工業園區固體廢物協同利用技術評價方法：以包頭鋁業園區為例

杜洪彪，梁揚揚，李金惠，劉麗麗

清華大學環境學院，北京 100084

工業園區是指在特定區域內集中布局一批生產型企業，以及相關的配套服務機構和設施[1].工業園區生產過程不可避免地產生大量工業固體廢物(固廢)，包含一般工業固廢和危險廢物，對環境和可持續發展帶來挑戰.工業固廢的產生和不當處理不僅會對環境造成不良影響，還可能威脅人類健康，同時也制約工業型城市的發展和轉型升級[2]，固廢中含有的可回收材料若未得到妥善管理，也會導致經濟效率低下，需要使用更多的原材料，浪費寶貴的二次資源[3].我國統計年鑒顯示，2021 年，全國一般工業固廢產生量高達3.97×109t，而固廢綜合利用率約為57%.工業固廢產生量大且資源化水平并不理想，因此迫切需要尋求將工業固廢高值化利用的方案.2022 年，《八部門關于印發加快推動工業資源綜合利用實施方案的通知》[4]中顯示出國家層面對工業固廢源頭減量和規模化高效綜合利用的重視.研究[5]指出，自2015 年起，工業園區中存在固廢綜合利用率逐年下降的趨勢，這一現象在寧東能源化工基地得到了證實.這一趨勢的原因之一是隨著工業規模的增加，工業固廢產生量急劇增加，但企業在處理固廢方面的技術水平有限；此外，工業固廢利用企業往往面臨高成本、低收益、高運輸成本以及有限的銷售渠道等問題.

固廢的協同利用可以同時處理和回收不同類型的廢物，最大限度地實現經濟效益、減少環境影響.通過建立閉環系統，園區可以實現可持續和環保的廢物管理方式，構建循環經濟、促進減污降碳[6-7].相關研究[8]表明，將不同冶煉固廢資源進行協同處理可以提高固廢的綜合利用率和生態效率，同時降低資源能耗.盡管協同處理可能會增加廢氣中的重金屬污染排放，如鉛、砷、鎘和汞等，但與目前的處理方式相比，仍然具有顯著優勢.溫宗國等[9]針對多種城市垃圾梳理出焚燒、填埋、厭氧等8 種處置技術的協同方案，但并不能完全覆蓋經濟、環境、工藝等多方面指標.也有一些研究[10-11]針對性地對特殊廢物結合粉煤灰等大宗固廢進行協同處理，如將電解錳渣、赤泥、粉煤灰、生石灰協同處理以降低氨氮濃度和可溶性錳離子濃度，或將生活垃圾爐中摻燒工業固廢使物料燃燒更完全.

目前的研究多為針對某種具體廢物或某一具體園區進行，面向工業園區內多種產業產出的固廢協同處理方法評價的研究較為鮮見.因此，該研究旨在建立一個普適的、經濟環境工藝多方面覆蓋的工業園區固廢協同利用技術的評價方法.為開發這一評價方法，該研究選擇包頭鋁業園區為案例.該園區是全國循環經濟示范園區，在園區發展過程中，鋁電聯產及加工制造等行業產生大量的固廢堆存，嚴重影響了園區的生態環境，需要對該園區內的工業固廢進行協同利用，以適度的產業延伸提高產品的附加值，實現園區內部的固廢全量利用.該研究通過構建多指標分析和層次分析法評價模型得出評價結果，并針對園區的實際情況和需求，確定出最佳固廢協同利用技術組合方案，以期為有效的廢物管理策略提供參考，并為其他資源型城市和工業園區尋求可持續解決方案提供指導.

1 園區概況及研究方法

1.1 園區及相關固廢處理技術概況

該研究聚焦工業園區，以包頭鋁業園區為案例，探討園區面臨的工業固廢問題以及固廢協同利用技術的潛力.包頭鋁業園區主要有火力發電、電解鋁、鋁加工、鋁制品等產業[12]，產出的一般工業固廢主要為粉煤灰、爐渣、脫硫石膏等，危險廢物為二次鋁灰、炭渣、大修渣等.

結合包頭鋁業園區內涉及的固廢特征，篩選出廢物粉煤灰、爐渣、脫硫石膏、鋁灰、鋁灰渣、大修渣、炭渣作為關鍵廢物，并通過文獻檢索、資料查詢及專家咨詢等方式，梳理出相應綜合利用技術24 項，其中一般工業固廢綜合利用技術10 項，危險廢物綜合利用技術14 項，如表1 所示.

表1 包頭鋁業園區關鍵固廢綜合利用技術Table 1 Comprehensive utilization technology of key solid wastes in Baotou Aluminum Industrial Park

1.2 研究方法

為對工業固廢協同處理技術進行評價篩選，構建了園區內工業固廢協同利用技術組合方案的評價模型，模型結合了多維度指標分析和層次分析法，具體評價過程如圖1 所示.首先，梳理出現有的工業固廢處理技術，包括一般工業固廢和危險廢物處理工藝；接著，針對這些技術使用6 個維度的評價指標進行評估，指標包括技術易操作度、市場經濟效益、環境友好程度、技術普及程度、固廢利用量程度和固廢利用協同性，通過專家打分對每個指標進行評分并得到各指標的權重，最終得到每項技術的綜合評分；在此基礎上，保留綜合評分表現較優的技術，再根據不同特征將不同技術進行組合；最后，運用層次分析法對技術組合進行評價，得出最優的工業園區固廢協同利用技術組合方案.

圖1 工業園區固廢協同利用技術評價方法流程Fig.1 Flow chart of evaluation method for solid waste synergistic utilization technology in industrial parks

1.3 固廢綜合利用技術的評價方法

1.3.1 評價指標

首先，對初步篩選的24 項綜合利用技術(l1,l2,···,l24)進行綜合評價，考慮了6 個維度(n1,n2,···,n6)作為評價指標，詳見表2.采用專家打分法對綜合利用技術的6 個維度進行評分，多位相關領域的專家(m1,m2,···,m22)被邀請參與評分，評分范圍為0~10 分，分數越高，表明技術在該維度具有更好的表現，如技術易操作度，評分越高表明工藝難度越小，易操作程度越高，具體評分說明見表2.通過專家的評分能夠獲得每個綜合利用技術在每個維度上的評分數據，從而得出全面評價.

表2 綜合利用技術綜合評價維度、評價因素及說明Table 2 Evaluation dimension, factors and description of comprehensive utilization technology

1.3.2 指標權重

將一般工業固廢和危險廢物分為兩組，分別計算各組權重.若干位專家對6 個維度中每個維度進行打分，專家m對維度n的權重分配打分記為pmn，打分范圍為1~5 分.對每位專家的權重打分通過式(1)進行歸一化處理，得到歸一化權重(qmn).

針對某一特定維度，將所有專家的打分歸一化結果按(1)式進行計算，確定平均權重.為了保證得到相對客觀的結論，排除每個維度中2 個最高分和2 個最低分，計算剩余分數的算術平均值，所得結果即為維度n的權重(vn).

通過以上步驟獲得每個因素的權重(vn)，將用于后續分析中對工藝的綜合評價和決策過程.

1.3.3 綜合評價方法

為了比較不同固廢綜合利用技術l的優劣，該研究采用綜合評分方法.對于技術l中的維度n，去掉所有專家打出分數的2 個最高評分和2 個最低評分，計算剩余評分的算術平均值，得到每種技術l在維度n上的平均得分(sln)；之后，按照各維度的權重(vn)對sln進行加權求和〔見式(2)〕，得到技術l的綜合評分(ωl).

針對10 項一般工業固廢綜合利用技術和14 項危險廢物綜合利用技術，根據綜合評分淘汰各組評分較低的技術，篩選后可以重點關注在多個維度上都具有較好綜合表現的技術，后續將僅討論篩選后的綜合利用技術.

1.4 固廢多技術協同處理方案

1.4.1 技術組合方案

結合1.3 節中對各類綜合利用技術的評價分析，以技術的可適配組合和產業的可協同發展為原則，針對固廢的綜合利用技術進行組合，制定出3 種特征的綜合利用協同技術方案G1~G3.各技術組合及其工藝的詳細描述如表3 所示.

表3 包頭鋁業園區固廢協同綜合利用技術方案Table 3 Technical scheme for cooperative comprehensive utilization of solid wastes in Baotou Aluminum Industry Park

1.4.2 層次分析法分析

為了選擇最佳的鋁業園區固廢協同處理綜合利用方案，該研究使用層次分析法[35]進行分析.層次分析法是一種廣泛應用的多準則決策方法，以結構化的方式確定準則的權重和方案的優先級，將決策者的經驗給予量化，這在對目標(因素)結構復雜且缺乏必要數據的情況下較為實用，被廣泛用于技術對比及各種優選評價[36].

該研究以協同利用能力綜合評價作為總目標a，以n1~n6為準則層，以G1~G3為方案層，構建了包頭鋁業園區固廢協同利用技術的綜合評價層次模型，如圖2 所示.此模型的創新之處在于提高了模型的準確度和可靠性.優化準則的選擇：選擇了覆蓋園區固廢處理的關鍵準則，以確保模型的全面性.權重分配的精確性：在分配準則和方案的權重時，采取多位專家打分的方式獲得各準則的權重，以增加模型的可靠性.因素的客觀性：對層次分析法中準則層各因素采取了專家打分的方式，確保模型的客觀和真實.

圖2 包頭鋁業園區固廢協同利用技術綜合評價層次模型Fig.2 Comprehensive evaluation hierarchy model of solid wastes collaborative utilization technology in Baotou Aluminum Industrial Park

通過對同一層次各因素相對于上一層中某一因素的重要性進行比較，并構造判斷矩陣.在準則層的各維度n1~n6對目標層因素a的相對重要性中，通過兩兩比較法得到了判斷矩陣A=(aij)n×n.為了將各因素之間的比較量化，引入了1~9 的標度.標度值越大，表示因素i比因素j更重要，因此取aij為1,2,…,9，或它們的倒數表示因素j比因素i更重要.判斷矩陣A滿足aii=1 且aji=1/aij.

基于六維雷達專家打分法的數據，進一步整理得出方案層到準則層的判斷矩陣.對于某一維度n上所有技術的專家打分，最低分設置為0，最高分設置為10，其余分數按式(3)進行線性變換映射到0~10 分之間.

式中，hln為某一組合在某一維度上經線性變換后計算出的新分數，(sln)min和(sln)max分別為在維度n上篩選出的所有技術l的最小值和最大值.隨后，對組合方案中的若干技術hln取平均值，得到組合G維度n的得分HGn.將3 個方案對應的準則層因素的HGn進行兩兩比較，根據式(4)得到相對重要性因素值(aij).

式中：P為相對重要性的因素值(即判斷矩陣中的aij)，P≥1；HGni和HGnj分別為在某一準則層因素內進行比較的2 個方案的HGn值，規定HGni≥HGnj.

通過Matlab R2022a 軟件計算各矩陣的最大特征值(λmax)及其對應的特征向量(W).一致性指標CI 由式(5)得出，用于衡量判斷矩陣的一致性程度，當CI=0 時，判斷矩陣是一致的；CI 值越大，判斷矩陣的不一致性越嚴重.引入隨機一致性指標RI，當隨機一致性比例(CR=CI/RI)小于0.1 時，判斷矩陣的不一致性可以接受，否則需要調整判斷矩陣.其中，3 階和6 階判斷矩陣的RI 值分別為0.58 和1.24[37].

式中，λmax為矩陣的最大特征值，N為矩陣維度，CI 為一致性指標.

計算各指標層各因素對于目標層的相對重要性權重，稱為層次總排序，通過計算判斷矩陣的特征向量對包頭鋁業園區固廢協同處理的各因素進行總排序.

2 結果與討論

2.1 綜合利用技術評價結果

將24 種工業固廢綜合利用技術分別進行了計算，對每種技術在各維度的平均得分與綜合評分進行分類展示.

一般工業固廢綜合利用方式的六維雷達圖如圖3所示，并且給出了每種工藝的綜合評分.根據綜合評分，淘汰了分數最低的4 項技術，不參與后續分析.篩選出的技術分別為制備蒸壓磚、加氣磚技術、制備燒結多孔磚及多孔砌技術、制備高性能水泥技術、路基材料技術、制備建設石膏粉技術、制備石膏板技術.綜合評價結果表明，不同的一般工業固廢綜合利用方式在6 個關鍵維度上表現差異顯著.例如，礦棉材料制備技術在技術復雜性方面得分較低，而路基材料技術和制備蒸壓磚、多孔磚技術在利用量方面表現出色.需要注意的是，雖然這些技術在利用量上具有優勢，但它們在經濟效益和環境影響方面均存在挑戰，這取決于外部市場和內部工藝成本的控制.環境影響在很大程度上取決于利用方式，而經濟效益受外部市場條件和內部工藝成本的影響較大.

圖3 一般工業固廢綜合利用方式的雷達對比Fig.3 Radar comparison of comprehensive utilization of general ISW

園區內危險廢物綜合利用方式的六維雷達圖數據及各工藝的綜合評分如圖4 所示.將綜合評分靠后的工藝淘汰，篩選出的技術分別為二次鋁灰綜合回收可溶性鹽、二次鋁灰制備鋁酸鈉技術、二次鋁灰制備耐火材料技術、二次鋁灰制備路基材料技術、二次鋁灰制備復合水泥、二次鋁灰制備陶瓷清水磚、炭渣綜合利用回收電解質和碳粉技術、大修渣陰極炭塊綜合利用技術、大修渣水泥窯協同處置利用技術.由圖4 可見，以鋁灰為原料回收可溶性鹽、制備鋁酸鈉、制備硫酸鋁凈水劑等工藝，在雷達圖上并未顯示出突出的技術特點，如需要擴大綜合利用能力，則需要和鋁灰制備路基材料技術和鋁灰制備復合水泥技術銜接；如需要進行高質化利用，提高產品生產過程協同性，則需要鋁灰回收制備氧化鋁與其他技術銜接.由于二次鋁灰含有更多的可溶性鹽，危險廢物二次鋁灰火法處理綜合利用技術的后續處理難度較高，而鋁灰火法處理技術可以與濕法技術很好適配，有較好的推廣價值.由于炭渣和大修渣綜合利用技術相似，且均為鋁產業伴生的危險廢物，其六維雷達圖也相似，可以進行協同綜合利用；大修渣水泥窯協同處置利用技術與大修渣解毒用于建材、混凝土摻添料技術均可處理大修渣中富含的硅酸鹽類物質，且技術成熟、穩定.

圖4 危險廢物綜合利用技術雷達對比Fig.4 Radar comparison of comprehensive utilization of hazardous wastes

2.2 層次分析法固廢協同利用方案比選

將3 種組合方案通過層次分析法比選出園區固廢協同處理綜合利用的最佳方案.目標層到準則層的判斷矩陣為式(6)，準則層6 因素到方案層的判斷矩陣為式(7)~(12).通過整理數據可以得出：

由Matlab R2022a 軟件計算出各矩陣的最大特征值(λmax)及其對應的特征向量(W).

經計算，式(6)~(12)七個矩陣的特征值分別為6.441 4、3.053 6、3.000 0、3.053 6、3.000 0、3.018 3、3.009 2，各矩陣的隨機一致性檢驗CR 值分別為0.071 2、0.046 2、0.000 0、0.046 2、0.000 0、0.015 8、0.007 9，均小于0.1 通過一致性檢驗.

層次總排序的一致性檢驗CR 值為0.018 4，層次總排序值如表4 所示.

表4 3 個方案的層次總排序值Table 4 Total ranking value of each factor hierarchy weight

將各指標標準化值與權重相乘后累加，即得到各組合的綜合性能評價值.經計算鋁業園區固廢協同處理綜合利用能力的3 種方案的綜合評分分別為0.264 5、0.297 6 和0.437 9，該評分反映了每個方案在多個關鍵指標上的綜合表現.通過層次分析法的比選，方案三的綜合評分最高，表明該方案在固廢的協同利用能力以及經濟價值等方面具有顯著的優勢，被選為最佳固廢協同利用方案.綜合考慮固廢的協同利用能力、綜合利用經濟價值以及環境影響等因素，方案三在固廢的高效利用和經濟可行性方面表現出色.方案三有望對包頭鋁業園區的可持續發展和環保目標產生積極影響.同時，可以觀察到每個方案都具有其獨特的優勢和劣勢.例如，方案一在市場經濟效益和環境友好程度這兩方面優于方案三，可能更容易獲得政府和市場的支持，但其固廢利用量程度較小，無法處理大宗廢物.相比之下，方案二在各方面都稍顯遜色.對各種方案的權衡和決策是復雜的，需要考慮經濟、環境、技術等多方面因素.

該研究提出了一個有效的評價工業園區固廢協同利用的方法，并確定了以包頭鋁業園區為例的最佳方案，但仍有許多未來研究方向值得探索.首先，可以進一步研究和優化協同利用技術，以提高資源回收率和經濟效益；其次，可以考慮不同工業園區之間的比較研究，以確定最佳方案在不同背景下的適用性.此外，還可以探討新的固廢協同利用技術，以滿足不斷變化的環境和市場需求.這些未來研究方向將有助于進一步推動固廢協同利用領域的發展.未來可以進一步探討不同方案之間的權衡和決策，以更好地滿足不同環境和經濟背景下的需求.

3 結論

a) 以包頭鋁業園區為案例，通過實地調研和專業咨詢，全面分析了園區內固廢情況，對與鋁業園區相關的24 種綜合利用技術進行了系統評價.

b) 通過構建多指標分析和層次分析法評價的模型，針對包頭鋁業園區的實際情況和需求，確定出最佳工業園區固廢協同利用技術組合.多指標分析和層次分析法相結合的方法可以得出更客觀評價結果，容易通過一致性檢驗.

c) 確定最優的工業固廢協同利用方案，包括粉煤灰、爐渣、脫硫石膏等制備為蒸壓磚或路基材料；二次鋁灰中回收可溶鹽后制備為清水磚、耐火材料和路基材料，回收炭渣、大修渣等鋁冶煉過程產生的危險廢物中的碳塊、電解質和碳粉等組分的方案，該方案在固廢的協同利用能力及綜合利用經濟價值有較好的表現，適合包頭鋁業園區固廢的協同利用.

d) 該研究不僅為包頭鋁業園區的固廢管理和綠色發展提供支持，還可為其他資源型城市和工業園區的可持續發展提供啟示，為綠色發展和資源循環利用提供了有益的參考.