萬斯，孫啟宏，白璐，姚揚，扈學文，楊曉松，林星杰，汪靖

1．中國環(huán)境科學研究院清潔生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟研究中心，國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，北京 100012

2．湖南有色金屬研究院環(huán)境保護研究所，湖南長沙 410015

3．北京師范大學，北京 100875

4．北京礦冶研究總院，北京 100070

有色冶煉污染源達標評估和動態(tài)管理系統(tǒng)開發(fā)

萬斯1，2，孫啟宏1*，白璐1，3，姚揚1，扈學文1，楊曉松4，林星杰4，汪靖4

1．中國環(huán)境科學研究院清潔生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟研究中心，國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，北京 100012

2．湖南有色金屬研究院環(huán)境保護研究所，湖南長沙 410015

3．北京師范大學，北京 100875

4．北京礦冶研究總院，北京 100070

確保工業(yè)污染達標排放是環(huán)境管理的重要方面，達標評估工作需要采取全過程控制的思路，并進行動態(tài)跟蹤。在污染物排放預測基礎(chǔ)上，提出了有色冶煉行業(yè)污染源排放達標可行性評估方法，包括排污系數(shù)法和排放模型法。開發(fā)了有色冶煉污染源達標評估和動態(tài)管理系統(tǒng)，利用系統(tǒng)排放模型法評估了A企業(yè)陽極爐煙囪污染源排放污染物。結(jié)果表明，陽極爐煙囪SO2排放(538 mg/m3)不達標，從節(jié)能降耗、開展清潔生產(chǎn)審核以及建立環(huán)境管理體系等方面提出優(yōu)化方案，3個方案的SO2排放濃度分別為370、365和292 mg/m3，可實現(xiàn)全部達標排放。

動態(tài)管理系統(tǒng);污染源達標評估;有色冶煉;污染物濃度預測

有色金屬冶煉業(yè)是《重金屬污染防治“十二五”規(guī)劃》確定的重點防控行業(yè)。有色金屬冶煉過程中產(chǎn)生較大量的廢渣(石)、廢水和廢氣，造成環(huán)境污染。2010年，我國有色金屬行業(yè)廢水排放總量7．3億t、工業(yè)煙塵排放量22萬t、固體廢物產(chǎn)生量31 000萬t，其工業(yè)廢氣和二氧化硫的總量分別占我國工業(yè)行業(yè)排放總量的5．3%和4．1%。我國有色金屬工業(yè)廢水達標排放率為91%、二氧化硫達標排放率為76%、煙塵達標排放率為85%，與國內(nèi)平均水平相比還有較大差距［1|2］。確保工業(yè)污染達標排放是環(huán)境管理的重要方面，達標評估工作需要采取全過程控制的思路，并進行動態(tài)跟蹤。為有效控制重金屬污染，需要完善重金屬污染防控監(jiān)管體系，提高環(huán)境管理部門的環(huán)境監(jiān)管效率［3］。因此，建立決策支持系統(tǒng)對于實時有效地掌握有色金屬冶煉企業(yè)污染源污染物排放情況，及時采取整改措施具有重要意義。

目前，利用排污系數(shù)、已有模型或回歸分析法建立預測模型預測污染源排放污染物濃度的研究較多，如利用排污系數(shù)預測污染源排放污染物NOx和SO2排放濃度［4|6］，利用MEASURE模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預測尾氣中NOx濃度［7|8］，利用回歸分析法建立模型用于污染源排放污染物如尾礦區(qū)重金屬鉛、砷等污染物濃度［9］和室內(nèi)污染物PM2．5濃度預測［10］。在有色金屬冶煉行業(yè)，李韌等利用箱模型估算有色金屬冶煉企業(yè)無組織源重金屬污染物排放濃度［11］;相關(guān)人員利用產(chǎn)排污系數(shù)核算鉛鋅冶煉行業(yè)污染物排放濃度［12|14］;張靖［15］采用實測法核算出鎳冶煉不同工序廢氣中重金屬污染物排放濃度。林星杰等［16］以技術(shù)水平和管理水平指標量化綜合得分為自變量，利用回歸分析法建立了污染物排放濃度的預測模型。

環(huán)境決策支持系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)、模型和知識，以人機交互方式進行半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化決策［17|19］。目前，在污染源排放模擬方面，還缺少基于全過程仿真模擬的相關(guān)計算機系統(tǒng)。筆者基于排污系數(shù)法和排放模型法，提出有色金屬冶煉行業(yè)排放達標可行性評估方法，開發(fā)了《有色冶煉污染源達標評估和動態(tài)管理系統(tǒng)》。該系統(tǒng)旨在針對有色冶煉企業(yè)，為環(huán)境管理部門和相關(guān)企業(yè)開展污染排放的預測評估與監(jiān)督管理提供全過程管理的思路和技術(shù)工具。

1 問題分析

影響有色冶煉污染源污染物排放的主要因素可分為宏觀和微觀2個層次(圖1)。

圖1 企業(yè)污染物排放的影響因素Fig．1 Factors influencing pollutant emissions of the enterprise

1.1 宏觀層次

企業(yè)的排污水平除了受企業(yè)生產(chǎn)自身條件的影響外，外界的政策因素也非常重要。特別是在冶金行業(yè)，企業(yè)的工藝水平和技術(shù)水平參差不齊，宏觀政策環(huán)境對企業(yè)的生產(chǎn)和排污影響很大。宏觀層次影響企業(yè)污染物的排放水平及實現(xiàn)穩(wěn)定達標排放主要因素包括環(huán)境法律法規(guī)、行業(yè)準入、主體功能區(qū)、環(huán)境標準和環(huán)境監(jiān)管等(表1)。

表1 宏觀層次影響有色金屬冶煉行業(yè)污染物排放的主要因素Table 1 Themain macroeconomic factors of influence of non|ferrousmetal smelting industry pollutant emission

宏觀要素如環(huán)境法律法規(guī)、行業(yè)準入對生產(chǎn)工藝、末端治理技術(shù)等會產(chǎn)生直接影響，主體功能區(qū)影響環(huán)境標準的確定，在達標評估中主要體現(xiàn)在排放標準的選取上。模擬模型中不對上述宏觀要素的影響進行分析。

1.2 微觀層次

在企業(yè)的微觀層次，影響污染物排放的主要因素有5個:產(chǎn)品、原料、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)規(guī)模和末端治理技術(shù)水平。其中，產(chǎn)品、原料、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)規(guī)模主要影響污染物的產(chǎn)生量，末端治理技術(shù)水平?jīng)Q定污染物的削減量。這5個因素是影響污染物排放的“硬件”條件。在第一次全國污染源產(chǎn)排污系數(shù)研究中，將產(chǎn)品、原料、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)規(guī)模統(tǒng)稱為“四同”因素［20］。

實際企業(yè)的情形常常比較復雜。對于同樣的產(chǎn)品、原料、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)規(guī)模和同樣的末端治理技術(shù)，不同企業(yè)的污染物排放情況卻不同，甚至差別較大。這主要與企業(yè)的管理水平有關(guān)。主要影響因素有:近3年建設(shè)項目環(huán)境影響評價和“三同時”執(zhí)行情況、近3年污染源限期治理項目完成情況、環(huán)保設(shè)施規(guī)范性和處理效果、是否建立環(huán)境管理體系并通過認證、是否開展清潔生產(chǎn)審核、環(huán)境監(jiān)測管理制度以及企業(yè)守法情況等。

2 有色冶煉污染源達標評估模型建立

2.1 有色冶煉污染源達標評估思路

首先，建立污染源排放模擬和預測模型，并根據(jù)具體目標選擇合適的模擬方法。有2種方法:1)排污系數(shù)法，建立在產(chǎn)排污系數(shù)基礎(chǔ)上，給定產(chǎn)品、原料、工藝、規(guī)模等級和末端治理技術(shù)等5個因素下，進行污染物排放的模擬和預測。2)排放模型法，在前述5個因素基礎(chǔ)上，進一步考慮企業(yè)的技術(shù)水平和管理水平2個因素，建立修正的污染物排放模型。

其次，進行污染源排放預測和達標評估。根據(jù)管理目的選擇相應(yīng)的模型方法。排污系數(shù)法適用于對某企業(yè)的污染源達標狀況、某區(qū)域(如工業(yè)園區(qū)或者某個城市)的污染物排放達標狀況等，適用于企業(yè)整體排污狀況的評估，也適用于相關(guān)行業(yè)企業(yè)平均排污水平的評估。排放模型法適用于對某企業(yè)某條生產(chǎn)線的污染源達標狀況、某企業(yè)某個車間排污口的污染源達標狀況等，可作為一種對現(xiàn)狀進行更精確評估的核查工具。根據(jù)所選擇的模型方法，對污染源排放的污染物濃度進行預測。將污染物預測濃度與污染物的排放標準進行對比，評估污染源達標狀況。

第三，影響因子識別和優(yōu)化方案的確定。根據(jù)有色冶煉污染源排放的污染物濃度達標情況，設(shè)定不同的情景，對排放不達標的污染源進行主要影響因子識別，針對主要影響因子設(shè)計不同的參數(shù)，預測其污染物排放變化情況，最終達到方案優(yōu)化目的。

2.2 有色冶煉污染源排放模擬模型

2.2.1 排污系數(shù)法

將《第一次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》中有色冶煉行業(yè)的排污系數(shù)換算為排污濃度，與現(xiàn)行的相關(guān)污染物排放標準進行比較，以衡量不同產(chǎn)品名稱、原料名稱、工藝名稱、規(guī)模等級和末端治理技術(shù)組合下的排放標準的可達性。

廢水中化學需氧量、鎘、鉛、砷4種污染物指標的排放濃度計算方法:

式中，C廢水為廢水中某污染物指標的排放濃度，mg/L;X廢水為廢水中某污染物指標的排污系數(shù)，g/t (以產(chǎn)品量計，下同);G廢水為工業(yè)廢水量的排污系數(shù)，t/t。

煙塵、二氧化硫2個污染物指標的排放濃度計算方法:

式中，C廢氣為廢氣中某污染物指標的排放濃度，mg/m3(在標準狀態(tài)下，下同);X廢氣為廢氣中某污染物指標的排污系數(shù)，kg/t;G廢氣為工業(yè)廢氣量的排污系數(shù)，m3/t。

2.2.2 排放模型法

以不同的“四同”組合條件為參照系，制定技術(shù)水平、管理水平、末端治理技術(shù)的量化評分規(guī)范，設(shè)計不同生產(chǎn)工藝冶煉污染源污染物考核指標，計算出技術(shù)水平、管理水平綜合作用下，各污染源污染物的排放濃度，與現(xiàn)行的相關(guān)污染物排放標準進行比較，以衡量不同產(chǎn)品名稱、原料名稱、工藝名稱、規(guī)模等級、技術(shù)水平、末端治理技術(shù)和管理水平組合下的排放標準的可達性。關(guān)于該模型的詳情見文獻［16］。

有色金屬冶煉行業(yè)污染物指標的排放模型排污濃度模擬計算方法:

式中，a、b、c為排放系數(shù);X為綜合得分;C為某污染物指標的排放濃度，mg/L或mg/m3。

以銅冶煉企業(yè)陽極爐煙囪排放SO2為例:6條生產(chǎn)線陽極爐煙囪SO2排放數(shù)據(jù)和企業(yè)技術(shù)水平、管理水平調(diào)查數(shù)據(jù)見表2。通過表2數(shù)據(jù)建立了綜合分值排放預測模型:

表2 陽極爐煙囪排放SO2濃度Table 2 The concentrations of anode furnace SO2emission

3 有色冶煉污染源達標評估和動態(tài)管理系統(tǒng)開發(fā)

3.1 有色冶煉污染源達標評估和動態(tài)管理系統(tǒng)框架圖

《有色冶煉污染源達標評估和動態(tài)管理系統(tǒng)》(簡稱N|FSPSECDMS)分為用戶版和管理員版。用戶版主要面向環(huán)保部門及企業(yè)環(huán)境管理人員，管理員版主要用于系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)的維護及運行管理。圖2給出了N|FSPSECDMS的總體框架。由圖2可以看出，N|FSPSECDMS系統(tǒng)分為模擬系統(tǒng)模塊和信息系統(tǒng)模塊。模擬系統(tǒng)模塊中排放模擬和達標評估結(jié)合模型庫具備污染源達標分析能力，影響因子識別和評估比較系統(tǒng)診斷出未能達標排放的影響因子以及提出不同優(yōu)化方案的措施，結(jié)合模型庫實現(xiàn)達標排放;信息系統(tǒng)模塊實現(xiàn)對模擬系統(tǒng)預測污染源污染物排放需要的企業(yè)基本信息的維護、管理以及動態(tài)更新。

圖2 N|FSPSECDMS框架Fig．2 N|FSPSECDMS framework

3.2 系統(tǒng)運行環(huán)境

硬件環(huán)境需求:系統(tǒng)運行所必須的軟件運行環(huán)境包括 Windows 2000及以上版本操作系統(tǒng)和MYSQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)庫平臺。

軟件環(huán)境需求:數(shù)據(jù)庫服務(wù)器環(huán)境要求見表3。

表3 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器環(huán)境配置Table 3 Database server environment configuration

系統(tǒng)特點:系統(tǒng)以簡單、直觀的按鈕呈現(xiàn)功能，具有向?qū)接脩艚缑?，預測結(jié)果以Excel文件輸出。

3.3 系統(tǒng)功能簡介

3.3.1 現(xiàn)狀歷史數(shù)據(jù)管理

提供用戶對所管理企業(yè)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的錄入、查詢和維護功能，歷史數(shù)據(jù)的污染物排污濃度趨勢圖以及《有色金屬行業(yè)準入》、《有色金屬行業(yè)技術(shù)政策規(guī)范指南》、《有色金屬行業(yè)排放標準》、《有色金屬行業(yè)清潔生產(chǎn)標準》、《有色金屬行業(yè)測試分析方法》和《有色金屬行業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)》等6類文檔查看或下載，并且能實現(xiàn)對有色金屬行業(yè)發(fā)布的最新法律法規(guī)、政策等的實時更新。

3.3.2 排放預測與達標評估

首先分別基于排放模型和排污系數(shù)法，對污染物排放進行評估。當采用基于排污系數(shù)的污染源達標評估方法時，需確定產(chǎn)品、原料、工藝、規(guī)模等級和末端治理技術(shù)等5項主要影響因子;當采用排放模型的污染源達標評估方法時，在確定“四同”的基礎(chǔ)上，還需確定影響冶煉工藝8項技術(shù)水平和5項管理水平的因子。對污染源排放的污染物濃度達標狀況進行評估，提供歷史查詢和對污染源排放的污染物濃度數(shù)據(jù)導出分析功能。

3.3.3 方案優(yōu)化

依據(jù)達標評估結(jié)果，通過情景分析法等方法，對不達標排放的污染源進行主要影響因子識別，提出進一步優(yōu)化的措施使污染源排放的污染物濃度穩(wěn)定達標排放，提供多個預測方案與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和行業(yè)標準相比較功能。

3.4 應(yīng)用案例

以A企業(yè)陽極爐煙囪SO2排放為案例。該企業(yè)SO2現(xiàn)狀排放濃度為538 mg/m3，未能達標排放。通過系統(tǒng)初步辨識，A企業(yè)未能達標排放的影響因子主要有能耗水平、未建立環(huán)境管理體系并通過認證和未開展清潔生產(chǎn)審核。針對A企業(yè)影響因子，提出3個優(yōu)化方案。

方案一:降低企業(yè)能耗，管理水平不變，如采用閃速熔煉－閃速吹煉工藝、空間脈動旋流銅冶煉工藝、銅冶煉生產(chǎn)過程在線控制系統(tǒng)、余熱余壓利用、污水?；?、增加余熱發(fā)電機組等措施降低綜合能耗。

方案二:技術(shù)水平不變，開展清潔生產(chǎn)審核和建立環(huán)境管理體系，如開展清潔生產(chǎn)審核，建立環(huán)境管理體系，提高環(huán)境管理水平。

方案三:降低企業(yè)能耗，開展清潔生產(chǎn)審核和建立環(huán)境管理體系，綜合上述節(jié)能降耗措施和開展清潔生產(chǎn)審核以及建立環(huán)境管理體系。

A企業(yè)現(xiàn)狀和3個優(yōu)化方案技術(shù)水平及管理水平指標的得分分別見表4和5。

表4 A企業(yè)現(xiàn)狀和3個優(yōu)化方案技術(shù)水平指標得分Table 4 Technical level index score of A enterprise status and three scheme optimization

表5 A企業(yè)現(xiàn)狀和3個優(yōu)化方案管理水平指標得分Table 5 Managemengt level index score of A enterprise status and three scheme optimization

A企業(yè)現(xiàn)狀、方案一、方案二和方案三綜合得分分別為90．79、96．46、96．79和102．46(綜合得分計算方法詳見文獻［16］)，利用公式C=5 880．2－98．6X+0．43X2計算出SO2排放濃度分別為538、370、365和292 mg/m3。3個優(yōu)化方案中A企業(yè)陽極爐SO2全部達標排放。

4 結(jié)語

(1)在有色金屬冶煉行業(yè)污染物排放預測的基礎(chǔ)上，提出2種有色金屬冶煉行業(yè)排放達標可行性評估方法，即排污系數(shù)評估法和排放模型評估法。其中排污系數(shù)評估法適用對某企業(yè)的污染源達標狀況、某區(qū)域(如工業(yè)園區(qū)或者某個城市)的污染物排放達標狀況的評估，排放模型評估法適用于對某企業(yè)某條生產(chǎn)線的污染源達標狀況、某企業(yè)某個車間排污口的污染源達標狀況的評估。

(2)基于2種有色金屬冶煉行業(yè)排放達標可行性評估方法，采用．Net Frame Work 3．5框架和C/S結(jié)構(gòu)方式開發(fā)有色冶煉污染源達標評估和動態(tài)管理系統(tǒng)。案例研究表明，該系統(tǒng)可很好地模擬企業(yè)污染物的排放水平，并進行改進方案的參數(shù)設(shè)計，從而為環(huán)境管理人員和企業(yè)提供全過程管理的技術(shù)工具。

［1］ 環(huán)境保護部．2010年中國環(huán)境統(tǒng)計年報［M］．北京:中國環(huán)境科學出版社，2011．

［2］ 中國有色金屬學會．第八屆全國有色金屬工業(yè)“十二五”期間冶煉煙氣制酸及廢渣、廢水治理技術(shù)研討會會議預通知(征文通知)［EB/OL］．(2011|07|28)［2013|11|10］．http://www．nfsoc．org．cn/n1312864/n1315703．

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［20］ 第一次全國污染源普查資料編纂委員會．污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(中)［M］．北京:中國環(huán)境科學出版社，2011．?

Development of Non－ferrous Smelting Pollution Source Em ission Com pliance Assessment and Dynam ic M anagement System

WAN Si1，2，SUN Qi|hong1，BAILu1，3，YAO Yang1，HU Xue|wen1，YANG Xiao|song4，LIN Xing|jie4，WANG Jing4
1．State Environmental Protection Key Laboratory of Eco－Industry，Center of Cleaner Production and Circular Economy Research，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2．Research Institute of Environmental Protection，Hunan Research Institute of Non－Ferrous Metals，Changsha 410015，China
3．Beijing Normal University，Beijing 100875，China
4．Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100070，China

It is an important aspect of environmentalmanagement to guarantee the industrial pollution emission in compliance with the standards．The compliance assessment needs to adopt the idea of thewhole process control and track the emission dynamically．On the basis of projecting the emissions of pollutants，the assessmentmethod for emission compliance feasibility of pollution sources of non－ferrous smelting enterpriseswas proposed，including the Emission Coefficient and Emission Modelmethods．The non－ferrous smelting pollution source emission compliance and dynamicmanagement system(N－FSPSECDMS)was developed．The system with Emissions Modelmethod was chosen to evaluate the pollution emission from chimneys of anode stove in enterprise A．The results showed:the SO2emission concentration(538 mg/m3)from anode furnace cannotmeetwith the emission standard requirement，and thus three options to increase the environmental performancewere proposed including saving energy，performing clean production audit and establishing environmentalmanagement system．According tomodeling and optimization of the system，the SO2emission concentration of the three optionswere 370，365 and 292 mg/m3respectively，all meeting with the emission standard．

dynamic management system;pollution source emission compliance assessment;non－ferrous smelting; projection of pollutant concentration

X324

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．038

1674－991X(2014)03－0231－06

2013－10－17

環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(2008467067，201009037)

萬斯(1985—)，男，助理工程師，碩士，從事生態(tài)規(guī)劃、循環(huán)經(jīng)濟及有色工業(yè)污染防治研究，wanlion301@163．com

*通訊作者:孫啟宏(1965—)，男，研究員，長期從事工業(yè)生態(tài)學和清潔生產(chǎn)政策、標準研究，sunqh@craes．org．cn