工业园区固体废物协同利用技术评价方法：以包头铝业园区为例

杜洪彪，梁扬扬，李金惠，刘丽丽

清华大学环境学院，北京 100084

工业园区是指在特定区域内集中布局一批生产型企业，以及相关的配套服务机构和设施[1].工业园区生产过程不可避免地产生大量工业固体废物(固废)，包含一般工业固废和危险废物，对环境和可持续发展带来挑战.工业固废的产生和不当处理不仅会对环境造成不良影响，还可能威胁人类健康，同时也制约工业型城市的发展和转型升级[2]，固废中含有的可回收材料若未得到妥善管理，也会导致经济效率低下，需要使用更多的原材料，浪费宝贵的二次资源[3].我国统计年鉴显示，2021 年，全国一般工业固废产生量高达3.97×109t，而固废综合利用率约为57%.工业固废产生量大且资源化水平并不理想，因此迫切需要寻求将工业固废高值化利用的方案.2022 年，《八部门关于印发加快推动工业资源综合利用实施方案的通知》[4]中显示出国家层面对工业固废源头减量和规模化高效综合利用的重视.研究[5]指出，自2015 年起，工业园区中存在固废综合利用率逐年下降的趋势，这一现象在宁东能源化工基地得到了证实.这一趋势的原因之一是随着工业规模的增加，工业固废产生量急剧增加，但企业在处理固废方面的技术水平有限；此外，工业固废利用企业往往面临高成本、低收益、高运输成本以及有限的销售渠道等问题.

固废的协同利用可以同时处理和回收不同类型的废物，最大限度地实现经济效益、减少环境影响.通过建立闭环系统，园区可以实现可持续和环保的废物管理方式，构建循环经济、促进减污降碳[6-7].相关研究[8]表明，将不同冶炼固废资源进行协同处理可以提高固废的综合利用率和生态效率，同时降低资源能耗.尽管协同处理可能会增加废气中的重金属污染排放，如铅、砷、镉和汞等，但与目前的处理方式相比，仍然具有显著优势.温宗国等[9]针对多种城市垃圾梳理出焚烧、填埋、厌氧等8 种处置技术的协同方案，但并不能完全覆盖经济、环境、工艺等多方面指标.也有一些研究[10-11]针对性地对特殊废物结合粉煤灰等大宗固废进行协同处理，如将电解锰渣、赤泥、粉煤灰、生石灰协同处理以降低氨氮浓度和可溶性锰离子浓度，或将生活垃圾炉中掺烧工业固废使物料燃烧更完全.

目前的研究多为针对某种具体废物或某一具体园区进行，面向工业园区内多种产业产出的固废协同处理方法评价的研究较为鲜见.因此，该研究旨在建立一个普适的、经济环境工艺多方面覆盖的工业园区固废协同利用技术的评价方法.为开发这一评价方法，该研究选择包头铝业园区为案例.该园区是全国循环经济示范园区，在园区发展过程中，铝电联产及加工制造等行业产生大量的固废堆存，严重影响了园区的生态环境，需要对该园区内的工业固废进行协同利用，以适度的产业延伸提高产品的附加值，实现园区内部的固废全量利用.该研究通过构建多指标分析和层次分析法评价模型得出评价结果，并针对园区的实际情况和需求，确定出最佳固废协同利用技术组合方案，以期为有效的废物管理策略提供参考，并为其他资源型城市和工业园区寻求可持续解决方案提供指导.

1 园区概况及研究方法

1.1 园区及相关固废处理技术概况

该研究聚焦工业园区，以包头铝业园区为案例，探讨园区面临的工业固废问题以及固废协同利用技术的潜力.包头铝业园区主要有火力发电、电解铝、铝加工、铝制品等产业[12]，产出的一般工业固废主要为粉煤灰、炉渣、脱硫石膏等，危险废物为二次铝灰、炭渣、大修渣等.

结合包头铝业园区内涉及的固废特征，筛选出废物粉煤灰、炉渣、脱硫石膏、铝灰、铝灰渣、大修渣、炭渣作为关键废物，并通过文献检索、资料查询及专家咨询等方式，梳理出相应综合利用技术24 项，其中一般工业固废综合利用技术10 项，危险废物综合利用技术14 项，如表1 所示.

表1 包头铝业园区关键固废综合利用技术Table 1 Comprehensive utilization technology of key solid wastes in Baotou Aluminum Industrial Park

1.2 研究方法

为对工业固废协同处理技术进行评价筛选，构建了园区内工业固废协同利用技术组合方案的评价模型，模型结合了多维度指标分析和层次分析法，具体评价过程如图1 所示.首先，梳理出现有的工业固废处理技术，包括一般工业固废和危险废物处理工艺；接着，针对这些技术使用6 个维度的评价指标进行评估，指标包括技术易操作度、市场经济效益、环境友好程度、技术普及程度、固废利用量程度和固废利用协同性，通过专家打分对每个指标进行评分并得到各指标的权重，最终得到每项技术的综合评分；在此基础上，保留综合评分表现较优的技术，再根据不同特征将不同技术进行组合；最后，运用层次分析法对技术组合进行评价，得出最优的工业园区固废协同利用技术组合方案.

图1 工业园区固废协同利用技术评价方法流程Fig.1 Flow chart of evaluation method for solid waste synergistic utilization technology in industrial parks

1.3 固废综合利用技术的评价方法

1.3.1 评价指标

首先，对初步筛选的24 项综合利用技术(l1,l2,···,l24)进行综合评价，考虑了6 个维度(n1,n2,···,n6)作为评价指标，详见表2.采用专家打分法对综合利用技术的6 个维度进行评分，多位相关领域的专家(m1,m2,···,m22)被邀请参与评分，评分范围为0~10 分，分数越高，表明技术在该维度具有更好的表现，如技术易操作度，评分越高表明工艺难度越小，易操作程度越高，具体评分说明见表2.通过专家的评分能够获得每个综合利用技术在每个维度上的评分数据，从而得出全面评价.

表2 综合利用技术综合评价维度、评价因素及说明Table 2 Evaluation dimension, factors and description of comprehensive utilization technology

1.3.2 指标权重

将一般工业固废和危险废物分为两组，分别计算各组权重.若干位专家对6 个维度中每个维度进行打分，专家m对维度n的权重分配打分记为pmn，打分范围为1~5 分.对每位专家的权重打分通过式(1)进行归一化处理，得到归一化权重(qmn).

针对某一特定维度，将所有专家的打分归一化结果按(1)式进行计算，确定平均权重.为了保证得到相对客观的结论，排除每个维度中2 个最高分和2 个最低分，计算剩余分数的算术平均值，所得结果即为维度n的权重(vn).

通过以上步骤获得每个因素的权重(vn)，将用于后续分析中对工艺的综合评价和决策过程.

1.3.3 综合评价方法

为了比较不同固废综合利用技术l的优劣，该研究采用综合评分方法.对于技术l中的维度n，去掉所有专家打出分数的2 个最高评分和2 个最低评分，计算剩余评分的算术平均值，得到每种技术l在维度n上的平均得分(sln)；之后，按照各维度的权重(vn)对sln进行加权求和〔见式(2)〕，得到技术l的综合评分(ωl).

针对10 项一般工业固废综合利用技术和14 项危险废物综合利用技术，根据综合评分淘汰各组评分较低的技术，筛选后可以重点关注在多个维度上都具有较好综合表现的技术，后续将仅讨论筛选后的综合利用技术.

1.4 固废多技术协同处理方案

1.4.1 技术组合方案

结合1.3 节中对各类综合利用技术的评价分析，以技术的可适配组合和产业的可协同发展为原则，针对固废的综合利用技术进行组合，制定出3 种特征的综合利用协同技术方案G1~G3.各技术组合及其工艺的详细描述如表3 所示.

表3 包头铝业园区固废协同综合利用技术方案Table 3 Technical scheme for cooperative comprehensive utilization of solid wastes in Baotou Aluminum Industry Park

1.4.2 层次分析法分析

为了选择最佳的铝业园区固废协同处理综合利用方案，该研究使用层次分析法[35]进行分析.层次分析法是一种广泛应用的多准则决策方法，以结构化的方式确定准则的权重和方案的优先级，将决策者的经验给予量化，这在对目标(因素)结构复杂且缺乏必要数据的情况下较为实用，被广泛用于技术对比及各种优选评价[36].

该研究以协同利用能力综合评价作为总目标a，以n1~n6为准则层，以G1~G3为方案层，构建了包头铝业园区固废协同利用技术的综合评价层次模型，如图2 所示.此模型的创新之处在于提高了模型的准确度和可靠性.优化准则的选择：选择了覆盖园区固废处理的关键准则，以确保模型的全面性.权重分配的精确性：在分配准则和方案的权重时，采取多位专家打分的方式获得各准则的权重，以增加模型的可靠性.因素的客观性：对层次分析法中准则层各因素采取了专家打分的方式，确保模型的客观和真实.

图2 包头铝业园区固废协同利用技术综合评价层次模型Fig.2 Comprehensive evaluation hierarchy model of solid wastes collaborative utilization technology in Baotou Aluminum Industrial Park

通过对同一层次各因素相对于上一层中某一因素的重要性进行比较，并构造判断矩阵.在准则层的各维度n1~n6对目标层因素a的相对重要性中，通过两两比较法得到了判断矩阵A=(aij)n×n.为了将各因素之间的比较量化，引入了1~9 的标度.标度值越大，表示因素i比因素j更重要，因此取aij为1,2,…,9，或它们的倒数表示因素j比因素i更重要.判断矩阵A满足aii=1 且aji=1/aij.

基于六维雷达专家打分法的数据，进一步整理得出方案层到准则层的判断矩阵.对于某一维度n上所有技术的专家打分，最低分设置为0，最高分设置为10，其余分数按式(3)进行线性变换映射到0~10 分之间.

式中，hln为某一组合在某一维度上经线性变换后计算出的新分数，(sln)min和(sln)max分别为在维度n上筛选出的所有技术l的最小值和最大值.随后，对组合方案中的若干技术hln取平均值，得到组合G维度n的得分HGn.将3 个方案对应的准则层因素的HGn进行两两比较，根据式(4)得到相对重要性因素值(aij).

式中：P为相对重要性的因素值(即判断矩阵中的aij)，P≥1；HGni和HGnj分别为在某一准则层因素内进行比较的2 个方案的HGn值，规定HGni≥HGnj.

通过Matlab R2022a 软件计算各矩阵的最大特征值(λmax)及其对应的特征向量(W).一致性指标CI 由式(5)得出，用于衡量判断矩阵的一致性程度，当CI=0 时，判断矩阵是一致的；CI 值越大，判断矩阵的不一致性越严重.引入随机一致性指标RI，当随机一致性比例(CR=CI/RI)小于0.1 时，判断矩阵的不一致性可以接受，否则需要调整判断矩阵.其中，3 阶和6 阶判断矩阵的RI 值分别为0.58 和1.24[37].

式中，λmax为矩阵的最大特征值，N为矩阵维度，CI 为一致性指标.

计算各指标层各因素对于目标层的相对重要性权重，称为层次总排序，通过计算判断矩阵的特征向量对包头铝业园区固废协同处理的各因素进行总排序.

2 结果与讨论

2.1 综合利用技术评价结果

将24 种工业固废综合利用技术分别进行了计算，对每种技术在各维度的平均得分与综合评分进行分类展示.

一般工业固废综合利用方式的六维雷达图如图3所示，并且给出了每种工艺的综合评分.根据综合评分，淘汰了分数最低的4 项技术，不参与后续分析.筛选出的技术分别为制备蒸压砖、加气砖技术、制备烧结多孔砖及多孔砌技术、制备高性能水泥技术、路基材料技术、制备建设石膏粉技术、制备石膏板技术.综合评价结果表明，不同的一般工业固废综合利用方式在6 个关键维度上表现差异显著.例如，矿棉材料制备技术在技术复杂性方面得分较低，而路基材料技术和制备蒸压砖、多孔砖技术在利用量方面表现出色.需要注意的是，虽然这些技术在利用量上具有优势，但它们在经济效益和环境影响方面均存在挑战，这取决于外部市场和内部工艺成本的控制.环境影响在很大程度上取决于利用方式，而经济效益受外部市场条件和内部工艺成本的影响较大.

图3 一般工业固废综合利用方式的雷达对比Fig.3 Radar comparison of comprehensive utilization of general ISW

园区内危险废物综合利用方式的六维雷达图数据及各工艺的综合评分如图4 所示.将综合评分靠后的工艺淘汰，筛选出的技术分别为二次铝灰综合回收可溶性盐、二次铝灰制备铝酸钠技术、二次铝灰制备耐火材料技术、二次铝灰制备路基材料技术、二次铝灰制备复合水泥、二次铝灰制备陶瓷清水砖、炭渣综合利用回收电解质和碳粉技术、大修渣阴极炭块综合利用技术、大修渣水泥窑协同处置利用技术.由图4 可见，以铝灰为原料回收可溶性盐、制备铝酸钠、制备硫酸铝净水剂等工艺，在雷达图上并未显示出突出的技术特点，如需要扩大综合利用能力，则需要和铝灰制备路基材料技术和铝灰制备复合水泥技术衔接；如需要进行高质化利用，提高产品生产过程协同性，则需要铝灰回收制备氧化铝与其他技术衔接.由于二次铝灰含有更多的可溶性盐，危险废物二次铝灰火法处理综合利用技术的后续处理难度较高，而铝灰火法处理技术可以与湿法技术很好适配，有较好的推广价值.由于炭渣和大修渣综合利用技术相似，且均为铝产业伴生的危险废物，其六维雷达图也相似，可以进行协同综合利用；大修渣水泥窑协同处置利用技术与大修渣解毒用于建材、混凝土掺添料技术均可处理大修渣中富含的硅酸盐类物质，且技术成熟、稳定.

图4 危险废物综合利用技术雷达对比Fig.4 Radar comparison of comprehensive utilization of hazardous wastes

2.2 层次分析法固废协同利用方案比选

将3 种组合方案通过层次分析法比选出园区固废协同处理综合利用的最佳方案.目标层到准则层的判断矩阵为式(6)，准则层6 因素到方案层的判断矩阵为式(7)~(12).通过整理数据可以得出：

由Matlab R2022a 软件计算出各矩阵的最大特征值(λmax)及其对应的特征向量(W).

经计算，式(6)~(12)七个矩阵的特征值分别为6.441 4、3.053 6、3.000 0、3.053 6、3.000 0、3.018 3、3.009 2，各矩阵的随机一致性检验CR 值分别为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 通过一致性检验.

层次总排序的一致性检验CR 值为0.018 4，层次总排序值如表4 所示.

表4 3 个方案的层次总排序值Table 4 Total ranking value of each factor hierarchy weight

将各指标标准化值与权重相乘后累加，即得到各组合的综合性能评价值.经计算铝业园区固废协同处理综合利用能力的3 种方案的综合评分分别为0.264 5、0.297 6 和0.437 9，该评分反映了每个方案在多个关键指标上的综合表现.通过层次分析法的比选，方案三的综合评分最高，表明该方案在固废的协同利用能力以及经济价值等方面具有显著的优势，被选为最佳固废协同利用方案.综合考虑固废的协同利用能力、综合利用经济价值以及环境影响等因素，方案三在固废的高效利用和经济可行性方面表现出色.方案三有望对包头铝业园区的可持续发展和环保目标产生积极影响.同时，可以观察到每个方案都具有其独特的优势和劣势.例如，方案一在市场经济效益和环境友好程度这两方面优于方案三，可能更容易获得政府和市场的支持，但其固废利用量程度较小，无法处理大宗废物.相比之下，方案二在各方面都稍显逊色.对各种方案的权衡和决策是复杂的，需要考虑经济、环境、技术等多方面因素.

该研究提出了一个有效的评价工业园区固废协同利用的方法，并确定了以包头铝业园区为例的最佳方案，但仍有许多未来研究方向值得探索.首先，可以进一步研究和优化协同利用技术，以提高资源回收率和经济效益；其次，可以考虑不同工业园区之间的比较研究，以确定最佳方案在不同背景下的适用性.此外，还可以探讨新的固废协同利用技术，以满足不断变化的环境和市场需求.这些未来研究方向将有助于进一步推动固废协同利用领域的发展.未来可以进一步探讨不同方案之间的权衡和决策，以更好地满足不同环境和经济背景下的需求.

3 结论

a) 以包头铝业园区为案例，通过实地调研和专业咨询，全面分析了园区内固废情况，对与铝业园区相关的24 种综合利用技术进行了系统评价.

b) 通过构建多指标分析和层次分析法评价的模型，针对包头铝业园区的实际情况和需求，确定出最佳工业园区固废协同利用技术组合.多指标分析和层次分析法相结合的方法可以得出更客观评价结果，容易通过一致性检验.

c) 确定最优的工业固废协同利用方案，包括粉煤灰、炉渣、脱硫石膏等制备为蒸压砖或路基材料；二次铝灰中回收可溶盐后制备为清水砖、耐火材料和路基材料，回收炭渣、大修渣等铝冶炼过程产生的危险废物中的碳块、电解质和碳粉等组分的方案，该方案在固废的协同利用能力及综合利用经济价值有较好的表现，适合包头铝业园区固废的协同利用.

d) 该研究不仅为包头铝业园区的固废管理和绿色发展提供支持，还可为其他资源型城市和工业园区的可持续发展提供启示，为绿色发展和资源循环利用提供了有益的参考.