鄭亞梅，林勝男，荊國華，申華臻，呂碧洪

（華僑大學化工學院，福建 廈門 361021）

我國農(nóng)耕文化歷史久遠，發(fā)展至今已是農(nóng)業(yè)大國。農(nóng)藥在控制病蟲草危害、保護農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全等方面有舉足輕重的地位。然而，農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)復雜、產(chǎn)品多樣化，生產(chǎn)過程中排放的污染物種類多、毒性高且數(shù)量大。其中揮發(fā)性有機化合物（VOCs）排放具有強度大、成分復雜、濃度高和持續(xù)時間長等特點，其引發(fā)的環(huán)境問題最為嚴重，是大氣污染防控的重點對象。我國對VOCs 的定義為參與大氣光化學反應或者根據(jù)規(guī)定的方法測量或核算確定的有機化合物。由于VOCs 末端處理技術(shù)的種類多樣，對其進行評價并篩選出值得推薦的技術(shù)是VOCs 減排的有效策略。因技術(shù)評價需要考慮多方面因素，如何構(gòu)建具有普適性和科學性的VOCs 治理技術(shù)的評價模型并選擇最優(yōu)治理技術(shù)是當前亟待解決的問題。

為構(gòu)建VOCs 治理技術(shù)評價模型，王海林等以層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）構(gòu)建VOCs 控制技術(shù)評估體系，得出碳纖維吸脫附技術(shù)為包裝印刷行業(yè)最優(yōu)控制技術(shù)。李佳羽等基于AHP構(gòu)建VOCs排放控制技術(shù)評價指標體系，評價結(jié)果為石化企業(yè)VOCs 控制技術(shù)的選擇提供理論支持。阿克木·吾馬爾等采用模糊綜合評價（fuzzy comprehensive evaluation，F(xiàn)CE）對VOCs 處理技術(shù)進行評價，最終得出冷凝法和膜分離法是油品儲運行業(yè)值得推薦的控制技術(shù)。王新雷采用FCE對煙氣脫硝技術(shù)進行綜合評估，結(jié)果得出低氮燃燒法具有經(jīng)濟優(yōu)勢。通過比較上述AHP 和FCE兩種方法發(fā)現(xiàn)，基于模糊數(shù)學的FCE 可以解決AHP 中定性指標的模糊性問題，同時隨著發(fā)展和實際應用的需要，AHP 逐漸與FCE 的模糊思想結(jié)合。如席富娟采用FAHP對石化行業(yè)的VOCs治理技術(shù)進行評價，得出蓄熱式催化燃燒技術(shù)具有良好的綜合效益。為衡量能源安全，Ma d?arevió 等基于FAHP從社會經(jīng)濟適應性、供應安全和環(huán)境可接受性構(gòu)建能源安全評價模型。馬雙忱等采用FAHP模型對燃煤電廠中脫硫廢水處理技術(shù)進行評價，以得出最佳可利用技術(shù)。FAHP思路簡單清晰且實用，使評價結(jié)果更具有客觀性，并且模糊數(shù)學評價模型能夠在無法全部客觀定量建立理論模型的基礎上最大程度地得到相對客觀的優(yōu)選方案，具有一定的科學性和普適性，因此，可以有效解決目前農(nóng)藥生產(chǎn)缺乏普適性和科學性的VOCs 末端治理技術(shù)評價模型的問題。

本研究基于FAHP 構(gòu)建經(jīng)濟、環(huán)境、技術(shù)3 個一級指標和11個二級指標的VOCs末端治理技術(shù)評價模型。通過分析荊州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)農(nóng)藥生產(chǎn)中典型的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)VOCs環(huán)節(jié)，從經(jīng)濟層（B1）、環(huán)境層（B2）、技術(shù)層（B3）3 個因素對9 項常用的VOCs 末端治理技術(shù)進行量化分析評價，研究結(jié)果對農(nóng)藥生產(chǎn)VOCs 末端治理技術(shù)的篩選和推廣具有借鑒意義，同時對VOCs 的減排具有重要的實際意義。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

VOCs 控制主要包括源頭控制、過程控制、末端治理三個方面，目前末端治理技術(shù)歸納為兩類，一是VOCs 回收處理技術(shù)；二是銷毀技術(shù)。其中，VOCs 回收處理技術(shù)包含吸附、冷凝、吸收、膜分離等技術(shù)；銷毀技術(shù)包含燃燒、光催化反應、低溫等離子體反應、生物降解等技術(shù)。燃燒技術(shù)又包含熱力燃燒技術(shù)和催化燃燒技術(shù)，熱力焚燒技術(shù)適用濃度為2000～3000mg/m，催化燃燒技術(shù)適用濃度為3000～10000mg/m。生物降解技術(shù)適用濃度為500～2000mg/m； 低溫等離子反應適用濃度＜500mg/m；光催化反應適用濃度＜1000mg/m；吸附技術(shù)適用濃度為3000～10000mg/m；吸收技術(shù)適用濃度為5000～10000mg/m；冷凝、膜分離技術(shù)適用濃度＞10000mg/m。含有機鹵素成分VOCs 的廢氣不宜采用燃燒技術(shù)；惡臭氣體的處理技術(shù)有生物降解、低溫等離子體反應、吸附、吸收、光催化反應或者組合技術(shù)，本研究針對熱力焚燒、催化燃燒、生物降解、低溫等離子反應、光催化反應、吸附、吸收、冷凝、膜分離等9項末端治理技術(shù)進行綜合評價。

1.2 研究方法

FCE利用模糊集理論對定性指標進行模糊分析提高其客觀性，AHP 的矩陣重要性判斷以及一致性檢驗可以提高模型的準確性，F(xiàn)AHP是將FCE和AHP 相結(jié)合的評價方法，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，提高評價結(jié)果的客觀性及準確度。FAHP根據(jù)評價專家給出的指標間相對重要性判斷，運用AHP 法確定評價模型的指標權(quán)重，通過建立模糊評價子集和模糊評價評語集，求解各評價指標相對應的模糊隸屬度，再結(jié)合AHP求解各評價技術(shù)的指標權(quán)重值，最終計算得出綜合評價結(jié)果。FAHP 的局限性是FCE的模糊隸屬函數(shù)的構(gòu)造未形成規(guī)范；當評價因素過多時（超過9 個），AHP 可能出現(xiàn)判斷矩陣難以滿足一致性的問題。

FCE是一種涉及模糊因素的綜合評價方法，其利用模糊集理論，充分利用人腦對模糊現(xiàn)象能做出正確判斷的優(yōu)點，模擬人的思維推理過程，使定性因素向定量因素逼近，從而得出科學的結(jié)果，其步驟如下。

（1）建立評價因素模糊集 U={，，···，U}={U}（1，2，???，），，，···，U為U的模糊子集。

（2）構(gòu)造評語集、建立模糊矩陣 評語集Y={，，···，y}={y}（=1，2，???，），，···，y對應，···，U各子集的等級評判，可能是大或小、高或低等。設是個因素集構(gòu)成的集合，各因素集又有個描述對象特征的變量；設有個專家對于某指標進行評判，其中有個專家選中某個評語等級，則該指標對于該評語集的隸屬度為/，建立模糊矩陣見式(1)，其中，第行第列元素，表示因素集U對評語集Y等級的模糊數(shù)學隸屬度。

（3）確定元素權(quán)重 模糊評價中元素的權(quán)重向量={，，···，a}，其表征各元素間的相對重要程度，本文使用AHP來確定權(quán)重系數(shù)。

（4）進行模糊綜合評價 構(gòu)建模糊綜合評價結(jié)果向量=·見式(2)。

Yaahp（Yet another AHP）是AHP 權(quán)重計算軟件，為層次分析法計算提供便捷。Yaahp軟件目前多應用于化工、電鍍、印染等行業(yè)技術(shù)評估。本研究運用Yaahp 10.3 版本進行計算，Yaahp 軟件操作過程如圖1 所示。第一步是繪制含有決策目標、中間要素（指標）和備選方案的層次結(jié)構(gòu)模型，第二步是判斷矩陣，其中包含一致性顯示與檢查、不一致判斷矩陣自動修正以及殘缺判斷矩陣自動補全，基于以上分析后，軟件輸出最終計算結(jié)果。

圖1 Yaahp軟件操作流程

1.3 FAHP技術(shù)評價模型

技術(shù)評價模型構(gòu)建首先需要篩選指標，本研究指標選取參考國家頒布的關于VOCs 的法律法規(guī)、政策及指導性文件，如《重點行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合治理方案》（環(huán)大氣[2019]53號）明確指出VOCs治污設施簡易低效問題和VOCs 減排目標，《2020年揮發(fā)性有機物治理攻堅方案》（環(huán)大氣[2020]33號）指出加強監(jiān)管化工園區(qū)VOCs 排放企業(yè)，“十四五”規(guī)劃明確提出深入開展污染防治行動以改善空氣質(zhì)量。指標的選取需遵循可操作性和獨立性原則，其中，可操作性原則要求指標定義應簡明易懂、指標數(shù)據(jù)在現(xiàn)有的資料下可以獲取或者經(jīng)過核算方法計算可得；獨立性原則要求技術(shù)評價模型中不同層次的指標含義不能相似，要相互獨立，具有獨特的代表性，能夠構(gòu)成完整、系統(tǒng)的評價體系。

根據(jù)上述指標選取原則以及文獻的研究成果，本研究選取B1、B2、B3 作為技術(shù)評價模型的一級評價指標，二級評價指標有11 項，指標的名稱及含義詳見表1。本文構(gòu)建的技術(shù)評價模型包含第一目標層（A層）、第二準則層（B層）、第三指標層（C 層）、第四備選方案層（E 層），如圖2 所示。在評價體系中，指標體系包括4 層結(jié)構(gòu)，目標層即VOCs末端治理技術(shù)評價模型；B1下屬指標有投資成本、設備運行費用、占地面積、技術(shù)收益等具體指標；B2 下屬指標有穩(wěn)定達標率、二次污染、去除效率、環(huán)境影響等具體指標；B3 下屬指標有技術(shù)復雜性、技術(shù)成熟度、技術(shù)適用性等具體指標。

圖2 VOCs末端治理技術(shù)評價模型

表1 二級指標含義表

1.3.1 構(gòu)造判斷矩陣及一致性檢驗

根據(jù)上述已建立的技術(shù)評價模型，研究從B層至C層，將同一層的因素進行兩兩比較即重要性對比，構(gòu)造判斷矩陣，判斷方法采取重要性標度（d）1～9及其倒數(shù)標度方法，標度含義見表2。

表2 1～9標度含義

本次研究結(jié)合文獻調(diào)研和26 份專家重要性評分表，對技術(shù)評價模型中的指標進行重要性判斷。根據(jù)各層指標重要性判斷矩陣形式見式(3)～式(5)。

式中，v＞0，v=1，v=1/v（、1,2,3,…,），為矩陣的階數(shù)；CI 為一致性指標（consistency index，CI）；為矩陣最大特征值；為矩陣的階數(shù)。RI 為隨機指標（random index，RI）；CR 為一致性比率。

根據(jù)指標重要性程度構(gòu)造判斷矩陣，研究進行A-B層的判斷矩陣及一致性檢驗（詳見表3）和BC 層判斷矩陣及一致性檢驗（詳見表4）。結(jié)果顯示A-B層之間CR0.0516＜0.1，說明A層與B層之間具有滿意的一致性，權(quán)重值具有可應用性；同理，B-C 層之間CR＜0.1，說明判斷矩陣可接受，權(quán)重值可應用。

表3 A-B層之間判斷矩陣及一致性

表4 B-C層之間判斷矩陣及一致性

1.3.2 技術(shù)評價模型的權(quán)重分配

在Yaahp軟件中構(gòu)造判斷矩陣，并對一致性進行檢驗，最終確定各層次因素的權(quán)重值（詳見表5）。B1、B2、B3 指標的權(quán)重分別為0.493、0.311、0.196，B1 在技術(shù)評價模型中權(quán)重占比最大。在二級指標中，投資成本、去除效率、設備運行費用權(quán)重值排名前三，分別為0.223、0.164、0.119，為VOCs末端控制技術(shù)的重要指標篩選。

表5 技術(shù)評價模型指標權(quán)重分配

1.3.3 技術(shù)模糊綜合得分

本研究需要對E層中各個待評價技術(shù)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一化處理和AHP法則計算，得到9項待評價技術(shù)11項指標評價值。再根據(jù)表5中11項指標的權(quán)重，運用式(2)計算各項技術(shù)的模糊綜合得分，技術(shù)模糊綜合評分最大者即為最優(yōu)方案。

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)藥生產(chǎn)工藝分析

荊州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)農(nóng)藥生產(chǎn)以生產(chǎn)農(nóng)藥中間體和精細化工品為主。根據(jù)《環(huán)境影響評價報告書》和實地調(diào)研，確定了VOCs 排放主要成分包括醇類、烯類、酯類、醚類、酮類等。本研究以荊州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)農(nóng)藥生產(chǎn)中典型的生產(chǎn)工藝為例，產(chǎn)污環(huán)節(jié)以及各環(huán)節(jié)中廢氣污染因子的分析如圖3所示。

如圖3所示，本工藝生產(chǎn)氯苯基環(huán)氧丁烷產(chǎn)量為1000t/a，工藝中的所有過程均為廢氣的排放環(huán)節(jié)，包括縮合反應、離心、水洗、還原、過濾、環(huán)合等過程，其中廢氣成分按產(chǎn)生量由大到小排列為：甲醇、二甲基硫醚、乙醇、硫酸二甲酯、戊烯、戊酮、頻吶酮。已知還原反應需要在甲醇的環(huán)境中進行，因此在投入鎂粉且溫度為80～100℃反應4h 后，造成了部分甲醇的揮發(fā)逸散，而大部分甲醇被回收蒸餾再套用。此外，在成鹽、環(huán)合、水洗、蒸餾過程中均產(chǎn)生二甲基硫醚廢氣，因該組分沸點低（=25℃、=101.325kPa、沸點為38℃），因此更容易揮發(fā)。同時，成鹽反應過程加入了二甲基硫醚和硫酸二甲酯等原料，導致在該過程廢氣排放中存在二甲基硫醚和硫酸二甲酯等污染因子?？紤]到本工藝產(chǎn)生的有機廢氣濃度低，因此采用堿噴淋預處理后用處理風量為80000m/h 的焚燒爐進行熱力焚燒，處理效率達98%，處理后的尾氣經(jīng)過驟冷、堿洗后排放。

圖3 荊州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)農(nóng)藥生產(chǎn)工藝及產(chǎn)污環(huán)節(jié)

2.2 VOCs末端處理技術(shù)評價

本研究采用FCE 對各待評價技術(shù)的二級評價指標數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一化處理，其中，可定量的指標包括投資成本、設備運行費用、穩(wěn)定達標率、去除效率，利用實際數(shù)值進行評價。無法量化的指標，利用文字敘述進行相對的等級評價，一般分為五個等級，每一定性指標都采用恰當?shù)牡燃壴u語。綜合文獻調(diào)研、專家意見，共收集并整理了9 項典型VOCs 末端處理技術(shù)的11 項二級評價指標數(shù)據(jù)（見表6）。熱力燃燒、催化燃燒技術(shù)能夠充分利用燃燒余熱而節(jié)省能耗，余熱利用率高達95%，提高了廢氣燃燒的效果，并且省去了余熱回收環(huán)節(jié)，從而減少了設備占地面積的投入費用。

表6 VOCs末端治理技術(shù)模糊綜合評價指標值

將9 項技術(shù)的11 項指標數(shù)據(jù)進行標準化處理，得到各技術(shù)在相應指標下的模糊評價矩陣結(jié)果并依據(jù)式(2) 分別計算出處理技術(shù)的綜合評分（見表7）。

表7 VOCs末端處理技術(shù)二級指標評價值及綜合得分

基于典型VOCs 末端治理技術(shù)的評價結(jié)果（見圖4），從B1 分析，技術(shù)綜合得分的排序為：生物降解＞吸附＞光催化反應＞膜分離＞低溫等離子體反應＞熱力焚燒＞催化燃燒＞吸收＞冷凝。由表5可得，在技術(shù)評價模型中B1 指標中投資成本和設備運行費用權(quán)重值較高，對B1的評價結(jié)果影響大。由表6可知，生物降解技術(shù)具有較低的投資成本和設備運行費用，同時生物過濾塔是生物降解技術(shù)中最為成熟的技術(shù)，該技術(shù)運行費用低、能耗低、塔料便宜，一般采用有機肥料、甘蔗渣、泥炭等，因此該技術(shù)具有明顯的經(jīng)濟性；吸收技術(shù)和冷凝技術(shù)B1 評分處于劣勢是因為兩項技術(shù)需要較大的投資成本和設備運行費用，較大的占地面積以及低的技術(shù)效益。

圖4 VOCs末端治理技術(shù)指標評分量化分布

從B2 分析，技術(shù)綜合得分的排序為：熱力焚燒≈催化燃燒＞膜分離＞冷凝＞低溫等離子體反應＞光催化反應＞生物降解＞吸附＞吸收。如圖4所示，熱力焚燒和催化燃燒技術(shù)在各指標性能方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢；膜分離技術(shù)的B2 優(yōu)勢僅次于燃燒技術(shù)，該技術(shù)降解VOCs 過程不產(chǎn)生二次污染；吸附、吸收技術(shù)B2 評分排名靠后原因是去除VOCs 的效率較低，且在處理廢氣過程中會產(chǎn)生二次污染，具有較差的環(huán)境效益。

從B3 分析，催化燃燒＞吸附＞吸收＞熱力焚燒＞冷凝＞膜分離＞低溫等離子體反應＞光催化反應＞生物降解。由表5 可知，在技術(shù)評價模型B3指標中按重要級排序，技術(shù)成熟度排第一，技術(shù)適用性排第二，再次是技術(shù)復雜性。如圖4所示，催化燃燒和吸附技術(shù)在B3 的各項指標性能方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，因為催化燃燒和吸附技術(shù)相對成熟，催化燃燒已成為當前VOCs 末端治理的主流和發(fā)展方向，僅次于它的吸附技術(shù)應用的時間較久、易于自動化控制；生物降解技術(shù)的適用性和成熟度較低，因此B3評分處于劣勢。

綜合考慮B1、B2 和B3 三個方面，如圖4 所示，VOCs 末端控制技術(shù)模糊綜合評分值由大到小排序為：催化燃燒（0.143）＞熱力焚燒（0.135）＞膜分離（0.130） ＞吸 附（0.117） ＞生物降解（0.104）＞光催化反應（0.100）＞低溫等離子體反應（0.093）＞吸收（0.086）＞冷凝（0.067）。綜合分析B1、B2 和B3 方面，熱力焚燒和催化燃燒B1和B2優(yōu)勢明顯，蓄熱式焚燒技術(shù)具有高熱容量的陶瓷蓄熱體，高溫蓄熱體直接加熱待處理廢氣，換熱效率達95%以上，可以降低設備運行費用，且去除效率高，不會產(chǎn)生二次污染；膜分離技術(shù)B1和B2優(yōu)勢明顯，但僅適用于儲運油氣回收，且設備運行費用較高；吸附技術(shù)在B1方面具有優(yōu)勢；生物降解技術(shù)B2和B3方面處于劣勢，雖能耗低但占地面積大，綜合考量差；低溫等離子體反應技術(shù)和光催化反應技術(shù)為新興的末端處理技術(shù)，這兩項技術(shù)的經(jīng)濟性較好，但技術(shù)的成熟度和適用性有待提升；吸收技術(shù)雖然技術(shù)復雜度低，但VOCs 組分復雜，選擇合適的吸收劑是該技術(shù)的關鍵，且易產(chǎn)生二次污染；冷凝技術(shù)綜合評分最低，原因是該技術(shù)對廢氣的性質(zhì)要求較高，當VOCs 濃度≥5×10mol/m才能發(fā)揮其經(jīng)濟優(yōu)勢，因此常與其他控制技術(shù)組合使用或作為氣體預處理。綜合上述評價結(jié)果分析，優(yōu)先推薦催化燃燒、熱力焚燒、膜分離技術(shù)、吸附技術(shù)對VOCs進行末端處理。

3 結(jié)論

本研究對荊州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)農(nóng)藥生產(chǎn)中典型的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)VOCs 環(huán)節(jié)進行分析，通過文獻調(diào)研、專家咨詢和實地調(diào)研，基于B1、B2和B3三大因素以及定性和定量指標相結(jié)合，采用FAHP構(gòu)建VOCs 末端治理技術(shù)評價模型。本研究利用Yaahp軟件計算各指標權(quán)重，對9 項典型VOCs 末端治理技術(shù)進行量化分析評價，評價結(jié)果顯示：一級指標中，影響最大的是B1，其次是B2；綜合B1、B2和B3 三大因素考量，催化燃燒、熱力焚燒技術(shù)和膜分離技術(shù)在B1和B2方面優(yōu)勢明顯；吸附技術(shù)在B1和B3方面優(yōu)勢明顯。在農(nóng)藥生產(chǎn)VOCs末端治理技術(shù)篩選中，優(yōu)選綜合效益靠前的技術(shù)為催化燃燒（0.143）、 熱 力 焚 燒（0.135）、 膜 分 離 技 術(shù)（0.130）、吸附技術(shù)（0.117）。本研究的評價結(jié)果為化工企業(yè)VOCs 末端治理技術(shù)篩選提供了科學的理論依據(jù)，構(gòu)建的技術(shù)評價模型適用于污染控制技術(shù)評價，因此具有可拓展性和可操作性，后續(xù)的研究可以根據(jù)需要適當?shù)卦鰷p指標。

—— 權(quán)重向量

a—— 權(quán)重子向量

—— 評價結(jié)果向量

b—— 評價結(jié)果子向量

d—— AHP的重要性標度

—— 矩陣的階數(shù)

—— 模糊矩陣

—— 專家選中某個評語等級的個數(shù)

—— 專家總個數(shù)

U—— 評價因素模糊集

v—— 判斷矩陣

y—— 子集的等級評判

—— 矩陣最大特征值

—— 矩陣行數(shù)；指標數(shù)

—— 矩陣列數(shù)