有色冶炼污染源达标评估和动态管理系统开发

万斯，孙启宏，白璐，姚扬，扈学文，杨晓松，林星杰，汪靖

1．中国环境科学研究院清洁生产与循环经济研究中心，国家环境保护生态工业重点实验室，北京 100012

2．湖南有色金属研究院环境保护研究所，湖南长沙 410015

3．北京师范大学，北京 100875

4．北京矿冶研究总院，北京 100070

有色冶炼污染源达标评估和动态管理系统开发

万斯1，2，孙启宏1*，白璐1，3，姚扬1，扈学文1，杨晓松4，林星杰4，汪靖4

1．中国环境科学研究院清洁生产与循环经济研究中心，国家环境保护生态工业重点实验室，北京 100012

2．湖南有色金属研究院环境保护研究所，湖南长沙 410015

3．北京师范大学，北京 100875

4．北京矿冶研究总院，北京 100070

确保工业污染达标排放是环境管理的重要方面，达标评估工作需要采取全过程控制的思路，并进行动态跟踪。在污染物排放预测基础上，提出了有色冶炼行业污染源排放达标可行性评估方法，包括排污系数法和排放模型法。开发了有色冶炼污染源达标评估和动态管理系统，利用系统排放模型法评估了A企业阳极炉烟囱污染源排放污染物。结果表明，阳极炉烟囱SO2排放(538 mg/m3)不达标，从节能降耗、开展清洁生产审核以及建立环境管理体系等方面提出优化方案，3个方案的SO2排放浓度分别为370、365和292 mg/m3，可实现全部达标排放。

动态管理系统;污染源达标评估;有色冶炼;污染物浓度预测

有色金属冶炼业是《重金属污染防治“十二五”规划》确定的重点防控行业。有色金属冶炼过程中产生较大量的废渣(石)、废水和废气，造成环境污染。2010年，我国有色金属行业废水排放总量7．3亿t、工业烟尘排放量22万t、固体废物产生量31 000万t，其工业废气和二氧化硫的总量分别占我国工业行业排放总量的5．3%和4．1%。我国有色金属工业废水达标排放率为91%、二氧化硫达标排放率为76%、烟尘达标排放率为85%，与国内平均水平相比还有较大差距［1|2］。确保工业污染达标排放是环境管理的重要方面，达标评估工作需要采取全过程控制的思路，并进行动态跟踪。为有效控制重金属污染，需要完善重金属污染防控监管体系，提高环境管理部门的环境监管效率［3］。因此，建立决策支持系统对于实时有效地掌握有色金属冶炼企业污染源污染物排放情况，及时采取整改措施具有重要意义。

目前，利用排污系数、已有模型或回归分析法建立预测模型预测污染源排放污染物浓度的研究较多，如利用排污系数预测污染源排放污染物NOx和SO2排放浓度［4|6］，利用MEASURE模型和BP神经网络模型预测尾气中NOx浓度［7|8］，利用回归分析法建立模型用于污染源排放污染物如尾矿区重金属铅、砷等污染物浓度［9］和室内污染物PM2．5浓度预测［10］。在有色金属冶炼行业，李韧等利用箱模型估算有色金属冶炼企业无组织源重金属污染物排放浓度［11］;相关人员利用产排污系数核算铅锌冶炼行业污染物排放浓度［12|14］;张靖［15］采用实测法核算出镍冶炼不同工序废气中重金属污染物排放浓度。林星杰等［16］以技术水平和管理水平指标量化综合得分为自变量，利用回归分析法建立了污染物排放浓度的预测模型。

环境决策支持系统是通过数据、模型和知识，以人机交互方式进行半结构化或非结构化决策［17|19］。目前，在污染源排放模拟方面，还缺少基于全过程仿真模拟的相关计算机系统。笔者基于排污系数法和排放模型法，提出有色金属冶炼行业排放达标可行性评估方法，开发了《有色冶炼污染源达标评估和动态管理系统》。该系统旨在针对有色冶炼企业，为环境管理部门和相关企业开展污染排放的预测评估与监督管理提供全过程管理的思路和技术工具。

1 问题分析

影响有色冶炼污染源污染物排放的主要因素可分为宏观和微观2个层次(图1)。

图1 企业污染物排放的影响因素Fig．1 Factors influencing pollutant emissions of the enterprise

1.1 宏观层次

企业的排污水平除了受企业生产自身条件的影响外，外界的政策因素也非常重要。特别是在冶金行业，企业的工艺水平和技术水平参差不齐，宏观政策环境对企业的生产和排污影响很大。宏观层次影响企业污染物的排放水平及实现稳定达标排放主要因素包括环境法律法规、行业准入、主体功能区、环境标准和环境监管等(表1)。

表1 宏观层次影响有色金属冶炼行业污染物排放的主要因素Table 1 Themain macroeconomic factors of influence of non|ferrousmetal smelting industry pollutant emission

宏观要素如环境法律法规、行业准入对生产工艺、末端治理技术等会产生直接影响，主体功能区影响环境标准的确定，在达标评估中主要体现在排放标准的选取上。模拟模型中不对上述宏观要素的影响进行分析。

1.2 微观层次

在企业的微观层次，影响污染物排放的主要因素有5个:产品、原料、生产工艺、生产规模和末端治理技术水平。其中，产品、原料、生产工艺、生产规模主要影响污染物的产生量，末端治理技术水平决定污染物的削减量。这5个因素是影响污染物排放的“硬件”条件。在第一次全国污染源产排污系数研究中，将产品、原料、生产工艺、生产规模统称为“四同”因素［20］。

实际企业的情形常常比较复杂。对于同样的产品、原料、生产工艺、生产规模和同样的末端治理技术，不同企业的污染物排放情况却不同，甚至差别较大。这主要与企业的管理水平有关。主要影响因素有:近3年建设项目环境影响评价和“三同时”执行情况、近3年污染源限期治理项目完成情况、环保设施规范性和处理效果、是否建立环境管理体系并通过认证、是否开展清洁生产审核、环境监测管理制度以及企业守法情况等。

2 有色冶炼污染源达标评估模型建立

2.1 有色冶炼污染源达标评估思路

首先，建立污染源排放模拟和预测模型，并根据具体目标选择合适的模拟方法。有2种方法:1)排污系数法，建立在产排污系数基础上，给定产品、原料、工艺、规模等级和末端治理技术等5个因素下，进行污染物排放的模拟和预测。2)排放模型法，在前述5个因素基础上，进一步考虑企业的技术水平和管理水平2个因素，建立修正的污染物排放模型。

其次，进行污染源排放预测和达标评估。根据管理目的选择相应的模型方法。排污系数法适用于对某企业的污染源达标状况、某区域(如工业园区或者某个城市)的污染物排放达标状况等，适用于企业整体排污状况的评估，也适用于相关行业企业平均排污水平的评估。排放模型法适用于对某企业某条生产线的污染源达标状况、某企业某个车间排污口的污染源达标状况等，可作为一种对现状进行更精确评估的核查工具。根据所选择的模型方法，对污染源排放的污染物浓度进行预测。将污染物预测浓度与污染物的排放标准进行对比，评估污染源达标状况。

第三，影响因子识别和优化方案的确定。根据有色冶炼污染源排放的污染物浓度达标情况，设定不同的情景，对排放不达标的污染源进行主要影响因子识别，针对主要影响因子设计不同的参数，预测其污染物排放变化情况，最终达到方案优化目的。

2.2 有色冶炼污染源排放模拟模型

2.2.1 排污系数法

将《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册》中有色冶炼行业的排污系数换算为排污浓度，与现行的相关污染物排放标准进行比较，以衡量不同产品名称、原料名称、工艺名称、规模等级和末端治理技术组合下的排放标准的可达性。

废水中化学需氧量、镉、铅、砷4种污染物指标的排放浓度计算方法:

式中，C废水为废水中某污染物指标的排放浓度，mg/L;X废水为废水中某污染物指标的排污系数，g/t (以产品量计，下同);G废水为工业废水量的排污系数，t/t。

烟尘、二氧化硫2个污染物指标的排放浓度计算方法:

式中，C废气为废气中某污染物指标的排放浓度，mg/m3(在标准状态下，下同);X废气为废气中某污染物指标的排污系数，kg/t;G废气为工业废气量的排污系数，m3/t。

2.2.2 排放模型法

以不同的“四同”组合条件为参照系，制定技术水平、管理水平、末端治理技术的量化评分规范，设计不同生产工艺冶炼污染源污染物考核指标，计算出技术水平、管理水平综合作用下，各污染源污染物的排放浓度，与现行的相关污染物排放标准进行比较，以衡量不同产品名称、原料名称、工艺名称、规模等级、技术水平、末端治理技术和管理水平组合下的排放标准的可达性。关于该模型的详情见文献［16］。

有色金属冶炼行业污染物指标的排放模型排污浓度模拟计算方法:

式中，a、b、c为排放系数;X为综合得分;C为某污染物指标的排放浓度，mg/L或mg/m3。

以铜冶炼企业阳极炉烟囱排放SO2为例:6条生产线阳极炉烟囱SO2排放数据和企业技术水平、管理水平调查数据见表2。通过表2数据建立了综合分值排放预测模型:

表2 阳极炉烟囱排放SO2浓度Table 2 The concentrations of anode furnace SO2emission

3 有色冶炼污染源达标评估和动态管理系统开发

3.1 有色冶炼污染源达标评估和动态管理系统框架图

《有色冶炼污染源达标评估和动态管理系统》(简称N|FSPSECDMS)分为用户版和管理员版。用户版主要面向环保部门及企业环境管理人员，管理员版主要用于系统基本数据的维护及运行管理。图2给出了N|FSPSECDMS的总体框架。由图2可以看出，N|FSPSECDMS系统分为模拟系统模块和信息系统模块。模拟系统模块中排放模拟和达标评估结合模型库具备污染源达标分析能力，影响因子识别和评估比较系统诊断出未能达标排放的影响因子以及提出不同优化方案的措施，结合模型库实现达标排放;信息系统模块实现对模拟系统预测污染源污染物排放需要的企业基本信息的维护、管理以及动态更新。

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

3.2 系统运行环境

硬件环境需求:系统运行所必须的软件运行环境包括 Windows 2000及以上版本操作系统和MYSQL数据库服务器数据库平台。

软件环境需求:数据库服务器环境要求见表3。

表3 数据库服务器环境配置Table 3 Database server environment configuration

系统特点:系统以简单、直观的按钮呈现功能，具有向导式用户界面，预测结果以Excel文件输出。

3.3 系统功能简介

3.3.1 现状历史数据管理

提供用户对所管理企业现状数据的录入、查询和维护功能，历史数据的污染物排污浓度趋势图以及《有色金属行业准入》、《有色金属行业技术政策规范指南》、《有色金属行业排放标准》、《有色金属行业清洁生产标准》、《有色金属行业测试分析方法》和《有色金属行业产排污系数》等6类文档查看或下载，并且能实现对有色金属行业发布的最新法律法规、政策等的实时更新。

3.3.2 排放预测与达标评估

首先分别基于排放模型和排污系数法，对污染物排放进行评估。当采用基于排污系数的污染源达标评估方法时，需确定产品、原料、工艺、规模等级和末端治理技术等5项主要影响因子;当采用排放模型的污染源达标评估方法时，在确定“四同”的基础上，还需确定影响冶炼工艺8项技术水平和5项管理水平的因子。对污染源排放的污染物浓度达标状况进行评估，提供历史查询和对污染源排放的污染物浓度数据导出分析功能。

3.3.3 方案优化

依据达标评估结果，通过情景分析法等方法，对不达标排放的污染源进行主要影响因子识别，提出进一步优化的措施使污染源排放的污染物浓度稳定达标排放，提供多个预测方案与现状数据和行业标准相比较功能。

3.4 应用案例

以A企业阳极炉烟囱SO2排放为案例。该企业SO2现状排放浓度为538 mg/m3，未能达标排放。通过系统初步辨识，A企业未能达标排放的影响因子主要有能耗水平、未建立环境管理体系并通过认证和未开展清洁生产审核。针对A企业影响因子，提出3个优化方案。

方案一:降低企业能耗，管理水平不变，如采用闪速熔炼－闪速吹炼工艺、空间脉动旋流铜冶炼工艺、铜冶炼生产过程在线控制系统、余热余压利用、污水粒化、增加余热发电机组等措施降低综合能耗。

方案二:技术水平不变，开展清洁生产审核和建立环境管理体系，如开展清洁生产审核，建立环境管理体系，提高环境管理水平。

方案三:降低企业能耗，开展清洁生产审核和建立环境管理体系，综合上述节能降耗措施和开展清洁生产审核以及建立环境管理体系。

A企业现状和3个优化方案技术水平及管理水平指标的得分分别见表4和5。

表4 A企业现状和3个优化方案技术水平指标得分Table 4 Technical level index score of A enterprise status and three scheme optimization

表5 A企业现状和3个优化方案管理水平指标得分Table 5 Managemengt level index score of A enterprise status and three scheme optimization

A企业现状、方案一、方案二和方案三综合得分分别为90．79、96．46、96．79和102．46(综合得分计算方法详见文献［16］)，利用公式C=5 880．2－98．6X+0．43X2计算出SO2排放浓度分别为538、370、365和292 mg/m3。3个优化方案中A企业阳极炉SO2全部达标排放。

4 结语

(1)在有色金属冶炼行业污染物排放预测的基础上，提出2种有色金属冶炼行业排放达标可行性评估方法，即排污系数评估法和排放模型评估法。其中排污系数评估法适用对某企业的污染源达标状况、某区域(如工业园区或者某个城市)的污染物排放达标状况的评估，排放模型评估法适用于对某企业某条生产线的污染源达标状况、某企业某个车间排污口的污染源达标状况的评估。

(2)基于2种有色金属冶炼行业排放达标可行性评估方法，采用．Net Frame Work 3．5框架和C/S结构方式开发有色冶炼污染源达标评估和动态管理系统。案例研究表明，该系统可很好地模拟企业污染物的排放水平，并进行改进方案的参数设计，从而为环境管理人员和企业提供全过程管理的技术工具。

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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

环境保护公益性行业科研专项(2008467067，201009037)

万斯(1985—)，男，助理工程师，硕士，从事生态规划、循环经济及有色工业污染防治研究，wanlion301@163．com

*通讯作者:孙启宏(1965—)，男，研究员，长期从事工业生态学和清洁生产政策、标准研究，sunqh@craes．org．cn