铅蓄电池业重金属(铅)产污强度相关性分析

白卫南，姚扬，乔琦，张玥，孙启宏

中国环境科学研究院，国家环境保护生态工业重点实验室，北京 100012

铅蓄电池业重金属(铅)产污强度相关性分析

白卫南，姚扬，乔琦，张玥，孙启宏*

中国环境科学研究院，国家环境保护生态工业重点实验室，北京 100012

为了实施我国重金属污染防治规划，急需建立完善重点行业重金属产污强度准入的管理和评价方法。简要阐述了我国铅蓄电池行业发展中存在的问题，剖析了该行业主要工艺流程及产污节点，基于SPSS统计分析软件对废水和废气中铅的产生强度数据分别进行了相关性分析。结果表明，废水和废气中铅产生强度分别与用水强度等2个因子及废气排放强度等7个因子显著相关，其可作为企业铅产污强度的指示因子，为企业改进生产和管理水平、降低废水和废气铅的产生强度提供间接参考依据。此外，相关性分析结果为今后重金属产污强度评价指标体系的相关研究开拓了思路。

铅蓄电池;重金属;产污强度;相关性

随着我国工业化进程的加快，长期累积的重金属污染问题开始逐渐显露。由于具有在环境介质中极难降解以及易在生物链中富集的特点，重金属对人体健康和生态环境的潜在影响和危害是显而易见的。在我国《重金属污染综合防治“十二”五规划》中，铅是重点防控的5种重金属之一。作为铅排放重点行业之一，近年来铅蓄电池业“血铅”超标等铅污染事件时有发生，对行业发展和社会环境带来了较大的负面效应。2009年召开的全国污染防治工作会议上，明确提出今后将逐步探索建立产污强度准入制度，研究建立产污强度指标体系，更加科学有效地掌握和规范企业污染物的产生。因此，铅蓄电池行业铅产生强度的定量化相关性分析具有十分重要的现实意义和指导意义。

1 我国铅蓄电池业重金属污染问题分析

1.1 我国铅蓄电池行业发展问题简析

铅蓄电池的生产使用已有150多年的历史，由于其功率特性好、自放电小、高低温性能优越、回收技术成熟及廉价等优势，在二次电源中，铅蓄电池已占80%以上的市场份额［1］。据国家统计局数据显示，2009年以来，受国际、国内2个市场驱动，我国铅蓄电池行业呈现持续、快速增长的趋势，跃升为世界最大的铅蓄电池生产国、出口国和消费国。根据电池工业协会的统计，2010年，我国铅蓄电池产量为14 416．7万kVAh，占全球总产量的40%左右。“十一五”的5年间，中国铅蓄电池的产量和出口量平均每年以19．9%和22．8%的速度增长［2］。

针对我国铅蓄电池业普遍存在的行业准入门槛低、低水平重复建设、无序竞争及铅污染严重等问题［3|4］，2011年多部委联合开展铅蓄电池行业专项整治工作，随后出台了《铅蓄电池行业准入条件》等一系列规范性政策文件。截至2011年11月30日，作为我国产能最大的2个省份，江苏省和浙江省被关闭取缔及停产整治的铅蓄电池企业分别占到全省总数的79．3%和92．1%，短期整治成效显著。

据工业和信息化部行业数据显示，2012年我国铅蓄电池总产量为17 486．33万kVAh，较“十一五”末仍有小幅度增长。近几年我国“血铅超标事件”时有发生，鉴于其生产特点，铅蓄电池业在今后仍有可能引发重金属污染问题，尤其是铅污染会给我国资源环境和人体健康带来压力和一系列不稳定因素，妨碍我国可持续发展和生态文明的有效推进。

从生产的工艺环节和产排污节点来控制和管理企业的重金属产生和排放是防止重金属污染事件发生的有效方法和途径。目前我国关于铅蓄电池行业重金属污染物产生的研究仍主要停留在产排污节点的定性分析上，鲜有定量化的相关性分析研究。笔者通过识别废水和废气中与铅及其化合物相关的主要因子，以期为相关政府环境保护部门评判铅的产生情况提供有效参考，有针对性地指导相关企业加强日常生产协同管理，优化工艺环节，最大程度地削减铅产生量。

1.2 主流工艺及主要产污节点

目前我国铅蓄电池行业的生产工序主要为铅粉制造、铸板及铅零件制造、极板制造、极板化成、电池组装等;其中，极板制造又包括和膏、涂板、固化干燥3个工段。

除极板化成外，因产品生产要求不同，不同企业在其他各工序的使用方法有所差异，如铅粉制造分为球磨法和气相氧化法2种，涂板分为手工涂板和机械涂板等，但整体工艺流程及工段前后顺序是一致的。极板化成工序主要包括槽化成(也称外化成)和电池化成(也称内化成)2种。外化成是将生极板熟化后再进行电池组装和充电;内化成是先把极板装配成蓄电池，然后注入电解液化成。外化成是传统的化成方式，较内化成消耗更多的水，同时产生较多的硫酸雾［2］。

除含铅固体废物外，铅蓄电池业产生的主要特征污染物包括铅烟、铅尘、酸雾、含铅酸废水及地面冲洗水等［4|5］。

以外化成工艺为例，铅蓄电池业主要工艺流程及产污节点具体如表1及图1所示［6|7］。

表1 铅蓄电池业各主要工序产污节点及特征污染物［6］Table 1 Major links of pollutants generation and characteristic pollutants within industry of lead|acid battery

2 相关因子识别方法

相关性分析是对2个变量间的相关程度进行分析，用于描述2个变量间联系密切程度的方法。其反映了当控制其中1个变量的取值后，另1个变量的变异程度。相关性分析的显著特点是变量不分主次，被置于同等的地位［8］。

衡量相关性的参数为相关系数。根据数据特点，所采用的度量变量间相关程度的统计量会不同，相应的相关系数会有不同的表现形式。笔者拟采用具有线性关系双变量正态分布的Pearson(皮尔森)相关系数进行相关性分析，其基本计算公式为［9|10］:

图1 铅蓄电池业简要工艺流程及主要产污节点［7］Fig．1 Brief process flow chart and major pollutants generation links production within industry of lead|acid battery

式中，r为Pearson相关系数，r绝对值越高，则变量间相关程度越大;为变量X，Y的样本平均值; Xi，Yi为变量X，Y的第i个样本观察值。

为避免抽样误差的影响，需对相关分析结果进行假设检验，检验的零假设一般是总体中2个变量的相关系数为0，公式为［10］:

式中，t为假设检验统计量;n为样本数。

当t统计量的显著性概率P＞0．05时，2个变量间无显著相关关系;0．01＜P≤0．05时，2个变量间呈显著相关;P≤0．01时，2个变量间呈极显著相关。

相关性分析法已植入多种成熟的市场化的计算机软件中，如spss的相关性分析功能已在各学科领域得到了广泛的应用［8，10|11］。

3 数据分析

3.1 初选因子的确定

对废水和废气2种介质中的铅产生强度分别进行相关因子分析(由于废渣中铅的监测难度较大，在此不涉及)。从铅的产污节点考虑，综合铅蓄电池行业专家意见，筛选出企业生产中较易获得数据且可能与2种介质中铅的产生强度存在相关性的待分析因子各8个，如表2和表3所示。

表2 废水中铅产生强度相关性分析初选因子Table 2 Original selected factors for correlation analysis of lead generation intensity in waste water

表3 废气中铅产生强度相关性分析初选因子Table 3 Original selected factors for correlation analysis of lead generation intensity in waste gas

3.2 数据获得和处理

样本选自江苏、山东、安徽、河北、河南、江西及湖北等铅蓄电池行业大省，选取了55个规模不等(实际产能从几万到几百万kVAh)具有成熟生产工艺和较完善环保设施的铅蓄电池生产企业进行相关性分析。通过问卷调查和实地调研样本企业2011年废水和废气中铅的产生和16项初选因子资料，作为相关性分析的数据基础。

以企业单位产量废水和废气中产生的铅量分别作为废水和废气中铅产生强度(kg/万kVAh)，将16个初选因子总量数据比照企业的产量，分别得到废水和废气各8个相应的强度因子。

对55家铅蓄电池企业铅产生强度(分为废水和废气2部分)与16个相关因子数据利用软件SPSS 19．0进行标准化处理，再以2种介质中的铅产生强度分别和与其对应的8个强度因子作两两相关性分析，以Pearson相关系数和t统计量显著性水平概率为主要参考依据，识别铅产生强度主要影响因子。

根据分析结果，废水中铅产生强度及其强度因子相关性如表4所示，铅产生强度及其主要因子相关性如图2所示。

表4 废水中铅产生强度相关性分析Table 4 Correlation coefficients and significance levels of lead generation intensity in waste water

图2 废水中铅产生强度与其主要相关因子散点Fig．2 Scatter diagrams between generation intensity of lead and main related factors in waste water

废气中铅产生强度与初选因子相关性如表5所 示，产生强度及其主要因子相关性如图3所示。

表5 废气中铅产生强度相关性分析Table 5 Correlation coefficients and significance levels of lead generation intensity in waste gas

图3 废气中铅产生强度与其主要相关因子散点Fig．3 Scatter diagrams between lead generation intensity and main related factors in waste gas

3.3 结果分析

3.3.1 废水中铅产生强度相关性分析

由表4可知，在8个初选因子中只有用水强度和COD产生强度与废水中铅产生强度具有相关性，其中COD产生强度与铅产生强度呈极显著相关。

铅蓄电池行业主要废水产生环节为涂板工序的地面冲洗、化成工序的极板冲洗和地面冲洗、灌酸充电工序的地面冲洗和冷却(大容量电池灌酸充电时需要降温)、铅蓄电池冲洗;此外，还包括湿法除尘设施排放的含铅循环废水，厂区工人的淋浴水，工作服清洗水等［12］。铅及其化合物随着冲洗过程进入废水中，生产过程中的用水也主要发生在这几个环节，因此，单位产能的用水量越大，伴随进入废水中的铅及其化合物也就越多，即铅的产生强度也就越大，二者呈极显著相关。

从影响产污的因素来看，工艺的先进水平和企业生产的日常管理水平是导致不同企业间单位产量污染物产生量有所差异的主要原因，样本数据中COD的产生强度与废水中铅产生强度随之出现相对同步的变化趋势，二者呈极显著相关的统计分析结果。在一定程度上，COD产生强度可作为指示因子，用来评判铅蓄电池企业的工艺水平、管理现状及人员素质等对企业废水中铅产生强度有影响的因素水平高低，从而间接掌握废水中铅产生强度的实际情况。

3.3.2 废气中铅产生强度相关性分析

与废气中铅产生强度相关的8个初选因子中，除灌粉等其他工段废气排放强度与铅产生强度无显著相关外，其他7个初选因子均与铅产生强度显著相关，其中，化成工段废气排放强度为显著相关，其他6个初选因子均为极显著相关，均可作为废气中铅产生强度的指示因子。

铅蓄电池制造业硫酸雾产生环节包括化成工序、充放电工序2个关键点［12］。其中产生硫酸雾最主要的环节为化成工序，而化成按照工艺特点不同分为内化成和外化成2种。由于外化成用的极板需预先经化成槽化成、水洗和干燥，内化成无需该步骤，其工艺造成的污染大为减轻［2］。因此，工艺的差异是造成硫酸雾产生和排放强度不同的主要原因，同时工艺也是影响废气中铅产生强度水平高低的重要原因，工艺对硫酸雾和铅产生的共同影响决定了废气中铅产生强度与硫酸雾产生和排放强度具有较高的相关性。除工艺外，企业间的生产环境、管理水平及生产人员素质差异等因素也会对变量间的耦合相关性产生相应的影响和贡献。

4 结论

综上所述，企业在保证产品质量出厂要求的前提下，可通过采取相应措施减少生产用水强度，间接降低废水中铅产生强度。在不必要时为减少监测成本，企业和相关环境保护机构可以考虑将COD产生强度作为废水中铅产生强度的表征因子，通过采取一定改进措施，如提高工艺水平和生产效率、加强生产管理和员工环保意识等，控制和降低COD产生强度，间接达到削减废水中铅产生强度的目的。

铅蓄电池企业的废气排放强度，铅粉制造、板栅制造、极板分片打磨及化成等4个工段的废气排放强度，硫酸雾产生和排放强度等7个因子均可作为废气中铅产生强度的指示因子，为企业改进生产工艺水平、完善管理制度以及提高员工人员素质提供间接的参考和判断作用，从而有效地降低废气中铅产生强度。

此外，上述因子(废水和废气)作为“四同”(同一原材料、同一产品、同一工艺及同一规模)之外的与铅产生强度相关的因子，可以很好地作为企业铅产生水平的指示变量，为产污强度评价指标体系的研究建立提供了可能和思路。

［1］ 曾建军．中国铅酸蓄电池产业发展与未来［C］//2010中国首届铅锌高峰会．北京:中国铅蓄电池行业协会，2010．

［2］ 张新华，田珺，陈华，等．铅蓄电池行业重金属污染问题及防治对策［J］．污染防治技术，2013，26(3):33|35，47．

［3］ 孙晓峰．铅蓄电池行业重金属污染防治研究［J］．研究进展，2012(11):8|11，15．

［4］ 张丽娜，吉晟．铅蓄电池行业重金属污染控制技术研究［C］// 2012中国环境科学学会学术年会．北京:中国环境科学学会，2012．

［5］ 李平，魏立安，纪叶军，等．基于清洁生产的铅酸蓄电池行业节能减排途径探讨［J］．江西化工，2013(2):58|61．

［6］ 杨占亮，段力江．铅蓄电池行业环境保护要点［J］．交流与探讨，2013，1(50):15|18．

［7］ 王红梅，李金惠，席北斗，等．废电池处理处置现状及管理对策研究［M］．北京:中国环境出版社，2013．

［8］ 陈兵焱，陈友龙，李映颖．基于spss对试飞数据进行的相关性分析［J］．科技信息，2009(15):487，442．

［9］ 杜强，贾丽艳．spss统计分析从入门到精通［M］．北京:人民邮电出版社，2013:234|236．

［10］ 孙逸敏．利用spss软件分析变量间的相关性［J］．新疆教育学院学报，2007，23(2):120|123．

［11］ 吴海霞．spss在试卷相关性分析和再测信度计算中的应用［J］．电脑知识与技术，2008(增刊2):148|149．

［12］ 刘静．铅蓄电池生产企业现场环境监管要点解析［J］．环境保护，2011(18):52|54．○

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

环境保护公益性行业科研专项(201209009－3)

白卫南(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为环境管理、工业生态学，baiweinan13@126．com

*责任作者:孙启宏(1965—)，男，研究员，硕士，长期从事工业生态学、循环经济规划及清洁生产政策与标准研究，sunqh@craes．org．cn