次是零价铁和过碳酸钠;由此可知,最终评价结果为柠檬酸钠,并且是评分唯一超过0.2的外源添加剂,远高于其他外源添加剂权重。

3 结论

通过构建模型评价体系,从而得到活性污泥发酵产VFAs最佳外源添加剂,结果显示影响评价体系因素有6种,其中主要影响因素为厌氧发酵产VFAs产量、厌氧发酵产VFAs效率,综合权重远超其他影响因素。经过AHP主观评价法进行计算,结果表明柠檬酸钠的主观权重最大,而三氯化铁的主观权重最小;CRITIC客观评价结果表明,柠檬酸钠的客观权重最大,而氢氧化钠的客观权重最小。综合运用AHP-CRITIC复合加权法,得到活性污泥厌氧发酵最佳外源添加剂为柠檬酸钠。

参考文献

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