《Environmental Research》：A Multi-Dimensional AHP Comprehensive Evaluation of Zero Liquid Discharge Systems: A Case Study of Chemical Enterprise
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零液体排放（ZLD）系统在煤化工企业中的应用研究，通过构建三层次AHP模型，综合评估水质、水量及能耗维度。结果显示水质权重最高（50%），回用水质达标率（31.6%）是关键因素，系统升级后综合评分提升至4.291（良好至优秀），实现零外排、节水58.8%及能耗稳定性增强，为化工行业绿色转型提供科学依据。
作者：席云、钱世超、焦玉凯、甘伟凯、王洪波、李梅、孙风凯
山东建筑大学市政与环境工程学院，中国山东省济南市250101
摘要
面对日益严重的全球水资源短缺和严格的环境压力，化工行业迫切需要可持续的废水管理策略。零液体排放（ZLD）系统提供了一个有前景的解决方案，然而，目前还缺乏一个全面的框架来评估其多维性能。本研究应用了层次分析法（AHP）模型，全面评估了一家煤化工企业实施ZLD改造后的性能，考虑了水质、水量和能源消耗这三个关键因素。构建了一个三级AHP模型（目标、准则、指标）。使用1-9评分标准建立了成对比较矩阵，并通过一致性比率（CR<0.1）确认了模型的可靠性。在ZLD改造前后，使用5分制对企业的性能进行了定量评分，并采用了加权求和的方法。AHP结果表明，水质是核心维度（权重为50%），其中再生水的合规率（31.6%）被认为是ZLD改造的关键因素。ZLD改造显著提高了企业的综合性能得分，从3.188（中等）提升到了4.291（良好至优秀）。改造后实现了零外部废水排放，淡水消耗减少了58.8%，并且尽管水处理过程中的单位能耗有所增加，但能源消耗的稳定性得到了提升。AHP模型在ZLD系统的综合评估中证明了其有效性。研究结果表明，ZLD能够同时提高水资源利用效率、消除环境污染并保持经济可行性，为化工行业的绿色转型提供了科学依据。
引言
由于人口增长（Liu等人，2025a；Wei等人，2019）、工业扩张以及消费模式的变化（Procházková等人，2023），全球水资源正面临越来越大的压力。根据2023年联合国世界水发展报告，过去四十年来全球水资源需求每年增长约1%，预计这一趋势将持续到2050年（Magni等人，2025）。这一趋势加剧了对水资源分配不均和长期可持续性的担忧（Banerjee等人，2025；Peng等人，2025）。
工业部门是水资源的主要消耗者，也是水污染的重要来源（Liu等人，2025a）。据预测，到2025年中国工业废水排放量将达到约1200亿吨（Panagopoulos和Giannika，2024a），反映了全国范围内的持续增长（Sun等人，2024）。有害物质如金属、有机物、氮、磷以及日益被关注的有机微污染物（Li等人，2025a）对生态和人类健康构成了重大风险（Jiang等人，2025）。化工行业占中国工业废水排放总量的约40%（Duo等人，2025），这凸显了其在水环境治理中的重要性（Dong等人，2022）。化工生产过程具有高耗水量、多样化的水质要求以及复杂的废水特性（Jiao等人，2024）。工艺用水在进入特定生产阶段之前必须经过适当的处理，包括软化、脱矿、海水淡化或盐分调整。不同化工子行业的水质指标（例如氨合成、尿素）存在显著差异（Abed等人，2025；Peng等人，2025）。
同时，不断上涨的水资源成本（Shi等人，2021）和日益严格的环保法规（Hitaj等人，2020；Li等人，2025a）促使化工企业采用先进的水资源管理策略（Abdelfattah和El-Shamy，2024）。其中，零液体排放（ZLD）已成为一种关键途径（Abdelfattah和El-Shamy，2024；Panagopoulos，2022；Pandey等人，2025；Zhao等人，2025）。ZLD通过减少淡水取用量、降低污染物排放、增强水资源循环利用和支持法规合规性，为可持续发展做出了贡献。然而，其整体可持续性取决于能源使用和固体废物管理，这凸显了需要综合评估工具的必要性。尽管ZLD的应用日益广泛，但系统和多维度的评估框架仍然匮乏。现有研究大多关注单一方面的评估，很少整合水质、水量和能源消耗这三个相互关联的维度。这些限制阻碍了关于ZLD改造的明智决策，并限制了对其综合性能的评估。
为了解决这一差距，本研究基于层次分析法（AHP）建立了一个多维度分析框架，整合了水质、水量和能源消耗指标。与大多数仅关注单一维度或静态系统评估的现有研究不同，所提出的框架明确纳入了能源与水的关系参数（例如单位水处理能耗和能源消耗稳定性），并在全规模的ZLD改造背景下进行了应用。这些维度通过常规收集的运营数据来评估，如监测到的污染物浓度、测量的淡水和回用水流量以及与水资源管理过程相关的能源使用情况。这些指标共同构成了一个一致且基于实际操作的权重结构，使框架能够反映ZLD改造对企业资源效率和环境性能的影响。
然后使用改造前后的运营数据，评估了该化工企业ZLD系统的综合性能。通过将AHP得出的分数与具体的运营结果（如合规率、水资源再利用效率和能源稳定性）直接联系起来，本研究超越了抽象的多准则排名，提供了对性能改进的透明解释。通过识别推动这些改进的关键因素，本研究不仅在综合ZLD评估方法上取得了进展，还为寻求优化水资源利用和减少环境影响的类似化工企业提供了实用的、可复制的参考案例。研究结果支持化工行业的绿色转型和可持续发展，符合国家关于生态文明和绿色制造的战略。
研究区域概况
研究区域概况
本案例企业是一家位于中国北部的煤化工工厂。其生产链基于煤气化，随后合成氨、尿素和甲醇，这决定了其用水模式和废水特性。煤化工设施通常具有较高的淡水依赖性、高盐度的废水产生以及富含氮的污染物负荷（Dong等人，2022；Shi等人，2021）。
层次分析法分析
本研究从三个维度评估了该化工企业在ZLD改造前后的性能：水质、水量和能源消耗。构建的AHP模型经过了矩阵一致性测试、单层排序可靠性分析和整体层次一致性验证。所有判断矩阵的计算一致性比率（CR）均低于0.1，确认了权重结果和后续评估结果的可靠性。
结论
本研究开发并应用了一个多维度AHP框架，通过整合水质、水量和能源消耗来评估一家煤化工企业全规模零液体排放（ZLD）改造后的性能。权重结果表明，水质是主要准则（权重为0.50），而再生水的合规率是最具影响力的指标（0.316），这表明稳定且合规的再生水是实现可靠性能的前提条件。
作者贡献声明
席云：撰写初稿、软件开发、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化。
钱世超：项目管理、资金筹集。
焦玉凯：数据管理。
甘伟凯：数据管理。
王洪波：监督指导、项目管理、资金筹集。
李梅：监督指导。
孙风凯：监督指导、数据管理。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了山东省重点研发计划（农村振兴与科技创新推进计划）的支持，具体子项目为“农村环境低碳循环治理关键技术集成与示范”（2022TZXD0044）。此外，我们还要特别感谢编辑和匿名审稿人提出的宝贵意见，这些意见极大地提高了本文的质量。
