鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)篩選研究

王兵，孫啟宏 ，扈學(xué)文，白璐，方琳，林星杰，楊曉松，汪靖

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院清潔生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟研究中心，北京 100012

2.湖南有色金屬研究院環(huán)境保護研究所，湖南 長沙 410015

3.北京礦冶研究總院，北京 100070

鉛冶煉過程中產(chǎn)生的“三廢”中含有大量的重金屬及其他有害有毒物質(zhì)，已造成了極大的安全隱患、環(huán)境壓力和經(jīng)濟負擔(dān)，同時也對人類的健康造成了危害［1-3］。雖然我國的鉛冶煉技術(shù)及污染防治技術(shù)種類繁多，但是技術(shù)卻參差不齊，企業(yè)在技術(shù)選取上的偏差，導(dǎo)致成本的加大和污染的加重。因而，制定一套完善的鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)導(dǎo)則很有必要，它能為污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的制定/修訂提供技術(shù)依據(jù)，為企業(yè)清潔生產(chǎn)工藝的選擇提供主要依據(jù)，為環(huán)保管理部門開展環(huán)境影響評價、項目可行性研究、環(huán)境監(jiān)督提供技術(shù)依據(jù)。

層次分析-模糊綜合評判法［4-6］是基于模糊集理論和最大隸屬度原則或加權(quán)平均法對多因素系統(tǒng)的特征進行總體評價的一種方法，是一種對多因素所影響的事物進行綜合評判的有效方法。目前模糊綜合評判的研究重點與難點之一，就是如何科學(xué)、客觀地將一個多指標(biāo)問題綜合成一個單指標(biāo)的形式，以便在一維空間中實現(xiàn)綜合評價，其實質(zhì)就是如何合理地確定這些評價指標(biāo)的權(quán)重［7］。

筆者在分析發(fā)達國家污染防治最佳可行技術(shù)指南和我國鉛冶煉工藝現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過層次分析法(AHP)確定鉛冶煉污染防治可行技術(shù)中各因素的權(quán)重，結(jié)合模糊綜合評判法對鉛冶煉污染防治的工藝及其組合進行評估與篩選，提出了我國鉛冶煉污染防治的最佳可行技術(shù)及工藝組合。

1 發(fā)達國家鉛冶煉最佳可行技術(shù)經(jīng)驗

1.1 污染防治最佳可行技術(shù)相關(guān)政策

發(fā)達國家在污染的防治方面開展了大量的工作，并出臺了一系列污染防治最佳可行技術(shù)的政策和技術(shù)指導(dǎo)文件，對我國的鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)的評估與篩選具有重要的借鑒意義。

美國以技術(shù)法規(guī)作為制訂、實施環(huán)境質(zhì)量和排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，針對不同的工業(yè)部門制訂不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并以此為基礎(chǔ)再頒布各自相應(yīng)的排放限值指令，從而實現(xiàn)對污染物排放的有效控制。目前美國已制定了56個行業(yè)(涵蓋450個子行業(yè))基于最佳可行技術(shù)的污染物排放指南［8-9］。

歐盟頒布了《綜合污染預(yù)防與控制(IPPC)指令》［10］，指令中提出預(yù)防或減少污染物排放的技術(shù)措施應(yīng)基于最佳可行技術(shù)(BAT)。歐盟BAT體系覆蓋范圍廣，目前，歐盟已制定了27個行業(yè)的最佳可行技術(shù)參考文件(BREF)，包含能源、鋼鐵、有色、化工和造紙等部門，還有6個跨行業(yè)的BREF文件中提出了相應(yīng)的BAT。歐盟于2010年頒布了最新版本的《工業(yè)排放指令(IDE)》，指令更是明確一旦制定了行業(yè)的BREF，相應(yīng)的BAT結(jié)論將作為許可證發(fā)放的依據(jù)。IDE強化了技術(shù)規(guī)制這一手段，它改善及清晰了BAT的概念并根據(jù)發(fā)展?fàn)顩r進行了適當(dāng)?shù)母?，同時將BREF轉(zhuǎn)化為歐盟法律文件，提升了BREF的效力和一致性［11-12］。

歐盟和美國的技術(shù)參考文件均體現(xiàn)全過程控制的理念，從原料來源、生產(chǎn)工藝、污染控制，到設(shè)備產(chǎn)品的要求及最終污染物排放限量都有詳細的說明，這對我國建立適合我國國情的污染防治最佳可行技術(shù)具有可借鑒的經(jīng)驗。

1.2 歐盟鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)

歐盟《有色金屬工業(yè)最佳可行技術(shù)參考文件》［13］中詳細描述了有色金屬行業(yè)的各類生產(chǎn)工藝，主要包括卡爾多法、密閉鼓風(fēng)爐和新澤西州蒸餾法、氧氣底吹法、基夫賽特法及其相關(guān)設(shè)備，涵蓋了使用初級原材料和二級原材料時的相關(guān)環(huán)境問題;并詳細描述了鋅鉛鎘(及銻、鉍、銦、鍺、鎵、砷、硒、碲)以及銅、貴金屬、耐火金屬、堿和堿土金屬等10組有色金屬工業(yè)的原料來源及其儲存、生產(chǎn)工藝及設(shè)備、廢氣收集與處理、二氧化硫回收、廢液處理/水再利用等相關(guān)技術(shù)。對存在的環(huán)境問題，問題產(chǎn)生的環(huán)節(jié)、原因及控制措施，除一般的技術(shù)控制措施外，特別給出了在目前條件下不同工藝、不同控制條件下的最佳可行技術(shù)，并且給出通過應(yīng)用最佳可行技術(shù)可能達到的污染物減排量和資源消耗水平。表1列出了歐盟鉛冶煉的最佳可行技術(shù)。

表1 歐盟原生鉛冶煉的最佳可行技術(shù)Table 1 The best available techniques of the primary lead smelting of EU

2 我國的鉛冶煉技術(shù)

我國鉛冶煉技術(shù)的工藝特點如表2所示。

表2 我國鉛冶煉技術(shù)Table 2 The lead smelting technology in China

3 鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)評估篩選

3.1 鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)評價指標(biāo)體系

鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)評價指標(biāo)遵循系統(tǒng)、易選取、獨立、定性與定量相結(jié)合的基本原則，借鑒國外冶煉行業(yè)BAT的經(jīng)驗，結(jié)合我國的實際國情，構(gòu)建適于我國當(dāng)前經(jīng)濟和環(huán)境承受能力的評價體系，評價指標(biāo)體系選取資源能源消耗、污染物排放、經(jīng)濟成本、技術(shù)可靠性為評價指標(biāo)(圖1)，其中，資源能源消耗表征被評價工藝技術(shù)在資源能源消耗方面的指標(biāo)，包括資源消耗和能源消耗;污染物排放表征被評價工藝技術(shù)對周邊環(huán)境的影響指標(biāo)，包括水污染物指標(biāo)、大氣污染物指標(biāo)、固體廢物指標(biāo)和噪聲指標(biāo);經(jīng)濟成本表征被評價工藝技術(shù)工程投資運行費用情況的指標(biāo)，包括投資成本、運行維護成本、收益和避免費用;技術(shù)可靠性表征被評價工藝在運行方面的效能指標(biāo)，包括技術(shù)有效性、技術(shù)成熟性、技術(shù)普及率、技術(shù)穩(wěn)定性。

3.2 鉛冶煉行業(yè)污染防治最佳可行技術(shù)評估方法——層次分析－模糊綜合評判法

綜合評判也稱為多目標(biāo)決策，是指對多種因素所影響的事物或現(xiàn)象進行總的評判。若這種評判過程涉及模糊因素，則稱為模糊綜合評判。從主要步驟上來講，模糊綜合評判可分為2步:按單個因素單獨評判;按所有因素綜合評判。具體細分6個步驟:建立因素集;建立權(quán)重集;建立備擇集(評價集);單因素模糊評判;模糊綜合評判;評判指標(biāo)處理。

上述評判稱為一級評判，適用于比較簡單的情況。對于一些復(fù)雜的評判問題，或者在復(fù)雜的環(huán)境中進行評判時，通常要考慮很多的因素，各因素又有不同的層次，有時因素本身還具有強烈的模糊性，如果仍采用一級模糊綜合評判，難以適應(yīng)這些情況，得不出合理的評判結(jié)果。采用多級模型可以較好地解決這個問題。

多級模糊綜合評判，就是在一級評判的基礎(chǔ)上再進行模糊綜合評判，并可根據(jù)需要多次進行下去。為簡便計算，以二級評判為例，介紹這種評判的基本方法和步驟。

圖1 污染防治最佳可行技術(shù)評估指標(biāo)體系Fig.1 The pollution prevention and control of best available techniques of assessment index system

假定考慮的因素很多，則采用如下的評判步驟:

模糊綜合預(yù)測是運用模糊數(shù)學(xué)知識從預(yù)測集到確定對象的因素集的一個模糊映射，模糊映射是由實際所測得數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)運算得到模糊關(guān)系矩陣所確定的。以此為基礎(chǔ)，兼顧評判對象各種特性、各方面因素，將各項指標(biāo)進行量化，并根據(jù)不同指標(biāo)對評判對象的影響程度來分配權(quán)重系數(shù)，從而得出一個整體預(yù)測。

3.2.1 確定預(yù)測集和因素集

(1)建立評價模型因素集

因素集是由影響評判對象的各個因素所組成的集合，是模糊綜合評判是否科學(xué)合理的關(guān)鍵。它可以表示為 U={U1，U2，…，Um}，其中，Ui(i=1，2，…，m)是若干影響因素。在選取評價因素時既要盡可能全面，又要重點突出。若考慮因素過多過細，確定諸因素的權(quán)重時可能出現(xiàn)過小，甚至為零，因此需要必要的篩選。

(2)建立評價模型評價集

評價集［14］是由對評價客體可能作出的評判結(jié)果所組成的集合，可表示為 V={V1，V2，…，Vn}，其中元素Vj(j=1，2，…，n)是若干可能作出的評判結(jié)果。模糊綜合評判的目的就在于通過綜合考慮評判對象的所有影響因素，從評價集V中獲得一個最佳的評判結(jié)果。

對鉛冶煉的技術(shù)進行評價，并最終將評價等級分為4級，其目標(biāo)評價集和適用于各二級因素的評價子集如表3所示。

表3 二級因素評價子集Table 3 The evaluation subset of two factors

二級因素評價集V0={最佳可行，可行，一般，不可行}。

3.2.2 確定模糊關(guān)系矩陣各指標(biāo)的權(quán)重

筆者運用層次分析法［15］來確定各預(yù)測指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法是美國運籌學(xué)家Satty在20世紀(jì)70年代提出的一種多目標(biāo)決策方法，決策者通過將復(fù)雜問題分解成若干層次和若干因素，在各因素之間進行簡單的比較和運算，就可以得出不同方案重要性程度的權(quán)重，為最佳比例的選擇提供依據(jù)［16］。其具體研究步驟:1)建立指標(biāo)層次結(jié)構(gòu);2)構(gòu)造判斷矩陣求出特征根、特征向量;3)計算判斷矩陣得一致性并檢驗一致性;4)計算權(quán)重向量。

3.2.3 綜合預(yù)測及結(jié)果

由(U，V，R)三元體構(gòu)成的綜合模糊評判模型B是將模糊關(guān)系矩陣與各因素的權(quán)重進行模糊變換，即:

其中，B稱為模糊綜合評判集，bj(j=1，2，…，m)稱為模糊綜合評判指標(biāo)，根據(jù)模糊綜合評判指標(biāo)可確定評判對象的具體結(jié)果。

3.2.4 鉛冶煉最佳可行技術(shù)評估結(jié)果

(1)鉛冶煉工藝過程污染防治最佳可行技術(shù)

鉛冶煉行業(yè)污染防治的最佳可行技術(shù)分為兩類:一類為工藝過程污染預(yù)防技術(shù)，即我國鉛冶煉生產(chǎn)工藝中能夠預(yù)防或減少污染物排放的實際應(yīng)用技術(shù)(表4);另一類為污染治理技術(shù)，即用于冶煉工藝末端能夠預(yù)防或減少污染物排放的實際應(yīng)用的技術(shù)(表5)。

表4 鉛冶煉工藝過程污染預(yù)防最佳技術(shù)篩選表Table 4 The screening table of best techniques of pollution prevention and control for lead smelting process

表5 鉛冶煉工藝污染治理備選技術(shù)Table 5 The alternative techniques for lead smelting pollution control

(2)鉛冶煉工藝末端治理最佳可行技術(shù)篩選

鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)包括工藝過程污染預(yù)防最佳可行技術(shù)和污染治理技術(shù)，前者包括封閉式料倉技術(shù)、富氧頂吹熔煉-鼓風(fēng)爐還原法、富氧底吹熔煉-熔融高鉛渣直接還原法、富氧底吹熔煉-鼓風(fēng)爐還原法和煙化爐-余熱鍋爐一體化技術(shù);后者包括煙氣收塵、煙氣制酸、煙氣脫硫、污酸處理、酸性廢水處理的最佳可行技術(shù)等。鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)工藝組合見圖2。

圖2 鉛冶煉工藝污染防治最佳可行技術(shù)工藝組合Fig.2 The best available techniques combination for lead smelting pollution prevention and control

4 結(jié)語

在分析美國和歐盟污染防治最佳可行技術(shù)的政策和指導(dǎo)文件的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國鉛冶煉工藝的現(xiàn)狀，運用層次分析-模糊綜合評判法對我國鉛冶煉污染防治技術(shù)進行篩選，提出了鉛冶煉污染防治的最佳可行技術(shù)及其工藝組合，以期為鉛冶煉企業(yè)污染防治的清潔生產(chǎn)工藝和污染排放達標(biāo)排放提供技術(shù)指導(dǎo)，為我國節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)和我國環(huán)境質(zhì)量的改善提供強有力的技術(shù)支撐。同時，相應(yīng)的研究成果已經(jīng)形成了《鉛冶煉污染防治最佳可行技術(shù)指南》技術(shù)指導(dǎo)文件的征求意見稿，經(jīng)進一步修改后將由環(huán)境保護部發(fā)布。

［1］李敏，林玉鎖.城市環(huán)境鉛污染及其對人體健康的影響［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2006(5):6-10.

［2］MURATA K，IWATA T，DAKEISHI M，et al.Lead toxicity:does the critical level of lead resulting in adverse effects differ between adults and children［J］.Journal of Occupational Health，2009，51:1-12.

［3］張正浩，李東紅，許增貴.我國鉛污染現(xiàn)狀、原因及對策［J］.環(huán)境保護科學(xué)，2005(4):41-42.

［4］韓利，梅強，陸玉梅，等.AHP-模糊綜合評價方法的分析與研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2004(7):86-89.

［5］TRAN L T，KNIGHT C G，O'NEILL R V，et al.Fuzzy decision analysis for integrated environmental vulnerability assessment of the Mid-atlantic Region［J］.Environmental Management，2002，29:845-859.

［6］CHENG Y S，MELHEM H G.Monitoring bridge health using fuzzycased-based reasoning ［J］. Advanced Engineering Informatics，2005，9(3):299-315.

［7］許國志，顧基發(fā)，車宏安.系統(tǒng)科學(xué)［M］.上海:上?？萍冀逃霭嫔?，2000.

［8］OHN A.Best demonstrated available technology background document forinorganic chemicalproduction wastes［R］.Washington DC:US EPA，2001.

［9］US Environmental Protection Agency.A strategy for national clean water industrial regulations［R］.Washington DC:US EPA，2002.

［10］HITCHENS D，F(xiàn)ARRELL F，LINDBLOM J，et al.The impact of beat available techniques(BAT)on the competitiveness of European industry［R］.［S.l］:European Commission Joint Research Centre，2001.

［11］EU.Directive 2010/75/EU of the European parliament and of the council of 24 November 2010 on industrial emissions(Integrated pollution prevention and control)［R］Brussels:EU，2010.

［12］李摯萍.論歐盟環(huán)境立法之融合:以污染防治立法為例［J］.中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版，2011，11(4):43-49

［13］European Integrated Pollution Prevention and Control Bureau.Reference document on bestavailable techniques in the nonferrous metals industries［R］.Sevilla:［s.n.］，2001.

［14］環(huán)境保護部.污染防治最佳可行技術(shù)評價技術(shù)通則［R］.北京:環(huán)境保護部，2011.

［15］龐振凌，常紅軍，李玉英，等.層次分析法對南水北調(diào)中線水源區(qū)的水質(zhì)評價［J］.生態(tài)學(xué)報，2008，28(4):1810-1819.

［16］環(huán)境保護部.污染防治最佳可行技術(shù)導(dǎo)則編制指南［EB/OL］.［2011-08-25］.http://train.chinabat.org/video/zsx.pdf.△