基于等标污染负荷法对福建省工业主要废气污染物排放的分析与评价

陈兴涛

(福建省环境监测中心站,福州 350003)

福建省近年来加大了对有关大气污染方面的研究工作,从管控来看,主要的研究工作集中在大气的污染机理和来源等方面[1-3],蒋冬升[2]、黄艳艳[2]等人员利用福建省各设区市6 项常规大气污染物监测数据,分析福建省大气污染时空分布规律。方法多以空气站点的监测数据分析各大气污染物对环境的影响机制[4-6],如白亮[5]在考虑常规污染物、区域特征污染物以及不同污染物权重等情况下,开展福建省区域空气质量监测点位布设及空气质量的研究。缺少不同种类污染物对大气环境质量的差异性和工业来源的相关性分析。本文采用等标污染负荷法和单位产值等标污染负荷法分析了福建省工业废气污染物种类、地区、行业与工业的相关性分析,以客观的评价方法判定全省工业废气污染物的排放特征,为有针对性地提出环境管理和规划、减少工业废气污染物的排放量、改善环境空气质量提供技术参考。

1 评价方法

1.1 等标污染负荷法

为便于分析比较,本研究采用等标污染负荷法作为福建省工业主要废气污染物的排放特征污染状况的综合评价方法[7],评价因子选主要的废气污染物二氧化硫、氮氧化物、颗粒物和挥发性有机物。由于环境标准适用性的限制,目前等标污染负荷法仅适用于废水和废气污染物的评价[8-10],等标污染负荷法的主要计算公式[11]如下:

(1)某个污染源或行业的等标污染负荷

Pij=Cij/Coi·Qij=Mij/ Coi

式中:Pij为第j个污染源的第i种废气污染物的等标污染负荷;

Cij为第j个污染源的第i种废气污染物的排放浓度;

Coi为污染物的环境质量标准或排放标准;

Qij为第j个污染源的第i种废气排放量;

Mij为第j个污染源第i种污染物的总排放量。

(2)某评价区某个污染源或行业的总等标污染负荷

式中:Pi为污染源i排放或行业的总等标污染负荷。

(3)评价区或行业的总等标污染负荷

式中: Pn为某地区或行业所有污染源的总等标污染负荷。

(4)单位产值等标污染负荷

为了能将污染源对地区环境影响和经济发展水平进行相关分析,并综合评价其污染排放对地区发展的影响。需要将工业经济指标中的工业总产值与等标污染负荷进行联合计算得到新的派生指标单位产值等标污染负荷。单位产值等标污染负荷越大,说明某个地区或行业的污染排放对环境的影响越多,单位产值等标污染负荷的计算公式为:

式中:Pik为地区或行业各类污染物k的等标污染负荷;

Vkj为地区或行业各类污染物k的工业生产总值;

(5)等标负荷比

分别将污染物的等标负荷比、污染地区的等标负荷比、污染行业的等标负荷比进行排序,等标负荷比最大者分别为首要污染物、首要污染地区和首要污染行业。

等标负荷比的计算公式为:

Ki=Pi/P

Kn=Pn/P

式中,Ki为第i种污染物的等标负荷比;

Kn为第n个地区的等标负荷比;

Pi为污染源i排放或行业的总等标污染负荷;

Pn为某地区或行业所有污染源的总等标污染负荷;

P为总等标污染负荷。

最后,按照各污染物、各污染地区、各污染源以及污染行业的等标负荷比例大小进行排序和累计,就可以确定出本地区(或流域)内的主要污染物和主要污染源和主要污染行业[12]。

1.2 评价与分析方法

本文中的数据来源于2020年度福建省环境统计数据,包括工业污染源各项污染物排放量统计数据。本文中二氧化硫、氮氧化物、颗粒物参考GB 3095-2012《环境空气质量标准》(2018修改单)中的二级评价标准,挥发性有机物参考GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》。利用ArcGIS绘制空间分布图,运用SPSS和OriginPro对数据归一化处理后,再进行聚类分析,并完成热图分析。

2 结果与分析

2.1 污染物种类

2020年福建省主要工业废气污染物等标污染负荷结果见表1。由计算结果可知,福建省主要工业废气中主要污染物等标污染负荷排序为氮氧化物>二氧化硫>颗粒物>挥发性有机物,其中氮氧化物的等标污染负荷最大,负荷比达到65.63%,其次为二氧化硫,二者累积负荷比达89.13%。由此可以判断,福建省工业废气污染的首要污染物为氮氧化物。

表1 福建省主要工业废气污染物等标污染负荷

2.2 地区特征分析

工业污染源废气污染物排放的区域特征主要是以福建省“九市一区”的行政分布进行分析。2020年福建省工业废气四种主要污染物在区域的分布特征如表2所示。福建省工业废气污染物等标污染负荷主要集中在福州市、泉州市、三明市、龙岩市、漳州市这5个城市,其累计负荷比达84.7%,而宁德市、南平市、莆田市、厦门市、平潭综合实验区的等标污染负荷较小。福州市废气污染负荷最大,占福建省的23.1%;其次是泉州市,占比21.9%。因此,全省工业源废气污染的首要地区是福州市,是防治的重点。

表2 福建省各地区重点工业污染源废气污染物等标污染负荷

从各地区工业废气的各污染物等标污染负荷来看,福建省二氧化硫的排放主要集中在福州市、泉州市、三明市、漳州市和龙岩市,其累计负荷比达81.4%;氮氧化物的排放主要集中在福州市、泉州市、三明市、龙岩市、漳州市,其累计负荷比达86.1%;颗粒物的排放主要集中在龙岩市、福州市、三明市、泉州市、漳州市,其累计负荷比达83.4%;挥发性有机物的排放主要集中在宁德市、泉州市、福州市、南平市,其累计负荷比达77.4%。这四种污染物的重点贡献地区都有福州市和泉州市,且排名均靠前。

而从单位产值等标污染负荷的计算结果来看,地区的污染负荷排序发生了较大变化,单位产值等标污染负荷排在前5位的是三明市、平潭综合实验区、龙岩市、福州市和泉州市这5个城市。其中平潭综合实验区和三明市,福州市和泉州市变化最为明显,平潭综合实验区因工业产值较低,由第十位上升为第二位;三明市等标污染负荷由第三位上升到第一位;福州市和泉州市的等标污染负荷分别由第一位、第二位下降至单位产值等标污染负荷的第四位和第五位。主要在于等标污染负荷与污染物排放总量呈线性相关关系,而单位产值等标污染负荷加入了经济水平因素的影响,根据表3当年度工业污染治理完成的投资来看,如泉州等虽然工业治理投资最高但是占GDP的比例却不是全省最高;而三明市的工业治理投资仅为全省第三位,但是占GDP的比例却是全省最高。这就反映了地方对污染治理水平的差异,因此污染负荷强度大而工业污染治理投入少的地区应作为当地环境治理的重点。

表3 2020福建各地工业污染治理完成投资及GDP占比情况

为了直观分析福建省各地区各项主要工业废气污染物的等标污染负荷情况,利用OriginPro制作热图,对不同地区的数据进行归一化处理后,再进行可视化聚类分析。热图中颜色越接近红色,等标污染负荷相对值越高;颜色越接近白色,表示等标污染负荷相对值越低。

由图1可以看出二氧化硫、氮氧化物和颗粒物相对集中在福州市和泉州市,这两个地区也是福建省经济和工业最发达的城市;厦门市和平潭综合实验区的颜色较浅,主要是两地的产业布局相对是旅游与服务业较发达,因此废气污染负荷相对较低。颗粒物较大的是龙岩市,主要是龙岩有水泥行业的聚群特性。

图1 福建省各地区各废气污染物等标污染负荷热图

挥发性有机物最高的是宁德市,由于近年来宁德市大力发展新能源电池行业,宁德时代新能源科技股份有限公司和宁德新能源科技有限公司的挥发性有机物的排放占全省前列,有其行业特殊性。

2.3 行业特征分析

2020年福建省主要行业重点工业污染源废气污染物等标污染负荷如表4和表5所示。非金属矿物制品业、电力、热力生产和供应业、黑色金属冶炼和压延加工业以及石油、煤炭及其他燃料加工业是福建省工业废气污染物排放的主体,这四个行业的累计负荷比占81.7%,其中非金属矿物制品业占39.8%。因此,福建省工业源废气污染的首要行业是非金属矿物制品业。二氧化硫排放的重点行业首先是非金属矿物制品业,其次是电力、热力生产和供应业以及黑色金属冶炼和压延加工业,三者累计负荷比达62.3%。氮氧化物排放的重点行业首先是非金属矿物制品业,其次是电力、热力生产和供应业以及黑色金属冶炼和压延加工业,三者累计负荷比达82.9%。颗粒物排放的重点行业首先是非金属矿物制品业,其次是黑色金属冶炼和压延加工业以及电力、热力生产和供应业,三者累计负荷比达69.1%。挥发性有机物排放的重点行业首先是电气机械和器材制造业,其次是化学原料和化学制品制造业以及橡胶和塑料制品业,三者累计负荷比达59.0%。二氧化硫、氧化物、颗粒物3种污染物的重点贡献行业都有非金属矿物制品业,且贡献率均较高;而挥发性有机物的重点贡献行业是电气机械和器材制造业。

表4 福建省主要行业重点工业污染源废气污染物等标污染负荷

表5 福建省主要行业重点工业废气单位产值等标污染负荷及行业占比

单位产值等标污染负荷排在前3位的是非金属矿物制品业,电力、热力生产和供应业,以及煤炭开采和洗选业。其中由于煤炭开采和洗选业的工业产值在全省所有行业中除黑色金属矿采选业、开采专业及辅助性活动、仪器仪表制造业以及水的生产和供应业外最低,使得其单位产值等标污染负荷增加较明显。全省非金属矿物制品业,电力、热力生产和供应业,煤炭开采和洗选业,废弃资源综合利用业,非金属矿采选业,黑色金属冶炼和压延加工业以及造纸和纸制品业,这7个行业的单位产值等标污染负荷超过平均水平,废气污染物排放强度偏大。

3 等标污染负荷的聚类分析

为了能较好地评价福建省整体的污染特征,需要对各区域的等标污染负荷有一定的归类与整理。因而选取SPSS中聚类方法为组间联接法,设置度量标准为欧式距离计算,结果见图2。由图2可知,当等标污染负荷距离为10时,将福建省10个地区可以按主要工业废气等标污染负荷强弱程度的相似性,分为三个类型:程度较重地区福州市、泉州市、三明市、龙岩市和漳州市,这些地区都是工业企业多,工业发达的城市;中等的地区是南平市、莆田市、厦门市和平潭综合实验区,这些地区的工业产业规模小;宁德市主要是挥发性有机物高,与其他城市的污染物的等标负荷不同,而单独归第三类,属于单项污染物突出类。

图2 福建省各地区各废气污染物等标污染负荷谱系图

4 结论

(1) 采用等标污染负荷评价方法,能较好地说明福建省工业废气污染的主要污染物、主要污染地区及主要污染行业,对主要污染物总量削减和工业企业污染治理具有参考意义。

(2) 2020年福建省工业废气污染物中,氮氧化物的等标污染负荷最大,是工业废气污染的首要污染物,需列为重点污染物进行治理。

(3) 2020年福建省工业废气污染物等标污染负荷主要分布在福州市、泉州市、三明市、龙岩市、漳州市这5个地区,其中福州市和泉州市的等标污染负荷和单位产值等标污染负荷都位居全省前列,反映其排放强度大。

(4)对比2020年福建省各行业工业废气污染物等标污染负荷,其中较大的行业是非金属矿物制品业,电力、热力生产和供应业以及黑色金属冶炼和压延加工业,是工业废气污染物二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放的主体,而电气机械和器材制造业是挥发性有机物排放的主要行业;这四个行业的单位产值等标污染负荷都较大,是今后环境管理规划和总量削减和管控中的重点方向。

(5) 采用聚类分析方法,可将福建省的主要工业废气污染物等标污染负荷分为三类:第一类为程度较重地区,福州市、泉州市、三明市、龙岩市和漳州市;第二类为中等地区,南平市、莆田市、厦门市和平潭综合实验区;第三类为单项污染突出类,宁德市。