烏昌石區域的非金屬礦物制品業大氣污染物排放清單研究*

蔡寧寧 王寶慶 胡新鑫 王 晴 劉博薇 牛宏宏

(南開大學環境科學與工程學院，天津 300350)

烏昌石區域地處絲綢之路北通道的核心地帶，具有重要的地緣戰略地位和區位發展優勢[1]，是2013年國家發展和改革委員會公布的17個重點培育區域之一[2]，包括烏魯木齊市、石河子市、昌吉市、阜康市、五家渠市、呼圖壁縣、瑪納斯縣和沙灣縣5市3縣[3]。隨著大量產業的興起和發展，烏昌石區域的生態環境遭到了破壞，大氣污染物的排放量逐漸增加[4-5]。

2015年，新疆維吾爾自治區工業生產總值增加2 740.71億元，其中烏昌石區域占據的比例達到40.82%。烏昌石區域非金屬礦物制品業企業有915家，其工業廢氣排放量高[6]。據報道，2013 年石河子市SO2排放總量為56 459.66 t，NOx為61 980.57 t[7]；2014年昌吉市SO2排放總量為9.83×103t，NOx為9.75×103t[8]；2014年烏魯木齊市SO2日均排放質量濃度為0.024 mg/m3，NO2為0.057 mg/m3，PM10為0.143 mg/m3[9]；2014年五家渠市SO2日均排放質量濃度為0.020 mg/m3，NO2為0.030 mg/m3，PM10為0.095 mg/m3[10]。

大氣污染物排放清單是識別污染來源、支撐空氣質量預報預警和制定減排及控制方案的重要基礎[11],[12]35,[13]。20世紀90年代初，美國環境保護署開創性地建立了美國的大氣污染物排放清單，制定了完備的編制規范和方法。2003年，賀克斌等[14]在中國首次建立了北京市城八區的高分辨率大氣污染物排放清單。SHAHBAZI等[15]基于地理信息系統(GIS)建立了德黑蘭固定源和移動源的污染物排放清單。劉慧琳等[16]建立了廣西省的工業源排放清單。

當前，在中國京津冀[17-18],[19]3683,[20-21]、長三角[22-24]和珠三角[25-26]區域已建立較為完善的大氣污染物排放清單，烏昌石區域的相關研究還很欠缺。祝婕等[27]2014年建立了烏魯木齊市的PM2.5排放清單，發現PM2.5排放總量約為4 631.16 t，其中非金屬礦物制品業排放量達到196.49 t。之前，對非金屬礦物制品業的研究基本只關注其中的水泥行業[12]34,[19]3684,[28-29]。

本研究調查收集了烏昌石區域非金屬礦物制品業的具體行業(玻璃、玻璃料、電石、混凝土配料、瀝青混凝土、石灰、熟石膏、水泥(干法)、水泥(濕法)、陶瓷黏土/瓷磚生產和磚瓦及建筑砌塊等行業)的活動水平數據，建立整個烏昌石區域(由于瑪納斯縣和沙灣縣數據缺失，本研究暫不考慮這兩個縣)的高分辨率網格的SO2、CO、NOx、PM2.5和PM10等污染物的全面排放清單，分析其時空分布特征，并利用蒙特卡羅方法進行不確定性分析，為烏昌石區域大氣環境規劃和污染物減排提供依據。

1 估算方法

本研究采用排放因子法對污染物的排放量進行估算，計算公式如下：

E=A×EF×(1-η)

(1)

式中：E為污染物排放量，kg；A為工藝過程的活動水平，t；EF為排放因子，kg/t；η為污染控制技術對污染物的去除效率，%。

以烏昌石區域非金屬礦物制品業的產品年產量作為活動水平數據，由企業填報后統計得到。

去除效率以企業填報數據為基礎，部分缺失的烏魯木齊市數據從《2015年烏魯木齊統計年鑒》獲取，其余地區數據從《2015年新疆統計年鑒》獲取。

排放因子數據及來源如表1所示。

2 結果與討論

2.1 排放清單分析

烏昌石區域非金屬礦物制品業CO、NOx、SO2、PM2.5和PM10的總排放量分別為3.71×104、2.76×104、3.10×104、3.04×104、1.29×105t。

圖1為烏昌石區域不同市縣非金屬礦物制品業對各污染物排放量的貢獻率。整體來看，烏魯木齊市對大氣污染物的排放貢獻最大，呼圖壁縣最小。對于CO，排放貢獻率最大的是烏魯木齊市，為94.02%；對于NOx，烏魯木齊市和石河子市的排放貢獻率較大，分別達到42.27%、38.59%；對于SO2，排放貢獻率最大的是烏魯木齊市，為52.70%；對于PM2.5和PM10，排放貢獻率最大的均是石河子市，分別為38.53%、36.53%。烏魯木齊市是烏昌石區域的核心城市，非金屬礦物制品業企業數量較多，因此污染物的排放量較大；石河子市水泥行業產量較大，使得石河子市的PM2.5和PM10排放量最大；昌吉市、呼圖壁縣的非金屬礦物制品業企業較少，因此污染物排放量較小。

圖1 不同市縣對污染物排放量的貢獻率Fig.1 Contribution rate of different cities or counties to pollutants emission

表1 非金屬礦物制品業大氣污染物的排放因子

注：1)采用新型干法窯；2)采用除新型干法窯外的其他窯；3)數據來自文獻[30]；4)數據來自文獻[31]；5)數據來自文獻[32]；6)數據來自文獻[33]；7)數據來自文獻[34]；8)數據來自文獻[35]。

表2為烏昌石區域非金屬礦物制品業不同行業對各污染物排放量的貢獻率。CO排放貢獻率最大的行業是熟石膏行業，貢獻率為51.05%，其次是石灰行業，貢獻率為25.01%；NOx排放貢獻率最大的行業是水泥(干法)，貢獻率為67.96%，其次是混凝土配料行業，貢獻率為24.92%；SO2排放貢獻率最大的是水泥(干法)行業，貢獻率為46.87%，其次是混凝土配料行業，貢獻率為39.25%；PM2.5和PM10排放貢獻率均是水泥(干法)行業最大，貢獻率分別高達88.82%、86.80%。烏昌石區域非金屬礦物制品業中，混凝土配料和水泥(干法)行業是產量最大的行業，年產量分別達到716萬、1 395萬t。水泥生產工藝包括生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨3個步驟，其中粉磨階段會產生大量粉塵從而造成污染物排放，而混凝土配料行業在裝卸和攪拌階段也會產生大量的粉塵造成污染物大量排放。

2.2 污染物排放時空分布特征

2.2.1 時間分布特征

根據企業填報的每月活動水平數據分析污染物的每月排放特征(見圖2(a))；根據文獻[36]中的小時分配系數，結合新疆地區的生活作息習慣延后2 h，由此分析污染物的小時排放特征(見圖2(b))。

烏昌石區域11月至次年3月為漫長寒冷的冬季，非金屬礦物制品業停產， 4月至10月恢復生產，是污染物排放的高峰期，特別是正常生產時的5月至9月。小時排放特征受當地居民生活作息時間影響較大，11：00至20：00是當地居民的工作時間，因此污染物排放較多；而3：00至8：00僅有少部分輪班制企業處于工作，因此有污染物排放但排放量較少。

表2 不同行業對污染物排放量的貢獻率

圖2 污染物排放時間分布特征Fig.2 Temporal distribution characteristics of pollutants emission

2.2.2 空間分布特征

利用ArcGIS空間分析工具得到 178家企業的污染物排放量分布地圖，如圖3所示。

由圖3可知，烏昌石區域非金屬礦物制品業污染物排放企業主要集中在烏魯木齊市中部、西南部，石河子市的污染物排放企業的污染物排放量也較高。CO排放量最高的企業是烏魯木齊市的建材企業，PM2.5和PM10排放量最高的企業是五家渠市的建材企業，NOx和SO2排放量最高的企業分別是石河子市和阜康市的水泥企業。

圖3 污染物排放空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of pollutants emission

表3 不確定性分析結果

2.3 不確定性分析

本研究的不確定性主要來自活動水平數據和排放因子。活動水平數據由企業自行填報，可能存在漏報或錯報的情況；排放因子來自不同的文獻，在可比性和烏昌石區域的適用性上存在不確定性。由表2可知，石灰、水泥(干法)、熟石膏和混凝土配料4個行業的污染物排放量的貢獻較大，因此采用蒙特卡羅模擬法[37]重點對這4個具體行業污染物排放量進行不確定性分析，結果如表3所示。4個行業的污染物排放量不確定性均較為接近。

3 結 論

(1) 烏昌石區域非金屬礦物制品業的CO、NOx、SO2、PM2.5和PM10總排放量分別為3.71×104、2.76×104、3.10×104、3.04×104、1.29×105t。

(2) 烏魯木齊市是最大的CO、NOx和 SO2排放貢獻源，石河子市是最大的PM2.5和PM10排放貢獻源。水泥(干法)行業是最大的NOx、SO2、PM2.5和PM10排放源，熟石膏行業是最大的CO排放源。

(3) 烏昌石區域非金屬礦物制品業受季節影響明顯，因此其污染物的排放也明顯受到季節的影響。正常生產時的5月至9月是一年中污染物排放的高峰期。受當地居民生活作息時間的影響，一天中11：00至20：00是污染物排放的高峰期?？臻g上，烏昌石區域的污染物排放主要分布在烏魯木齊市中部、西南部以及石河子市。