基于等標污染負荷法對福建省工業主要廢氣污染物排放的分析與評價

陳興濤

(福建省環境監測中心站,福州 350003)

福建省近年來加大了對有關大氣污染方面的研究工作,從管控來看,主要的研究工作集中在大氣的污染機理和來源等方面[1-3],蔣冬升[2]、黃艷艷[2]等人員利用福建省各設區市6 項常規大氣污染物監測數據,分析福建省大氣污染時空分布規律。方法多以空氣站點的監測數據分析各大氣污染物對環境的影響機制[4-6],如白亮[5]在考慮常規污染物、區域特征污染物以及不同污染物權重等情況下,開展福建省區域空氣質量監測點位布設及空氣質量的研究。缺少不同種類污染物對大氣環境質量的差異性和工業來源的相關性分析。本文采用等標污染負荷法和單位產值等標污染負荷法分析了福建省工業廢氣污染物種類、地區、行業與工業的相關性分析,以客觀的評價方法判定全省工業廢氣污染物的排放特征,為有針對性地提出環境管理和規劃、減少工業廢氣污染物的排放量、改善環境空氣質量提供技術參考。

1 評價方法

1.1 等標污染負荷法

為便于分析比較,本研究采用等標污染負荷法作為福建省工業主要廢氣污染物的排放特征污染狀況的綜合評價方法[7],評價因子選主要的廢氣污染物二氧化硫、氮氧化物、顆粒物和揮發性有機物。由于環境標準適用性的限制,目前等標污染負荷法僅適用于廢水和廢氣污染物的評價[8-10],等標污染負荷法的主要計算公式[11]如下:

(1)某個污染源或行業的等標污染負荷

Pij=Cij/Coi·Qij=Mij/ Coi

式中:Pij為第j個污染源的第i種廢氣污染物的等標污染負荷;

Cij為第j個污染源的第i種廢氣污染物的排放濃度;

Coi為污染物的環境質量標準或排放標準;

Qij為第j個污染源的第i種廢氣排放量;

Mij為第j個污染源第i種污染物的總排放量。

(2)某評價區某個污染源或行業的總等標污染負荷

式中:Pi為污染源i排放或行業的總等標污染負荷。

(3)評價區或行業的總等標污染負荷

式中: Pn為某地區或行業所有污染源的總等標污染負荷。

(4)單位產值等標污染負荷

為了能將污染源對地區環境影響和經濟發展水平進行相關分析,并綜合評價其污染排放對地區發展的影響。需要將工業經濟指標中的工業總產值與等標污染負荷進行聯合計算得到新的派生指標單位產值等標污染負荷。單位產值等標污染負荷越大,說明某個地區或行業的污染排放對環境的影響越多,單位產值等標污染負荷的計算公式為:

式中:Pik為地區或行業各類污染物k的等標污染負荷;

Vkj為地區或行業各類污染物k的工業生產總值;

(5)等標負荷比

分別將污染物的等標負荷比、污染地區的等標負荷比、污染行業的等標負荷比進行排序,等標負荷比最大者分別為首要污染物、首要污染地區和首要污染行業。

等標負荷比的計算公式為:

Ki=Pi/P

Kn=Pn/P

式中,Ki為第i種污染物的等標負荷比;

Kn為第n個地區的等標負荷比;

Pi為污染源i排放或行業的總等標污染負荷;

Pn為某地區或行業所有污染源的總等標污染負荷;

P為總等標污染負荷。

最后,按照各污染物、各污染地區、各污染源以及污染行業的等標負荷比例大小進行排序和累計,就可以確定出本地區(或流域)內的主要污染物和主要污染源和主要污染行業[12]。

1.2 評價與分析方法

本文中的數據來源于2020年度福建省環境統計數據,包括工業污染源各項污染物排放量統計數據。本文中二氧化硫、氮氧化物、顆粒物參考GB 3095-2012《環境空氣質量標準》(2018修改單)中的二級評價標準,揮發性有機物參考GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》。利用ArcGIS繪制空間分布圖,運用SPSS和OriginPro對數據歸一化處理后,再進行聚類分析,并完成熱圖分析。

2 結果與分析

2.1 污染物種類

2020年福建省主要工業廢氣污染物等標污染負荷結果見表1。由計算結果可知,福建省主要工業廢氣中主要污染物等標污染負荷排序為氮氧化物>二氧化硫>顆粒物>揮發性有機物,其中氮氧化物的等標污染負荷最大,負荷比達到65.63%,其次為二氧化硫,二者累積負荷比達89.13%。由此可以判斷,福建省工業廢氣污染的首要污染物為氮氧化物。

表1 福建省主要工業廢氣污染物等標污染負荷

2.2 地區特征分析

工業污染源廢氣污染物排放的區域特征主要是以福建省“九市一區”的行政分布進行分析。2020年福建省工業廢氣四種主要污染物在區域的分布特征如表2所示。福建省工業廢氣污染物等標污染負荷主要集中在福州市、泉州市、三明市、龍巖市、漳州市這5個城市,其累計負荷比達84.7%,而寧德市、南平市、莆田市、廈門市、平潭綜合實驗區的等標污染負荷較小。福州市廢氣污染負荷最大,占福建省的23.1%;其次是泉州市,占比21.9%。因此,全省工業源廢氣污染的首要地區是福州市,是防治的重點。

表2 福建省各地區重點工業污染源廢氣污染物等標污染負荷

從各地區工業廢氣的各污染物等標污染負荷來看,福建省二氧化硫的排放主要集中在福州市、泉州市、三明市、漳州市和龍巖市,其累計負荷比達81.4%;氮氧化物的排放主要集中在福州市、泉州市、三明市、龍巖市、漳州市,其累計負荷比達86.1%;顆粒物的排放主要集中在龍巖市、福州市、三明市、泉州市、漳州市,其累計負荷比達83.4%;揮發性有機物的排放主要集中在寧德市、泉州市、福州市、南平市,其累計負荷比達77.4%。這四種污染物的重點貢獻地區都有福州市和泉州市,且排名均靠前。

而從單位產值等標污染負荷的計算結果來看,地區的污染負荷排序發生了較大變化,單位產值等標污染負荷排在前5位的是三明市、平潭綜合實驗區、龍巖市、福州市和泉州市這5個城市。其中平潭綜合實驗區和三明市,福州市和泉州市變化最為明顯,平潭綜合實驗區因工業產值較低,由第十位上升為第二位;三明市等標污染負荷由第三位上升到第一位;福州市和泉州市的等標污染負荷分別由第一位、第二位下降至單位產值等標污染負荷的第四位和第五位。主要在于等標污染負荷與污染物排放總量呈線性相關關系,而單位產值等標污染負荷加入了經濟水平因素的影響,根據表3當年度工業污染治理完成的投資來看,如泉州等雖然工業治理投資最高但是占GDP的比例卻不是全省最高;而三明市的工業治理投資僅為全省第三位,但是占GDP的比例卻是全省最高。這就反映了地方對污染治理水平的差異,因此污染負荷強度大而工業污染治理投入少的地區應作為當地環境治理的重點。

表3 2020福建各地工業污染治理完成投資及GDP占比情況

為了直觀分析福建省各地區各項主要工業廢氣污染物的等標污染負荷情況,利用OriginPro制作熱圖,對不同地區的數據進行歸一化處理后,再進行可視化聚類分析。熱圖中顏色越接近紅色,等標污染負荷相對值越高;顏色越接近白色,表示等標污染負荷相對值越低。

由圖1可以看出二氧化硫、氮氧化物和顆粒物相對集中在福州市和泉州市,這兩個地區也是福建省經濟和工業最發達的城市;廈門市和平潭綜合實驗區的顏色較淺,主要是兩地的產業布局相對是旅游與服務業較發達,因此廢氣污染負荷相對較低。顆粒物較大的是龍巖市,主要是龍巖有水泥行業的聚群特性。

圖1 福建省各地區各廢氣污染物等標污染負荷熱圖

揮發性有機物最高的是寧德市,由于近年來寧德市大力發展新能源電池行業,寧德時代新能源科技股份有限公司和寧德新能源科技有限公司的揮發性有機物的排放占全省前列,有其行業特殊性。

2.3 行業特征分析

2020年福建省主要行業重點工業污染源廢氣污染物等標污染負荷如表4和表5所示。非金屬礦物制品業、電力、熱力生產和供應業、黑色金屬冶煉和壓延加工業以及石油、煤炭及其他燃料加工業是福建省工業廢氣污染物排放的主體,這四個行業的累計負荷比占81.7%,其中非金屬礦物制品業占39.8%。因此,福建省工業源廢氣污染的首要行業是非金屬礦物制品業。二氧化硫排放的重點行業首先是非金屬礦物制品業,其次是電力、熱力生產和供應業以及黑色金屬冶煉和壓延加工業,三者累計負荷比達62.3%。氮氧化物排放的重點行業首先是非金屬礦物制品業,其次是電力、熱力生產和供應業以及黑色金屬冶煉和壓延加工業,三者累計負荷比達82.9%。顆粒物排放的重點行業首先是非金屬礦物制品業,其次是黑色金屬冶煉和壓延加工業以及電力、熱力生產和供應業,三者累計負荷比達69.1%。揮發性有機物排放的重點行業首先是電氣機械和器材制造業,其次是化學原料和化學制品制造業以及橡膠和塑料制品業,三者累計負荷比達59.0%。二氧化硫、氧化物、顆粒物3種污染物的重點貢獻行業都有非金屬礦物制品業,且貢獻率均較高;而揮發性有機物的重點貢獻行業是電氣機械和器材制造業。

表4 福建省主要行業重點工業污染源廢氣污染物等標污染負荷

表5 福建省主要行業重點工業廢氣單位產值等標污染負荷及行業占比

單位產值等標污染負荷排在前3位的是非金屬礦物制品業,電力、熱力生產和供應業,以及煤炭開采和洗選業。其中由于煤炭開采和洗選業的工業產值在全省所有行業中除黑色金屬礦采選業、開采專業及輔助性活動、儀器儀表制造業以及水的生產和供應業外最低,使得其單位產值等標污染負荷增加較明顯。全省非金屬礦物制品業,電力、熱力生產和供應業,煤炭開采和洗選業,廢棄資源綜合利用業,非金屬礦采選業,黑色金屬冶煉和壓延加工業以及造紙和紙制品業,這7個行業的單位產值等標污染負荷超過平均水平,廢氣污染物排放強度偏大。

3 等標污染負荷的聚類分析

為了能較好地評價福建省整體的污染特征,需要對各區域的等標污染負荷有一定的歸類與整理。因而選取SPSS中聚類方法為組間聯接法,設置度量標準為歐式距離計算,結果見圖2。由圖2可知,當等標污染負荷距離為10時,將福建省10個地區可以按主要工業廢氣等標污染負荷強弱程度的相似性,分為三個類型:程度較重地區福州市、泉州市、三明市、龍巖市和漳州市,這些地區都是工業企業多,工業發達的城市;中等的地區是南平市、莆田市、廈門市和平潭綜合實驗區,這些地區的工業產業規模小;寧德市主要是揮發性有機物高,與其他城市的污染物的等標負荷不同,而單獨歸第三類,屬于單項污染物突出類。

圖2 福建省各地區各廢氣污染物等標污染負荷譜系圖

4 結論

(1) 采用等標污染負荷評價方法,能較好地說明福建省工業廢氣污染的主要污染物、主要污染地區及主要污染行業,對主要污染物總量削減和工業企業污染治理具有參考意義。

(2) 2020年福建省工業廢氣污染物中,氮氧化物的等標污染負荷最大,是工業廢氣污染的首要污染物,需列為重點污染物進行治理。

(3) 2020年福建省工業廢氣污染物等標污染負荷主要分布在福州市、泉州市、三明市、龍巖市、漳州市這5個地區,其中福州市和泉州市的等標污染負荷和單位產值等標污染負荷都位居全省前列,反映其排放強度大。

(4)對比2020年福建省各行業工業廢氣污染物等標污染負荷,其中較大的行業是非金屬礦物制品業,電力、熱力生產和供應業以及黑色金屬冶煉和壓延加工業,是工業廢氣污染物二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放的主體,而電氣機械和器材制造業是揮發性有機物排放的主要行業;這四個行業的單位產值等標污染負荷都較大,是今后環境管理規劃和總量削減和管控中的重點方向。

(5) 采用聚類分析方法,可將福建省的主要工業廢氣污染物等標污染負荷分為三類:第一類為程度較重地區,福州市、泉州市、三明市、龍巖市和漳州市;第二類為中等地區,南平市、莆田市、廈門市和平潭綜合實驗區;第三類為單項污染突出類,寧德市。