基于FAHP的農藥生產VOCs末端治理技術評價

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）

我國農耕文化歷史久遠，發展至今已是農業大國。農藥在控制病蟲草危害、保護農業生產安全等方面有舉足輕重的地位。然而，農藥生產技術復雜、產品多樣化，生產過程中排放的污染物種類多、毒性高且數量大。其中揮發性有機化合物（VOCs）排放具有強度大、成分復雜、濃度高和持續時間長等特點，其引發的環境問題最為嚴重，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規定的方法測量或核算確定的有機化合物。由于VOCs 末端處理技術的種類多樣，對其進行評價并篩選出值得推薦的技術是VOCs 減排的有效策略。因技術評價需要考慮多方面因素，如何構建具有普適性和科學性的VOCs 治理技術的評價模型并選擇最優治理技術是當前亟待解決的問題。

為構建VOCs 治理技術評價模型，王海林等以層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）構建VOCs 控制技術評估體系，得出碳纖維吸脫附技術為包裝印刷行業最優控制技術。李佳羽等基于AHP構建VOCs排放控制技術評價指標體系，評價結果為石化企業VOCs 控制技術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，FCE）對VOCs 處理技術進行評價，最終得出冷凝法和膜分離法是油品儲運行業值得推薦的控制技術。王新雷采用FCE對煙氣脫硝技術進行綜合評估，結果得出低氮燃燒法具有經濟優勢。通過比較上述AHP 和FCE兩種方法發現，基于模糊數學的FCE 可以解決AHP 中定性指標的模糊性問題，同時隨著發展和實際應用的需要，AHP 逐漸與FCE 的模糊思想結合。如席富娟采用FAHP對石化行業的VOCs治理技術進行評價，得出蓄熱式催化燃燒技術具有良好的綜合效益。為衡量能源安全，Ma d?arevió 等基于FAHP從社會經濟適應性、供應安全和環境可接受性構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進行評價，以得出最佳可利用技術。FAHP思路簡單清晰且實用，使評價結果更具有客觀性，并且模糊數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藥生產缺乏普適性和科學性的VOCs 末端治理技術評價模型的問題。

本研究基于FAHP 構建經濟、環境、技術3 個一級指標和11個二級指標的VOCs末端治理技術評價模型。通過分析荊州經濟技術開發區農藥生產中典型的生產工藝及產VOCs環節，從經濟層（B1）、環境層（B2）、技術層（B3）3 個因素對9 項常用的VOCs 末端治理技術進行量化分析評價，研究結果對農藥生產VOCs 末端治理技術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，目前末端治理技術歸納為兩類，一是VOCs 回收處理技術；二是銷毀技術。其中，VOCs 回收處理技術包含吸附、冷凝、吸收、膜分離等技術；銷毀技術包含燃燒、光催化反應、低溫等離子體反應、生物降解等技術。燃燒技術又包含熱力燃燒技術和催化燃燒技術，熱力焚燒技術適用濃度為2000～3000mg/m，催化燃燒技術適用濃度為3000～10000mg/m。生物降解技術適用濃度為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；吸附技術適用濃度為3000～10000mg/m；吸收技術適用濃度為5000～10000mg/m；冷凝、膜分離技術適用濃度＞10000mg/m。含有機鹵素成分VOCs 的廢氣不宜采用燃燒技術；惡臭氣體的處理技術有生物降解、低溫等離子體反應、吸附、吸收、光催化反應或者組合技術，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，FAHP是將FCE和AHP 相結合的評價方法，充分發揮兩者優勢，提高評價結果的客觀性及準確度。FAHP根據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，再結合AHP求解各評價技術的指標權重值，最終計算得出綜合評價結果。FAHP 的局限性是FCE的模糊隸屬函數的構造未形成規范；當評價因素過多時（超過9 個），AHP 可能出現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象能做出正確判斷的優點，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等級的模糊數學隸屬度。

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

（4）進行模糊綜合評價 構建模糊綜合評價結果向量=·見式(2)。

Yaahp（Yet another AHP）是AHP 權重計算軟件，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、印染等行業技術評估。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構模型，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果。

圖1 Yaahp軟件操作流程

1.3 FAHP技術評價模型

技術評價模型構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、政策及指導性文件，如《重點行業揮發性有機物綜合治理方案》（環大氣[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年揮發性有機物治理攻堅方案》（環大氣[2020]33號）指出加強監管化工園區VOCs 排放企業，“十四五”規劃明確提出深入開展污染防治行動以改善空氣質量。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、指標數據在現有的資料下可以獲取或者經過核算方法計算可得；獨立性原則要求技術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，能夠構成完整、系統的評價體系。

根據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。本文構建的技術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 層結構，目標層即VOCs末端治理技術評價模型；B1下屬指標有投資成本、設備運行費用、占地面積、技術收益等具體指標；B2 下屬指標有穩定達標率、二次污染、去除效率、環境影響等具體指標；B3 下屬指標有技術復雜性、技術成熟度、技術適用性等具體指標。

圖2 VOCs末端治理技術評價模型

表1 二級指標含義表

1.3.1 構造判斷矩陣及一致性檢驗

根據上述已建立的技術評價模型，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，構造判斷矩陣，判斷方法采取重要性標度（d）1～9及其倒數標度方法，標度含義見表2。

表2 1～9標度含義

本次研究結合文獻調研和26 份專家重要性評分表，對技術評價模型中的指標進行重要性判斷。根據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；CI 為一致性指標（consistency index，CI）；為矩陣最大特征值；為矩陣的階數。RI 為隨機指標（random index，RI）；CR 為一致性比率。

根據指標重要性程度構造判斷矩陣，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 技術評價模型的權重分配

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

表5 技術評價模型指標權重分配

1.3.3 技術模糊綜合得分

本研究需要對E層中各個待評價技術數據進行統一化處理和AHP法則計算，得到9項待評價技術11項指標評價值。再根據表5中11項指標的權重，運用式(2)計算各項技術的模糊綜合得分，技術模糊綜合評分最大者即為最優方案。

2 結果與討論

2.1 農藥生產工藝分析

荊州經濟技術開發區農藥生產以生產農藥中間體和精細化工品為主。根據《環境影響評價報告書》和實地調研，確定了VOCs 排放主要成分包括醇類、烯類、酯類、醚類、酮類等。本研究以荊州經濟技術開發區農藥生產中典型的生產工藝為例，產污環節以及各環節中廢氣污染因子的分析如圖3所示。

如圖3所示，本工藝生產氯苯基環氧丁烷產量為1000t/a，工藝中的所有過程均為廢氣的排放環節，包括縮合反應、離心、水洗、還原、過濾、環合等過程，其中廢氣成分按產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逸散，而大部分甲醇被回收蒸餾再套用。此外，在成鹽、環合、水洗、蒸餾過程中均產生二甲基硫醚廢氣，因該組分沸點低（=25℃、=101.325kPa、沸點為38℃），因此更容易揮發。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。考慮到本工藝產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%，處理后的尾氣經過驟冷、堿洗后排放。

圖3 荊州經濟技術開發區農藥生產工藝及產污環節

2.2 VOCs末端處理技術評價

本研究采用FCE 對各待評價技術的二級評價指標數據進行統一化處理，其中，可定量的指標包括投資成本、設備運行費用、穩定達標率、去除效率，利用實際數值進行評價。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的等級評語。綜合文獻調研、專家意見，共收集并整理了9 項典型VOCs 末端處理技術的11 項二級評價指標數據（見表6）。熱力燃燒、催化燃燒技術能夠充分利用燃燒余熱而節省能耗，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節，從而減少了設備占地面積的投入費用。

表6 VOCs末端治理技術模糊綜合評價指標值

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

表7 VOCs末端處理技術二級指標評價值及綜合得分

基于典型VOCs 末端治理技術的評價結果（見圖4），從B1 分析，技術綜合得分的排序為：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，在技術評價模型中B1 指標中投資成本和設備運行費用權重值較高，對B1的評價結果影響大。由表6可知，生物降解技術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中最為成熟的技術，該技術運行費用低、能耗低、塔料便宜，一般采用有機肥料、甘蔗渣、泥炭等，因此該技術具有明顯的經濟性；吸收技術和冷凝技術B1 評分處于劣勢是因為兩項技術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效益。

圖4 VOCs末端治理技術指標評分量化分布

從B2 分析，技術綜合得分的排序為：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在各指標性能方面均表現出明顯優勢；膜分離技術的B2 優勢僅次于燃燒技術，該技術降解VOCs 過程不產生二次污染；吸附、吸收技術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生二次污染，具有較差的環境效益。

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，在技術評價模型B3指標中按重要級排序，技術成熟度排第一，技術適用性排第二，再次是技術復雜性。如圖4所示，催化燃燒和吸附技術在B3 的各項指標性能方面均表現出明顯的優勢，因為催化燃燒和吸附技術相對成熟，催化燃燒已成為當前VOCs 末端治理的主流和發展方向，僅次于它的吸附技術應用的時間較久、易于自動化控制；生物降解技術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優勢明顯，蓄熱式焚燒技術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，不會產生二次污染；膜分離技術B1和B2優勢明顯，但僅適用于儲運油氣回收，且設備運行費用較高；吸附技術在B1方面具有優勢；生物降解技術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和光催化反應技術為新興的末端處理技術，這兩項技術的經濟性較好，但技術的成熟度和適用性有待提升；吸收技術雖然技術復雜度低，但VOCs 組分復雜，選擇合適的吸收劑是該技術的關鍵，且易產生二次污染；冷凝技術綜合評分最低，原因是該技術對廢氣的性質要求較高，當VOCs 濃度≥5×10mol/m才能發揮其經濟優勢，因此常與其他控制技術組合使用或作為氣體預處理。綜合上述評價結果分析，優先推薦催化燃燒、熱力焚燒、膜分離技術、吸附技術對VOCs進行末端處理。

3 結論

本研究對荊州經濟技術開發區農藥生產中典型的生產工藝及產VOCs 環節進行分析，通過文獻調研、專家咨詢和實地調研，基于B1、B2和B3三大因素以及定性和定量指標相結合，采用FAHP構建VOCs 末端治理技術評價模型。本研究利用Yaahp軟件計算各指標權重，對9 項典型VOCs 末端治理技術進行量化分析評價，評價結果顯示：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、熱力焚燒技術和膜分離技術在B1和B2方面優勢明顯；吸附技術在B1和B3方面優勢明顯。在農藥生產VOCs末端治理技術篩選中，優選綜合效益靠前的技術為催化燃燒（0.143）、 熱 力 焚 燒（0.135）、 膜 分 離 技 術（0.130）、吸附技術（0.117）。本研究的評價結果為化工企業VOCs 末端治理技術篩選提供了科學的理論依據，構建的技術評價模型適用于污染控制技術評價，因此具有可拓展性和可操作性，后續的研究可以根據需要適當地增減指標。

—— 權重向量

a—— 權重子向量

—— 評價結果向量

b—— 評價結果子向量

d—— AHP的重要性標度

—— 矩陣的階數

—— 模糊矩陣

—— 專家選中某個評語等級的個數

—— 專家總個數

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；指標數

—— 矩陣列數