鉛冶煉污染防治最佳可行技術篩選研究

王兵，孫啟宏 ，扈學文，白璐，方琳，林星杰，楊曉松，汪靖

1.中國環境科學研究院清潔生產與循環經濟研究中心，北京 100012

2.湖南有色金屬研究院環境保護研究所，湖南 長沙 410015

3.北京礦冶研究總院，北京 100070

鉛冶煉過程中產生的“三廢”中含有大量的重金屬及其他有害有毒物質，已造成了極大的安全隱患、環境壓力和經濟負擔，同時也對人類的健康造成了危害［1-3］。雖然我國的鉛冶煉技術及污染防治技術種類繁多，但是技術卻參差不齊，企業在技術選取上的偏差，導致成本的加大和污染的加重。因而，制定一套完善的鉛冶煉污染防治最佳可行技術導則很有必要，它能為污染物排放標準和清潔生產標準的制定/修訂提供技術依據，為企業清潔生產工藝的選擇提供主要依據，為環保管理部門開展環境影響評價、項目可行性研究、環境監督提供技術依據。

層次分析-模糊綜合評判法［4-6］是基于模糊集理論和最大隸屬度原則或加權平均法對多因素系統的特征進行總體評價的一種方法，是一種對多因素所影響的事物進行綜合評判的有效方法。目前模糊綜合評判的研究重點與難點之一，就是如何科學、客觀地將一個多指標問題綜合成一個單指標的形式，以便在一維空間中實現綜合評價，其實質就是如何合理地確定這些評價指標的權重［7］。

筆者在分析發達國家污染防治最佳可行技術指南和我國鉛冶煉工藝現狀的基礎上，通過層次分析法(AHP)確定鉛冶煉污染防治可行技術中各因素的權重，結合模糊綜合評判法對鉛冶煉污染防治的工藝及其組合進行評估與篩選，提出了我國鉛冶煉污染防治的最佳可行技術及工藝組合。

1 發達國家鉛冶煉最佳可行技術經驗

1.1 污染防治最佳可行技術相關政策

發達國家在污染的防治方面開展了大量的工作，并出臺了一系列污染防治最佳可行技術的政策和技術指導文件，對我國的鉛冶煉污染防治最佳可行技術的評估與篩選具有重要的借鑒意義。

美國以技術法規作為制訂、實施環境質量和排放標準的基礎，針對不同的工業部門制訂不同的技術標準，并以此為基礎再頒布各自相應的排放限值指令，從而實現對污染物排放的有效控制。目前美國已制定了56個行業(涵蓋450個子行業)基于最佳可行技術的污染物排放指南［8-9］。

歐盟頒布了《綜合污染預防與控制(IPPC)指令》［10］，指令中提出預防或減少污染物排放的技術措施應基于最佳可行技術(BAT)。歐盟BAT體系覆蓋范圍廣，目前，歐盟已制定了27個行業的最佳可行技術參考文件(BREF)，包含能源、鋼鐵、有色、化工和造紙等部門，還有6個跨行業的BREF文件中提出了相應的BAT。歐盟于2010年頒布了最新版本的《工業排放指令(IDE)》，指令更是明確一旦制定了行業的BREF，相應的BAT結論將作為許可證發放的依據。IDE強化了技術規制這一手段，它改善及清晰了BAT的概念并根據發展狀況進行了適當的更新，同時將BREF轉化為歐盟法律文件，提升了BREF的效力和一致性［11-12］。

歐盟和美國的技術參考文件均體現全過程控制的理念，從原料來源、生產工藝、污染控制，到設備產品的要求及最終污染物排放限量都有詳細的說明，這對我國建立適合我國國情的污染防治最佳可行技術具有可借鑒的經驗。

1.2 歐盟鉛冶煉污染防治最佳可行技術

歐盟《有色金屬工業最佳可行技術參考文件》［13］中詳細描述了有色金屬行業的各類生產工藝，主要包括卡爾多法、密閉鼓風爐和新澤西州蒸餾法、氧氣底吹法、基夫賽特法及其相關設備，涵蓋了使用初級原材料和二級原材料時的相關環境問題;并詳細描述了鋅鉛鎘(及銻、鉍、銦、鍺、鎵、砷、硒、碲)以及銅、貴金屬、耐火金屬、堿和堿土金屬等10組有色金屬工業的原料來源及其儲存、生產工藝及設備、廢氣收集與處理、二氧化硫回收、廢液處理/水再利用等相關技術。對存在的環境問題，問題產生的環節、原因及控制措施，除一般的技術控制措施外，特別給出了在目前條件下不同工藝、不同控制條件下的最佳可行技術，并且給出通過應用最佳可行技術可能達到的污染物減排量和資源消耗水平。表1列出了歐盟鉛冶煉的最佳可行技術。

表1 歐盟原生鉛冶煉的最佳可行技術Table 1 The best available techniques of the primary lead smelting of EU

2 我國的鉛冶煉技術

我國鉛冶煉技術的工藝特點如表2所示。

表2 我國鉛冶煉技術Table 2 The lead smelting technology in China

3 鉛冶煉污染防治最佳可行技術評估篩選

3.1 鉛冶煉污染防治最佳可行技術評價指標體系

鉛冶煉污染防治最佳可行技術評價指標遵循系統、易選取、獨立、定性與定量相結合的基本原則，借鑒國外冶煉行業BAT的經驗，結合我國的實際國情，構建適于我國當前經濟和環境承受能力的評價體系，評價指標體系選取資源能源消耗、污染物排放、經濟成本、技術可靠性為評價指標(圖1)，其中，資源能源消耗表征被評價工藝技術在資源能源消耗方面的指標，包括資源消耗和能源消耗;污染物排放表征被評價工藝技術對周邊環境的影響指標，包括水污染物指標、大氣污染物指標、固體廢物指標和噪聲指標;經濟成本表征被評價工藝技術工程投資運行費用情況的指標，包括投資成本、運行維護成本、收益和避免費用;技術可靠性表征被評價工藝在運行方面的效能指標，包括技術有效性、技術成熟性、技術普及率、技術穩定性。

3.2 鉛冶煉行業污染防治最佳可行技術評估方法——層次分析－模糊綜合評判法

綜合評判也稱為多目標決策，是指對多種因素所影響的事物或現象進行總的評判。若這種評判過程涉及模糊因素，則稱為模糊綜合評判。從主要步驟上來講，模糊綜合評判可分為2步:按單個因素單獨評判;按所有因素綜合評判。具體細分6個步驟:建立因素集;建立權重集;建立備擇集(評價集);單因素模糊評判;模糊綜合評判;評判指標處理。

上述評判稱為一級評判，適用于比較簡單的情況。對于一些復雜的評判問題，或者在復雜的環境中進行評判時，通常要考慮很多的因素，各因素又有不同的層次，有時因素本身還具有強烈的模糊性，如果仍采用一級模糊綜合評判，難以適應這些情況，得不出合理的評判結果。采用多級模型可以較好地解決這個問題。

多級模糊綜合評判，就是在一級評判的基礎上再進行模糊綜合評判，并可根據需要多次進行下去。為簡便計算，以二級評判為例，介紹這種評判的基本方法和步驟。

圖1 污染防治最佳可行技術評估指標體系Fig.1 The pollution prevention and control of best available techniques of assessment index system

假定考慮的因素很多，則采用如下的評判步驟:

模糊綜合預測是運用模糊數學知識從預測集到確定對象的因素集的一個模糊映射，模糊映射是由實際所測得數據通過數學運算得到模糊關系矩陣所確定的。以此為基礎，兼顧評判對象各種特性、各方面因素，將各項指標進行量化，并根據不同指標對評判對象的影響程度來分配權重系數，從而得出一個整體預測。

3.2.1 確定預測集和因素集

(1)建立評價模型因素集

因素集是由影響評判對象的各個因素所組成的集合，是模糊綜合評判是否科學合理的關鍵。它可以表示為 U={U1，U2，…，Um}，其中，Ui(i=1，2，…，m)是若干影響因素。在選取評價因素時既要盡可能全面，又要重點突出。若考慮因素過多過細，確定諸因素的權重時可能出現過小，甚至為零，因此需要必要的篩選。

(2)建立評價模型評價集

評價集［14］是由對評價客體可能作出的評判結果所組成的集合，可表示為 V={V1，V2，…，Vn}，其中元素Vj(j=1，2，…，n)是若干可能作出的評判結果。模糊綜合評判的目的就在于通過綜合考慮評判對象的所有影響因素，從評價集V中獲得一個最佳的評判結果。

對鉛冶煉的技術進行評價，并最終將評價等級分為4級，其目標評價集和適用于各二級因素的評價子集如表3所示。

表3 二級因素評價子集Table 3 The evaluation subset of two factors

二級因素評價集V0={最佳可行，可行，一般，不可行}。

3.2.2 確定模糊關系矩陣各指標的權重

筆者運用層次分析法［15］來確定各預測指標的權重。層次分析法是美國運籌學家Satty在20世紀70年代提出的一種多目標決策方法，決策者通過將復雜問題分解成若干層次和若干因素，在各因素之間進行簡單的比較和運算，就可以得出不同方案重要性程度的權重，為最佳比例的選擇提供依據［16］。其具體研究步驟:1)建立指標層次結構;2)構造判斷矩陣求出特征根、特征向量;3)計算判斷矩陣得一致性并檢驗一致性;4)計算權重向量。

3.2.3 綜合預測及結果

由(U，V，R)三元體構成的綜合模糊評判模型B是將模糊關系矩陣與各因素的權重進行模糊變換，即:

其中，B稱為模糊綜合評判集，bj(j=1，2，…，m)稱為模糊綜合評判指標，根據模糊綜合評判指標可確定評判對象的具體結果。

3.2.4 鉛冶煉最佳可行技術評估結果

(1)鉛冶煉工藝過程污染防治最佳可行技術

鉛冶煉行業污染防治的最佳可行技術分為兩類:一類為工藝過程污染預防技術，即我國鉛冶煉生產工藝中能夠預防或減少污染物排放的實際應用技術(表4);另一類為污染治理技術，即用于冶煉工藝末端能夠預防或減少污染物排放的實際應用的技術(表5)。

表4 鉛冶煉工藝過程污染預防最佳技術篩選表Table 4 The screening table of best techniques of pollution prevention and control for lead smelting process

表5 鉛冶煉工藝污染治理備選技術Table 5 The alternative techniques for lead smelting pollution control

(2)鉛冶煉工藝末端治理最佳可行技術篩選

鉛冶煉污染防治最佳可行技術包括工藝過程污染預防最佳可行技術和污染治理技術，前者包括封閉式料倉技術、富氧頂吹熔煉-鼓風爐還原法、富氧底吹熔煉-熔融高鉛渣直接還原法、富氧底吹熔煉-鼓風爐還原法和煙化爐-余熱鍋爐一體化技術;后者包括煙氣收塵、煙氣制酸、煙氣脫硫、污酸處理、酸性廢水處理的最佳可行技術等。鉛冶煉污染防治最佳可行技術工藝組合見圖2。

圖2 鉛冶煉工藝污染防治最佳可行技術工藝組合Fig.2 The best available techniques combination for lead smelting pollution prevention and control

4 結語

在分析美國和歐盟污染防治最佳可行技術的政策和指導文件的基礎上，結合我國鉛冶煉工藝的現狀，運用層次分析-模糊綜合評判法對我國鉛冶煉污染防治技術進行篩選，提出了鉛冶煉污染防治的最佳可行技術及其工藝組合，以期為鉛冶煉企業污染防治的清潔生產工藝和污染排放達標排放提供技術指導，為我國節能減排目標的實現和我國環境質量的改善提供強有力的技術支撐。同時，相應的研究成果已經形成了《鉛冶煉污染防治最佳可行技術指南》技術指導文件的征求意見稿，經進一步修改后將由環境保護部發布。

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［14］環境保護部.污染防治最佳可行技術評價技術通則［R］.北京:環境保護部，2011.

［15］龐振凌，常紅軍，李玉英，等.層次分析法對南水北調中線水源區的水質評價［J］.生態學報，2008，28(4):1810-1819.

［16］環境保護部.污染防治最佳可行技術導則編制指南［EB/OL］.［2011-08-25］.http://train.chinabat.org/video/zsx.pdf.△