田羽，方剛，周長波，張一心?

1.內蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院

2.中國環(huán)境科學研究院,國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室

橡膠制品是指以天然及合成橡膠為原料生產各種橡膠產品的活動,包括利用廢橡膠再生產除橡膠鞋外的橡膠制品[1]。按照GB∕T 4754—2011《國民經濟行業(yè)分類和代碼表》,橡膠制品業(yè)包含6個子行業(yè),分別是橡膠零件制造,再生橡膠制造,輪胎制造,橡膠板、管、帶制造,醫(yī)用及日用橡膠和其他橡膠制品制造。近年來隨著工業(yè)化快速推進,我國橡膠制品行業(yè)在生產和應用上,已邁向世界前列[2]。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示,2019年全國橡膠輪胎產量近84 226.2萬條,累計增長1.9%。但是該行業(yè)在配料、煉膠、壓延和硫化等工序都會產生揮發(fā)性有機物(volatile organic compounds,VOCs)[3],其濃度高、組分復雜且非甲烷總烴含量高[4]。VOCs可與空氣中氮氧化物(NOx)發(fā)生光化學反應,生成臭氧等光學氧化物,也是二次有機氣溶膠和大氣細顆粒物的重要前體物之一[5],是我國大氣環(huán)境污染的重點管控對象[6],有些VOCs還具有致癌性(如苯、氯乙烯等[7])和毒性,對人體帶來不同程度的危害[8]。目前大多數(shù)橡膠制品企業(yè)只進行單一的VOCs廢氣收集、吸附處理,并沒有完善的處理措施,其形成的產業(yè)集群成為當?shù)豓OCs的主要排放源[9]。因此,急需針對橡膠制品行業(yè)VOCs的末端排放進行有效的控制。

國家對VOCs的重視度越來越高。2016年,工業(yè)和信息化部與財政部聯(lián)合發(fā)布《關于印發(fā)重點行業(yè)揮發(fā)性有機物削減行動計劃的通知》,其中,包括橡膠制品行業(yè)在內的11個行業(yè)被列入VOCs削減重點行業(yè)[10]。2017年,原環(huán)境保護部等六部委聯(lián)合發(fā)布《關于印發(fā)?“十三五”揮發(fā)性有機物污染防治工作方案?的通知》(環(huán)大氣〔2017〕121號),文件要求:到2020年,重點地區(qū)、行業(yè)(含橡膠制品行業(yè))VOCs污染減排總量要下降10%。2020年,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2020年揮發(fā)性有機物治理攻堅方案》中提出:為確保完成“十三五”環(huán)境空氣質量改善目標任務,有效降低臭氧(O3)污染,保障人民群眾身體健康,在全國開展夏季(6—9月)VOCs治理攻堅行動。

國內外學者對行業(yè)VOCs的排放量、影響因素以及控制技術等[11-15]方面展開了大量研究,但這些技術的適用范圍、成熟度、脫除效果和成本等各有優(yōu)劣,必須通過技術評估篩選出最佳的控制技術,以有效減少我國大氣污染。而國內對于VOCs控制技術評估的研究主要偏重于治理設備的經濟成本等因素[16-18],缺乏科學性和綜合性,導致相當一部分行業(yè)治理效果并不理想,尤其是針對橡膠制品行業(yè)VOCs減排技術評估體系尚不完善[19],無法準確把握橡膠制品行業(yè)VOCs減排技術的效益。

橡膠制品行業(yè)VOCs減排可以從3個方面考慮,分別是源頭削減、過程控制和末端治理[20]。源頭控制主要是采用低VOCs的環(huán)保型原輔料替代舊原輔料；過程控制主要是改良工藝、技術、設備等,同時淘汰傳統(tǒng)落后工藝[21]；末端控制主要是采用先進的技術、工藝來治理VOCs。目前,國內外的末端控制技術[22]可分為回收、銷毀技術及二者的組合技術,回收技術[23-26]包括碳纖維吸附脫附法、顆粒碳吸附脫附法、冷凝技術、膜分離技術等；銷毀技術[27-31]包括燃燒法(包含蓄熱氧化技術)、生物處理技術、催化燃燒技術、低溫等離子體技術等；組合技術[32-35]包括沸石轉輪濃縮燃燒技術、吸附濃縮-催化燃燒技術、吸附濃縮-冷凝回收技術等。筆者選擇10種VOCs末端控制技術進行評估篩選,各項技術的優(yōu)缺點和適用范圍如表1所示。通過構建橡膠制品行業(yè)VOCs末端減排技術評估模型,篩選出最佳可行的VOCs末端減排技術,以期為橡膠制品行業(yè)VOCs減排提供評估依據(jù)與技術支持。

表1 VOCs末端減排技術優(yōu)缺點對比Table 1 Comparisons of advantages ard disadvantages of VOCs terminal emission reduction technologies

(續(xù)表1)

1 評估方法

模糊綜合評估法[36-38]是近年來被廣泛應用在建筑和生態(tài)環(huán)保等領域的一種創(chuàng)新型評估法,其模擬人腦對模糊現(xiàn)象做出判斷推理,以此來處理定性、定量指標較復雜或模糊性因素較多的問題,特點是對于定性描述和定量分析能緊密結合,針對具有模糊性的大量評估問題可以進行準確的評判[39]。橡膠制品行業(yè)VOCs減排技術評估具有多層次、多屬性和模糊性,除了包括技術、經濟和環(huán)境等一級指標外,還包含技術成熟度、污染物脫除效率、二次污染等多層次指標。因此,本研究采用模糊綜合評估法對橡膠制品行業(yè)VOCs末端減排技術進行綜合評估。

技術評估的主要路線如下:1)搜集橡膠制品行業(yè)的產排污數(shù)據(jù),包括產排污環(huán)節(jié)、排污濃度、污染物組成等參數(shù),同時調研大量的VOCs末端減排技術；2)初步評估調研的VOCs末端減排技術,依據(jù)橡膠制品業(yè)VOCs產排特點,剔除不可行技術,篩選出初步可行的橡膠制品業(yè)VOCs末端減排技術；3)利用模糊綜合評估法,構建評估模型以及建立權重評估機制,從技術、經濟、資源能源、環(huán)境4個方面來評估初步篩選的VOCs末端減排技術；4)根據(jù)評分結果,結合實際情況,篩選出橡膠制品行業(yè)最佳VOCs末端減排技術。

2 評估過程

2.1 建立評估指標體系

基于清潔生產理念,根據(jù)獨立性、層次性、可比性、定量及定性結合[40]等原則,將其他行業(yè)(如印染行業(yè)[41]、銅冶煉行業(yè)[42]、電鍍行業(yè)[43]、皮革行業(yè)[44]、化學纖維制造行業(yè)[45]、煤炭行業(yè)[46]等)已建立的評估指標體系與橡膠制品行業(yè)的實際情況結合后,采用層次分析法[47-48],以技術性能、經濟效益、資源能源、環(huán)境污染為一級指標,再選取技術穩(wěn)定性、操作安全性、投資運行成本、資源能源消耗與回收、目標污染物去除率、環(huán)境影響等為二級指標,構建出橡膠制品行業(yè)VOCs末端減排技術評估指標體系,如圖1所示。

圖1 橡膠制品行業(yè)VOCs末端減排技術評估指標體系Fig.1 Evaluation index system of VOCs terminal emission reduction technologies in rubber products industry

2.2 評估指標權重的計算

將專家問卷調研法和層次分析法相結合來確定指標權重[49],即根據(jù)專家判斷先對指標層構造出兩兩判斷矩陣,再根據(jù)特征向量檢驗其一致性,符合一致性的判斷矩陣可進行下一步運算,以此步驟最終獲得各指標權重[50],具體步驟如下:

(1)構造兩兩判斷矩陣

判斷矩陣為:

式中,aιj>0,aij＝1∕aji,aij＝1(i,j＝1,2,…,n)

判斷矩陣元素aij＝1代表Ui與Uj相對于其中上一層元素重要性的比例標度,一般采用9級標度法賦值,含義如表2所示。

表2 1~9標度及含義Table 2 Scale 1-9 and meaning

(2)層次單排序及一致性檢驗

設判斷矩陣A的最大特征根為λmax,其相應特征向量為W,將最大特征向量歸一化后即為權重。判斷矩陣A的特征向量計算公式為:

一致性檢驗指標公式為:

將CI與平均隨機一致性指標(RI)進行比較,可得到隨機一致性比率(CR),即CR＝CI∕RI。RI取值見表3。

表3 平均隨機一致性指標(RI)取值Table 3 RI values of average random consistency index

當n＝1或2時,判斷矩陣具有完全一致性；當n>2時,需要進行隨機一致性比率計算,當CR<0.10時,判斷矩陣符合一致性。

根據(jù)上述步驟,依次計算出橡膠制品行業(yè)VOCs末端減排技術評估指標權重,結果如表4所示。由表4可見,一級指標權重排序為環(huán)境污染>經濟效益>技術性能>資源能源,本研究的末端減排技術評估指標側重于經濟效益與環(huán)境污染方面。

表4 橡膠制品行業(yè)VOCs末端減排技術評估指標權重Table 4 Weight values of VOCs terminal emission reduction technologies assessment indicators in rubber products industry

2.3 評估指標的量化

由于本研究所選的指標間評估等級和量綱有差異,不具有直接的可比性,因此需要對評估指標進行量化[51-56],采用的量化方法為歸一化法(定性指標)、等級賦值法(定量指標),如表5所示。其中定性指標,通過文獻調研和多位專家(涉及VOCs減排技術研發(fā)、技術評估等領域)打分來對每項指標進行賦值,賦值結果為[0,1]。先根據(jù)定性指標的等級進行賦值(表6),再按照下式計算相應得分。

表5 指標等級與量化方法Table 5 Indexes level and quantification method

表6 指標等級及對應的賦值Table 6 Indexes level and corresponding assignment table

式中:ui為各減排技術第i項指標經過等級賦值法后的取值；xi為第i項指標原始賦值。

對于定量指標,采取歸一化法進行量化[57],其中目標污染物去除率的量化需要采用下式進行計算:

式中,ηo為去除率的邊界條件,設為70%。

基于建立的減排技術評估指標體系,通過文獻調研以及多位專家的問卷調查,得到各項指標賦值的等級、數(shù)值及量化結果,如表7所示。

表7 指標量化結果Table 7 Quantitative results of indexes

(續(xù)表7)

3 結果與分析

3.1 技術綜合評估結果

根據(jù)表4的權重構造4個向量矩陣:

由表7各技術指標量化值構造矩陣,其中權重越大說明指標性能越好。具體量化矩陣如下:

技術性能指標矩陣

經濟效益指標矩陣

資源能源指標矩陣

環(huán)境污染指標矩陣

根據(jù)下式計算出各技術的綜合得分(Rij),結果如表8所示。

表8 橡膠制品行業(yè)VOCs末端減排技術綜合評估結果Table 8 Comprehensive assessment results of VOCs terminal reduction technologies for rubber products industry

式中Rij為第j種技術指標層下第i項指標的量化值。

3.2 技術評估結果分析

橡膠制品行業(yè)VOCs末端減排技術評估結果(表8)顯示,綜合得分排名為碳纖維吸附脫附法>顆粒碳吸附脫附法>沸石轉輪濃縮燃燒技術>蓄熱氧化技術(RTO)>催化燃燒法(CO)>膜分離技術>冷凝技術>低溫等離子體技術>生物降解技術>直接燃燒法(TO)。

分析表8可以得出:碳纖維吸附脫附法具有碳纖維比表面積大,凈化效率較高,且資源能源回收率高、二次污染輕的優(yōu)點,因此指標綜合得分最高,為橡膠制品行業(yè)最佳可行的VOCs末端減排技術；顆粒碳吸脫附法與碳纖維吸附脫附法相比,在一次性投資和運行成本方面較低,但存在輕度污染；沸石轉輪濃縮燃燒技術結合了吸附和燃燒技術的優(yōu)點,但只對低濃度有機廢氣有較好的處理效果；蓄熱氧化技術與催化燃燒法只在凈化效率和環(huán)境友好方面優(yōu)勢較為突出；膜分離技術雖二次污染少,但經濟效益不高,且資源能源消耗相對較大；冷凝技術適宜高濃度、高沸點、低揮發(fā)性的VOCs廢氣處理,其他條件下的處理能耗高、成本大,且效果不佳；生物降解技術的經濟效益指標得分較高,但技術性能低且對環(huán)境影響差；低溫等離子體技術因是新興技術,其成熟度和穩(wěn)定性相對較低,且二次污染嚴重,因此綜合排名相對靠后；而排名最后的直接燃燒法在指標權重占比較大的經濟效益和資源能源回收方面得分都很低。綜合分析各項減排技術指標評估結果,得出碳纖維吸附脫附法綜合效益最好,是最具應用前景且值得推廣的橡膠制品行業(yè)VOCs末端治理技術。

4 結論與建議

(1)碳纖維吸附脫附技術綜合評估得分最高,為橡膠制品行業(yè)最佳可行的VOCs末端減排技術。

(2)如果僅考慮VOCs的去除率,燃燒類技術最適合,但結合各項評估指標權重,綜合考慮資源能源回收、環(huán)境污染等方面因素,其可選性較低。

(3)碳纖維吸附脫附法具有吸附效率高,資源能源回收率高且二次污染小等優(yōu)點,綜合評估得分最高,但是碳纖維價格高,在一次性投資和運行維護方面成本較高。企業(yè)如果考慮預算資金時,可采用比碳纖維吸附脫附法成本較低、次優(yōu)的顆粒炭吸脫附法。

(4)由于本研究通過專家咨詢法來獲取各指標權重和量化賦值,不可避免地存在由于專家評估過程中主觀性導致的誤差。若擴大樣本量并加強對實際運行企業(yè)的調研,再進行減排技術評估,會使評估結果更加客觀、準確。