乌昌石区域的非金属矿物制品业大气污染物排放清单研究*

蔡宁宁 王宝庆 胡新鑫 王 晴 刘博薇 牛宏宏

(南开大学环境科学与工程学院，天津 300350)

乌昌石区域地处丝绸之路北通道的核心地带，具有重要的地缘战略地位和区位发展优势[1]，是2013年国家发展和改革委员会公布的17个重点培育区域之一[2]，包括乌鲁木齐市、石河子市、昌吉市、阜康市、五家渠市、呼图壁县、玛纳斯县和沙湾县5市3县[3]。随着大量产业的兴起和发展，乌昌石区域的生态环境遭到了破坏，大气污染物的排放量逐渐增加[4-5]。

2015年，新疆维吾尔自治区工业生产总值增加2 740.71亿元，其中乌昌石区域占据的比例达到40.82%。乌昌石区域非金属矿物制品业企业有915家，其工业废气排放量高[6]。据报道，2013 年石河子市SO2排放总量为56 459.66 t，NOx为61 980.57 t[7]；2014年昌吉市SO2排放总量为9.83×103t，NOx为9.75×103t[8]；2014年乌鲁木齐市SO2日均排放质量浓度为0.024 mg/m3，NO2为0.057 mg/m3，PM10为0.143 mg/m3[9]；2014年五家渠市SO2日均排放质量浓度为0.020 mg/m3，NO2为0.030 mg/m3，PM10为0.095 mg/m3[10]。

大气污染物排放清单是识别污染来源、支撑空气质量预报预警和制定减排及控制方案的重要基础[11],[12]35,[13]。20世纪90年代初，美国环境保护署开创性地建立了美国的大气污染物排放清单，制定了完备的编制规范和方法。2003年，贺克斌等[14]在中国首次建立了北京市城八区的高分辨率大气污染物排放清单。SHAHBAZI等[15]基于地理信息系统(GIS)建立了德黑兰固定源和移动源的污染物排放清单。刘慧琳等[16]建立了广西省的工业源排放清单。

当前，在中国京津冀[17-18],[19]3683,[20-21]、长三角[22-24]和珠三角[25-26]区域已建立较为完善的大气污染物排放清单，乌昌石区域的相关研究还很欠缺。祝婕等[27]2014年建立了乌鲁木齐市的PM2.5排放清单，发现PM2.5排放总量约为4 631.16 t，其中非金属矿物制品业排放量达到196.49 t。之前，对非金属矿物制品业的研究基本只关注其中的水泥行业[12]34,[19]3684,[28-29]。

本研究调查收集了乌昌石区域非金属矿物制品业的具体行业(玻璃、玻璃料、电石、混凝土配料、沥青混凝土、石灰、熟石膏、水泥(干法)、水泥(湿法)、陶瓷黏土/瓷砖生产和砖瓦及建筑砌块等行业)的活动水平数据，建立整个乌昌石区域(由于玛纳斯县和沙湾县数据缺失，本研究暂不考虑这两个县)的高分辨率网格的SO2、CO、NOx、PM2.5和PM10等污染物的全面排放清单，分析其时空分布特征，并利用蒙特卡罗方法进行不确定性分析，为乌昌石区域大气环境规划和污染物减排提供依据。

1 估算方法

本研究采用排放因子法对污染物的排放量进行估算，计算公式如下：

E=A×EF×(1-η)

(1)

式中：E为污染物排放量，kg；A为工艺过程的活动水平，t；EF为排放因子，kg/t；η为污染控制技术对污染物的去除效率，%。

以乌昌石区域非金属矿物制品业的产品年产量作为活动水平数据，由企业填报后统计得到。

去除效率以企业填报数据为基础，部分缺失的乌鲁木齐市数据从《2015年乌鲁木齐统计年鉴》获取，其余地区数据从《2015年新疆统计年鉴》获取。

排放因子数据及来源如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 排放清单分析

乌昌石区域非金属矿物制品业CO、NOx、SO2、PM2.5和PM10的总排放量分别为3.71×104、2.76×104、3.10×104、3.04×104、1.29×105t。

图1为乌昌石区域不同市县非金属矿物制品业对各污染物排放量的贡献率。整体来看，乌鲁木齐市对大气污染物的排放贡献最大，呼图壁县最小。对于CO，排放贡献率最大的是乌鲁木齐市，为94.02%；对于NOx，乌鲁木齐市和石河子市的排放贡献率较大，分别达到42.27%、38.59%；对于SO2，排放贡献率最大的是乌鲁木齐市，为52.70%；对于PM2.5和PM10，排放贡献率最大的均是石河子市，分别为38.53%、36.53%。乌鲁木齐市是乌昌石区域的核心城市，非金属矿物制品业企业数量较多，因此污染物的排放量较大；石河子市水泥行业产量较大，使得石河子市的PM2.5和PM10排放量最大；昌吉市、呼图壁县的非金属矿物制品业企业较少，因此污染物排放量较小。

图1 不同市县对污染物排放量的贡献率Fig.1 Contribution rate of different cities or counties to pollutants emission

表1 非金属矿物制品业大气污染物的排放因子

注：1)采用新型干法窑；2)采用除新型干法窑外的其他窑；3)数据来自文献[30]；4)数据来自文献[31]；5)数据来自文献[32]；6)数据来自文献[33]；7)数据来自文献[34]；8)数据来自文献[35]。

表2为乌昌石区域非金属矿物制品业不同行业对各污染物排放量的贡献率。CO排放贡献率最大的行业是熟石膏行业，贡献率为51.05%，其次是石灰行业，贡献率为25.01%；NOx排放贡献率最大的行业是水泥(干法)，贡献率为67.96%，其次是混凝土配料行业，贡献率为24.92%；SO2排放贡献率最大的是水泥(干法)行业，贡献率为46.87%，其次是混凝土配料行业，贡献率为39.25%；PM2.5和PM10排放贡献率均是水泥(干法)行业最大，贡献率分别高达88.82%、86.80%。乌昌石区域非金属矿物制品业中，混凝土配料和水泥(干法)行业是产量最大的行业，年产量分别达到716万、1 395万t。水泥生产工艺包括生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨3个步骤，其中粉磨阶段会产生大量粉尘从而造成污染物排放，而混凝土配料行业在装卸和搅拌阶段也会产生大量的粉尘造成污染物大量排放。

2.2 污染物排放时空分布特征

2.2.1 时间分布特征

根据企业填报的每月活动水平数据分析污染物的每月排放特征(见图2(a))；根据文献[36]中的小时分配系数，结合新疆地区的生活作息习惯延后2 h，由此分析污染物的小时排放特征(见图2(b))。

乌昌石区域11月至次年3月为漫长寒冷的冬季，非金属矿物制品业停产， 4月至10月恢复生产，是污染物排放的高峰期，特别是正常生产时的5月至9月。小时排放特征受当地居民生活作息时间影响较大，11：00至20：00是当地居民的工作时间，因此污染物排放较多；而3：00至8：00仅有少部分轮班制企业处于工作，因此有污染物排放但排放量较少。

表2 不同行业对污染物排放量的贡献率

图2 污染物排放时间分布特征Fig.2 Temporal distribution characteristics of pollutants emission

2.2.2 空间分布特征

利用ArcGIS空间分析工具得到 178家企业的污染物排放量分布地图，如图3所示。

由图3可知，乌昌石区域非金属矿物制品业污染物排放企业主要集中在乌鲁木齐市中部、西南部，石河子市的污染物排放企业的污染物排放量也较高。CO排放量最高的企业是乌鲁木齐市的建材企业，PM2.5和PM10排放量最高的企业是五家渠市的建材企业，NOx和SO2排放量最高的企业分别是石河子市和阜康市的水泥企业。

图3 污染物排放空间分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of pollutants emission

表3 不确定性分析结果

2.3 不确定性分析

本研究的不确定性主要来自活动水平数据和排放因子。活动水平数据由企业自行填报，可能存在漏报或错报的情况；排放因子来自不同的文献，在可比性和乌昌石区域的适用性上存在不确定性。由表2可知，石灰、水泥(干法)、熟石膏和混凝土配料4个行业的污染物排放量的贡献较大，因此采用蒙特卡罗模拟法[37]重点对这4个具体行业污染物排放量进行不确定性分析，结果如表3所示。4个行业的污染物排放量不确定性均较为接近。

3 结 论

(1) 乌昌石区域非金属矿物制品业的CO、NOx、SO2、PM2.5和PM10总排放量分别为3.71×104、2.76×104、3.10×104、3.04×104、1.29×105t。

(2) 乌鲁木齐市是最大的CO、NOx和 SO2排放贡献源，石河子市是最大的PM2.5和PM10排放贡献源。水泥(干法)行业是最大的NOx、SO2、PM2.5和PM10排放源，熟石膏行业是最大的CO排放源。

(3) 乌昌石区域非金属矿物制品业受季节影响明显，因此其污染物的排放也明显受到季节的影响。正常生产时的5月至9月是一年中污染物排放的高峰期。受当地居民生活作息时间的影响，一天中11：00至20：00是污染物排放的高峰期。空间上，乌昌石区域的污染物排放主要分布在乌鲁木齐市中部、西南部以及石河子市。