甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價方法研究

王東方，蔡俊雄，向羅京，吳桂萍，趙玉鳳，崔龍哲*

(1 全北國立大學(xué) 環(huán)境和生物資源科學(xué)學(xué)院，全州 548 549 550 551；2 湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，武漢 430070； 3中南民族大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430074)

甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價方法研究

王東方1,3，蔡俊雄2，向羅京2，吳桂萍3，趙玉鳳3，崔龍哲3*

(1 全北國立大學(xué) 環(huán)境和生物資源科學(xué)學(xué)院，全州 548 549 550 551；2 湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，武漢 430070； 3中南民族大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430074)

為解決甲殼素生產(chǎn)帶來的嚴重環(huán)境污染問題，針對中國尚未制定甲殼素清潔生產(chǎn)相關(guān)標(biāo)準的現(xiàn)狀，經(jīng)大量國內(nèi)外資料調(diào)研、企業(yè)實地考察和專家咨詢，探討了甲殼素清潔生產(chǎn)評價技術(shù)路線，提出了評價指標(biāo)體系及其指標(biāo)基準值，構(gòu)建了模糊數(shù)學(xué)法為主體結(jié)合層次分析法和專家咨詢法的評價方法體系，評價了甲殼素企業(yè)清潔生產(chǎn)水平.結(jié)果表明：該評價方法體系可以準確、合理地評估甲殼素企業(yè)的清潔生產(chǎn)水平，為甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價工作的開展提供了一個科學(xué)的評價工具，能指導(dǎo)企業(yè)制定和完善清潔生產(chǎn)方案，為提高清潔生產(chǎn)水平提供了重要的參考依據(jù).

甲殼素；清潔生產(chǎn)；評價方法；模糊數(shù)學(xué)法

甲殼素是自然界除蛋白質(zhì)外數(shù)量最大的含氮天然有機高分子，是僅次于植物纖維素的第二大可再生資源，廣泛存在于動植物體內(nèi)，在醫(yī)藥、食品、環(huán)保等許多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力和市場價值[1].近年來，我國甲殼素行業(yè)取得了很大的發(fā)展，甲殼素及其衍生物的生產(chǎn)規(guī)模已達到年產(chǎn)3～4萬t，年產(chǎn)值達數(shù)百億元，產(chǎn)品產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70%以上，成為甲殼素和殼聚糖的生產(chǎn)大國和出口大國[2].國內(nèi)甲殼素生產(chǎn)企業(yè)一般多從蝦、蟹殼中提取甲殼素，再由甲殼素生產(chǎn)其它衍生產(chǎn)品[3].目前甲殼素生產(chǎn)普遍采用的提取工藝為酸堿法，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生高流量、高氨氮、高COD、高鹽分的廢水，其處理難度大、處理費用高，且處理后仍然很難達標(biāo)排放[4].針對我國甲殼素行業(yè)的污染現(xiàn)狀，研究其生產(chǎn)工藝各個環(huán)節(jié)，改進工藝，提高原材料利用率，建立甲殼素清潔生產(chǎn)的行業(yè)規(guī)范，對解決甲殼素行業(yè)污染問題意義重大[5].雖然目前我國已有不少關(guān)于甲殼素清潔生產(chǎn)方面的研究，但國家尚未制定和頒布相關(guān)標(biāo)準及其評價方法，不利于清潔生產(chǎn)在甲殼素行業(yè)中的推行[6].

本文通過深入了解和分析甲殼素的生產(chǎn)工藝，探討了該行業(yè)清潔生產(chǎn)的評價路線，并結(jié)合已選定的指標(biāo)體系，提出各指標(biāo)的評價基準值.利用模糊綜合評價法構(gòu)建了評價模型，為促進甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價工作的開展，實現(xiàn)資源和能源的循環(huán)利用提供了一個科學(xué)、合理的評價工具.

1 技術(shù)路線

為了評價目前甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)水平，并為管理部門進行環(huán)境監(jiān)管提供依據(jù)，在參考其他相近行業(yè)清潔生產(chǎn)標(biāo)準及其評價方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合甲殼素行業(yè)自身的特點提出了該行業(yè)清潔生產(chǎn)評價方法研究技術(shù)路線：通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻資料及企業(yè)實地調(diào)研，了解甲殼素的生產(chǎn)工藝、污染特征和防治技術(shù)，建立清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系，并構(gòu)建評價模型，以此模型對企業(yè)的生產(chǎn)情況進行評估；最后對評價結(jié)果進行分析，制定可行的清潔生產(chǎn)方案，提高企業(yè)的清潔生產(chǎn)水平[7].

2 評價過程

2.1 建立評價指標(biāo)體系

甲殼素的制備方法主要有傳統(tǒng)的化學(xué)酸堿法、新型生物酶法和生物發(fā)酵法.目前普遍采用的工藝為酸堿法：甲殼在酸洗浸泡池內(nèi)浸泡，去除絕大部分CaCO3；然后在清洗池中清洗至中性后放入脫蛋白鍋，加入NaOH加熱煮沸，脫去蛋白質(zhì)；最后經(jīng)清洗、離心、曬干即成甲殼素[3,4].本文逐步分析該工藝并結(jié)合工藝自身的特點，提出了甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系，其包括6個準則層和26個評價指標(biāo)，即：生產(chǎn)工藝與裝備要求指標(biāo)(規(guī)模、原材料預(yù)處理、裝備及生產(chǎn)過程控制水平)，資源能源利用指標(biāo)(單位產(chǎn)品綜合能耗、單位產(chǎn)品耗電量、單位產(chǎn)品新鮮水用量、單位產(chǎn)品鹽酸用量及單位產(chǎn)品片堿用量)，產(chǎn)品指標(biāo)(產(chǎn)品出品率和產(chǎn)品純度)，污染物產(chǎn)生指標(biāo)(單位產(chǎn)品廢水產(chǎn)生量、單位產(chǎn)品CODcr產(chǎn)生量、單位產(chǎn)品氨氮產(chǎn)生量、單位產(chǎn)品BOD5產(chǎn)生量、單位產(chǎn)品總磷產(chǎn)生量及單位產(chǎn)品氯離子產(chǎn)生量)，廢物回收利用指標(biāo)(廢蛋白質(zhì)回收率、廢酸回收利用率、廢堿回收利用率)，環(huán)境管理要求(環(huán)境法律法規(guī)標(biāo)準、組織機構(gòu)、環(huán)境審核、生產(chǎn)過程環(huán)境管理、固體廢棄物處理處置及相關(guān)方環(huán)境管理).

2.2 構(gòu)建評估方法

清潔生產(chǎn)評價的特點是多屬性、多層次性、隨機性和模糊性[8]，模糊數(shù)學(xué)法是近年來發(fā)展較快的一種新的評價方法，其特點是能緊密地結(jié)合定性描述和定量分析，針對現(xiàn)實中具有模糊性的大量經(jīng)濟現(xiàn)象進行準確的評判，適用于綜合評價企業(yè)績效[9].本文在對比分析了當(dāng)前國內(nèi)外主流清潔生產(chǎn)評價方法后，采用模糊數(shù)學(xué)法對甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)進行綜合評價.

2.3 建立評價因素集

參與評價的指標(biāo)稱為因素，因素集即是由參與評價的n個指標(biāo)共同組成的一個集合.在甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系中，由選定的各個評價指標(biāo)共同組成的集合即為因素集U.按照模糊數(shù)學(xué)法，指標(biāo)體系中的6個一級指標(biāo)，即生產(chǎn)工藝與裝備要求、資源能源利用指標(biāo)、產(chǎn)品指標(biāo)、污染物產(chǎn)生指標(biāo)、廢物回收利用指標(biāo)和環(huán)境管理要求分別對應(yīng)因素集U中的U1、U2、U3、U4、U5和U6，其表達公式為：U={U1,U2,…,U6}，其中U1,U2,...,U6為參與評價的6個因素值.

2.4 建立評價標(biāo)準集

對甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系，根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)要求或者專家意見確定的各個評價指標(biāo)對應(yīng)的指標(biāo)基準值組成的集合即為評判集V.基于甲殼素各生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模和管理水平的差異，將評價標(biāo)準劃分為3級，即國際先進水平、國內(nèi)先進水平和國內(nèi)基本水平，即V={V1,V2,V3}，其中V1,V2,V3為與U相對應(yīng)的評價標(biāo)準集合.

評價指標(biāo)基準值的確定遵循以下兩個原則：凡國家或行業(yè)在正式文件中對某指標(biāo)值做出明確規(guī)定的，則按照國家或行業(yè)的規(guī)定取值；凡國家或行業(yè)對此尚無明確要求的，則采用近年來國內(nèi)外甲殼素生產(chǎn)工藝實際達到的最優(yōu)水平值、中間水平值和一般水平值.具體的指標(biāo)基準值見表1(定量指標(biāo))和表2(定性指標(biāo)).

表1 甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評估指標(biāo)基準值(定量指標(biāo))

表2 甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評估指標(biāo)基準值(定性指標(biāo))

2.5 單因素模糊評判

每個因素對應(yīng)各評價標(biāo)準都有一個隸屬度，該隸屬度可以利用評價因素集U和評價標(biāo)準集V，通過隸屬度函數(shù)計算得到.而所有隸屬度集合在一起，即得到各評價因子的隸屬矩陣R.

2.5.1 定量指標(biāo)隸屬度的確定

對于正向指標(biāo)，其指標(biāo)數(shù)值越大清潔生產(chǎn)水平越高(V1>V2>V3)，隸屬度計算函數(shù)為：

逆向指標(biāo)與正向指標(biāo)相反，其數(shù)值越小清潔生產(chǎn)水平反而越高(V1

2.5.2 定性指標(biāo)隸屬度的確定

定性指標(biāo)不易獲得具體數(shù)值，因此在評價標(biāo)準中僅對其作定性描述，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實際調(diào)研情況和專家意見給出相應(yīng)指標(biāo)的隸屬度.例如，經(jīng)評定若某企業(yè)生產(chǎn)過程環(huán)境管理達到了清潔生產(chǎn)水平，則該企業(yè)該項指標(biāo)的隸屬度為R=(1,0)，反之則隸屬度為R=(0,1).

2.6 建立模糊矩陣

利用隸屬度函數(shù)求得各指標(biāo)的隸屬度后，可用模糊矩陣R來表示評價因素集U(實際生產(chǎn)數(shù)據(jù))與評價標(biāo)準集V(指標(biāo)標(biāo)準值)之間的關(guān)系：

式中，Rij表示第i種因素的企業(yè)實際生產(chǎn)指標(biāo)對第j類評價標(biāo)準的隸屬度.模糊矩陣的第一行是第一種因素對應(yīng)j個級別的隸屬度，第一列表示U上的i個單項指標(biāo)分別對第一級標(biāo)準的隸屬度，其他行列的意義與之類似.

2.7 確定權(quán)重值

層次分析法是一種適用于多目標(biāo)決策的分析方法，決策分析時能將定性指標(biāo)與定量指標(biāo)有機結(jié)合，是目前常用的權(quán)重確定方法[10, 11].本文利用層次分析法(AHP)與專家咨詢法相結(jié)合來確定各指標(biāo)權(quán)重，其步驟是：1)建立層次結(jié)構(gòu)模型；2)通過專家打分，得到對比判斷矩陣(9分制)；3)計算權(quán)重值及一致性檢驗.按照層次分析法的分析步驟，利用YAAHP程序軟件(Ver.10.1)進行計算，得到甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系各級指標(biāo)的權(quán)重值，如表3所示.

通常指標(biāo)所占權(quán)重值越大，說明其對清潔生產(chǎn)的影響也越大.由表3可知，6個一級指標(biāo)中資源能源利用指標(biāo)和污染物產(chǎn)生指標(biāo)對甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)的影響最大，在清潔生產(chǎn)評價中要根據(jù)各指標(biāo)的影響水平來制定相應(yīng)的清潔生產(chǎn)措施；一致性檢驗中所有的CR值均小于0.1，說明該指標(biāo)體系所得權(quán)重合理.

2.8 模糊綜合評價

根據(jù)單項評價所得關(guān)系模糊矩陣R和層次分析法計算所得權(quán)重模糊矩陣W，計算二級綜合評價指數(shù)Y，計算公式為：Y=W×R.再將二級綜合評價指數(shù)Y的計算結(jié)果作為綜合評價的關(guān)系模糊矩陣R′，進行模糊評價計算得到Y(jié)'，根據(jù)最大隸屬度原則，選取相應(yīng)的清潔生產(chǎn)水平等級作為最終的評估結(jié)果[12, 13].

3 實例分析

為驗證甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價理論體系，選取湖北一家處于國內(nèi)清潔生產(chǎn)先進水平的企業(yè)進行實例分析.通過對該企業(yè)清潔生產(chǎn)水平等級的評價，對比驗證所建清潔生產(chǎn)評估體系是否合理，并針對企業(yè)現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的改進措施以幫助企業(yè)提高清潔生產(chǎn)水平.

3.1 主要清潔生產(chǎn)指標(biāo)

清潔生產(chǎn)指標(biāo)選定的正確與否關(guān)系到清潔生產(chǎn)評估全過程的科學(xué)性和可操作性.通過對企業(yè)的實地調(diào)研和生產(chǎn)驗證，得到某甲殼素企業(yè)的基本清潔生產(chǎn)指標(biāo)，如表4所示.

3.2 建立評估對象因素集

按照前文所述，建立評估對象因素集：U={A,B,C,D,E,F}, 其中U為各單項評價指標(biāo)組成的評價指標(biāo)集，A代表生產(chǎn)工藝與裝備要求，B代表資源能源利用指標(biāo)，C代表產(chǎn)品指標(biāo)，D代表污染物產(chǎn)生指標(biāo)，E代表廢物回收利用指標(biāo)，F(xiàn)代表環(huán)境管理要求.

表3 甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系權(quán)重值

*λmax：判斷矩陣最大特征值；CR：隨機一致性比率

3.3 建立評價標(biāo)準集

參考此前提出的甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)標(biāo)準，建立清潔生產(chǎn)評價集合：V={V1,V2,V3}，其中V1,V2,V3為與U相對應(yīng)的評價標(biāo)準集合.

3.4 確定隸屬矩陣

清潔生產(chǎn)指標(biāo)模糊關(guān)系矩陣可用RA、RB、RC、RD、RE、RF來表示，其隸屬度矩陣分別為：

,

3.5 確定權(quán)重值

根據(jù)前文確定的指標(biāo)權(quán)重，甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)權(quán)重值如表5所示.

表5 甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)指標(biāo)權(quán)重

3.6 模糊矩陣復(fù)合運算

1)二級指標(biāo)綜合評價指數(shù)計算.

A. 生產(chǎn)工藝與裝備要求：

[0.303 0.697 0].

B. 資源能源利用指標(biāo)：

YB=[0.084 0.064 0.459 0.223 0.170] ×

C.產(chǎn)品指標(biāo)：

[0.333 0.667 0].

D. 污染物產(chǎn)生指標(biāo)：YD=[0.435 0.209 0.079 0.058 0.043 0.176]×

E. 廢物回收利用指標(biāo)：

[0.376 0 0.624].

F. 環(huán)境管理要求：YF=[0.361 0.055 0.270 0.147 0.109 0.058]×

2)企業(yè)清潔生產(chǎn)潛力評估. 準則層指標(biāo)權(quán)重見表6.

表6 準則層權(quán)重

歸納6個準則層，構(gòu)建綜合評價指數(shù)Y：Y=[0.115 0.364 0.070 0.364 0.056 0.031]×

由Y可知，準則層在第二級的隸屬度最大，其值為0.513，可將該企業(yè)的清潔生產(chǎn)水平確定為第二級，即其甲殼素清潔生產(chǎn)水平為國內(nèi)先進水平.此評估結(jié)果符合企業(yè)的實際生產(chǎn)情況，表明前文構(gòu)建的清潔生產(chǎn)評估體系合理，適用于甲殼素清潔生產(chǎn)水平的評估.

4 結(jié)語

通過對甲殼素生產(chǎn)工藝的了解和分析，結(jié)合文獻調(diào)研、實地考察和專家論證，討論了甲殼素行業(yè)清潔生產(chǎn)評價方法研究技術(shù)路線，提出評價指標(biāo)體系并確定了各二級指標(biāo)的基礎(chǔ)值，構(gòu)建了以模糊數(shù)學(xué)法為主結(jié)合層次分析法和專家咨詢法的評估模型，并對其進行了驗證.利用該評價方法體系，可以快速、準確地了解甲殼素企業(yè)清潔生產(chǎn)的真實水平，并指導(dǎo)企業(yè)制定和完善清潔生產(chǎn)方案，同時為提高企業(yè)的清潔生產(chǎn)水平提供參考依據(jù)，在提高企業(yè)資源能源利用效率的同時降低污染物的排放，最終實現(xiàn)甲殼素行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.

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Study on Clean Production Assessment Method of Chitin Industry

Wang Dongfang1,3, Cai Junxiong2, Xiang Luojing2,Wu Guiping3, Zhao Yufeng3, Cui Longzhe3

(1 College of Environmental and Bioresource Sciences, Chonbuk National University,Jeonju-si 548 549 550 551, Korea;2 Hubei Academy of Environmental Sciences, Wuhan 430070,China;3 College of Resources and Environmental Science, South-central University for Nationalities,Wuhan 430074,China)

The production of chitin could lead to serious environmental pollution, and our country has not yet formulated the relevant standards for the cleaner production (CP) of chitin. The technology route of CP evaluation was thus discussed by referring to large numbers of domestic and foreign literature, field visits and expert consultation. A CP evaluation index system was constructed by fuzzy mathematic method, combined with analytic hierarchy process (AHP) and expert consultation method, and the basic value of each index was proposed. The CP level of chitin enterprise was evaluated and the results showed that the index system could assess the CP level of chitin enterprises accurately and reasonably, which provided a scientific assessment tool to evaluate the CP of chitin industry. It could also guide enterprises to establish and perfect CP scheme and serve as an important reference to improve the CP level.

chitin; cleaner production; assessment method; fuzzy mathematics method

2016-04-25 *通訊作者 崔龍哲，研究方向：環(huán)境污染控制和環(huán)境分析化學(xué)，E-mail：cuilonger@hotmail.com

王東方(1989-),男，博士, 研究方向：環(huán)境污染防治理論與技術(shù)，E-mail：wdf9986@gmail.com

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目(201309064)

X383

A

1672-4321(2016)04-0017-07