融合層次分析的多目標優化決策在工業園區大氣污染物總量減排中的應用

成卓韋，牛傳真，陳東之，陳建孟,,*

(1.浙江工業大學 環境學院, 浙江 杭州 310014；2. 浙江海洋大學 石油化工與環境學院, 浙江 舟山 316022)

0 引 言

工業園區是全球經濟發展的一個普遍現象，已成為支撐工業發展的關鍵載體和重要動力，也是實施工業集約集聚發展的重要戰略，在中國工業化進程、發展開放型經濟、帶動城鎮化發展中發揮了重要作用[1-2]。2018年全國生態環境保護大會指出“要推動工業企業向園區聚集”。目前我國經濟發展的重點仍在工業，而園區綠色發展在工業高質量發展的進程中起著舉足輕重的作用。

工業園區是在相對較小的地理空間內聚集了大量工業企業，資源能源消耗量大，污染物排放集中且排放量大，園區資源環境壓力突出。數量龐大的園區在發展過程中面臨著資源和能源消耗高、生態環境風險高等復合型挑戰。最近二十年，中國政府大力推動工業園區的綠色發展，陸續開展了生態工業園區、循環化改造園區、低碳工業園區和綠色園區等實踐探索[3-5]。推進綠色、低碳、循環發展，實現產業生態化，提高經濟發展的質量和效益，是工業園區發展歷久彌新的問題。工業園區的綠色低碳循環發展，是國民經濟和社會綠色發展、實現生態文明的重大戰略需求。

大氣污染是當前工業園區綠色發展的重要挑戰之一[6]。大氣污染排放具有濃度高、種類多等特點，精準治理難度大。針對工業園區大氣污染問題，學者已開展了一系列研究，多從政策建議、智慧環保系統、環境預警等方面提出措施和建議[7-10]，但從整體角度出發制定大氣污染全過程控制減排情景的研究相對較少。

如何科學地制定工業園區大氣污染防控情景，滿足最小(或較小)的經濟損失和最大(或較大)的環境效益雙重目標，是當前工業園區大氣污染物管理決策面臨的一個重要問題，對于落實“精準治污、科學治污、依法治污”具有重要意義。多目標控制決策優化是解決這一問題的有效手段，它可以快速、準確地得到不同排放情景下的污染物濃度變化情況[11]，但該方法較為復雜，往往為了量化因素之間的關系而簡化實際條件，影響了情景的合理性。為此，本研究提出了一種融合層次分析的多目標優化方法，并以某化工園區大氣污染物總量控制為例，基于大氣污染物減排潛力分析，提出了大氣污染全過程多目標控制決策優化技術路線并獲得最優減排情景，為該化工園區及類似的工業園區大氣污染物綜合管控提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 技術減排潛力分析

工業園區大氣污染物排放量較大的污染物主要包括VOCs、NOx、顆粒物、SO2和NH3。

VOCs最佳可行性減排技術主要包括清潔生產、資源回收和末端治理技術，其中清潔生產是通過源頭控制VOCs的產生量來實現VOCs的減排，資源回收和末端治理則是生產過程或者尾氣處理實現VOCs的減排。減排潛力是指最佳可行技術實施后的減排潛力，即技術改造和末端治理均達到最佳可行性技術水平時的減排潛力。某企業減排潛力計算公式如式(1)所示：

J=V-[(1-β)×(V1-γa×X-μb×X]

(1)

V1=V/(1-α)

(2)

式(1)和(2)中:J為某企業VOCs的減排潛力總量，t；V為企業VOCs排放量，t；V1為企業VOCs產生量，t；β為最佳控制技術VOCs的去除率，設為99%；α為企業VOCs現去除率；γ=1或0，涉及采用清潔生產原料(如溶劑替代)的企業為1，不涉及的企業為0；μ=1或0，涉及采用清潔生產工藝(如液體染料工藝改進)的企業為1，不涉及的企業為0；a為采用清潔生產原料后單位產品產生VOCs的減少量，設定為0.01 t/t；b為采用清潔生產工藝后單位產品產生VOCs的減少量，設定為0.012 5 t/t。

除VOCs外，其他大氣污染物(NOx、顆粒物、SO2和NH3)減排技術不涉及清潔生產，只考慮資源回收和末端處理技術改進所帶來的減排潛力。其減排潛力計算如公式(3)所示。

Jn=Vn-(1-βn)×Vn/(1-αn)

(3)

式(3)中：Jn表示企業第n種污染物的減排潛力，t，其中n=1、2、3、4，分別表示NOx、顆粒物、SO2和NH3；Vn表示企業第n種污染物的現排放量，t；βn表示第n種污染物的最佳可行技術的去除率，%；αn表示企業第n種污染物的現去除率。

1.2 減排情景制定

工業園區常以VOCs作為特征污染物，已成為影響園區大氣環境質量的主要污染物。因此，本研究在制定大氣污染物減排情景時以VOCs減排為主，總量控制只考慮VOCs的減排總量目標。《浙江省揮發性有機污染物整治情景》(2013—2020年)，提出“有機化工、醫藥化工、橡膠和塑料制品、溶劑型涂料表面涂裝、包裝印刷業的VOCs總凈化率不低于90%，其他行業總凈化率原則上不低于75%”，該工業園區中企業多為醫藥、農藥、化工等行業，故設定的VOCs總凈化率目標為不低于90%；《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中提出VOCs排放總量下降10%以上。因此，設定的總量減排目標為在VOCs總凈化率90%的基礎上，排放總量比現狀再下降10%。

減排情景的制定主要從大氣污染物減排量大和減排成本低等兩方面考慮。

(1)減排量大原則

結合園區現有處理技術調研情況，VOCs的最佳減排措施是催化燃燒法，去除率為99%；NOx和SO2的最佳減排措施是協同凈化法，去除率分別為70%和95%；細顆粒物的最佳減排措施是袋式除塵，去除率為99%；NH3的最佳減排措施是生物強化凈化技術，去除率為95%。因此，在設定減排情景時優先考慮大氣污染物排放量較大的企業或原有凈化設施去除率較低的企業選擇上述減排工藝。

(2)減排成本低原則

結合園區現有企業生產工藝調研情況，采用清潔生產工藝和原料后在減少VOCs產生的同時，也相應減少了運行成本。故在設定減排情景時優先考慮類似企業采用清潔生產工藝和清潔生產原料。

(3)減排潛力大的企業優先考慮原則

從大氣污染物減排情景的效益來看，投入最佳減排技術的企業數相同時，減排潛力總量越大的情景減排量越大。因此，在設定減排情景時遵從減排潛力的企業優先考慮。

(4)減排率低的企業優先考慮原則

通過對園區大氣污染物治理現狀的分析可知，企業之間的大氣污染物減排率差距較大。如VOCs的減排率最高為98%，最低僅為50%。因此，在設定減排情景時優先考慮大氣污染物減排率低的企業。

1.3 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是由美國匹茲堡大學教授T.L.Saaty在20世紀70年代中期提出的[12]，基本原理是將一個復雜的主題問題分解成若干個構成要素，并按支配關系將這些要素形成遞階層次結構，進而分解為多指標的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序和總排序，以作為目標、多方案優化決策的系統方法[13]。依據AHP法，選取具有代表性且易量化的評價指標，構建了工業園區減排情景(以VOCs總量控制為目標)的綜合評價指標體系，具體如表1所示。

表1 某工業園區大氣污染物減排情景評價指標體系Table 1 Evaluation indicators of the air pollutants emission reduction scenario for the industrial park

(1)評價指標的計算

VOCs削減量：企業VOCs削減量計算與減排潛力綜合評價公式(1)相同，情景VOCs削減量為企業之和。

其它大氣污染物削減量：企業其它大氣污染物削減量計算與減排潛力綜合評價公式(3)相同，情景其它大氣污染物削減量為企業之和。

固定成本：包括技術更新的設備成本與人工成本。

運行費用：工藝更新后的運行費用減去原運行費用，再減去因資源回收帶來的回收效益。

(2)評價標準

評價指標一般可分為以下四種類型：極大型、極小型、定指標型和區間型。對于極大型指標，計算所得數值越大優勢越明顯，與目標成正相關；對于極小型指標，計算所得數值越小優勢越明顯，與目標成負相關；對于定指標型，計算所得數值則越接近某個固定值越好；區間型指標則是計算所得數值以落在某個固定區間為最佳。

結合工業園區大氣污染減排情景評價指標的特點，按四種指標類型歸類如下：

極大型指標：VOCs減排量、NOx減排量、SO2減排量、NH3減排量、顆粒物減排量、催化燃燒法企業數、染料噴塔尾氣循環企業數、VOCs回收應用企業數、清潔生產原料采用企業數及清潔生產工藝采用企業數。

極小型指標：固定成本、運行成本。

(3)構建判斷矩陣

判斷矩陣的構造方法是將同一目標、同一準則下的因素進行兩兩比較，并按照Thomas Lsatty標度法的1—9比例標度對其重要程度賦值[14]，如表2。將兩兩比較的結果，記作aij，表示第i行因素Ai比第j列Aj的相對重要程度。

表2 Thom as L.satty標度法評分規則Table 2 Thomas L.Satty scale scoring rules

判斷矩陣構建的合理性，是層次分析法的關鍵一步，為了綜合不同類型專家的意見，在確定權重方面進行了廣泛的專家咨詢。在此基礎上，構建判斷矩陣。

其中aij就是元素ai和aj相對于準則層的重要性的比例標度。判斷矩陣A具有下列性質：aij>0，aji=1/aij，aii=1。

(4)確定權重

由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權重。判斷矩陣A對應于最大特征值λmax的特征向量W，經歸一化后即為同一層次相應因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權值，這一過程稱為層次單排序[15]，公式4。

AW=λmaxW

(4)

式(4)中，λmax是A的最大特征根，W是相應的特征向量，所得到的W經歸一化后就可作為權重向量。

(5)判斷矩陣的一致性檢驗

對判斷矩陣進行一致性檢驗，其一般步驟如下[16]：

①求出判斷矩陣的最大特征值λmax；

②計算一致性指標CI(5)；

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

③計算平均隨機一致性指標RI，其是多次(500次以上)重復進行隨機判斷矩陣特征值的計算后取算術平均值得到的。

④計算一致性比例CR(6)

CR=CI/RI

(6)

當CR<0.1時，一般認為判斷矩陣是一致性的，是可以接受的。否則就應當重新調整判斷矩陣，直至具有滿意的一致性為止。

2 結果與討論

2.1 技術減排潛力分析

計算了園區企業大氣污染物減排潛力如表3和表4所示(表內公司序號一致)，其中VOCs減排潛力共2 802.9 t，減排潛力前十的企業VOCs減排共2 402.4 t，占園區VOCs總減排潛力的85.10%。減排潛力在500 t以上的企業有兩家，在100～500 t之間的企業有6家，減排潛力共1 158.5 t，減排潛力在1～100 t之間的企業有35家，減排潛力共567.1 t；減排潛力在1 t以下的企業有42家，減排潛力共11.0 t。從行業來看，園區大氣污染物VOCs減排潛力從高到低排序，依次為：醫藥制造業、染料制造業、農藥制造業、化學品制造業、紡織品制造業、材料制造業和能源制造業。

表3 某園區企業VOCs減排潛力(前20家)Table 3 VOCs emission reduction potential of the enterprises (Top 20)

表4 某園區企業其它大氣污染物減排潛力Table 4 Other air pollutants emission reduction potential of the enterprises

NOx減排潛力總量為292.0 t，其中公司41的NOx減排潛力最高，為124.2 t，占園區NOx減排潛力總量的43.56%；SO2減排潛力總量為96.6 t，其中公司41減排潛力最高，為50.7 t，占園區SO2減排潛力總量的52.49%；NH3減排潛力總量為9.4 t，公司12和公司82的減排潛力分別為8.1 t和1.2 t；顆粒物減排潛力總量為338.2 t，其中公司39顆粒物減排潛力最高，為274.6 t，占園區顆粒物減排潛力總量的81.19%。

2.2 減排情景確定

根據設定的總量減排目標為在VOCs總凈化率90%的基礎上，排放總量比現狀再下降10%，由此確定了所需的減排量。

工園區排放VOCs的86家企業中減排潛力1 t的企業總減排潛力為11.003 t，僅占園區VOCs總減排潛力的0.29%。因此，VOCs的減排主要從VOCs減排潛力≥1 t的43家企業，即序號為1～43的企業。制定了的12套減排情景，遵循大氣污染物減排量盡可能大、減排成本盡可能低的原則，采用減排措施的企業從減排潛力大的企業入手(見表5)。

表5 初選減排情景Table 5 Primary emission reduction scenarios

續表

(1)VOCs減排情景

VOCs的減排情景主要有4種，分別對應表5中的情景1～3、4～6、7～9、10～12，其中情景4～6為VOCs減排量最大，情景10～12為減排成本最低，情景1～3與7～9為減排量與成本之前的權衡。

情景1～3：結合減排情景制定原則，園區VOCs減排潛力排序為1、3～10 的企業減排潛力均在50 t以上，均采用催化燃燒法作為末端處理技術對VOCs進行減排；減排潛力前20的企業中去除率小于90%的企業采用催化燃燒作為末端處理技術；VOCs減排潛力排序2的企業已采用尾氣循環利用技術，取得較好的減排效果；公司40的VOCs去除率為50%，但其減排潛力較低，故采用固定和運行成本相對較低的VOCs回收應用技術。

情景4～6：該情景主要是從VOCs減排量最大進行考慮。VOCs減排潛力排序為1、3～43家企業中，除去5家VOCs去除率為98%的企業，其他企業均采用催化燃燒法末端處理技術進行VOCs減排；VOCs減排潛力排序2的企業已采用尾氣循環利用技術，取得較好的減排效果；

情景7～9：結合減排情景制定原則，園區VOCs減排潛力排序為1、3～10的企業減排潛力均在50 t以上，均采用催化燃燒法作為末端處理技術對VOCs進行減排；43家企業中VOCs去除率小于90%的企業采用催化燃燒作為末端處理技術；VOCs減排潛力排序2的企業已采用尾氣循環利用技術，取得較好的減排效果；公司40的VOCs去除率為50%，但其減排潛力較低，故采用固定和運行成本相對較低的VOCs回收應用技術。

情景10～12：該情景主要從VOCs減排成本低考慮，僅對VOCs減排潛力大于150 t以上的企業，即排序為1、3～10的企業采用催化燃燒末端處理技術，僅有5家企業；VOCs減排潛力排序2的企業已采用尾氣循環利用技術，取得較好的減排效果。公司40的VOCs去除率為50%，但其減排潛力較低，故采用固定和運行成本相對較低的VOCs回收應用技術。

(2)NOx和SO2減排情景

園區排放NOx的企業有22家，排放SO2的企業有5家，且排放NOx和SO2的共同企業共有5家，且該5家企業NOx的減排潛力總量為255.14 t，占園區NOx減排潛力總量的87%。NOx和SO2治理技術主要包括NOx和SO2協同凈化技術(去除率分別為70%和95%)和尾氣資源化技術(可產生一定的經濟效益)。因此，對這5家企業采用協同凈化技術替代原治理技術，并在原治理技術的基礎上新增回收工藝，主要包括3種減排措施，分別對應表3中的情景1、4、7、10，情景2、5、8、11和情景3、6、9、12。

情景1、4、7、10：該情景的NOx和SO2減排量最大，5家企業均采用NOx和SO2協同凈化技術。

情景2、5、8、11：該情景的NOx和SO2的經濟效益最佳，5家企業均新增尾氣資源化技術。

情景情3、6、9、12：該情景為NOx和SO2的減排量和減排費用的權衡，即NOx減排潛力大于20 t的兩家企業采用NOx和SO2協同凈化技術，剩余三家企業采用尾氣資源化技術。

(3)NH3減排情景

園區共有兩家企業排放NH3，強化生物處理技術對NH3的減排率為95%。因此，NH3的減排情景主要為兩種，即對減排潛力最大的企業采用強化的生物處理技術，即情景1、2、4、5、7、8、10、11；兩家企業均采用強化生物處理技術，即情景3、6、9、12。

(4)顆粒物減排情景

園區排放顆粒物的企業25家，減排潛力最大為274.56 t，最小為0.01 t。其中，顆粒物減排潛力為1 t以上的企業共有6家，減排潛力為337.63 t，占顆粒物減排潛力總量的99.84%。因此，顆粒物減排情景主要為三種，分別為表中3～6種的情景1、4、7、10，情景2、5、8、11和情景3、6、9、12，顆粒物減排采用回收技術。

情景2、5、8、11：該情景為顆粒物減排費用最低，僅對減排潛力最大的企業采用顆粒物回收技術。

情景3、6、9、12：該情景為顆粒物減排量最大，6家企業均采用顆粒物回收技術。

情景1、4、7、10：該情景為顆粒物減排量最大和減排費用的權衡，對減排潛力大于10 t以上的企業采用顆粒物回收技術。

2.4 減排情景評價

依據層次分析法的原理[17-19]，結合大氣環境質量、總量控制、社會經濟效益和園區VOCs處理能力因素構建了某園區大氣污染物減排控制情景評價體系(圖1)。

圖1 VOCs減排情景評價多層次分析法體系Fig.1 Multi-level analysis method system of VOCs emission reduction scenario evaluation

通過查閱文獻，結合有關專家對準則層和指標層的要素進行評分，匯總專家評分，建立判斷矩陣。按照AHP法建模步驟確定各下層要素對上層各個要素的影響程度，確定權重W。由于AHP是一種主觀賦權法[20]，專家打分時會受專家主觀意識的影響，為盡可能減少這種主觀影響，在專家打分時會給出大氣污染物減排潛力最大和減排成本最低措施。同時附帶相應的減排率、減排成本、減排效益等因素，確保專家對指標打分時更加客觀與合理。

構建指標層對準則層、準則層對目標層的判斷矩陣，運用AHP法進行計算，獲得相應的權重。在此基礎上，計算綜合權重，是指通過準則層與指標層的權重計算，得出指標層對目標層的權重。綜合權重計算結果如表6所示。

表6 準則層、指標層與目標層之間的權重表Table 6 Weighting of the criterion layer, the index layer, and the target layer

在獲得了指標層的9項指標原始數據后，采用AHP法對9項指標進行比較，建立情景層對指標層的判斷矩陣，計算情景層對指標層的權重。通過指標綜合權重與情景對指標層的權重可計算出情景層的綜合權重，如表7。綜合權重最大的情景為最優情景，因此情景4為最優情景。

表7 情景層綜合權重Table 7 Comprehensive weight of the scenario layer

情景4的固定成本為4 220萬元，運行成本節約420.0萬元/a，VOCs減排量為2 610.2 t，NOx減排量為255.1 t，SO2減排量為96.6 t，NH3減排量為8.1 t ，顆粒物減排量為337.6 t。園區現有企業年產值在2～36億之間，情景4中的年環保投入不超過110萬元/a，則企業的環保投入占企業年產值的0.03%～0.53%；結合技術的費效分析，情景4所采用的技術費效最佳。因此，情景4無論在技術還是經濟方面均可行。

情景4的實施企業具體為：采用清潔生產原料的企業為9和28，采用清潔生產工藝的企業為2～7、11、12、16、22～24、26、31、32、35；采用細顆粒回收的企業為39、41、51、68；采用催化燃燒的企業為1、3～10、12～16、19～21、23、26～31、33～36、38～43；采用NOx和SO2協同凈化技術的企業為7、36、41、51、 68；采用強化生物處理工藝的企業為21。

3 結 論

(1)結合園區企業調研和文獻調研，利用最佳可行技術對園區主要大氣污染物減排潛力進行了計算分析，VOCs減排潛力總量為2 802.9 t，NOx減排潛力總量為2 920 t，SO2減排潛力總量為96.6 t，NH3減排潛力總量為9.4 t，顆粒物減排潛力總量為338.2 t。

(2)從關鍵污染物減排量和減排成本兩方面考慮制定了減排情景，包括VOCs減排量最大3種、減排成本最低3種、減排量和減排成本權衡6種，共計12種減排情景。

(3)對上述構建的12種減排情景采用AHP法進行了評價，設立了目標層、準則層與指標層，建立了情景層對指標層的判斷舉證，并進行了權重計算，確定情景4為最佳減排情景，其固定成本為4 220萬元，運行成本節約419.93萬元/a。在該減排情景下，VOCs減排量為2 610.163 t，NOx減排量為255.145 t，SO2減排量為96.578 t，NH3減排量為8.144 t，顆粒物減排量為337.630 t。