氮肥行業(yè)氨氮工程減排技術評估方法研究與應用

駱其金，諶建宇，王振興，龐志華，葉萬生

（環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣州510655）

氮肥行業(yè)氨氮工程減排技術評估方法研究與應用

駱其金，諶建宇，王振興，龐志華，葉萬生

（環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣州510655）

根據(jù)國家“十二五”氨氮總量控制和典型行業(yè)氨氮減排的技術需求，本文選擇氮肥工業(yè)作為典型，研究共性的工程減排技術決策方法。針對目前國內(nèi)環(huán)境技術評估以定性判斷為主，缺乏可操作性強的綜合評估方法的狀況，提出了以費用效益分析為核心，層次分析+灰色關聯(lián)度為次重因素的綜合評估新方法，確定了該評估方法的數(shù)學模型和過程算法，并結(jié)合實例進行分析計算和驗證。

氨氮；總量控制；綜合評估

1 前言

“十二五”國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃綱要明確提出氨氮減排10%的目標。廢水氨氮排放標準勢必日益嚴格，企業(yè)如何優(yōu)化選擇廢水氨氮達標處理技術，完成分配的減排指標，是氨氮排放重點行業(yè)企業(yè)亟待解決的難題，因此，急需建立基于氨氮減排需要的工業(yè)廢水處理技術系統(tǒng)評估與決策的方法。

氮肥工業(yè)是我國重要的工業(yè)行業(yè)，同時也是氨氮排放量最大的工業(yè)行業(yè)之一，據(jù)《2010環(huán)境統(tǒng)計年報》及《氮肥行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，2010年我國氮肥行業(yè)氨氮排放量約為6.96×104t，約占全國工業(yè)氨氮排放量的25.5%。目前國內(nèi)外研究多集中在氮肥行業(yè)末端工程治理技術本身的效果，尚未發(fā)現(xiàn)關于氮肥工業(yè)基于氨氮減排的末端工程減排技術的評估研究。氮肥工業(yè)氨氮減排最佳末端工程減排技術評估能夠為我國氮肥工業(yè)和環(huán)境保護部門選擇氨氮減排技術和工藝方法提供重要依據(jù)，有利于促進氨氮減排目標的完成。

我國主要應用效益分析法[1，2]和專家評價法來評估環(huán)境技術，以定性判斷為主，缺乏綜合評估方法。但隨著決策科學的發(fā)展，一些綜合數(shù)值化方法，如層次分析法（AHP）[3]、模糊綜合評價法[4]、灰色綜合評判法[5]等也逐步應用于環(huán)境技術評估。

本文根據(jù)氮肥行業(yè)廢水末端工程處理技術的特點，建立了以費用效益分析為核心，層次分析+灰色關聯(lián)度為次重因素評估方法的綜合評估方法，可為氮肥企業(yè)氨氮減排技術的選擇提供技術支持。

2 氨氮總量控制最佳末端工程減排技術評估方法的確定

2.1 減排技術評估框架的確定

目前國內(nèi)污染防治技術評估指標體系主要考慮3個方面：技術性能、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益。

根據(jù)工程減排技術的共性特點，采用“費用效益法”可作為技術評估篩選的“門檻性”核心方法?！百M用效益法”是指通過權(quán)衡效益與費用來評價項目方案可行性的一種分析方法，能較全面地評價項目技術經(jīng)濟可行性，實用性強，其中方案費用成本和效益的計算是費用效益分析的關鍵。就工程減排技術而言，該方法的費用包括直接投資、設備維護費用、運行成本、藥劑費、管理費用等，效益包括節(jié)約系統(tǒng)可能的資源回收效益、減少排污費、增加環(huán)境效益等，費用效益分析能基本全面覆蓋環(huán)境效益、經(jīng)濟效益、技術性能。

為補充與加強技術性能方面外的其他因素對項目技術決策的影響，在核心評估之后，本文進行了次重因素輔助評估，以免技術評估的偏差與誤判，采用層次分析+灰色關聯(lián)度的評估方法，建立指標體系（包括技術性能及其他因素指標），最后將核心評估和次重因素評估結(jié)果進行歸一化，得到定量的綜合評估結(jié)果，用于項目決策，其評估流程如圖1所示。

圖1 氨氮總量控制減排技術評估流程Fig.1 The emission reduction of ammonia best available technologies（BAT）assessment route

2.2 綜合評估方法的建立

2.2.1 核心評估

由于評估對象均以排水穩(wěn)定達標、氨氮減排為目的，其效益主要體現(xiàn)在減排費用的減免和環(huán)境生態(tài)效益，為簡化，可以假定認為不同技術（評估對象）產(chǎn)生的效益基本相同，因此，可直接比較費用年值法計算，然后將費用年值轉(zhuǎn)化為標準分值，計算方法如下。

2.2.1.1 費用年值計算

式（1）中，AC為年費用；I為投資額；C'為年經(jīng)營成本；Sv為期末回收固定資產(chǎn)余值；W為期末回收的流動資金；（P/F，i，t）為一次支付現(xiàn)值系數(shù)；（A/P，i，n）為資金回收系數(shù)。

2.2.1.2 評估結(jié)果標準化

為方便綜合評估分析，對核心評估結(jié)果進行標準化。

式（2）中，S為評分值；ACmin為最小年費用；ACx為x技術的年費用。

2.2.2 次重因素評估

2.2.2.1 指標體系構(gòu)建

由于某些因素在特定條件下可能對項目決策產(chǎn)生重大影響，根據(jù)氮肥工業(yè)廢水處理工藝的特點，增加與核心評估互補的指標體系十分必要，次重因素評估指標體系如圖2所示，包括限制性指標：占地面積；技術指標：技術先進性、技術可靠性、升級改造潛力；運行管理指標：維護難易度、環(huán)境衛(wèi)生與安全。

圖2 次重因素評估指標體系Fig.2 The emission reduction of ammonia BAT evaluation index system（non-key factors）

2.2.2.2 指標權(quán)重計算

指標權(quán)重的準確與否在很大程度上影響評價指標體系的準確性和科學性。本文采用層次分析法依據(jù)判斷矩陣定量計算出準則層和方案層中各因素的相對權(quán)重[6]，其權(quán)重記為W，W=（W1，W2，W3，…，Wk）。

2.2.2.3 參考數(shù)列與比較數(shù)列的選定

通常，選用諸方案中的最優(yōu)值（若某一指標取大值為好，則取該指標在各方案中的最大值；若取小值為好，則取各方案中的最小值）作為關聯(lián)分析的參考數(shù)列[7]，記為 X0，X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(m)}。將決定、影響被評判事物性質(zhì)的各子因素數(shù)據(jù)的有序排列作為關聯(lián)分析的比較數(shù)列[8]，記為Xi(k)，Xi(k)={Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(m)}，（i=1，2，…，n）。

2.2.2.4 評估計算方法

1）數(shù)值標準化。根據(jù)確定的理想方案，對某一具體的指標的實際數(shù)值進行標準化無因次處理?？紤]到正向指標與逆向指標的差別，對各項評價指標的實際數(shù)值根據(jù)其類別和不同情況分別進行標準化處理。

對正向指標，按式（3）計算

對逆向指標，按式（4）計算

式（4）中，xi(k)為第i項評價指標的單項標準化評價指數(shù)；Sxi為第i項評價指標的實際值；Soi為第i項評價指標的參考數(shù)列值。

2）關聯(lián)度系數(shù)計算。關聯(lián)度系數(shù)計算公式為

式（5）中，ξi(k)為第i個方案第k個指標與第k個最優(yōu)指標的關聯(lián)系數(shù)；ξ∈[0，1]，一般取ξ=0.5。

3）綜合關聯(lián)度計算。綜合關聯(lián)度計算公式為

式（6）中，ri為第i個參比方案對理想方案的灰色加權(quán)關聯(lián)度；Wk為第k個評價指標對應的權(quán)重。

2.2.3 綜合評估分析

得出核心評估和次重因素評估結(jié)果后，采用下列公式對兩重評估結(jié)果進行綜合分析。

式（7）中，Rx為x技術的綜合評分；rx為x技術的綜合關聯(lián)度；Sx為x技術的核心評估評分；w次為次重因素評估權(quán)重（一般取0.2）；w核為核心評估權(quán)重（一般取0.8）。

根據(jù)綜合評估分析計算結(jié)果，達到較好以上水平（R≥80）的參選技術即定為最佳可行技術，而達到一般水平（80≥R≥70）的參選技術為可行技術，其他技術為一般技術。

3 確定備選技術

設計了氮肥企業(yè)調(diào)研表格，通過函調(diào)文獻調(diào)研和實地調(diào)研等途徑獲取技術參數(shù)，通過對大量調(diào)研數(shù)據(jù)進行處理篩選，在基于氨氮總量控制減排目標的基礎上，最終獲得6種典型的氮肥企業(yè)末端工程減排技術及其參數(shù)（理論計算及實際調(diào)研綜合整理得出），如表1所示。

表1 工程投資及運行費用Table1 Project investment and operation cost

4 最佳末端工程減排技術評估

4.1 核心評估計算

根據(jù)核心評估計算公式（式（1）和式（2）），核心評估結(jié)果如表2所示（基準收益率i為10%，工程壽命為20年）。

表2 核心評估結(jié)果Table 2 Evaluation results table of the key assessment

4.2 次重因素評估計算

4.2.1 各技術評估指標參數(shù)

向全國20位氮肥行業(yè)廢水治理方面專家發(fā)放了評估指標評分表，回收到的有效評分表14份。根據(jù)專家的評分，利用指標權(quán)重計算方法計算出每位專家對各技術的指標評分。由于選取的專家理論知識和實際經(jīng)驗均比較豐富，因此，假定所有專家在評分時具有相同的重要性，即專家權(quán)重相同。利用算術加權(quán)法將各位專家賦予的指標評分進行綜合，求解出指標相對于目標的最終評分。專家評分均值如表3所示。

表3 專家評分均值Table 3 The mean value of expert grading

4.2.2 權(quán)重計算

向全國20位氮肥行業(yè)廢水治理方面專家發(fā)放了構(gòu)造判斷矩陣調(diào)研表，回收到的有效調(diào)研表14份。根據(jù)專家構(gòu)造的判斷矩陣，利用指標權(quán)重計算方法計算出每位專家賦予的指標權(quán)重。由于選取的專家理論知識和實際經(jīng)驗均比較豐富，因此，假定所有專家在構(gòu)造判斷矩陣時具有相同的重要性，即專家權(quán)重相同。利用算術加權(quán)法將各位專家賦予的指標權(quán)重進行綜合，求解出指標相對于目標的最終權(quán)重W。指標相對于總目標權(quán)重如表4所示。

表4 評估指標權(quán)重均值Table 4 The mean value of index weight

4.2.3 技術評估

將評分和權(quán)重數(shù)據(jù)代入次重因素評估公式（式（3）～式（6））中，次重因素評估結(jié)果見表5。

表5 次重因素評估結(jié)果Table5 Evaluation results table of the non-key factors assessment

4.3 綜合評估

根據(jù)綜合評估計算公式（式（7）），各技術綜合評估結(jié)果見表6。

表6 綜合評估結(jié)果Table 6 Evaluation results table of the comprehensive assessment

根據(jù)綜合評估分析計算結(jié)果，SBR、A/O、AOMBR達到較好以上水平（R≥80）為最佳可行技術，而A2/O2、ABFT達到一般水平（80≥R≥70）為可行技術，BAF為一般技術。

5 結(jié)語

“十二五”氨氮總量控制目標的確定，對基于氨氮減排的廢水處理技術的選擇勢必成為氮肥工業(yè)的難題。該綜合評估方法根據(jù)氮肥工業(yè)末端工程減排技術的實際特點及“十二五”氨氮總量減排要求，提出實際可行的技術評估流程，既對核心因素進行評估，也對次重因素進行評估，最終進行綜合評估。從而得到一個既定量化又較符合實際的評估結(jié)果。氮肥行業(yè)氨氮減排最佳末端工程減排技術篩選評估從一定程度上改善了氮肥行業(yè)在氨氮減排過程中無好技術可用，有好技術不用的困局。

參考文獻

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Technology assessment of best available technology for emission reduction of ammonia in nitrogen fertilizer industry

Luo Qijin，Chen Jianyu，Wang Zhenxing，Pang Zhihua，Ye Wansheng
（South China Institute of Environmental Sciences，Ministry of Environmental Protection of the people’s Republic of China，Guangzhou 510655，China）

According to the technical demands for the ammonia total amount control and reduction for the typical industries in“12th five-year plan”periods.It’s necessary to establish the systematic method of decision making for best available technology（BAT）focused on the ammonia reduction.Taking nitrogen fertilizer as a typical industry，considering improving the traditional method which is subjective，qualitative，and difficult for application，a new comprehensive method was developed.It takes the cost-benefit analysis as the key step，and refers to analytic hierarchy process（AHP）with grey relational degree method．In this paper，the mathematical model，calculation，and verification process was analyzed with a case study.

ammonia；total amount control；comprehensive evaluation

X13；TQ441

A

1009-1742（2014）08-0088-05

2013-11-08

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項（201009012）

駱其金，1981年出生，男，湖南郴州市人，工程師，主要研究方向為水污染治理與控制；E-mail：luoqijin@scies.org