鉛蓄電池業重金屬(鉛)產污強度相關性分析

白衛南，姚揚，喬琦，張玥，孫啟宏

中國環境科學研究院，國家環境保護生態工業重點實驗室，北京 100012

鉛蓄電池業重金屬(鉛)產污強度相關性分析

白衛南，姚揚，喬琦，張玥，孫啟宏*

中國環境科學研究院，國家環境保護生態工業重點實驗室，北京 100012

為了實施我國重金屬污染防治規劃，急需建立完善重點行業重金屬產污強度準入的管理和評價方法。簡要闡述了我國鉛蓄電池行業發展中存在的問題，剖析了該行業主要工藝流程及產污節點，基于SPSS統計分析軟件對廢水和廢氣中鉛的產生強度數據分別進行了相關性分析。結果表明，廢水和廢氣中鉛產生強度分別與用水強度等2個因子及廢氣排放強度等7個因子顯著相關，其可作為企業鉛產污強度的指示因子，為企業改進生產和管理水平、降低廢水和廢氣鉛的產生強度提供間接參考依據。此外，相關性分析結果為今后重金屬產污強度評價指標體系的相關研究開拓了思路。

鉛蓄電池;重金屬;產污強度;相關性

隨著我國工業化進程的加快，長期累積的重金屬污染問題開始逐漸顯露。由于具有在環境介質中極難降解以及易在生物鏈中富集的特點，重金屬對人體健康和生態環境的潛在影響和危害是顯而易見的。在我國《重金屬污染綜合防治“十二”五規劃》中，鉛是重點防控的5種重金屬之一。作為鉛排放重點行業之一，近年來鉛蓄電池業“血鉛”超標等鉛污染事件時有發生，對行業發展和社會環境帶來了較大的負面效應。2009年召開的全國污染防治工作會議上，明確提出今后將逐步探索建立產污強度準入制度，研究建立產污強度指標體系，更加科學有效地掌握和規范企業污染物的產生。因此，鉛蓄電池行業鉛產生強度的定量化相關性分析具有十分重要的現實意義和指導意義。

1 我國鉛蓄電池業重金屬污染問題分析

1.1 我國鉛蓄電池行業發展問題簡析

鉛蓄電池的生產使用已有150多年的歷史，由于其功率特性好、自放電小、高低溫性能優越、回收技術成熟及廉價等優勢，在二次電源中，鉛蓄電池已占80%以上的市場份額［1］。據國家統計局數據顯示，2009年以來，受國際、國內2個市場驅動，我國鉛蓄電池行業呈現持續、快速增長的趨勢，躍升為世界最大的鉛蓄電池生產國、出口國和消費國。根據電池工業協會的統計，2010年，我國鉛蓄電池產量為14 416．7萬kVAh，占全球總產量的40%左右。“十一五”的5年間，中國鉛蓄電池的產量和出口量平均每年以19．9%和22．8%的速度增長［2］。

針對我國鉛蓄電池業普遍存在的行業準入門檻低、低水平重復建設、無序競爭及鉛污染嚴重等問題［3|4］，2011年多部委聯合開展鉛蓄電池行業專項整治工作，隨后出臺了《鉛蓄電池行業準入條件》等一系列規范性政策文件。截至2011年11月30日，作為我國產能最大的2個省份，江蘇省和浙江省被關閉取締及停產整治的鉛蓄電池企業分別占到全省總數的79．3%和92．1%，短期整治成效顯著。

據工業和信息化部行業數據顯示，2012年我國鉛蓄電池總產量為17 486．33萬kVAh，較“十一五”末仍有小幅度增長。近幾年我國“血鉛超標事件”時有發生，鑒于其生產特點，鉛蓄電池業在今后仍有可能引發重金屬污染問題，尤其是鉛污染會給我國資源環境和人體健康帶來壓力和一系列不穩定因素，妨礙我國可持續發展和生態文明的有效推進。

從生產的工藝環節和產排污節點來控制和管理企業的重金屬產生和排放是防止重金屬污染事件發生的有效方法和途徑。目前我國關于鉛蓄電池行業重金屬污染物產生的研究仍主要停留在產排污節點的定性分析上，鮮有定量化的相關性分析研究。筆者通過識別廢水和廢氣中與鉛及其化合物相關的主要因子，以期為相關政府環境保護部門評判鉛的產生情況提供有效參考，有針對性地指導相關企業加強日常生產協同管理，優化工藝環節，最大程度地削減鉛產生量。

1.2 主流工藝及主要產污節點

目前我國鉛蓄電池行業的生產工序主要為鉛粉制造、鑄板及鉛零件制造、極板制造、極板化成、電池組裝等;其中，極板制造又包括和膏、涂板、固化干燥3個工段。

除極板化成外，因產品生產要求不同，不同企業在其他各工序的使用方法有所差異，如鉛粉制造分為球磨法和氣相氧化法2種，涂板分為手工涂板和機械涂板等，但整體工藝流程及工段前后順序是一致的。極板化成工序主要包括槽化成(也稱外化成)和電池化成(也稱內化成)2種。外化成是將生極板熟化后再進行電池組裝和充電;內化成是先把極板裝配成蓄電池，然后注入電解液化成。外化成是傳統的化成方式，較內化成消耗更多的水，同時產生較多的硫酸霧［2］。

除含鉛固體廢物外，鉛蓄電池業產生的主要特征污染物包括鉛煙、鉛塵、酸霧、含鉛酸廢水及地面沖洗水等［4|5］。

以外化成工藝為例，鉛蓄電池業主要工藝流程及產污節點具體如表1及圖1所示［6|7］。

表1 鉛蓄電池業各主要工序產污節點及特征污染物［6］Table 1 Major links of pollutants generation and characteristic pollutants within industry of lead|acid battery

2 相關因子識別方法

相關性分析是對2個變量間的相關程度進行分析，用于描述2個變量間聯系密切程度的方法。其反映了當控制其中1個變量的取值后，另1個變量的變異程度。相關性分析的顯著特點是變量不分主次，被置于同等的地位［8］。

衡量相關性的參數為相關系數。根據數據特點，所采用的度量變量間相關程度的統計量會不同，相應的相關系數會有不同的表現形式。筆者擬采用具有線性關系雙變量正態分布的Pearson(皮爾森)相關系數進行相關性分析，其基本計算公式為［9|10］:

圖1 鉛蓄電池業簡要工藝流程及主要產污節點［7］Fig．1 Brief process flow chart and major pollutants generation links production within industry of lead|acid battery

式中，r為Pearson相關系數，r絕對值越高，則變量間相關程度越大;為變量X，Y的樣本平均值; Xi，Yi為變量X，Y的第i個樣本觀察值。

為避免抽樣誤差的影響，需對相關分析結果進行假設檢驗，檢驗的零假設一般是總體中2個變量的相關系數為0，公式為［10］:

式中，t為假設檢驗統計量;n為樣本數。

當t統計量的顯著性概率P＞0．05時，2個變量間無顯著相關關系;0．01＜P≤0．05時，2個變量間呈顯著相關;P≤0．01時，2個變量間呈極顯著相關。

相關性分析法已植入多種成熟的市場化的計算機軟件中，如spss的相關性分析功能已在各學科領域得到了廣泛的應用［8，10|11］。

3 數據分析

3.1 初選因子的確定

對廢水和廢氣2種介質中的鉛產生強度分別進行相關因子分析(由于廢渣中鉛的監測難度較大，在此不涉及)。從鉛的產污節點考慮，綜合鉛蓄電池行業專家意見，篩選出企業生產中較易獲得數據且可能與2種介質中鉛的產生強度存在相關性的待分析因子各8個，如表2和表3所示。

表2 廢水中鉛產生強度相關性分析初選因子Table 2 Original selected factors for correlation analysis of lead generation intensity in waste water

表3 廢氣中鉛產生強度相關性分析初選因子Table 3 Original selected factors for correlation analysis of lead generation intensity in waste gas

3.2 數據獲得和處理

樣本選自江蘇、山東、安徽、河北、河南、江西及湖北等鉛蓄電池行業大省，選取了55個規模不等(實際產能從幾萬到幾百萬kVAh)具有成熟生產工藝和較完善環保設施的鉛蓄電池生產企業進行相關性分析。通過問卷調查和實地調研樣本企業2011年廢水和廢氣中鉛的產生和16項初選因子資料，作為相關性分析的數據基礎。

以企業單位產量廢水和廢氣中產生的鉛量分別作為廢水和廢氣中鉛產生強度(kg/萬kVAh)，將16個初選因子總量數據比照企業的產量，分別得到廢水和廢氣各8個相應的強度因子。

對55家鉛蓄電池企業鉛產生強度(分為廢水和廢氣2部分)與16個相關因子數據利用軟件SPSS 19．0進行標準化處理，再以2種介質中的鉛產生強度分別和與其對應的8個強度因子作兩兩相關性分析，以Pearson相關系數和t統計量顯著性水平概率為主要參考依據，識別鉛產生強度主要影響因子。

根據分析結果，廢水中鉛產生強度及其強度因子相關性如表4所示，鉛產生強度及其主要因子相關性如圖2所示。

表4 廢水中鉛產生強度相關性分析Table 4 Correlation coefficients and significance levels of lead generation intensity in waste water

圖2 廢水中鉛產生強度與其主要相關因子散點Fig．2 Scatter diagrams between generation intensity of lead and main related factors in waste water

廢氣中鉛產生強度與初選因子相關性如表5所 示，產生強度及其主要因子相關性如圖3所示。

表5 廢氣中鉛產生強度相關性分析Table 5 Correlation coefficients and significance levels of lead generation intensity in waste gas

圖3 廢氣中鉛產生強度與其主要相關因子散點Fig．3 Scatter diagrams between lead generation intensity and main related factors in waste gas

3.3 結果分析

3.3.1 廢水中鉛產生強度相關性分析

由表4可知，在8個初選因子中只有用水強度和COD產生強度與廢水中鉛產生強度具有相關性，其中COD產生強度與鉛產生強度呈極顯著相關。

鉛蓄電池行業主要廢水產生環節為涂板工序的地面沖洗、化成工序的極板沖洗和地面沖洗、灌酸充電工序的地面沖洗和冷卻(大容量電池灌酸充電時需要降溫)、鉛蓄電池沖洗;此外，還包括濕法除塵設施排放的含鉛循環廢水，廠區工人的淋浴水，工作服清洗水等［12］。鉛及其化合物隨著沖洗過程進入廢水中，生產過程中的用水也主要發生在這幾個環節，因此，單位產能的用水量越大，伴隨進入廢水中的鉛及其化合物也就越多，即鉛的產生強度也就越大，二者呈極顯著相關。

從影響產污的因素來看，工藝的先進水平和企業生產的日常管理水平是導致不同企業間單位產量污染物產生量有所差異的主要原因，樣本數據中COD的產生強度與廢水中鉛產生強度隨之出現相對同步的變化趨勢，二者呈極顯著相關的統計分析結果。在一定程度上，COD產生強度可作為指示因子，用來評判鉛蓄電池企業的工藝水平、管理現狀及人員素質等對企業廢水中鉛產生強度有影響的因素水平高低，從而間接掌握廢水中鉛產生強度的實際情況。

3.3.2 廢氣中鉛產生強度相關性分析

與廢氣中鉛產生強度相關的8個初選因子中，除灌粉等其他工段廢氣排放強度與鉛產生強度無顯著相關外，其他7個初選因子均與鉛產生強度顯著相關，其中，化成工段廢氣排放強度為顯著相關，其他6個初選因子均為極顯著相關，均可作為廢氣中鉛產生強度的指示因子。

鉛蓄電池制造業硫酸霧產生環節包括化成工序、充放電工序2個關鍵點［12］。其中產生硫酸霧最主要的環節為化成工序，而化成按照工藝特點不同分為內化成和外化成2種。由于外化成用的極板需預先經化成槽化成、水洗和干燥，內化成無需該步驟，其工藝造成的污染大為減輕［2］。因此，工藝的差異是造成硫酸霧產生和排放強度不同的主要原因，同時工藝也是影響廢氣中鉛產生強度水平高低的重要原因，工藝對硫酸霧和鉛產生的共同影響決定了廢氣中鉛產生強度與硫酸霧產生和排放強度具有較高的相關性。除工藝外，企業間的生產環境、管理水平及生產人員素質差異等因素也會對變量間的耦合相關性產生相應的影響和貢獻。

4 結論

綜上所述，企業在保證產品質量出廠要求的前提下，可通過采取相應措施減少生產用水強度，間接降低廢水中鉛產生強度。在不必要時為減少監測成本，企業和相關環境保護機構可以考慮將COD產生強度作為廢水中鉛產生強度的表征因子，通過采取一定改進措施，如提高工藝水平和生產效率、加強生產管理和員工環保意識等，控制和降低COD產生強度，間接達到削減廢水中鉛產生強度的目的。

鉛蓄電池企業的廢氣排放強度，鉛粉制造、板柵制造、極板分片打磨及化成等4個工段的廢氣排放強度，硫酸霧產生和排放強度等7個因子均可作為廢氣中鉛產生強度的指示因子，為企業改進生產工藝水平、完善管理制度以及提高員工人員素質提供間接的參考和判斷作用，從而有效地降低廢氣中鉛產生強度。

此外，上述因子(廢水和廢氣)作為“四同”(同一原材料、同一產品、同一工藝及同一規模)之外的與鉛產生強度相關的因子，可以很好地作為企業鉛產生水平的指示變量，為產污強度評價指標體系的研究建立提供了可能和思路。

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A Correlation Analysis of Heavy M etals(Lead)in Lead－acid Battery M anufacture

BAIWei－nan，YAO Yang，QIAO Qi，ZHANG Yue，SUN Qi－hong
State Environmental Protection Key Laboratory of Eco－Industry，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

In order to implement the national heavymetal pollution prevention and control plan，it is imperative to establish themanagementand evaluationmethods for intensity access of heavymetals in key industries．The existing problems in the development of the lead－acid battery manufacture in China were briefly reviewed，and the major processes and pollution generation links analyzed．Correlation analysis for lead generation intensities in both wastewater and waste gas was performed based on the statistical analysis software of SPSS．The results showed that two factors includingwater usage intensity and seven factorswith intensity of gas emissions，which were significantly correlated to lead generation intensity in wastewater and waste gas respectively，could be used as indicative factors for lead generation intensity．The findings could provide indirect judgment for industries to promote improvement of production and management for reduction of lead generation intensity．They could also provide new perspectives for study on establishment of evaluation index system of heavymetal generation intensities．

lead－acid battery;heavy metal;pollutants generation intensity;correlation

X38

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．037

1674－991X(2014)03－0225－06

2013－12－04

環境保護公益性行業科研專項(201209009－3)

白衛南(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為環境管理、工業生態學，baiweinan13@126．com

*責任作者:孫啟宏(1965—)，男，研究員，碩士，長期從事工業生態學、循環經濟規劃及清潔生產政策與標準研究，sunqh@craes．org．cn