基于FAHP的农药生产VOCs末端治理技术评价

郑亚梅，林胜男，荆国华，申华臻，吕碧洪

（华侨大学化工学院，福建 厦门 361021）

我国农耕文化历史久远，发展至今已是农业大国。农药在控制病虫草危害、保护农业生产安全等方面有举足轻重的地位。然而，农药生产技术复杂、产品多样化，生产过程中排放的污染物种类多、毒性高且数量大。其中挥发性有机化合物（VOCs）排放具有强度大、成分复杂、浓度高和持续时间长等特点，其引发的环境问题最为严重，是大气污染防控的重点对象。我国对VOCs 的定义为参与大气光化学反应或者根据规定的方法测量或核算确定的有机化合物。由于VOCs 末端处理技术的种类多样，对其进行评价并筛选出值得推荐的技术是VOCs 减排的有效策略。因技术评价需要考虑多方面因素，如何构建具有普适性和科学性的VOCs 治理技术的评价模型并选择最优治理技术是当前亟待解决的问题。

为构建VOCs 治理技术评价模型，王海林等以层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）构建VOCs 控制技术评估体系，得出碳纤维吸脱附技术为包装印刷行业最优控制技术。李佳羽等基于AHP构建VOCs排放控制技术评价指标体系，评价结果为石化企业VOCs 控制技术的选择提供理论支持。阿克木·吾马尔等采用模糊综合评价（fuzzy comprehensive evaluation，FCE）对VOCs 处理技术进行评价，最终得出冷凝法和膜分离法是油品储运行业值得推荐的控制技术。王新雷采用FCE对烟气脱硝技术进行综合评估，结果得出低氮燃烧法具有经济优势。通过比较上述AHP 和FCE两种方法发现，基于模糊数学的FCE 可以解决AHP 中定性指标的模糊性问题，同时随着发展和实际应用的需要，AHP 逐渐与FCE 的模糊思想结合。如席富娟采用FAHP对石化行业的VOCs治理技术进行评价，得出蓄热式催化燃烧技术具有良好的综合效益。为衡量能源安全，Ma džarevió 等基于FAHP从社会经济适应性、供应安全和环境可接受性构建能源安全评价模型。马双忱等采用FAHP模型对燃煤电厂中脱硫废水处理技术进行评价，以得出最佳可利用技术。FAHP思路简单清晰且实用，使评价结果更具有客观性，并且模糊数学评价模型能够在无法全部客观定量建立理论模型的基础上最大程度地得到相对客观的优选方案，具有一定的科学性和普适性，因此，可以有效解决目前农药生产缺乏普适性和科学性的VOCs 末端治理技术评价模型的问题。

本研究基于FAHP 构建经济、环境、技术3 个一级指标和11个二级指标的VOCs末端治理技术评价模型。通过分析荆州经济技术开发区农药生产中典型的生产工艺及产VOCs环节，从经济层（B1）、环境层（B2）、技术层（B3）3 个因素对9 项常用的VOCs 末端治理技术进行量化分析评价，研究结果对农药生产VOCs 末端治理技术的筛选和推广具有借鉴意义，同时对VOCs 的减排具有重要的实际意义。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

VOCs 控制主要包括源头控制、过程控制、末端治理三个方面，目前末端治理技术归纳为两类，一是VOCs 回收处理技术；二是销毁技术。其中，VOCs 回收处理技术包含吸附、冷凝、吸收、膜分离等技术；销毁技术包含燃烧、光催化反应、低温等离子体反应、生物降解等技术。燃烧技术又包含热力燃烧技术和催化燃烧技术，热力焚烧技术适用浓度为2000～3000mg/m，催化燃烧技术适用浓度为3000～10000mg/m。生物降解技术适用浓度为500～2000mg/m； 低温等离子反应适用浓度＜500mg/m；光催化反应适用浓度＜1000mg/m；吸附技术适用浓度为3000～10000mg/m；吸收技术适用浓度为5000～10000mg/m；冷凝、膜分离技术适用浓度＞10000mg/m。含有机卤素成分VOCs 的废气不宜采用燃烧技术；恶臭气体的处理技术有生物降解、低温等离子体反应、吸附、吸收、光催化反应或者组合技术，本研究针对热力焚烧、催化燃烧、生物降解、低温等离子反应、光催化反应、吸附、吸收、冷凝、膜分离等9项末端治理技术进行综合评价。

1.2 研究方法

FCE利用模糊集理论对定性指标进行模糊分析提高其客观性，AHP 的矩阵重要性判断以及一致性检验可以提高模型的准确性，FAHP是将FCE和AHP 相结合的评价方法，充分发挥两者优势，提高评价结果的客观性及准确度。FAHP根据评价专家给出的指标间相对重要性判断，运用AHP 法确定评价模型的指标权重，通过建立模糊评价子集和模糊评价评语集，求解各评价指标相对应的模糊隶属度，再结合AHP求解各评价技术的指标权重值，最终计算得出综合评价结果。FAHP 的局限性是FCE的模糊隶属函数的构造未形成规范；当评价因素过多时（超过9 个），AHP 可能出现判断矩阵难以满足一致性的问题。

FCE是一种涉及模糊因素的综合评价方法，其利用模糊集理论，充分利用人脑对模糊现象能做出正确判断的优点，模拟人的思维推理过程，使定性因素向定量因素逼近，从而得出科学的结果，其步骤如下。

（1）建立评价因素模糊集 U={，，···，U}={U}（1，2，∙∙∙，），，，···，U为U的模糊子集。

（2）构造评语集、建立模糊矩阵 评语集Y={，，···，y}={y}（=1，2，∙∙∙，），，···，y对应，···，U各子集的等级评判，可能是大或小、高或低等。设是个因素集构成的集合，各因素集又有个描述对象特征的变量；设有个专家对于某指标进行评判，其中有个专家选中某个评语等级，则该指标对于该评语集的隶属度为/，建立模糊矩阵见式(1)，其中，第行第列元素，表示因素集U对评语集Y等级的模糊数学隶属度。

（3）确定元素权重 模糊评价中元素的权重向量={，，···，a}，其表征各元素间的相对重要程度，本文使用AHP来确定权重系数。

（4）进行模糊综合评价 构建模糊综合评价结果向量=·见式(2)。

Yaahp（Yet another AHP）是AHP 权重计算软件，为层次分析法计算提供便捷。Yaahp软件目前多应用于化工、电镀、印染等行业技术评估。本研究运用Yaahp 10.3 版本进行计算，Yaahp 软件操作过程如图1 所示。第一步是绘制含有决策目标、中间要素（指标）和备选方案的层次结构模型，第二步是判断矩阵，其中包含一致性显示与检查、不一致判断矩阵自动修正以及残缺判断矩阵自动补全，基于以上分析后，软件输出最终计算结果。

图1 Yaahp软件操作流程

1.3 FAHP技术评价模型

技术评价模型构建首先需要筛选指标，本研究指标选取参考国家颁布的关于VOCs 的法律法规、政策及指导性文件，如《重点行业挥发性有机物综合治理方案》（环大气[2019]53号）明确指出VOCs治污设施简易低效问题和VOCs 减排目标，《2020年挥发性有机物治理攻坚方案》（环大气[2020]33号）指出加强监管化工园区VOCs 排放企业，“十四五”规划明确提出深入开展污染防治行动以改善空气质量。指标的选取需遵循可操作性和独立性原则，其中，可操作性原则要求指标定义应简明易懂、指标数据在现有的资料下可以获取或者经过核算方法计算可得；独立性原则要求技术评价模型中不同层次的指标含义不能相似，要相互独立，具有独特的代表性，能够构成完整、系统的评价体系。

根据上述指标选取原则以及文献的研究成果，本研究选取B1、B2、B3 作为技术评价模型的一级评价指标，二级评价指标有11 项，指标的名称及含义详见表1。本文构建的技术评价模型包含第一目标层（A层）、第二准则层（B层）、第三指标层（C 层）、第四备选方案层（E 层），如图2 所示。在评价体系中，指标体系包括4 层结构，目标层即VOCs末端治理技术评价模型；B1下属指标有投资成本、设备运行费用、占地面积、技术收益等具体指标；B2 下属指标有稳定达标率、二次污染、去除效率、环境影响等具体指标；B3 下属指标有技术复杂性、技术成熟度、技术适用性等具体指标。

图2 VOCs末端治理技术评价模型

表1 二级指标含义表

1.3.1 构造判断矩阵及一致性检验

根据上述已建立的技术评价模型，研究从B层至C层，将同一层的因素进行两两比较即重要性对比，构造判断矩阵，判断方法采取重要性标度（d）1～9及其倒数标度方法，标度含义见表2。

表2 1～9标度含义

本次研究结合文献调研和26 份专家重要性评分表，对技术评价模型中的指标进行重要性判断。根据各层指标重要性判断矩阵形式见式(3)～式(5)。

式中，v＞0，v=1，v=1/v（、1,2,3,…,），为矩阵的阶数；CI 为一致性指标（consistency index，CI）；为矩阵最大特征值；为矩阵的阶数。RI 为随机指标（random index，RI）；CR 为一致性比率。

根据指标重要性程度构造判断矩阵，研究进行A-B层的判断矩阵及一致性检验（详见表3）和BC 层判断矩阵及一致性检验（详见表4）。结果显示A-B层之间CR0.0516＜0.1，说明A层与B层之间具有满意的一致性，权重值具有可应用性；同理，B-C 层之间CR＜0.1，说明判断矩阵可接受，权重值可应用。

表3 A-B层之间判断矩阵及一致性

表4 B-C层之间判断矩阵及一致性

1.3.2 技术评价模型的权重分配

在Yaahp软件中构造判断矩阵，并对一致性进行检验，最终确定各层次因素的权重值（详见表5）。B1、B2、B3 指标的权重分别为0.493、0.311、0.196，B1 在技术评价模型中权重占比最大。在二级指标中，投资成本、去除效率、设备运行费用权重值排名前三，分别为0.223、0.164、0.119，为VOCs末端控制技术的重要指标筛选。

表5 技术评价模型指标权重分配

1.3.3 技术模糊综合得分

本研究需要对E层中各个待评价技术数据进行统一化处理和AHP法则计算，得到9项待评价技术11项指标评价值。再根据表5中11项指标的权重，运用式(2)计算各项技术的模糊综合得分，技术模糊综合评分最大者即为最优方案。

2 结果与讨论

2.1 农药生产工艺分析

荆州经济技术开发区农药生产以生产农药中间体和精细化工品为主。根据《环境影响评价报告书》和实地调研，确定了VOCs 排放主要成分包括醇类、烯类、酯类、醚类、酮类等。本研究以荆州经济技术开发区农药生产中典型的生产工艺为例，产污环节以及各环节中废气污染因子的分析如图3所示。

如图3所示，本工艺生产氯苯基环氧丁烷产量为1000t/a，工艺中的所有过程均为废气的排放环节，包括缩合反应、离心、水洗、还原、过滤、环合等过程，其中废气成分按产生量由大到小排列为：甲醇、二甲基硫醚、乙醇、硫酸二甲酯、戊烯、戊酮、频呐酮。已知还原反应需要在甲醇的环境中进行，因此在投入镁粉且温度为80～100℃反应4h 后，造成了部分甲醇的挥发逸散，而大部分甲醇被回收蒸馏再套用。此外，在成盐、环合、水洗、蒸馏过程中均产生二甲基硫醚废气，因该组分沸点低（=25℃、=101.325kPa、沸点为38℃），因此更容易挥发。同时，成盐反应过程加入了二甲基硫醚和硫酸二甲酯等原料，导致在该过程废气排放中存在二甲基硫醚和硫酸二甲酯等污染因子。考虑到本工艺产生的有机废气浓度低，因此采用碱喷淋预处理后用处理风量为80000m/h 的焚烧炉进行热力焚烧，处理效率达98%，处理后的尾气经过骤冷、碱洗后排放。

图3 荆州经济技术开发区农药生产工艺及产污环节

2.2 VOCs末端处理技术评价

本研究采用FCE 对各待评价技术的二级评价指标数据进行统一化处理，其中，可定量的指标包括投资成本、设备运行费用、稳定达标率、去除效率，利用实际数值进行评价。无法量化的指标，利用文字叙述进行相对的等级评价，一般分为五个等级，每一定性指标都采用恰当的等级评语。综合文献调研、专家意见，共收集并整理了9 项典型VOCs 末端处理技术的11 项二级评价指标数据（见表6）。热力燃烧、催化燃烧技术能够充分利用燃烧余热而节省能耗，余热利用率高达95%，提高了废气燃烧的效果，并且省去了余热回收环节，从而减少了设备占地面积的投入费用。

表6 VOCs末端治理技术模糊综合评价指标值

将9 项技术的11 项指标数据进行标准化处理，得到各技术在相应指标下的模糊评价矩阵结果并依据式(2) 分别计算出处理技术的综合评分（见表7）。

表7 VOCs末端处理技术二级指标评价值及综合得分

基于典型VOCs 末端治理技术的评价结果（见图4），从B1 分析，技术综合得分的排序为：生物降解＞吸附＞光催化反应＞膜分离＞低温等离子体反应＞热力焚烧＞催化燃烧＞吸收＞冷凝。由表5可得，在技术评价模型中B1 指标中投资成本和设备运行费用权重值较高，对B1的评价结果影响大。由表6可知，生物降解技术具有较低的投资成本和设备运行费用，同时生物过滤塔是生物降解技术中最为成熟的技术，该技术运行费用低、能耗低、塔料便宜，一般采用有机肥料、甘蔗渣、泥炭等，因此该技术具有明显的经济性；吸收技术和冷凝技术B1 评分处于劣势是因为两项技术需要较大的投资成本和设备运行费用，较大的占地面积以及低的技术效益。

图4 VOCs末端治理技术指标评分量化分布

从B2 分析，技术综合得分的排序为：热力焚烧≈催化燃烧＞膜分离＞冷凝＞低温等离子体反应＞光催化反应＞生物降解＞吸附＞吸收。如图4所示，热力焚烧和催化燃烧技术在各指标性能方面均表现出明显优势；膜分离技术的B2 优势仅次于燃烧技术，该技术降解VOCs 过程不产生二次污染；吸附、吸收技术B2 评分排名靠后原因是去除VOCs 的效率较低，且在处理废气过程中会产生二次污染，具有较差的环境效益。

从B3 分析，催化燃烧＞吸附＞吸收＞热力焚烧＞冷凝＞膜分离＞低温等离子体反应＞光催化反应＞生物降解。由表5 可知，在技术评价模型B3指标中按重要级排序，技术成熟度排第一，技术适用性排第二，再次是技术复杂性。如图4所示，催化燃烧和吸附技术在B3 的各项指标性能方面均表现出明显的优势，因为催化燃烧和吸附技术相对成熟，催化燃烧已成为当前VOCs 末端治理的主流和发展方向，仅次于它的吸附技术应用的时间较久、易于自动化控制；生物降解技术的适用性和成熟度较低，因此B3评分处于劣势。

综合考虑B1、B2 和B3 三个方面，如图4 所示，VOCs 末端控制技术模糊综合评分值由大到小排序为：催化燃烧（0.143）＞热力焚烧（0.135）＞膜分离（0.130） ＞吸 附（0.117） ＞生物降解（0.104）＞光催化反应（0.100）＞低温等离子体反应（0.093）＞吸收（0.086）＞冷凝（0.067）。综合分析B1、B2 和B3 方面，热力焚烧和催化燃烧B1和B2优势明显，蓄热式焚烧技术具有高热容量的陶瓷蓄热体，高温蓄热体直接加热待处理废气，换热效率达95%以上，可以降低设备运行费用，且去除效率高，不会产生二次污染；膜分离技术B1和B2优势明显，但仅适用于储运油气回收，且设备运行费用较高；吸附技术在B1方面具有优势；生物降解技术B2和B3方面处于劣势，虽能耗低但占地面积大，综合考量差；低温等离子体反应技术和光催化反应技术为新兴的末端处理技术，这两项技术的经济性较好，但技术的成熟度和适用性有待提升；吸收技术虽然技术复杂度低，但VOCs 组分复杂，选择合适的吸收剂是该技术的关键，且易产生二次污染；冷凝技术综合评分最低，原因是该技术对废气的性质要求较高，当VOCs 浓度≥5×10mol/m才能发挥其经济优势，因此常与其他控制技术组合使用或作为气体预处理。综合上述评价结果分析，优先推荐催化燃烧、热力焚烧、膜分离技术、吸附技术对VOCs进行末端处理。

3 结论

本研究对荆州经济技术开发区农药生产中典型的生产工艺及产VOCs 环节进行分析，通过文献调研、专家咨询和实地调研，基于B1、B2和B3三大因素以及定性和定量指标相结合，采用FAHP构建VOCs 末端治理技术评价模型。本研究利用Yaahp软件计算各指标权重，对9 项典型VOCs 末端治理技术进行量化分析评价，评价结果显示：一级指标中，影响最大的是B1，其次是B2；综合B1、B2和B3 三大因素考量，催化燃烧、热力焚烧技术和膜分离技术在B1和B2方面优势明显；吸附技术在B1和B3方面优势明显。在农药生产VOCs末端治理技术筛选中，优选综合效益靠前的技术为催化燃烧（0.143）、 热 力 焚 烧（0.135）、 膜 分 离 技 术（0.130）、吸附技术（0.117）。本研究的评价结果为化工企业VOCs 末端治理技术筛选提供了科学的理论依据，构建的技术评价模型适用于污染控制技术评价，因此具有可拓展性和可操作性，后续的研究可以根据需要适当地增减指标。

—— 权重向量

a—— 权重子向量

—— 评价结果向量

b—— 评价结果子向量

d—— AHP的重要性标度

—— 矩阵的阶数

—— 模糊矩阵

—— 专家选中某个评语等级的个数

—— 专家总个数

U—— 评价因素模糊集

v—— 判断矩阵

y—— 子集的等级评判

—— 矩阵最大特征值

—— 矩阵行数；指标数

—— 矩阵列数