鶴壁市大氣揮發性有機物源排放清單研究

范西彩,張新民,張曉紅,高志鳳,趙文娟,馬琳琳 (.山西師范大學地理科學學院,山西 臨汾 04000；.中國環境科學研究院,環境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 000)

揮發性有機物(VOCs)指在標準狀態下飽和蒸氣壓較高(標準狀態下大于13.33Pa)、沸點較低、分子量小、常溫狀態下易揮發的有機化合物.包括烷烴、烯烴、芳香烴、炔烴的C2～C12 非甲烷碳氫化合物(Nonmethane hydrocarbons, NMHCs),醛、酮、醇、醚、酯、酚等C1～C10 含氧有機物(Oxygenated Volatile Organic Compounds),鹵代烴(Halogenated hydrocarbons),含氮有機化合物(Organic nitrates),含硫有機化合物(Organic sulfur)等幾類152 種化合物[1].目前,以O3和PM2.5為特征的大氣復合污染是我國大氣環境改善面臨的突出問題[2-4],VOCs 作為PM2.5和O3的重要前體物[5-7],也是“十三五”控制的重點,實現VOCs 減排首先要掌握污染源排放VOCs 的總量,因此通過建立清單來識別污染來源,開展區域污染模擬研究對制定相應的減排策略也具有重要意義[8-10].歐美、日韓國家已建立了相應的大氣污染源排放清單技術系統[11-12];我國大氣污染源排放清單起步較晚, 2000 年以后才迅速發展[13],2014 年原環境保護部發布了一系列大氣污染源排放清單編制技術指南,相關學者也從不同尺度對VOCs 源排放特征進行研究.許多學者對國家[14-16]、地區[17-25]、城市[26-31]的VOCs源排放清單進行研究.目前國內外清單研究大多采用排放系數法[32-38],且排放系數多借鑒美國 AP-42 手冊或歐盟CORINAIR.

清單研究中活動水平數據的獲取,一般采用“自上而下”的方法[13-15,39-40],也有部分采用“自下而上”與“自上而下”相結合的方法[24,30,41-44].由于“自下而上”的方法存在數據獲取難度高、工作量大等特點,較少用于大尺度清單數據的研究.但該方法具有詳細準確等特點,應用于小尺度城市研究可以提高清單的科學性和可靠性.河南省鶴壁市作為大氣重污染成因與治理攻關項目“2+26”的重點城市之一,O3和PM2.5污染突出,研究其VOCs 源排放清單,不僅可支持鶴壁市的空氣污染防治,也可為“2+26”城市環境空氣質量管理提供關鍵的數據支撐.鑒于鶴壁市城市規模較小,清單的準確性至關重要.因此,采用“自下而上”的方法獲取活動水平數據,并通過鶴壁市統計局大口徑數據“自上而下”進行校驗,建立了2017 年鶴壁市VOCs 排放清單,并從VOCs 排放總體特征、空間分布、行業構成等角度對清單進行分析,以期為鶴壁市及京津冀區域大氣復合型污染防治與管控提供理論依據.

1 研究方法

清單以2017 年為基準年,研究區覆蓋整個鶴壁市行政范圍,包括三區(山城區、鶴山區、淇濱區),兩縣(浚縣、淇縣).清單編制主要參照《大氣揮發性有機物源排放清單編制技術指南》(公告2014 年第55 號)[1]、《道路機動車大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》[45]、《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》[46]、《生物質燃燒源大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》[47]中推薦的各類VOCs 源排放系數值,采用排放系數法進行清單編制研究,計算公式如下:

Ei為污染物i 的排放量,A 為污染源活動水平數據,EFi為i 污染物排放系數.

1.1 污染源排放活動水平

各類污染源活動水平數據采取“自下而上”方法獲取,通過與鶴壁市生態環境局、統計局、工信局、商務局等22 個局委對接數據需求,并下發調研表格收集詳細的污染源活動水平數據,收集內容包括各企業的經緯度坐標、原輔材料用量、生產工藝過程及產品產量等信息,活動水平數據關乎到清單質量,所以采取三級質控的方式以提高活動水平數據的準確性.因此,首先依據經驗判斷收集到的活動水平數據質量,對于存疑的企業直接電話查證;其次是利用鶴壁市統計局往年數據“自上而下”對總量進行核算和驗證,存疑的地方會通過電話或者對接會逐一進行;第三是選取一些生產規模較大的企業、存疑的企業進行現場調研和復核.經過上述步驟確定各類污染源的活動水平,共包括1919 家工業企業、25.2萬輛機動車、319 家加油站、9674 個餐飲灶頭.

化石燃料固定燃燒源包括煤、煤氣、天然氣、液化石油氣,活動水平為鶴壁市該類燃料的消費量;工藝過程源包含涂料油墨、膠黏劑制造業、合成纖維制造業、醫藥制造業、化學產品制造業、合成樹脂制造業等,其活動水平為產品的產量;溶劑使用源的活動水平為產品產量或涂料、油墨、膠黏劑及其他溶劑的使用量;儲存和運輸源主要包含汽油、柴油的儲存和運輸,其活動水平是加油站或油庫油品的年銷售量和存儲量;廢棄物處理源的活動水平主要涉及城鎮污水和生活垃圾處理過程中排放的VOCs;移動源的活動水平包括了機動車保有量、年均行駛里程,同時還涉及不同的車型、車齡等;生物質燃燒源的活動水平包括生物質(秸稈)露天燃燒、生物質燃料(秸稈和薪柴)燃燒.

1.2 排放系數

溶劑使用源、工藝過程源、移動源、餐飲油煙及其他排放源的排放系數主要來自《大氣揮發性有機物排放清單編制技術指南(試行)》[48],受篇幅限制,該部分的排放系數此處不在一一贅述.根據鶴壁市VOCs 排放的實際現狀,結合文獻調研等相關內容,民用燃燒部分的液化石油氣、廢棄物處理源和薪柴生物質燃燒的排放系數引自魏巍[14],天然氣部分的排放系數引自Zhang 等[15],此外,加油站柴油排放系數引用Fu 等[49],該部分的排放系數具體來源詳見表1.

表 1 來自文獻的排放系數列表Table 1 The emission factors from the papers

2 結果與分析

2.1 總體排放特征

圖1 鶴壁市2017 年VOCs 污染源排放量及其占比Fig.1 The VOCs emissions amount from different air pollution sources and ratio of Hebi in 2017

研究建立的鶴壁市2017 年VOCs 源排放清單包含1919 家工業企業、25.2 萬輛機動車、319 家加油站、9674 個餐飲灶頭,VOCs 排放總量為8829.7t.其中工藝過程源的排放量最大為(3052.5t),占總VOCs 排放量的32%;其次為移動源(2712.8t)和溶劑使用源(1447.1t),分別占VOCs 排放總量的29%和15%;餐飲油煙等其他排放源、化石燃料固定燃燒源、儲存運輸源、生物質燃燒源和廢棄物處理源,在VOCs 總排放占比均低于6%,且廢棄物處理源(72.6t),占比不足1%,詳見圖1 和表2.

表2 鶴壁市2017 年VOCs 排放清單Table 2 The VOCs emission inventory of Hebi in 2017

續表2

2.2 空間分布特征

圖2 鶴壁市VOCs 排放量空間分布Fig.2 Spatial distribution of VOCs emissions in Hebi

鶴壁市500m×500mVOCs 源排放清單空間分布(圖2),可以看出鶴壁市VOCs 源排放存在著明顯的空間分布特征.浚縣的VOCs 排放總量(3444.0t)最大,顯著高于鶴壁市其他區縣;而淇濱區(1519.4t)、山城區(1516.0t)和淇縣(1103.8t)的VOCs 排放量比較接近,鶴山區(1041.9t)的VOCs 排放量最小;其次不同源類也存在顯著的空間分布特征,通過建立2km×2km的固定源網格化分布,繪制出鶴壁市VOCs空間分布圖(圖3).由圖3 可知:工藝過程源在浚縣、鶴山區、山城區VOCs 排放構成中占比最高,化石燃料固定燃燒源在山城區和淇縣VOCs 排放構成中占比較高;溶劑使用源排放占比在淇濱區和浚縣較高;道路移動源和儲存運輸源則在淇濱區占比最高,這與淇濱區的地理位置緊鄰京港澳高速公路和107 國道密切相關,而且鶴壁市人民政府也在淇濱區,人口密度大,車流量大.此外VOCs 排放構成與國家經濟技術開發區、寶山工業園區、黎陽產業聚集區等分布的地理位置比較吻合.從VOCs 空間分布的總體特征來看,浚縣VCOs 總排放量最大,且工藝過程源、道路移動源、餐飲油煙等其他排放源中占比較高,淇縣的各類VOCs 源排放占比相對較為均衡,山城區VOCs 排放量最小,工藝過程源是其主要的排放源.

圖3 鶴壁市VOCs 排放源空間分布Fig.3 Spatial distribution of VOCs emissions source in Hebi

2.3 主要來源

基于鶴壁市VOCs 源排放清單可以看出,機動車、建材冶金、化學制品制造的VOCs 排放量較大,詳見圖4.機動車的VOCs 排放量最大(1932.0t),其次是建材冶金行業(903.6t)、化學制品制造(829.6t)、VOCs 排放量大于500t 的排放源還包括非道路移動源、橡塑、餐飲油煙、建筑涂料.其中,工業涂裝行業的VOCs 排放量相對較少,僅為382.1t.

圖4 鶴壁市VOCs 主要排放源Fig.4 The main pollution sources emission VOCs in Hebi

2.4 排放對比

為客觀評價鶴壁市VOCs 源排放水平,選取焦作市、省會鄭州市[50-51]進行對比,鄭州市VOCs 污染源排放量在河南省占比最大,占比為16%,焦作市與鶴壁市同為煤炭資源型城市,且VOCs 排放量相近,在全省占比介于1%～6%[52].如表3 所示,鶴壁市區域面積、GDP 值、VOCs 排放總量均為三市最小.其中,焦作市VOCs 排放量是鶴壁市的3 倍,鄭州市是鶴壁市的近11 倍,焦作市單位面積VOCs 排放量是鶴壁市的近2倍,鄭州市單位面積VOCs 排放量是鶴壁市的3 倍;單位GDP 的VOCs 排放量焦作市和鄭州市僅是鶴壁市的1 倍左右.結果表明,鶴壁市的VOCs 排放總量較小,僅占鄭州市VOCs 排放量的1/11、焦作市的1/3;鶴壁市的GDP 總值占鄭州市的1/10、焦作市的1/3.但鶴壁市單位面積VOCs 排放量較大,是鄭州市的1/3、焦作市的1/2;且鶴壁市單位GDP 的VOCs 排放量與鄭州市和焦作市非常接近.說明鶴壁市的VOCs排放總量雖然較低,但其單位GDP、單位面積的VOCs 排放量較高,仍然需要加大減排力度.

表3 鶴壁市與其他城市VOCs 排放水平對比Table 3 The comparison of VOCs emission levels between Hebi and other cities

3 不確定性分析

清單的不確定性因素主要包括活動水平數據的不確定性和排放系數的不確定性.①在活動水平數據獲取方面,本研究中工藝過程源主要來自環境統計數據等,數據來源較為全面;移動源主要來自于地方統計年鑒及部門統計數據,數據來源可靠,但道路移動源部分參數難以獲取,如機動車行駛里程、不同車型的平均速度等.因此會與實際水平有所偏差,且非道路移動源中有些活動水平數據沒有納入統計;化石燃料固定燃燒源的民用燃燒源部分按照面源來進行統計,與實際數據會有所偏差.總體看,經過三級質控后活動水平的不確定性較低.②排放系數方面,本研究選取國內外研究中常用的排放系數,總體不確定性較低.但由于地域性差異,不同企業的不同生產工藝控制水平等,也是造成排放清單不確定性的原因之一.選取清單不確定性分析的常用方法Monte Carlo 方法[53-55]對本清單進行不確定性分析,將清單中八類排放源所涉及的1271 組(工藝過程源、溶劑使用源及存儲運輸源的數據量大于300)VOCs 排放數值作為一個獨立的輸入值,利用Monte Carlo 模擬將所有數值放在個體概率密度函數上運行10000 次,計算出相應的輸出值,當輸出值的平均值不再變化時,結束重復計算,得出不同排放源的不確定范圍.計算結果如表4 所示.

表4 鶴壁市VOCs 排放清單不確定性Table 4 The uncertainties of VOCs emission inventory in Hebi

在主要的VOCs 排放源中,工藝過程源的不確定度較低,這與活動數據準確全面有關;移動源中道路移動源的部分活動水平數據難以獲取,如機動車.行駛里程、不同車型的平均速度等,通過引用參考應用指南的推薦值,也會造成與當地實際水平有所差異;化石燃料固定燃燒源中的民用燃燒源部分按照面源來統計,有些活動水平數據獲取不全面,與實際數據會有所偏差.但從不確定性分析結果看,清單的不確定度均在置信范圍之內,整體可信度較高.

4 結論

4.1 通過排放系數法與“自下而上”的活動水平收集方法,建立了鶴壁市1919 家工業企業、25.2 萬輛機動車、319 家加油站、9674 個餐飲灶頭的2017年VOCs 源排放清單.通過Monte Carlo 法,驗證了該清單的結果在可置信范圍內,具有較強的科學性和可信度.

4.2 鶴壁市VOCs 排放總量為8829.7t.從源類來看,工藝過程源的排放量最大,占總VOCs 排放量的32%;其次為移動源和溶劑使用源,分別占VOCs 排放總量的29%和15%;從空間分布來看,浚縣的VOCs 排放量最大,其次為淇濱區、山城區和淇縣,鶴山區排放量最小.

4.3 通過與河南省省會鄭州市、同為煤炭資源型城市焦作市對比,結果表明,鶴壁市的VOCs排放總量雖然較低,但是單位GDP及單位面積排放量較高,仍需要加大VOCs減排力度.結合鶴壁市VOCs排放清單,建議重點加強工藝過程源和移動源的減排,如建材冶金、化學制品制造、橡塑及機動車等,此外還應關注餐飲油煙、工業生物質鍋爐等行業的VOCs排放,空間減排重點放在浚縣、鶴山區和淇濱區的交匯地帶.