北京市混凝土攪拌站揚塵排放因子及排放清單

黃玉虎,韓凱麗,陳麗媛,祁麗榮,曲 松,李貝貝,秦建平*

北京市混凝土攪拌站揚塵排放因子及排放清單

黃玉虎1,韓凱麗1,陳麗媛2,祁麗榮3,曲 松1,李貝貝4,秦建平1*

(1.北京市環境保護科學研究院,國家城市環境污染控制工程技術研究中心,北京 100037；2.北京市環境保護局,北京 100044；3.北京生產力促進中心,北京 100088；4.首都師范大學資源環境與旅游學院,北京 100048)

為準確估算混凝土攪拌站揚塵排放清單,本研究綜合美國環保局和南加州的攪拌站揚塵排放因子,并在北京市典型攪拌站開展道路積塵負荷測試,建立了北京市攪拌站各生產環節及綜合揚塵排放因子.結合北京市攪拌站揚塵治理過程,估算北京市1991~2014年攪拌站揚塵排放清單,并預測2015~2020年排放清單.結果表明:北京市2015年攪拌站道路積塵負荷平均值為(26.2±11.5)g/m2,是南加州推薦值(11.0g/m2)的2.4倍;②1995年以前北京市攪拌站PM2.5綜合排放因子為86g/m3混凝土,第1季度混凝土產量月不均勻系數是其他季度的1/3,2015年PM2.5綜合排放因子相比1995年以前下降89.4%,場區道路揚塵排放占比由10%增加至70%;③《北京市2013~2017年清潔空氣行動計劃》實施后,2015年攪拌站揚塵PM2.5排放量下降至543.1t/a,相比2013年減排48.3%,其中清退無資質攪拌站對PM2.5減排的貢獻為18.6%;④攪拌站揚塵排放主要集中在五環至六環(52%),六環外排放量占總量的28%.未來北京市攪拌站揚塵減排工作應該著力于繼續清退無資質攪拌和加強場區道路清掃保潔.

混凝土攪拌站；揚塵；排放因子；排放清單

水泥混凝土是建設施工現場廣泛使用的一種材料,它由粗骨料、細骨料、水泥、礦物摻合劑、液體外加劑和水等原材料按照一定比例拌合而成[1].其中,粗細骨料、水泥與礦物摻合劑都含有一定比例的粉塵,因此混凝土生產過程會產生大量揚塵顆粒物[2-3].禁止在施工現場攪拌混凝土,改為在混凝土攪拌站生產預拌混凝土,可以大幅減少揚塵排放.減排的主要原因是攪拌站使用了低排放的散裝水泥[4],其次是攪拌站有利于集中治理揚塵污染.北京市空氣污染形勢十分嚴峻[5-8],2014年發布PM2.5源解析結果表明,揚塵占本地排放源的比例為14.3%[9],混凝土攪拌站是北京市一類典型揚塵源[10].攪拌站除了包括揚塵源排放,還包括加熱鍋爐排放和裝載機等非道路移動源排放,此外混凝土原材料和產品運輸過程排放的道路揚塵和機動車尾氣被納入城市道路揚塵和機動車尾氣排放清單,本文只研究攪拌站揚塵排放因子及排放清單.

美國約有75%的混凝土在攪拌站生產[11],北京市《綠色施工管理規程》(DB11/513-2015)[12]要求施工現場應使用預拌混凝土和預拌砂漿,砌筑、抹灰以及地面工程砂漿應當使用散裝預拌砂漿.美國大多數攪拌站將稱量好的混凝土原材料直接裝入罐車,混凝土在運輸過程中被充分拌合,最終運輸到施工現場使用.中國攪拌站通常在集中攪拌筒內拌合混凝土,然后將其裝入罐車運輸到施工現場使用.美國環保局(US EPA)的AP-42排放因子文件指出混凝土罐車拌合環節揚塵排放因子是集中拌合的2倍[11].由此可見,中國混凝土攪拌站揚塵排放控制水平已經接近或達到美國水平,但是《第一次全國污染源普查工業污染源產排污系數手冊(2007年版)》[13]沒有攪拌站的產排污系數,中國缺乏混凝土攪拌站揚塵排放因子研究成果,直接借鑒US EPA排放因子計算北京市攪拌站揚塵排放清單,其綜合排放因子適用性較差[10].本文將綜合US EPA和南加州空氣質量管理局(SCAQMD)的攪拌站揚塵排放因子[11,14],在北京市典型攪拌站開展道路積塵負荷測試,并對攪拌站的混凝土配方和貨運車輛數量及車重進行調研,建立北京市攪拌站各生產環節及綜合揚塵排放因子.結合北京市攪拌站揚塵治理過程,估算1991~2014年攪拌站揚塵排放清單,并預測2015~2020年排放清單.在此基礎上,回顧和預測評估預拌混凝土綠色生產管理規程的環境效益,為制訂新的攪拌站揚塵控制政策提供技術依據.

1 材料與方法

1.1 混凝土生產和揚塵排放環節

圖1是典型混凝土攪拌站的生產過程和揚塵排放環節[11],混凝土生產過程包括7個環節:①粗細骨料(石子和砂子等)從卡車轉移至料堆,②骨料從料堆轉移到傳送帶,③骨料從傳送帶轉移到筒倉,④水泥從罐車氣力輸送到筒倉,⑤礦物摻合劑從罐車氣力輸送到筒倉,⑥稱量斗裝載原材料(骨料、水泥和礦物摻合劑),⑦攪拌筒裝載與攪拌原材料.每個生產環節都會排放揚塵,加上⑧場區道路揚塵和⑨料堆風蝕揚塵,攪拌站共計有9個揚塵顆粒物排放環節,攪拌站顆粒物中還含有大量金屬顆粒物.

1.2 北京市攪拌站發展和治理過程

北京市目前最早的攪拌站建于1982年, 1982~1995年是攪拌站緩慢發展時期,全市1995年只有24家攪拌站;1996~2010年是攪拌站快速發展時期,《北京市第八階段控制大氣污染措施》要求“規劃市區、北京市經濟技術開發區自2002年5月開始,凡澆注混凝土量大于100m3的施工現場必須使用預拌混凝土,遠郊區縣城關鎮地區施工現場預拌混凝土使用率要達到80%以上”,全市2010年攪拌站數量達到165家.2000年以來,隨著北京市快速發展和建設,全市出現了65家無資質攪拌站,攪拌站數量接近230家.表1是北京市攪拌站揚塵治理過程,可以看出北京市攪拌站揚塵得到了有效治理.

圖1 典型混凝土攪拌站的生產過程和揚塵排放環節

表1 北京市攪拌站揚塵治理過程

1.3 北京市攪拌站活動水平

本文將北京市全社會房屋建筑施工面積和竣工面積[15]的差值定義為有效施工面積(),是估算施工現場混凝土用量的重要參數.將全市165家有資質攪拌站混凝土產量定義為(),本文利用北京市2012~2015年全市和建立混凝土用量系數=(0.345±0.029)(m3混凝土/m2有效施工面積),利用和北京市1991~2011年反推1991~2011年施工現場混凝土用量,假設2015-2020年全市有效施工面積保持不變.根據《關于加快預拌混凝土發展的若干意見》(建建[1996]93號)[16]、《北京市第八階段控制大氣污染措施》和《綠色施工管理規程》(DB11/513- 2015)[12]等文件,可估算北京市1991~2020年施工現場預拌混凝土使用率,進而估算北京市1991~ 2020年施工現場混凝土用量和攪拌站生產量(見圖2),2013年混凝土攪拌量達到峰值(約6000萬m3),薛亦峰等[10]對混凝土攪拌量的估算值約為本研究的40%,屬于過低估計,因為其只估算了建筑施工工地的混凝土使用量.攪拌站生產量可以劃分為有資質和無資質攪拌生產量,調研發現無資質攪拌站通常只有1臺1m3的攪拌機,有資質攪拌站通常有2臺3m3的攪拌機,可以假設每座無資質攪拌站產量約為有資質攪拌站的15%, 2013年無資質攪拌站生產量占比達到峰值(6%),另外假設北京市2020年基本沒有無資質攪拌站.

1.4 道路揚塵排放因子測試方法

圖2 北京市1991~2020年施工現場混凝土用量和攪拌站生產量

按照US EPA的道路積塵采樣和分析方法[17-18],在北京市選取5座攪拌站進行道路積塵采樣和分析,將攪拌站內外道路劃分為4類區域:攪拌站進口,社會道路進口,混凝土裝載區,骨料大棚進口.對在每類區域內利用吸塵器采集的200g道路塵進行篩分得到粒徑￡75μm的道路積塵[19],再除以采樣面積得到道路積塵負荷,將道路積塵負荷和其他參數代入公式(1)得到鋪裝道路揚塵排放因子[20].

[()0.91(/0.907)1.02](1-4) (1)

式中:為排放因子,g/VKT(車輛行駛1km);為粒徑系數,g/VKT;為道路積塵負荷,g/m2;為道路平均車重,t;為日降雨量大于0.254mm的天數,北京市2015年=82d;為所要計算時期的天數(1a=365d,1個月=30d).

2 結果與討論

2.1 攪拌站揚塵排放因子

US EPA的AP-42排放因子文件(2006年版)推薦了攪拌站各環節顆粒物排放因子[11],該文件存在3點不足:①缺少場區道路揚塵和料堆風蝕揚塵排放因子,只給出了排放因子公式;②部分控制措施缺少顆粒物排放因子;③整體缺少PM2.5排放因子.為解決上述不足,本文開展文獻調研和實測工作:①調研了早期AP-42排放因子文件(1995年版)得到非鋪裝道路揚塵和風蝕揚塵排放因子[21],擬采用其風蝕揚塵因子,并按照US EPA推薦的方法實測攪拌站道路揚塵因子[20];②擬采用SCAQMD推薦的骨料轉移和稱量斗裝載原材料揚塵控制效率(95%)[14];③擬采用2006年US EPA更新的骨料轉移和風蝕揚塵粒徑分布(PM2.5/PM10=0.15)[22-23]估算攪拌站各環節揚塵PM2.5排放因子,擬采用《工業污染物產生和排放系數手冊》中袋式除塵器顆粒物排放粒徑分布(PM2.5/PM10=3/7)[24].

2.1.1 場區道路揚塵排放因子 圖3是國內外攪拌站道路積塵負荷比較,可以看出,北京市攪拌站4類區域道路積塵負荷平均值分別為21.5, 24.5,25.0,33.7g/m2,骨料大棚進口約為其他區域的1.5倍;對攪拌站4類區域求平均值,得到北京市5座攪拌站的道路積塵負荷分別為9.5,18.9, 24.5,38.9,39.1g/m2,平均值為(26.2±11.5)g/m2,是SCAQMD推薦值(11.0g/m2)的2.4倍[14],是加州某環保攪拌站實測值(2.6g/m2)的10倍[25],是北京市鄉道積塵負荷(1.7g/m2)的17倍[26].

圖3 國內外攪拌站道路積塵負荷比較

對某攪拌站1個月內所有原材料車輛和混凝土罐車的數量及車重進行統計,得到不同類型車輛的空載和滿載車重信息(圖4),再根據常用混凝土(C30)的原材料配方,得到攪拌站進出車輛平均車重.表2是北京和美國混凝土配方(按1m3計算)對比情況,混凝土密度均約等于2.4t/m3,但北京配方中礦物摻合劑和水用量多于美國,水泥用量略少于美國.經計算,北京市攪拌站所有車輛空載和滿載平均車重分別為16.6和52.6t,所有車輛平均車重為34.6t,明顯大于SCAQMD推薦的空載車重(10.9t)和滿載車重(27.2t).根據北京市測試結果和SCAQMD推薦值,假設北京市1995、2000、2010、2015、2020和2030年攪拌站的道路積塵負荷分別為50,40,30,25,15, 5g/m2,代入公式(1)得到攪拌站鋪裝道路揚塵PM2.5排放因子分別為0.20,0.17,0.13,0.11,0.07, 0.03kg/VKT.

表2 國內外混凝土配方(按1m3計算)對比(kg)

2.1.2 各環節顆粒物排放因子 本文綜合US EPA、SCAQMD的攪拌站揚塵排放因子[11,14],并在北京市典型攪拌站開展道路積塵負荷測試,將道路積塵負荷測試數據代入公式(1)即US EPA推薦的道路揚塵排放因子公式得到場區道路揚塵排放因子,建立了北京市攪拌站各環節無控制措施的揚塵排放因子(表3).每個環節排放因子的單位不同,不利于對不同環節的排放貢獻進行比較,進而有針對性的提出控制措施,US EPA建議以混凝土產量為基準對各環節歸一化處理,然后加和得到攪拌站揚塵綜合排放因子.

2.1.3 顆粒物綜合排放因子 計算攪拌站揚塵綜合排放因子需在北京攪拌站調研以下各參數的平均值:①混凝土(C30)原材料配方;②混凝土罐車裝載量為(10.5±5.6)m3/輛,由①和②可知生產1000m3混凝土,進入攪拌站的各種車輛合計約127輛;③攪拌站場地面積為(1.61±1.04)萬m2,④車輛在攪拌站行駛距離為(333±144)m;⑤攪拌站混凝土生產量為(1013±811)m3/(d?站).表4是以混凝土產量為基準的攪拌站顆粒物綜合排放因子.

表3 混凝土攪拌站各環節無控制措施的揚塵排放因子

表4 混凝土攪拌站顆粒物綜合排放因子

圖5 北京市不同年份攪拌站PM2.5綜合排放因子

結合表1描述的北京市攪拌站揚塵治理過程,確定不同年份各環節排放控制效率,得到北京市不同年份攪拌站PM2.5綜合排放因子(見圖5).1995年以前攪拌站處于無控制狀況,PM2.5綜合排放因子為0.086kg/m3混凝土,水泥和礦物摻合劑輸送排放合計約占75%;2000年以后攪拌站開始治理揚塵,2010年以后攪拌站以場區道路揚塵為主,約占35%~70%.2015和2020年攪拌站PM2.5綜合排放因子相比1995年以前分別下降了89.4%和95.1%.攪拌站未來控制重點是場地道路揚塵,通過機械化清掃和提高清掃頻次來降低道路積塵負荷和道路揚塵排放.

2.2 攪拌站揚塵排放清單

攪拌站揚塵排放量等于混凝土生產量與攪拌揚塵排放因子的乘積,混凝土生產量包括有資質和無資質攪拌站混凝土生產量,揚塵排放因子為不同年份不同控制水平下的排放因子,其中年度排放因子以圖5的數據按內插法計算.本文計算北京市混凝土攪拌站揚塵排放清單時空分布特征及其不確定性.

2.2.1 時間分布特征 施工現場攪拌混凝土的揚塵排放一直處于無控制水平狀態,而無資質攪拌站的揚塵控制水平一直落后于有資質攪拌站5~10年.圖6是北京市1991~2020年攪拌站PM2.5排放量,可以看出施工現場攪拌混凝土PM2.5排放量呈現逐年快速下降趨勢,而攪拌站揚塵PM2.5呈現波浪上升和下降趨勢,隨著建設規模增加和預拌混凝土使用率提升,攪拌站揚塵排放量逐年增加,而無資質攪拌站的出現又一定程度增加了揚塵排放量.2007年攪拌站揚塵PM2.5排放量達到峰值(1488.3t/a),《預拌混凝土生產管理規程》[27]地方標準的實施為削減攪拌站揚塵排放量發揮了積極作用,2010年PM2.5排放量下降至661.7t/a,減排比例為56%.

圖6 北京市1991~2020年攪拌站PM2.5排放量

2013年攪拌站揚塵PM2.5排放量達到第二個峰值(1049.7t/a),排放量約為薛亦峰等[10]估算值的2倍,更加全面估算了北京市攪拌站揚塵排放清單,其中無資質攪拌站揚塵占14%.北京市制訂了《北京市2013-2017年清潔空氣行動計劃重點任務分解2014年工作措施》[28]和《預拌混凝土綠色生產管理規程》[29],通過清退無資質攪拌站和提高攪拌站揚塵治理水平,2015年攪拌站揚塵PM10和PM2.5排放量分別下降至1766.1和543.1t/a,相比2013年減排48.3%,其中清退無資質攪拌站對PM2.5減排的貢獻為18.6%.預測2017和2020年PM2.5排放量分別下降至525.7和233.4t/a.

根據北京市5家攪拌站2015年逐月混凝土產量,得到北京市攪拌站混凝土產量月不均勻系數(見表5和圖7),可以約等于揚塵排放月不均勻系數,1~3月是預拌混凝土生產淡季,月不均勻系數約為0.02~0.05,原因是第1季度包括冬季和春節,許多工地都處于停工狀態;4~12月是生產旺季,月不均勻性系數約為0.09~0.13,是第1季度的3倍.

表5 攪拌站混凝土產量月不均勻系數

圖7 攪拌站混凝土產量月不均勻系數

2.2.2 空間分布特征 圖8是北京市2015年攪拌站PM2.5排放量空間分布,包括有資質和無資質攪拌站.按環路位置劃分,四環內、四環~五環、五環~六環、六環外分別占0.4%、20.2%、51.5%和27.9%;按城市功能區劃分,城市功能拓展區、城市發展區、生態涵養發展區分別占47%、45%和8%.無資質攪拌站PM2.5占全市攪拌站排放量的11%,城市功能拓展區、城市發展區、生態涵養發展區分別占13%、71%和16%,主要出現在城市發展區.

圖8 北京市2015年攪拌站PM2.5排放量空間分布

2.2.3 不確定性分析 影響混凝土攪拌站揚塵排放清單的不確定性因素較多,包括活動水平不確定度和揚塵排放因子不確定度[30].魏巍等[31]推薦直接源于統計數據的活動水平不確定為±30%,攪拌站企業自下而上填報的活動水平數據(混凝土攪拌量)不確定度至少應為±30%;揚塵排放因子不確定度按表4中的排放因子等級及魏巍等推薦的不確定度來確定.采用蒙特卡羅不確定性分析方法對攪拌站揚塵排放清單潛在的不確定度進行量化.通過重復抽樣的方法,獲得排放清單的不確定性范圍(95%的置信區間),2015年北京市混凝土揚塵PM2.5的不確定性范圍為-242%~265%,究其原因是揚塵排放因子的不確定度較大.

3 結論

3.1 北京市典型攪拌站道路積塵負荷測試結果表明,骨料大棚進口處道路積塵負荷是其他區域的1.5倍,北京市2015年攪拌站道路積塵負荷為(26.2±11.5)g/m2,是SCAQMD推薦值(11.0g/m2)的2.4倍,是加州某環保攪拌站實測值(2.6g/m2)的10倍,是北京市鄉道積塵負荷(1.7g/m2)的17倍.

3.2 1995年以前北京市攪拌站處于無控制狀況,PM2.5綜合排放因子為0.086kg/m3混凝土,第1季度的排放月不均勻系數是其他季度的1/3, 2015年PM2.5綜合排放因子相比1995年以前下降89.4%,場區道路揚塵排放占比由10%增加至70%,場區道路清掃保潔是未來攪拌站揚塵治理重點.

3.3 2015年攪拌站揚塵PM2.5排放量下降至543.1t/a,相比2013年減排48%,其中清退無資質攪拌站對PM2.5減排的貢獻約為20%,預測2017和2020年PM2.5排放量分別下降至525.7和233.4t/a.

3.4 按環路位置劃分,攪拌站揚塵排放主要集中在五環~六環(52%)、六環外(28%),按城市功能區劃分,攪拌站揚塵排放主要集中在城市功能拓展區(47%)和城市發展區(45%).

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HUANG Yu-hu1, HAN Kai-li1, CHEN Li-yuan2, QI Li-rong3, QU Song1, LI Bei-bei4, QIN Jian-ping1*

(1.National Engineering Research Center of Urban Environmental Pollution Control, Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China；2.Beijing Municipal Environmental Protection Bureau, Beijing 100044, China；3.Beijing Productivity Center, Beijing 100088, China；4.Capital Normal University, College of Resource Environment and Tourism, Beijing 100048, China)., 2017,37(10)：3699~3707

In order to estimate the emission inventory for fugitive dust from concrete batching plants accurately, emission factors for fugitive dust from concrete batching plants in USEPA and SCAQMD were synthesized in this paper, and road silt loading were carried out in typical concrete batching plants in Beijing, emission factors for fugitive dust of production segments and comprehensive process from concrete batching plants were established in Beijing. Combining with fugitive dust managing process from concrete batching plants in Beijing, fugitive dust emission inventory from concrete batching plants in Beijing from 1991 to 2014 was estimated, and predicted for the year of 2015 to 2020. Results showed that the mean value of road silt loading of concrete batching plants is (26.2±11.5)g/m2in Beijing in 2015, which is 2.4 times as much as the value (11.0g/m2) recommended by SCAQMD. Fugitive dust from concrete batching plants in Beijing before 1995 was uncontrolled, the comprehensive emission factor of PM2.5was 86g/m3concrete, the uneven factor of monthly of production output of concrete batching plants in first quarter was 1/3 of other quarters. The comprehensive emission factor of PM2.5in 2015 was declined 89.4% compared with 1995, and proportion of plant fugitive road dust emission from plants in total emission was increased from 10% to 70%. After implementation of “Beijing’s Clean Air Action Plan from2013~2017”, PM2.5emission from concrete batching plants was fell to 543.1t/a and decreased by 48.3% in 2015 compared with 2013. The contribution of elimination of unqualified concrete batching plants to PM2.5emission reduction was 18.6%. Fugitive dust emission from concrete batching plants in Beijing concentrates on the fifth ring road to sixth ring road (52%), the emission amount of outside of sixth ring road account for 28% of total amount. In the future, eliminating unqualified concrete batching plants continuously and strengthening road sweep cleaning in plants should be the most important emission reduction efforts of concrete batching plants in Beijing.

concrete batching plant；fugitive dust；emission factor；emission inventory

X513

A

1000-6923(2017)10-3699-09

黃玉虎(1978-),男,江西景德鎮人,副研究員,碩士,主要從事大氣污染控制,揚塵顆粒物分析測試技術研究及應用方向的研究.發表論文34篇.

2017-02-10

國家質量基礎的共性技術研究與應用重點專項(2017YFF0211804);國家科技支撐計劃課題(2014BAC23B02)

* 責任作者, 工程師, qinjianping@cee.cn