北京市混凝土搅拌站扬尘排放因子及排放清单

黄玉虎,韩凯丽,陈丽媛,祁丽荣,曲 松,李贝贝,秦建平*

北京市混凝土搅拌站扬尘排放因子及排放清单

黄玉虎1,韩凯丽1,陈丽媛2,祁丽荣3,曲 松1,李贝贝4,秦建平1*

(1.北京市环境保护科学研究院,国家城市环境污染控制工程技术研究中心,北京 100037；2.北京市环境保护局,北京 100044；3.北京生产力促进中心,北京 100088；4.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048)

为准确估算混凝土搅拌站扬尘排放清单,本研究综合美国环保局和南加州的搅拌站扬尘排放因子,并在北京市典型搅拌站开展道路积尘负荷测试,建立了北京市搅拌站各生产环节及综合扬尘排放因子.结合北京市搅拌站扬尘治理过程,估算北京市1991~2014年搅拌站扬尘排放清单,并预测2015~2020年排放清单.结果表明:北京市2015年搅拌站道路积尘负荷平均值为(26.2±11.5)g/m2,是南加州推荐值(11.0g/m2)的2.4倍;②1995年以前北京市搅拌站PM2.5综合排放因子为86g/m3混凝土,第1季度混凝土产量月不均匀系数是其他季度的1/3,2015年PM2.5综合排放因子相比1995年以前下降89.4%,场区道路扬尘排放占比由10%增加至70%;③《北京市2013~2017年清洁空气行动计划》实施后,2015年搅拌站扬尘PM2.5排放量下降至543.1t/a,相比2013年减排48.3%,其中清退无资质搅拌站对PM2.5减排的贡献为18.6%;④搅拌站扬尘排放主要集中在五环至六环(52%),六环外排放量占总量的28%.未来北京市搅拌站扬尘减排工作应该着力于继续清退无资质搅拌和加强场区道路清扫保洁.

混凝土搅拌站；扬尘；排放因子；排放清单

水泥混凝土是建设施工现场广泛使用的一种材料,它由粗骨料、细骨料、水泥、矿物掺合剂、液体外加剂和水等原材料按照一定比例拌合而成[1].其中,粗细骨料、水泥与矿物掺合剂都含有一定比例的粉尘,因此混凝土生产过程会产生大量扬尘颗粒物[2-3].禁止在施工现场搅拌混凝土,改为在混凝土搅拌站生产预拌混凝土,可以大幅减少扬尘排放.减排的主要原因是搅拌站使用了低排放的散装水泥[4],其次是搅拌站有利于集中治理扬尘污染.北京市空气污染形势十分严峻[5-8],2014年发布PM2.5源解析结果表明,扬尘占本地排放源的比例为14.3%[9],混凝土搅拌站是北京市一类典型扬尘源[10].搅拌站除了包括扬尘源排放,还包括加热锅炉排放和装载机等非道路移动源排放,此外混凝土原材料和产品运输过程排放的道路扬尘和机动车尾气被纳入城市道路扬尘和机动车尾气排放清单,本文只研究搅拌站扬尘排放因子及排放清单.

美国约有75%的混凝土在搅拌站生产[11],北京市《绿色施工管理规程》(DB11/513-2015)[12]要求施工现场应使用预拌混凝土和预拌砂浆,砌筑、抹灰以及地面工程砂浆应当使用散装预拌砂浆.美国大多数搅拌站将称量好的混凝土原材料直接装入罐车,混凝土在运输过程中被充分拌合,最终运输到施工现场使用.中国搅拌站通常在集中搅拌筒内拌合混凝土,然后将其装入罐车运输到施工现场使用.美国环保局(US EPA)的AP-42排放因子文件指出混凝土罐车拌合环节扬尘排放因子是集中拌合的2倍[11].由此可见,中国混凝土搅拌站扬尘排放控制水平已经接近或达到美国水平,但是《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册(2007年版)》[13]没有搅拌站的产排污系数,中国缺乏混凝土搅拌站扬尘排放因子研究成果,直接借鉴US EPA排放因子计算北京市搅拌站扬尘排放清单,其综合排放因子适用性较差[10].本文将综合US EPA和南加州空气质量管理局(SCAQMD)的搅拌站扬尘排放因子[11,14],在北京市典型搅拌站开展道路积尘负荷测试,并对搅拌站的混凝土配方和货运车辆数量及车重进行调研,建立北京市搅拌站各生产环节及综合扬尘排放因子.结合北京市搅拌站扬尘治理过程,估算1991~2014年搅拌站扬尘排放清单,并预测2015~2020年排放清单.在此基础上,回顾和预测评估预拌混凝土绿色生产管理规程的环境效益,为制订新的搅拌站扬尘控制政策提供技术依据.

1 材料与方法

1.1 混凝土生产和扬尘排放环节

图1是典型混凝土搅拌站的生产过程和扬尘排放环节[11],混凝土生产过程包括7个环节:①粗细骨料(石子和砂子等)从卡车转移至料堆,②骨料从料堆转移到传送带,③骨料从传送带转移到筒仓,④水泥从罐车气力输送到筒仓,⑤矿物掺合剂从罐车气力输送到筒仓,⑥称量斗装载原材料(骨料、水泥和矿物掺合剂),⑦搅拌筒装载与搅拌原材料.每个生产环节都会排放扬尘,加上⑧场区道路扬尘和⑨料堆风蚀扬尘,搅拌站共计有9个扬尘颗粒物排放环节,搅拌站颗粒物中还含有大量金属颗粒物.

1.2 北京市搅拌站发展和治理过程

北京市目前最早的搅拌站建于1982年, 1982~1995年是搅拌站缓慢发展时期,全市1995年只有24家搅拌站;1996~2010年是搅拌站快速发展时期,《北京市第八阶段控制大气污染措施》要求“规划市区、北京市经济技术开发区自2002年5月开始,凡浇注混凝土量大于100m3的施工现场必须使用预拌混凝土,远郊区县城关镇地区施工现场预拌混凝土使用率要达到80%以上”,全市2010年搅拌站数量达到165家.2000年以来,随着北京市快速发展和建设,全市出现了65家无资质搅拌站,搅拌站数量接近230家.表1是北京市搅拌站扬尘治理过程,可以看出北京市搅拌站扬尘得到了有效治理.

图1 典型混凝土搅拌站的生产过程和扬尘排放环节

表1 北京市搅拌站扬尘治理过程

1.3 北京市搅拌站活动水平

本文将北京市全社会房屋建筑施工面积和竣工面积[15]的差值定义为有效施工面积(),是估算施工现场混凝土用量的重要参数.将全市165家有资质搅拌站混凝土产量定义为(),本文利用北京市2012~2015年全市和建立混凝土用量系数=(0.345±0.029)(m3混凝土/m2有效施工面积),利用和北京市1991~2011年反推1991~2011年施工现场混凝土用量,假设2015-2020年全市有效施工面积保持不变.根据《关于加快预拌混凝土发展的若干意见》(建建[1996]93号)[16]、《北京市第八阶段控制大气污染措施》和《绿色施工管理规程》(DB11/513- 2015)[12]等文件,可估算北京市1991~2020年施工现场预拌混凝土使用率,进而估算北京市1991~ 2020年施工现场混凝土用量和搅拌站生产量(见图2),2013年混凝土搅拌量达到峰值(约6000万m3),薛亦峰等[10]对混凝土搅拌量的估算值约为本研究的40%,属于过低估计,因为其只估算了建筑施工工地的混凝土使用量.搅拌站生产量可以划分为有资质和无资质搅拌生产量,调研发现无资质搅拌站通常只有1台1m3的搅拌机,有资质搅拌站通常有2台3m3的搅拌机,可以假设每座无资质搅拌站产量约为有资质搅拌站的15%, 2013年无资质搅拌站生产量占比达到峰值(6%),另外假设北京市2020年基本没有无资质搅拌站.

1.4 道路扬尘排放因子测试方法

图2 北京市1991~2020年施工现场混凝土用量和搅拌站生产量

按照US EPA的道路积尘采样和分析方法[17-18],在北京市选取5座搅拌站进行道路积尘采样和分析,将搅拌站内外道路划分为4类区域:搅拌站进口,社会道路进口,混凝土装载区,骨料大棚进口.对在每类区域内利用吸尘器采集的200g道路尘进行筛分得到粒径£75μm的道路积尘[19],再除以采样面积得到道路积尘负荷,将道路积尘负荷和其他参数代入公式(1)得到铺装道路扬尘排放因子[20].

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

式中:为排放因子,g/VKT(车辆行驶1km);为粒径系数,g/VKT;为道路积尘负荷,g/m2;为道路平均车重,t;为日降雨量大于0.254mm的天数,北京市2015年=82d;为所要计算时期的天数(1a=365d,1个月=30d).

2 结果与讨论

2.1 搅拌站扬尘排放因子

US EPA的AP-42排放因子文件(2006年版)推荐了搅拌站各环节颗粒物排放因子[11],该文件存在3点不足:①缺少场区道路扬尘和料堆风蚀扬尘排放因子,只给出了排放因子公式;②部分控制措施缺少颗粒物排放因子;③整体缺少PM2.5排放因子.为解决上述不足,本文开展文献调研和实测工作:①调研了早期AP-42排放因子文件(1995年版)得到非铺装道路扬尘和风蚀扬尘排放因子[21],拟采用其风蚀扬尘因子,并按照US EPA推荐的方法实测搅拌站道路扬尘因子[20];②拟采用SCAQMD推荐的骨料转移和称量斗装载原材料扬尘控制效率(95%)[14];③拟采用2006年US EPA更新的骨料转移和风蚀扬尘粒径分布(PM2.5/PM10=0.15)[22-23]估算搅拌站各环节扬尘PM2.5排放因子,拟采用《工业污染物产生和排放系数手册》中袋式除尘器颗粒物排放粒径分布(PM2.5/PM10=3/7)[24].

2.1.1 场区道路扬尘排放因子 图3是国内外搅拌站道路积尘负荷比较,可以看出,北京市搅拌站4类区域道路积尘负荷平均值分别为21.5, 24.5,25.0,33.7g/m2,骨料大棚进口约为其他区域的1.5倍;对搅拌站4类区域求平均值,得到北京市5座搅拌站的道路积尘负荷分别为9.5,18.9, 24.5,38.9,39.1g/m2,平均值为(26.2±11.5)g/m2,是SCAQMD推荐值(11.0g/m2)的2.4倍[14],是加州某环保搅拌站实测值(2.6g/m2)的10倍[25],是北京市乡道积尘负荷(1.7g/m2)的17倍[26].

图3 国内外搅拌站道路积尘负荷比较

对某搅拌站1个月内所有原材料车辆和混凝土罐车的数量及车重进行统计,得到不同类型车辆的空载和满载车重信息(图4),再根据常用混凝土(C30)的原材料配方,得到搅拌站进出车辆平均车重.表2是北京和美国混凝土配方(按1m3计算)对比情况,混凝土密度均约等于2.4t/m3,但北京配方中矿物掺合剂和水用量多于美国,水泥用量略少于美国.经计算,北京市搅拌站所有车辆空载和满载平均车重分别为16.6和52.6t,所有车辆平均车重为34.6t,明显大于SCAQMD推荐的空载车重(10.9t)和满载车重(27.2t).根据北京市测试结果和SCAQMD推荐值,假设北京市1995、2000、2010、2015、2020和2030年搅拌站的道路积尘负荷分别为50,40,30,25,15, 5g/m2,代入公式(1)得到搅拌站铺装道路扬尘PM2.5排放因子分别为0.20,0.17,0.13,0.11,0.07, 0.03kg/VKT.

表2 国内外混凝土配方(按1m3计算)对比(kg)

2.1.2 各环节颗粒物排放因子 本文综合US EPA、SCAQMD的搅拌站扬尘排放因子[11,14],并在北京市典型搅拌站开展道路积尘负荷测试,将道路积尘负荷测试数据代入公式(1)即US EPA推荐的道路扬尘排放因子公式得到场区道路扬尘排放因子,建立了北京市搅拌站各环节无控制措施的扬尘排放因子(表3).每个环节排放因子的单位不同,不利于对不同环节的排放贡献进行比较,进而有针对性的提出控制措施,US EPA建议以混凝土产量为基准对各环节归一化处理,然后加和得到搅拌站扬尘综合排放因子.

2.1.3 颗粒物综合排放因子 计算搅拌站扬尘综合排放因子需在北京搅拌站调研以下各参数的平均值:①混凝土(C30)原材料配方;②混凝土罐车装载量为(10.5±5.6)m3/辆,由①和②可知生产1000m3混凝土,进入搅拌站的各种车辆合计约127辆;③搅拌站场地面积为(1.61±1.04)万m2,④车辆在搅拌站行驶距离为(333±144)m;⑤搅拌站混凝土生产量为(1013±811)m3/(d∙站).表4是以混凝土产量为基准的搅拌站颗粒物综合排放因子.

表3 混凝土搅拌站各环节无控制措施的扬尘排放因子

表4 混凝土搅拌站颗粒物综合排放因子

图5 北京市不同年份搅拌站PM2.5综合排放因子

结合表1描述的北京市搅拌站扬尘治理过程,确定不同年份各环节排放控制效率,得到北京市不同年份搅拌站PM2.5综合排放因子(见图5).1995年以前搅拌站处于无控制状况,PM2.5综合排放因子为0.086kg/m3混凝土,水泥和矿物掺合剂输送排放合计约占75%;2000年以后搅拌站开始治理扬尘,2010年以后搅拌站以场区道路扬尘为主,约占35%~70%.2015和2020年搅拌站PM2.5综合排放因子相比1995年以前分别下降了89.4%和95.1%.搅拌站未来控制重点是场地道路扬尘,通过机械化清扫和提高清扫频次来降低道路积尘负荷和道路扬尘排放.

2.2 搅拌站扬尘排放清单

搅拌站扬尘排放量等于混凝土生产量与搅拌扬尘排放因子的乘积,混凝土生产量包括有资质和无资质搅拌站混凝土生产量,扬尘排放因子为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图5的数据按内插法计算.本文计算北京市混凝土搅拌站扬尘排放清单时空分布特征及其不确定性.

2.2.1 时间分布特征 施工现场搅拌混凝土的扬尘排放一直处于无控制水平状态,而无资质搅拌站的扬尘控制水平一直落后于有资质搅拌站5~10年.图6是北京市1991~2020年搅拌站PM2.5排放量,可以看出施工现场搅拌混凝土PM2.5排放量呈现逐年快速下降趋势,而搅拌站扬尘PM2.5呈现波浪上升和下降趋势,随着建设规模增加和预拌混凝土使用率提升,搅拌站扬尘排放量逐年增加,而无资质搅拌站的出现又一定程度增加了扬尘排放量.2007年搅拌站扬尘PM2.5排放量达到峰值(1488.3t/a),《预拌混凝土生产管理规程》[27]地方标准的实施为削减搅拌站扬尘排放量发挥了积极作用,2010年PM2.5排放量下降至661.7t/a,减排比例为56%.

图6 北京市1991~2020年搅拌站PM2.5排放量

2013年搅拌站扬尘PM2.5排放量达到第二个峰值(1049.7t/a),排放量约为薛亦峰等[10]估算值的2倍,更加全面估算了北京市搅拌站扬尘排放清单,其中无资质搅拌站扬尘占14%.北京市制订了《北京市2013-2017年清洁空气行动计划重点任务分解2014年工作措施》[28]和《预拌混凝土绿色生产管理规程》[29],通过清退无资质搅拌站和提高搅拌站扬尘治理水平,2015年搅拌站扬尘PM10和PM2.5排放量分别下降至1766.1和543.1t/a,相比2013年减排48.3%,其中清退无资质搅拌站对PM2.5减排的贡献为18.6%.预测2017和2020年PM2.5排放量分别下降至525.7和233.4t/a.

根据北京市5家搅拌站2015年逐月混凝土产量,得到北京市搅拌站混凝土产量月不均匀系数(见表5和图7),可以约等于扬尘排放月不均匀系数,1~3月是预拌混凝土生产淡季,月不均匀系数约为0.02~0.05,原因是第1季度包括冬季和春节,许多工地都处于停工状态;4~12月是生产旺季,月不均匀性系数约为0.09~0.13,是第1季度的3倍.

表5 搅拌站混凝土产量月不均匀系数

图7 搅拌站混凝土产量月不均匀系数

2.2.2 空间分布特征 图8是北京市2015年搅拌站PM2.5排放量空间分布,包括有资质和无资质搅拌站.按环路位置划分,四环内、四环~五环、五环~六环、六环外分别占0.4%、20.2%、51.5%和27.9%;按城市功能区划分,城市功能拓展区、城市发展区、生态涵养发展区分别占47%、45%和8%.无资质搅拌站PM2.5占全市搅拌站排放量的11%,城市功能拓展区、城市发展区、生态涵养发展区分别占13%、71%和16%,主要出现在城市发展区.

图8 北京市2015年搅拌站PM2.5排放量空间分布

2.2.3 不确定性分析 影响混凝土搅拌站扬尘排放清单的不确定性因素较多,包括活动水平不确定度和扬尘排放因子不确定度[30].魏巍等[31]推荐直接源于统计数据的活动水平不确定为±30%,搅拌站企业自下而上填报的活动水平数据(混凝土搅拌量)不确定度至少应为±30%;扬尘排放因子不确定度按表4中的排放因子等级及魏巍等推荐的不确定度来确定.采用蒙特卡罗不确定性分析方法对搅拌站扬尘排放清单潜在的不确定度进行量化.通过重复抽样的方法,获得排放清单的不确定性范围(95%的置信区间),2015年北京市混凝土扬尘PM2.5的不确定性范围为-242%~265%,究其原因是扬尘排放因子的不确定度较大.

3 结论

3.1 北京市典型搅拌站道路积尘负荷测试结果表明,骨料大棚进口处道路积尘负荷是其他区域的1.5倍,北京市2015年搅拌站道路积尘负荷为(26.2±11.5)g/m2,是SCAQMD推荐值(11.0g/m2)的2.4倍,是加州某环保搅拌站实测值(2.6g/m2)的10倍,是北京市乡道积尘负荷(1.7g/m2)的17倍.

3.2 1995年以前北京市搅拌站处于无控制状况,PM2.5综合排放因子为0.086kg/m3混凝土,第1季度的排放月不均匀系数是其他季度的1/3, 2015年PM2.5综合排放因子相比1995年以前下降89.4%,场区道路扬尘排放占比由10%增加至70%,场区道路清扫保洁是未来搅拌站扬尘治理重点.

3.3 2015年搅拌站扬尘PM2.5排放量下降至543.1t/a,相比2013年减排48%,其中清退无资质搅拌站对PM2.5减排的贡献约为20%,预测2017和2020年PM2.5排放量分别下降至525.7和233.4t/a.

3.4 按环路位置划分,搅拌站扬尘排放主要集中在五环~六环(52%)、六环外(28%),按城市功能区划分,搅拌站扬尘排放主要集中在城市功能拓展区(47%)和城市发展区(45%).

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Emission factor and inventory for fugitive dust from concrete batching plants in Beijing.

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

黄玉虎(1978-),男,江西景德镇人,副研究员,硕士,主要从事大气污染控制,扬尘颗粒物分析测试技术研究及应用方向的研究.发表论文34篇.

2017-02-10

国家质量基础的共性技术研究与应用重点专项(2017YFF0211804);国家科技支撑计划课题(2014BAC23B02)

* 责任作者, 工程师, qinjianping@cee.cn