鄧義祥， 郝晨林*， 李子成， 趙 健， 徐憲根， 毛 鹍

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所， 北京 100012

2.常州市環(huán)境科學(xué)研究院， 江蘇 常州 213022

“十三五”期間，我國排污許可管理制度已基本建立，到2020年我國將實現(xiàn)排污許可管理覆蓋到所有固定污染源[1]. “十四五”時期，我國排污許可管理將進入深化發(fā)展階段. 從發(fā)達國家排污許可的經(jīng)驗來看，美國的排污許可管理也經(jīng)歷了從基于技術(shù)到基于水質(zhì)的發(fā)展歷程[2-3]. 1972年美國《清潔水法》303(d) 條款要求各州每2年向EPA匯報當(dāng)?shù)厮w的整體衛(wèi)生情況及水體是否達到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[4]. 如果沒有達到相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，則要求針對這些水體制定并實施TMDL計劃[5-6]. 美國于1983年12月正式立法，實施以水質(zhì)達標(biāo)為目標(biāo)的排放總量控制[7]. 污染物總量控制TMDL計劃最終通過國家污染物削減系統(tǒng)(NPDES)落實到排污許可管理[8-9]. 歐盟水框架指令要求歐盟境內(nèi)水體達到良好的水質(zhì)狀態(tài)[10]，并通過調(diào)整排污許可限值來實現(xiàn)預(yù)期的水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)[11-12]. 各國和地區(qū)經(jīng)驗表明，水質(zhì)達標(biāo)是排污許可管理的核心，排污主體同時負有達標(biāo)排放和受納水體水質(zhì)達標(biāo)的雙重責(zé)任. 由于地表水水質(zhì)達標(biāo)可能涉及多個排污主體，還受到自然環(huán)境條件等復(fù)雜因素的影響，導(dǎo)致企業(yè)難以直接對水體達標(biāo)負責(zé)，排污許可管理就成為企業(yè)對地表水水質(zhì)達標(biāo)負責(zé)的間接體現(xiàn)形式. 該文借鑒美國和歐盟的相關(guān)經(jīng)驗，特別是美國TMDL管理體系的經(jīng)驗，建立了基于技術(shù)和水質(zhì)相結(jié)合的排污許可限值核定技術(shù)體系，以期為我國排污許可管理的深化發(fā)展提供技術(shù)支撐.

1 研究方法

1.1 總體思路

基于技術(shù)和水質(zhì)相結(jié)合的排污許可管理，是指企業(yè)的排污許可限值既要滿足排放標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)評審批文件等基于行業(yè)治理技術(shù)的排放限值，也要滿足地表水水質(zhì)達標(biāo)的要求. 為滿足上述目標(biāo)，基于技術(shù)和水質(zhì)相結(jié)合的排污許可限值核定的總體技術(shù)路線見圖1. 主要步驟：①開展流域水質(zhì)評價. 對流域內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)狀況進行評估，識別主要污染指標(biāo)和主要水環(huán)境問題. ②核算基于技術(shù)的排污許可限值(Technical Based Effluent Limits, TBELs)[13]. ③對于水質(zhì)不超標(biāo)地區(qū)，該限值即為企業(yè)的排污許可限值. ④對于水質(zhì)超標(biāo)地區(qū)，需對流域內(nèi)點源、非點源負荷的產(chǎn)生量和排放量進行估算，構(gòu)建流域水質(zhì)模型，根據(jù)公平性、經(jīng)濟性和可行性原則，開展流域污染物最大允許排放量分配，確定各污染源的最大允許排放量，即基于水質(zhì)的排放限值(Water Quality Based Effluent Limits, WQBELs)[14-15]. ⑤取TBELs和WQBELs的較小值作為企業(yè)最終的排污許可限值.

圖1 排污許可限值核定技術(shù)路線

1.2 基于技術(shù)的排放限值(TBELs)

基于技術(shù)的排放限值核定主要根據(jù)企業(yè)自身特點確定其排放限值，主要依據(jù)是企業(yè)的行業(yè)屬性和核定產(chǎn)能，以及環(huán)境影響評價等確定的允許排放量[16-17]. 主要步驟包括：①收集企業(yè)相關(guān)信息，明確企業(yè)所屬行業(yè)，核實產(chǎn)能和企業(yè)環(huán)境影響評價批復(fù)的排放額度；②確定其適用的排放標(biāo)準(zhǔn)和《排污許可證申請與核發(fā)技術(shù)規(guī)范》系列標(biāo)準(zhǔn)，其中排放標(biāo)準(zhǔn)即為企業(yè)的排放濃度限值；③確定企業(yè)產(chǎn)品基準(zhǔn)排水量，日排放水量為單位產(chǎn)品基準(zhǔn)排水量與設(shè)計產(chǎn)能的乘積；④按達標(biāo)排放核算排污單位日排放量，日最大允許排放量為日排水量與污染物排放濃度限值的乘積. 當(dāng)企業(yè)具有環(huán)評批復(fù)額度時，還應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)限值和環(huán)評批復(fù)額度之間取較小值.

1.3 基于水質(zhì)的排放限值(WQBELs)

基于水質(zhì)的排放限值核定主要根據(jù)地表水體的水質(zhì)目標(biāo)計算企業(yè)的排放限值. 基于水質(zhì)的排放限值，需要對流域水系進行概化，確定重點關(guān)注的水系和水質(zhì)目標(biāo)；然后采用數(shù)學(xué)模型等方法，建立污染源排放和地表水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系；最后按照公平性、經(jīng)濟性和可行性[18]的原則，根據(jù)地表水質(zhì)目標(biāo)反推污染源的最大允許排放量，以此作為企業(yè)基于地表水質(zhì)的排放限值[19-20].

1.3.1水系和污染源概化

環(huán)境中的水系和污染源十分復(fù)雜，需根據(jù)實際情況對水系和污染源進行簡化. 其中，水系概化應(yīng)覆蓋研究范圍內(nèi)主要水系，特別是有監(jiān)測斷面的水系和具有重要連通功能的水系；污染源概化應(yīng)根據(jù)污染源進入地表水體的位置，按就近原則進行歸并. 污染源概化不僅可減少污染源評估數(shù)量，還可避免優(yōu)化求解的多解問題，是十分必要的.

1.3.2建立水質(zhì)模型

通過水質(zhì)模型建立污染源與水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)實際的水體特征和模擬空間精度的需求，建立不同的水質(zhì)模型. 如果研究區(qū)域為流域性水環(huán)境問題，由于模擬區(qū)域范圍較大，一般更關(guān)心斷面水質(zhì)沿程分布，可采用一維水質(zhì)模型進行求解，其中水力學(xué)方程[21-22]為

(1)

式中：x為沿河流方向的距離，km；t為時間，s；Q為流量，m3s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；ql為側(cè)向入流的流量，m3s；β為動量修正系數(shù)，一般情況下取1.0；g為重力加速度，取值9.81 ms2；Z為水位，m；R為水力半徑，m；n為糙率，為經(jīng)驗系數(shù).

水質(zhì)方程：

(3)

式中：C為污染物濃度，mgL；Ex為污染物沿x方向的擴散系數(shù)，m2s；S為污染物的源匯項，mg(L·s).

1.3.3建立最大允許排放量分配模型

在污染源與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過地表水質(zhì)目標(biāo)反推污染物的最大允許排放量，一般常用的總量分配模型有情景分析模型、線性優(yōu)化模型、非線性優(yōu)化模型、整數(shù)優(yōu)化模型等. 對于一般常規(guī)污染指標(biāo)，可采用線性規(guī)劃方法進行最大允許排放量分配計算. 污染物最大允許排放量分配線性規(guī)劃問題的一般形式[23-25]為

maxz=CTX

(4)

(5)

式中：z為目標(biāo)函數(shù)；X、Xl和Xu分別為污染源的排放負荷、排放負荷下限和排放負荷上限向量，X=[x1,x2,…,xp]T，Xl=[xl1,xl2,…,xlp]T，Xu=[xu1,xu2,…,xup]T，其中p為污染源個數(shù)；C為系數(shù)，當(dāng)考慮污染物總量最大時，C=[1,1,…,1]T；B為背景濃度，B=[b1,b2,…,bm]T；S為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，S=[s1,s2,…,sm]T，其中m為水質(zhì)控制點個數(shù)；E為響應(yīng)系數(shù)矩陣，eij為第j個污染源單位負荷在第i個控制點所形成的濃度(i=1,2,…,m;j=1,2,…,p).

(6)

按照上述線性規(guī)劃問題所求得的最優(yōu)解，雖能取得最大污染物允許排放量，但對污染源之間的公平性有欠考慮，會造成某些污染源削減過大而另外一些污染源不需削減的情況. 因此需按照公平性的原則確定分配比例，在此基礎(chǔ)上再求解污染源的最大允許納污量[26].

設(shè)污染源之間的分配比例系數(shù)向量為R=[r1,r2,…,rp]T，顯然存在標(biāo)量參數(shù)t，使得X=tR. 將X向量代入約束條件得到tER+B≤S，目標(biāo)函數(shù)可以轉(zhuǎn)化為對t求最大值，即：

(7)

因此，每個污染源所分配的負荷為

xi=tri

(8)

考慮到污染源分配的上下限，當(dāng)污染源最大允許排放量小于分配下限時，取分配下限；當(dāng)污染物最大允許排放量大于分配上限時，取分配上限. 固定取到上下限的污染源負荷值，再次進行優(yōu)化，直到不需要再次根據(jù)上下限進行調(diào)整時結(jié)束.

2 研究案例

2.1 研究區(qū)域

2.1.1區(qū)域概況

該文以常州市兩家化工企業(yè)排污許可限值為研究對象. 常州市位于江蘇省南部、長江三角洲中部，地理位置為119°53′E～120°02′E、31°44′N～31°52′N，全市總面積 4 385 km2. 2015年，經(jīng)改制后，常州市下轄天寧區(qū)、鐘樓區(qū)、新北區(qū)、武進區(qū)、金壇區(qū)和溧陽市. 常州市由南至北分為三大水系：①南部南河水系，骨干河道有南河、中河、北河等；②中部三湖水系，主要有太滆運河、湟里河、北干河、中干河等；③北部運河水系，以運河為界又分為運北、運南水系. 根據(jù)常州市水環(huán)境功能區(qū)劃，主要河道水質(zhì)目標(biāo)類別(參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》)見圖2. 常州市水環(huán)境功能區(qū)以Ⅲ類為主，西部溧陽市境內(nèi)上游有少量Ⅱ類功能區(qū)，Ⅳ類功能區(qū)主要分布在金壇區(qū)北部、武進區(qū)和市轄區(qū).

圖2 常州市水系概化和水環(huán)境功能區(qū)劃

2.1.2水質(zhì)狀況

以CODCr和NH3-N為評價指標(biāo)，2016—2019年，常州市主要34個控制斷面水質(zhì)見圖3. 評價結(jié)果顯示，常州市2016—2019年期間共計監(jiān)測樣本 1 535 次，按照控制斷面水環(huán)境功能區(qū)確定的水質(zhì)類別，超標(biāo)比例為13.4%，其中CODCr超標(biāo)率為4.9%，NH3-N超標(biāo)率為10.5%，超標(biāo)區(qū)域集中在溧陽東南部、武進區(qū)南部及大運河北部. 由于常州市CODCr和NH3-N總體均超標(biāo)，需要根據(jù)環(huán)境容量確定基于水質(zhì)的排污許可限值，才能實現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量達標(biāo).

圖3 常州市重點水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)超標(biāo)率情況

2.1.3污染源狀況

以鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)作為計算單元，分別考慮工業(yè)廢水、直排生活污水、城鎮(zhèn)污水廠、畜禽養(yǎng)殖、城市面源、種植業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖，估算了常州市59個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)的污染物排放量. 結(jié)果表明，2018年常州市CODCr、NH3-N總排放量分別為 93 264.75、3 927.01 t. 其中，點源(工業(yè)廢水、直排生活污水、城鎮(zhèn)污水廠)CODCr、NH3-N排放量分別為 22 984.96、2 597.02 t，占比分別為24.6%、66.1%；非點源(畜禽養(yǎng)殖、城市面源、種植業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖)CODCr、NH3-N排放量分別為 70 279.78、1 329.99 t，占比分別為75.4%、33.9%. 常州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)單位面積污染物排放量見圖4. 對比圖3和圖4可知，污染物排放強度與水質(zhì)超標(biāo)的空間分布具有一定的對應(yīng)關(guān)系，表明本地污染物排放是造成CODCr和NH3-N超標(biāo)的主要原因.

2.2 基于技術(shù)的排污許可限值研究

化工企業(yè)是常州市排污許可限值核發(fā)的重點行業(yè). 該文選取了兩家化工企業(yè)，計算其基于技術(shù)的排污許可限值. 其中，A化工企業(yè)行業(yè)類別為有機化學(xué)原料制造，生產(chǎn)周期為全天24 h，一年生產(chǎn)300 d，排放去向為接管，接管標(biāo)準(zhǔn)為《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》3級[27]；年批復(fù)產(chǎn)量為特殊酐類 20 000 t、偏苯三酸酐 10 000 t、特殊增塑劑 30 000 t，實際產(chǎn)品產(chǎn)量為特殊酐類 7 045 t、偏苯三酸酐 9 618 t、特殊增塑劑 22 611 t. B化工企業(yè)行業(yè)類別為化學(xué)農(nóng)藥制造，生產(chǎn)周期為全天24 h，一年生產(chǎn)300 d，排放去向為接管，接管標(biāo)準(zhǔn)為《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》3級[27]；產(chǎn)品年批復(fù)產(chǎn)量為丁硫脲540 t、功夫酸500 t、2-氯-5-氯甲基吡啶 2 000 t，實際產(chǎn)品產(chǎn)量為丁硫脲540 t、功夫酸500 t、2-氯-5-氯甲基吡啶 2 000 t.

兩家化工企業(yè)各項指標(biāo)的環(huán)評批復(fù)量和基于技術(shù)的排放限值見表1.

圖4 2018年常州市污染物排放強度

表1 兩家化工企業(yè)環(huán)評批復(fù)量與根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)核定的許可量比較

Table 1 Comparison of loads of two chemical enterprises ratified by EIA and loads calculated by standards ta

表1 兩家化工企業(yè)環(huán)評批復(fù)量與根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)核定的許可量比較

項目A化工企業(yè)B化工企業(yè)環(huán)評批復(fù)量排放限值環(huán)評批復(fù)量排放限值水量148 414.842 470—46 400CODCr36.3910.61—11.60NH3-N0.0750.74—0.17

按就低不就高的原則，最終確定基于技術(shù)的排放限值見表2. A化工企業(yè)CODCr和NH3-N排放限值分別為10.61和0.075 ta，B化工企業(yè)CODCr和NH3-N排放限值分別為11.60和0.17 ta.

表2 兩家化工企業(yè)基于技術(shù)的排放限值

2.3 基于水質(zhì)的排污許可限值研究

為計算常州市兩家化工企業(yè)基于水質(zhì)的排污許可限值，應(yīng)根據(jù)地表水水質(zhì)目標(biāo)，建立水質(zhì)模擬和污染物最大允許納污量分配模型，計算流域內(nèi)最大允許納污量，并分配到流域內(nèi)的每個污染源.

2.3.1設(shè)計水文條件

根據(jù)《常州市水資源公報》，常州市2005—2018年地表水資源量、主要河道入境總量和降水總量見圖5. 從歷年來看，常州市2013年降水量和地表水資源量最小，因此以2013年的水文條件作為常州市最大允許納污量的計算條件.

圖5 常州市地表水資源量的年際變化

2.3.2模型參數(shù)識別

模型參數(shù)識別是建立污染源排放負荷與實測水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系的重要步驟. 采用年均流量模擬2018年CODCr、NH3-N濃度，并與實測濃度進行對比(見圖6). 根據(jù)模型校驗，常州市河流CODCr、NH3-N的降解系數(shù)分別為0.01、0.05 d-1,長蕩湖和滆湖CODCr、NH3-N的降解系數(shù)分別為0.00、0.01 d-1. 總體來看，常州市污染物降解系數(shù)相對較小.

圖6 2018年常州市主要考核斷面水質(zhì)模擬值與實測值的對比

2.3.3污染物最大允許排放量分配結(jié)果

采用1.3節(jié)的水質(zhì)模型和污染物最大允許排放量分配模型進行模擬，得到常州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)污染物最大允許排放量(見圖7). 結(jié)果顯示，常州市CODCr和NH3-N最大允許排放量分別為 81 165、2 956 t，其中點源最大允許排放量分別為 19 003 和 1 626 t. 從圖7來看，常州市CODCr和NH3-N削減比例總體較小，削減量主要分布在東部地區(qū).

圖7 常州市最大允許納污量計算結(jié)果

進一步將污染物最大允許納污量分配到流域內(nèi)每個污染源. 該研究對同一鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)的污染源，采用等比例分配方法，將鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道的最大允許排放量再次分配到鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道內(nèi)的每一個企業(yè). 采用上述方法，得到A化工企業(yè)CODCr和NH3-N基于水質(zhì)的排放限值分別為6.53和0.075 ta，B化工企業(yè)CODCr和NH3-N基于水質(zhì)的排放限值分別為22.98和0.20 ta.

2.4 基于技術(shù)和水質(zhì)相結(jié)合的排污許可限值研究

取基于技術(shù)的排放限值和基于水質(zhì)的排放限值中的較小值作為最終的排污許可限值. 采用上述方法，兩家化工企業(yè)最終的年排污許可限值對比見表3. A化工企業(yè)的CODCr和NH3-N最終排污許可限值分別為6.53和0.075 ta，其中CODCr的最終取值為基于水質(zhì)的排放限值，NH3-N基于技術(shù)和基于水質(zhì)的排放取值相同；B化工企業(yè)的CODCr和NH3-N最終排放限值分別為11.60和0.17 ta，最終取值均為基于技術(shù)的排放限值. 可見，雖然常州市NH3-N總體超標(biāo)，但由于排污口空間位置、局部環(huán)境容量和排放標(biāo)準(zhǔn)值的差異，針對具體的污染源，基于水質(zhì)的NH3-N排放限值仍然有可能大于按照排放標(biāo)準(zhǔn)核定的限值. 實際上采用基于技術(shù)的排放限值，B化工企業(yè)仍然要在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上削減85.2%，削減比例仍然較大.

表3 兩家化工企業(yè)基于技術(shù)和容量排污許可限值的比較

Table 3 Comparison of the discharge permit limits based on technology and water environmental capacity ta

表3 兩家化工企業(yè)基于技術(shù)和容量排污許可限值的比較

化工企業(yè)CODCr排污許可限值NH3-N排污許可限值基于技術(shù)排放限值基于水質(zhì)排放限值最終排放限值現(xiàn)狀排放量基于技術(shù)排放限值基于水質(zhì)排放限值最終排放限值現(xiàn)狀排放量A11.6906.5326.53224.8770.0750.0750.0750.438B11.60022.98311.60087.5340.1700.1960.1701.151

3 結(jié)論

a) “十四五”時間，我國將從目前的基于技術(shù)的排污許可管理逐步過渡到基于技術(shù)和水質(zhì)相結(jié)合的排污許可管理. 基于技術(shù)的排放限值核定主要根據(jù)企業(yè)的行業(yè)屬性和核定產(chǎn)能，結(jié)合環(huán)境影響評價批復(fù)的污染物排放額度，確定其排放濃度限值和排放總量限值；基于水質(zhì)的排放限值核定需建立污染源與水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，以地表水水質(zhì)達標(biāo)為目標(biāo)，計算各污染源的最大允許排放量. 最終的排污許可限值為基于技術(shù)的排污許可限值和基于水質(zhì)的排污許可限值的最小值.

b) 以常州市為例，核算了A化工企業(yè)和B化工企業(yè)基于技術(shù)的排放限值，A化工企業(yè)CODCr和NH3-N的排放限值分別為10.61和0.075 ta，B化工企業(yè)CODCr和NH3-N的排放限值分別為11.60和0.17 ta. 構(gòu)建了常州水質(zhì)模型和污染物最大允許排放量分配模型，開展了常州污染物最大允許排放量分配，A化工企業(yè)CODCr和NH3-N基于水質(zhì)的排放限值分別為6.53和0.075 ta，B化工企業(yè)CODCr和NH3-N基于水質(zhì)的排放限值分別為22.98和0.20 ta.

c) 取基于技術(shù)的排放限值和基于水質(zhì)的排放限值中的較小值作為最終的排污許可限值，A化工企業(yè)的CODCr和NH3-N最終排污許可限值分別為6.53和0.075 ta，其中CODCr的最終取值為基于水質(zhì)的排放限值，NH3-N基于技術(shù)和基于水質(zhì)的排放取值相同；B化工企業(yè)的CODCr和NH3-N最終排放限值分別為11.60和0.17 ta，最終取值均為基于技術(shù)的排放限值. 采用基于技術(shù)的排放限值，B化工企業(yè)需要在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上削減85.2%，削減比例仍然較大.

d) 受環(huán)境條件和模型參數(shù)不確定性的影響，基于水質(zhì)達標(biāo)進行最大允許納污量計算并確定排放限值可能會存在一定誤差，應(yīng)根據(jù)實際水質(zhì)變化不斷進行調(diào)整；同時，由于排污許可管理僅針對固定污染源，還應(yīng)進行非點源綜合治理，才能最終實現(xiàn)地表水水質(zhì)達標(biāo)的目標(biāo).