流域畜禽養殖排污許可方案設計
——以柘溪水庫為例

紀志博，王文杰*，劉孝富,2，許超，王瑩，白楊，邱文婷，羅鐳.中國環境科學研究院，北京 0002 2.北京師范大學環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 00875

流域畜禽養殖排污許可方案設計
——以柘溪水庫為例

紀志博1，王文杰1*，劉孝富1,2，許超1，王瑩1，白楊1，邱文婷1，羅鐳1
1.中國環境科學研究院，北京 100012 2.北京師范大學環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875

排污許可作為一種有效的環境管理制度，對固定點源特別是流域規模化畜禽養殖場污染物排放具有一定的制約作用。以柘溪水庫為例，以流域畜禽養殖總氮排放為研究對象，在小流域尺度上核算水環境容量及畜禽養殖總氮污染物排放負荷，結合不同行業類別污染物排放貢獻率，確定流域水環境容量與畜禽總氮排放量之間的響應關系。并根據不同流域規模化畜禽養殖水環境容量，確定污染物排放限值及各流域排污許可設計方案，提出不同水環境容量目標下畜禽養殖污染治理與管控措施。

排污許可；畜禽養殖；環境容量；排放限值

水環境容量作為實行區域水環境管理的基礎及水污染物總量控制的依據[1]，是指一定水域范圍內，在規定排污方式和水質目標的前提下，單位時間內該水域容納各類污染源的最大排放量[2-3]。水環境容量核算中污染源類型一般可分為工業污染源、生活污染源和農業污染源，其中，農業污染源主要包括畜禽養殖污染、農田徑流污染和水域內源污染。近年來，柘溪水庫流域畜禽養殖業發展迅速，養殖量大，分布廣，多以散養為主，許多區域污染物排放總量業已超過環境容量，生態環境壓力越來越大，已成為流域水環境質量惡化的主要原因之一。

排污許可(emission permit)作為環境許可中一項點源排放管理的核心工具，是依據環境保護法律對企業的排放行為和政府對企業的監督做出規定，通過許可證法律文書加以載明的制度[4]，并作為合理配置環境容量資源的基礎性制度[5]，已在發達國家得到廣泛應用。排污許可核算和分配方法主要包括美國基于技術標準的最實用控制技術(BPT)、最佳常規污染物控制技術(BCT)、最佳可行技術(BAT)及最佳流域管理措施(BMP)和基于水質標準的水體每日最大負荷(TMDL)核定[6-7]，以及歐盟、日本等以BAT和各行業污染治理技術水平為基礎的水環境管理技術體系[8]。美國通過實施污染物削減制度(NPDES)使近70%的水質得到明顯改善[9]，歐盟也通過頒布綜合污染防治(IPPC)指令[10-11]使萊茵河水質得到明顯改善[8]，排污許可在美國等發達國家已然成為控制點源環境污染的環保支柱性政策[12]。

流域是地球陸地表面集自然資源、社會、經濟等因素于一體特定的地理單元[13-14]。排污許可制度作為有效控制流域污染物排放的方法之一，在流域尺度下實施水體污染物控制具有重要意義，但目前，基于流域尺度的排污許可管理研究較少，已不適應當前改善流域水環境的迫切需求。筆者以柘溪水庫流域為例，采用流域水環境容量核算及畜禽養殖污染負荷分析的研究方法，以畜禽養殖總氮排放為突破口，基于環境功能區劃，構建排污許可體系，從水環境容量動態分配和方案可行性等方面進行探討，以期為我國水污染物排污許可體系科學、經濟、高效地實施提供技術支持。

1 技術路線

分析比較了規模化畜禽養殖污染負荷與水環境容量的響應關系，針對不同控制單元和流域分別提出了排污許可設計方案及污染治理措施：1)通過環境現狀與污染負荷調查，確定研究區各類型污染負荷背景值，以及規模化畜禽養殖污染物負荷；2)根據流域水環境功能區劃、水環境質量目標，劃分控制單元，核算流域水環境容量，并結合各污染源排放現狀和貢獻率，確定流域規模化畜禽養殖環境容量；3)分析畜禽養殖環境承載力，結合不同流域規模化畜禽養殖環境容量與污染物排放量的響應關系，提出各流域規模化畜禽養殖排污許可設計方案和畜禽污染治理措施(圖1)。

圖1 技術路線Fig.1 The techncial roadmap

2 研究方法

2.1 研究區概況

柘溪水庫位于湖南省益陽市境內，系資江中游，流域面積5 681.5 km2，涉及婁底市和益陽市2個市的新化縣和安化縣共39個鄉鎮。其水面面積85.0 km2，總庫容35.7億m3，主要入庫支流有青峰河、油溪河、白溪河、大洋河和渠江等。流域內地形起伏，平均海拔463.9 m。流域屬中亞熱帶季風濕潤氣候區，四季分明，雨量豐沛，年均降水量11 455.9 mm。

2.2 控制單元劃分

控制單元劃分作為計算水環境容量的關鍵步驟，是為實施水環境容量控制提供水質目標管理的基本控制單元[15-17]。柘溪水庫屬典型的河道型水庫，整個庫區主河道長達171.0 km，其中，安化縣境內(安化段)為80.0 km，新化縣(新化段)境內為91.0 km。故在分析柘溪水庫水環境容量時，將該水庫看作河流，并根據流域地形自然差異和水質監測控制斷面，將研究區劃分為6個小流域，18個控制區域(圖2和表1)，以便于排污許可方案設計與規模化畜禽點源污染管控。

圖2 研究區劃分Fig.2 Division of study area

河段流域單元控制區域新化段梅苑1油溪2～6坪口7～9安化段煙溪10～12大壩13～16東坪17～18

2.3 水環境容量核算

2.3.1 水環境容量模型

對于水力停留時間長、水質基本處于穩定狀態的水庫，可視為均勻混合水體進行研究。通常情況下，污染物進入河流后主要有3種形態：隨環境介質的推流遷移、污染物質點的分散以及污染物的轉化和衰減。鑒于柘溪水庫的換水周期和自然條件限制，將河流看作是一個完全混合的反應器，即水流進入該系統后可以完全分散到整個系統，根據質量守恒原理，建立河流污染物濃度隨時間變化的微分方程：

V(dCdt)=QinCin-QoutCout+qCoth-kCoutV

(1)

式中：Cin為入流水質濃度，mgL；Cout為出流水質濃度，mgL；Qin為入流流量，m3a；Qout為出流流量，m3a；V為河流有效容積，m3；q為由側向進入河流的污染物流量，m3a；Coth為由側向進入河流的污染物濃度，mgL；k為水體自凈系數。

當湖泊處于穩定狀態時：

dCdt=0

(2)

根據式(1)和式(2)得出：

qCoth=QoutCout-QinCin+kCoutV

(3)

根據水環境容量的定義，當河流中污染物濃度Cout=Cs(Cs為允許排放的水質濃度)時，河流外部輸入的污染物量等于河流的水環境容量，則河流水環境容量(W)為：

W=QoutCout-QinCin+kCoutV

(4)

2.3.2 水文參數選取

水文條件作為決定水環境容量的重要因素之一，反映了水質保護目標的安全系數。根據柘溪水庫水文水質特性以及安化縣和新化縣水利局提供的水文監測數據，選取設計水文參數(表2)。根據DB 43023—2005《湖南省主要地表水系水環境功能區劃》，研究區域內資江水體主要功能為飲用水水源地保護區和漁業用水區，要求相應的水質標準分別執行GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的Ⅱ類和Ⅲ類水質標準。根據流域水環境功能區劃及國控斷面近期目標控制水質要求，確定坪口為國控斷面，水質控制目標為Ⅱ類，其余各控制斷面均為Ⅲ類。

表2 水文參數

注：年均流量為376.9 m3s。

2.3.3 計算結果

根據式(4)建立的水庫控制模型和選取的設計條件的各項水文參數，計算出柘溪水庫的總氮水環境容量為4 048.3 ta(表3)。

表3 水環境容量計算結果

Table 3 The calculation results of environmental capacity ta

表3 水環境容量計算結果

流域單元梅苑油溪坪口煙溪大壩東坪水環境容量1611 2339 7636 5881 2328 0251 7

2.4 畜禽養殖排污負荷核算

畜禽養殖污染源強采用《全國水環境容量核定技術指南》中推薦的折算方法和參數，把所有的畜禽養殖動物都折算成當量豬。根據流域污染源調查，研究區內豬存欄460 446頭、牛存欄55 978頭、羊存欄95 633只、雞存籠1 124 031羽，折算為約93.7萬頭當量豬。對于畜禽養殖總氮產生量核算可參考產排污系數法[18-20]：

Q=N×T×P

(5)

式中：Q為畜禽養殖污染物產生量，萬t；N為畜禽養殖飼養量，頭當量豬；T為飼養期，d；P為產排污系數，kgd。

研究表明[18]，每頭豬生長期內總氮排放量為3.4 kg。通過計算分析，柘溪水庫流域畜禽養殖散戶總氮排放量為2 149.1 ta，以安化段大壩控制區域總氮排放量最大，占全流域的41.2%(表4)。

表4 流域畜禽養殖污染負荷

3 排污許可設計方案

3.1 污染物入河量分析

根據研究區各污染物統計分析，流域內污染源可分為點源污染和非點源污染。點源污染包括城鎮生活集中污水處理設施污染和工業企業污染；非點源污染包括農村生活污染、畜禽養殖污染、農田徑流污染和水域內源污染。根據《湖南省水環境容量核算》相關研究成果，流域地形地貌特征，安化縣和新化縣統計年鑒，污染物排放現狀等相關資料可知流域污染負荷及其貢獻率(表5)，其中畜禽養殖貢獻率為25.3%。

表5 流域污染負荷及其貢獻率

3.2 安全臨界值的確定

安全臨界值(MOS)是指污染物負荷與受納水體水質之間的不確定數量[9,21]。依據國內經驗和美國國家環境保護局(US EPA)推薦方法[22-23]，安全臨界值一般取水體最大納污量的5%～10%。考慮到柘溪水庫目前總氮污染排放已大大超出其水環境容量，無法預留較大的安全余量，故安全臨界值取環境容量的5%。

3.3 數據分析

通過對比流域總氮入庫量及水環境容量，并結合畜禽養殖污染貢獻率，得到各控制單元規模化養殖環境容量(表6)。

表6 各控制區域規模化養殖環境容量

Table 6 Environmental capacity of large-scale farms in control areas ta

表6 各控制區域規模化養殖環境容量

河段流域單元控制區域環境容量畜禽養殖容量MOS養殖散戶總氮入河量規模化養殖環境余量新化段梅苑11611．2407．620．475．9311．3油溪2～6339．785．94．350．631．0坪口7～9636．5161．08．119．5133．4安化段煙溪10～12881．2222．911．1176．035．8大壩13～16328．083．04．2354．2-275．4東坪17～18251．763．73．2183．5-123．0

3.4 排污許可方案設計

3.4.1 基于行業排放限值的排污許可方案設計

基于行業排放限值的排污許可設計思路是依據行業總量控制發展而來，即在流域規模化畜禽養殖場等企業執行層面上，通過實施基于行業排放限值的排污許可調控措施，嚴格管控企業污染物排放行為，實現污染物達標排放管控目標。

根據流域水環境容量分析，在梅苑、坪口和煙溪3個流域，規模化畜禽養殖環境容量相對充足，流域內規模化養殖場按柘溪水庫地區畜禽養殖污染物排放標準排放污染物，分別占剩余水環境容量的3.0%、6.2%和24.1%。據此，對上述3個控制區域的流域實施基于行業排放限值的排污許可設計方案，結合柘溪水庫規模化養殖實際情況及流域規模化畜禽養殖環境容量控制目標，參考《畜禽養殖業污染物排放標準(征求意見稿)》，確定規模化畜禽養殖場總氮排放濃度限值為70.0 mgL。據此，對流域內的109家規模化畜禽養殖場，結合各場養殖量，確定污染物排放總量限值，以約束流域畜禽養殖污染排放。

根據畜禽養殖行業污染物排放標準，采用干清糞處理工藝，按照單位產品基準排水量為1.2 m3(百頭·d)，計算單位產品每年總氮排放量：

QTN=V排水×CTN×M100×365

(6)

式中：QTN為單位產品總氮排放量，kga；V排水為單位產品基準排水量，按1.2 m3(百頭·d)計；CTN為總氮排放濃度限值，mgL；M為規模化養殖場畜禽養殖量，頭當量豬。

基于行業排放限值設計畜禽梅苑、坪口和煙溪流域養殖業排污許可實施方案，流域內規模化畜禽養殖場污染物總氮排放量計算公式為：

QTN=0.31M

(7)

根據式(7)計算各控制區域規模化畜禽養殖場總氮排放限值，見表7。

表7 基于行業排放標準的規模化養殖場總氮排放限值

3.4.2 基于環境質量-容量總量的排污許可方案設計

依據流域水環境容量及規模化畜禽養殖污染負荷分析，參照污染源的環境屬性與經濟屬性，將流域污染物削減量具體分配到各規模化養殖場，并核定畜禽總氮排放濃度限值，為52.8 mgL；結合養殖總量，確定各養殖場污染物排放限值，約束各養殖場污染物排放，滿足流域水環境功能區劃及水環境容量總量控制要求，當排污許可調控措施及行政管理決策等滿足經濟技術可行性時，即可對產排污企業發放排污許可證。通過對污染企業實施更為嚴格的基于環境質量-容量總量控制的排放限值，降低各污染源排污總量，實現控制單元內污染物總量的調控，改善水環境質量。

根據式(6)，結合污染物濃度限值要求，基于行業排放限值設計畜禽養殖業排污許可，油溪流域內規模化畜禽養殖場污染物總氮排放量計算公式為：

QTN=0.23M

(8)

依據式(8)，計算油溪流域各控制區域規模化畜禽養殖場總氮排放限值(表8)。

表8 基于環境質量-容量總量的規模化養殖場總氮排放限值

3.4.3 畜禽養殖超容流域治理方案

由于大壩和東坪流域養殖散戶數量較多，畜禽養殖散戶總氮污染物排放入河量已然超出流域畜禽養殖水環境容量，流域規模化畜禽養殖場環境容量不能滿足養殖場排污需求，不適合規模化養殖場建設和運營。

為滿足流域改善環境質量與地區經濟發展的基本需求，首先，根據環境保護工作的需要，結合流域畜禽養殖現狀，參考《畜禽養殖污染物排放標準(征求意見稿)》，在國土開發密度較高、環境承載力開始減弱，或者環境容量較小、生態環境脆弱，容易發生嚴重環境污染問題，需要采取特別保護措施的地區或流域，應嚴格控制養殖場的污染物排放行為，即流域內228家規模化畜禽養殖場制定特殊的污染物排放限值，為40.0 mgL。按照特定水質標準制定排放限值，仍不能滿足水環境質量的要求，流域內畜禽養殖污染排放量分別超出環境容量的281.9和131.2 ta。據此，需要對上述超容流域嚴格控制畜禽養殖散戶飼養量，提高流域規模化養殖比例，完善畜禽污染治理措施，進而提升流域環境質量。

針對在上述環境容量不足的控制區域，提出2種治理方案，以減少環境污染壓力：方案一，在流域規模化養殖總量不變的情況下，參考環境容量削減養殖散戶飼養量，即大壩和東坪控制單元削減養殖量分別為20.7萬和9.7萬頭當量豬，可滿足流域水環境質量目標要求；方案二在流域畜禽養殖總量不變的情況下，提高流域規模化養殖比例，對散戶進行規模化整合，以滿足流域畜禽養殖環境容量要求，即大壩和東坪控制單元需要轉變為規模化畜禽養殖總量分別為6.1萬和4.4萬頭當量豬，約占流域散戶養殖總量的23.4%和32.7%(表9)。

表9 污染治理措施

4 結語

根據污染現狀調查分析，柘溪水庫畜禽養殖污染成因主要有：1)柘溪水庫流域內畜禽養殖業發展迅速，沿河區域養殖散戶多，分布廣，排放量大；2)規模化畜禽養殖場缺乏相應規范約束，糞污處理設施不完善，大量畜禽養殖污水排入水庫；3)多數沿河養殖戶直接將畜禽糞便沖入附近河流溝渠，造成庫區污染加劇；4)缺乏技術指導，沒有形成符合地區特點的治理模式。

通過分析柘溪水庫流域畜禽養殖環境容量與污染負荷之間的響應關系，提出針對不同流域環境容量和畜禽養殖污染現狀的排污許可實施方案與污染管控措施，即通過核定不同規模化畜禽養殖場養殖類型和養殖總量，結合不同子流域總氮排放限值及各規模化畜禽養殖場污染物排放貢獻率等，響應各控制區域排污許可設計方案，最終確定各規模化畜禽養殖場總氮污染物排放限值，頒發排污許可證，以約束污染物排放，改善流域水環境質量。

研究也存在不足之處，需要再進一步深入研究：1)未充分考慮流域之間的自然狀況、經濟發展等客觀因素，不能完全實現環境容量的公平分配；2)畜禽養殖污染核算中輸出系數、排泄系數、畜禽糞污中污染物含量等未考慮不同飼養周期、飼養方式和飼料使用所引起的差異。

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Design of discharge permit system of livestock and poultry breeding: a case study in Zhexi Reservoir Basin

JI Zhibo1, WANG Wenjie1, LIU Xiaofu1,2, XU Chao1, WANG ying1, BAI Yang1, QIU Wenting1, LUO Lei1
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster of Ministry of Education, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

As an effective environmental management instrument, the discharge permit system has certain restriction on pollutant discharge of point sources, especially of large-scale livestock and poultry breeding in the basin. The TN discharge from livestock and poultry breeding was studied in Zhexi Reservoir Basin. The water environmental capacity and the TN discharge load of livestock and poultry breeding were calculated on the small basin scale, and the response relationship between the environmental capacity of the river basin and the TN discharge of the livestock and poultry breeding determined according to the pollutant discharge contribution rates of different industries. The pollutant discharge limits and permit system program were identified according to the water environment capacity of large-scale livestock and poultry breeding for the basin, and the pollution control measures of livestock and poultry breeding under different environmental capacity targets were put forward.

discharge permit; livestock and poultry breeding; environmental capacity; discharge limits

2017-01-17

污染物總量控制技術體系、績效評估、宣傳教育與信息平臺建設(2025003006)

紀志博(1992—)，男，碩士研究生，主要從事非點源污染控制、環境遙感應用研究，jizb@craes.org.cn

*責任作者:王文杰(1970—)，男，研究員，博士，主要從事區域生態評價與規劃、環境遙感應用研究，wangwj@craes.org.cn

X522

1674-991X(2017)05-0621-08

10.3969j.issn.1674-991X.2017.05.086

紀志博，王文杰，劉孝富,等.流域畜禽養殖排污許可方案設計:以柘溪水庫為例[J].環境工程技術學報,2017,7(5):621-628.

JI Z B, WANG W J, LIU X F, et al.Design of discharge permit system of livestock and poultry breeding: a case study in Zhexi Reservoir Basin[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(5):621-628.