流域畜禽养殖排污许可方案设计——以柘溪水库为例

纪志博，王文杰*，刘孝富,2，许超，王莹，白杨，邱文婷，罗镭.中国环境科学研究院，北京 0002 2.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 00875

流域畜禽养殖排污许可方案设计
——以柘溪水库为例

纪志博1，王文杰1*，刘孝富1,2，许超1，王莹1，白杨1，邱文婷1，罗镭1
1.中国环境科学研究院，北京 100012 2.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875

排污许可作为一种有效的环境管理制度，对固定点源特别是流域规模化畜禽养殖场污染物排放具有一定的制约作用。以柘溪水库为例，以流域畜禽养殖总氮排放为研究对象，在小流域尺度上核算水环境容量及畜禽养殖总氮污染物排放负荷，结合不同行业类别污染物排放贡献率，确定流域水环境容量与畜禽总氮排放量之间的响应关系。并根据不同流域规模化畜禽养殖水环境容量，确定污染物排放限值及各流域排污许可设计方案，提出不同水环境容量目标下畜禽养殖污染治理与管控措施。

排污许可；畜禽养殖；环境容量；排放限值

水环境容量作为实行区域水环境管理的基础及水污染物总量控制的依据[1]，是指一定水域范围内，在规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域容纳各类污染源的最大排放量[2-3]。水环境容量核算中污染源类型一般可分为工业污染源、生活污染源和农业污染源，其中，农业污染源主要包括畜禽养殖污染、农田径流污染和水域内源污染。近年来，柘溪水库流域畜禽养殖业发展迅速，养殖量大，分布广，多以散养为主，许多区域污染物排放总量业已超过环境容量，生态环境压力越来越大，已成为流域水环境质量恶化的主要原因之一。

排污许可(emission permit)作为环境许可中一项点源排放管理的核心工具，是依据环境保护法律对企业的排放行为和政府对企业的监督做出规定，通过许可证法律文书加以载明的制度[4]，并作为合理配置环境容量资源的基础性制度[5]，已在发达国家得到广泛应用。排污许可核算和分配方法主要包括美国基于技术标准的最实用控制技术(BPT)、最佳常规污染物控制技术(BCT)、最佳可行技术(BAT)及最佳流域管理措施(BMP)和基于水质标准的水体每日最大负荷(TMDL)核定[6-7]，以及欧盟、日本等以BAT和各行业污染治理技术水平为基础的水环境管理技术体系[8]。美国通过实施污染物削减制度(NPDES)使近70%的水质得到明显改善[9]，欧盟也通过颁布综合污染防治(IPPC)指令[10-11]使莱茵河水质得到明显改善[8]，排污许可在美国等发达国家已然成为控制点源环境污染的环保支柱性政策[12]。

流域是地球陆地表面集自然资源、社会、经济等因素于一体特定的地理单元[13-14]。排污许可制度作为有效控制流域污染物排放的方法之一，在流域尺度下实施水体污染物控制具有重要意义，但目前，基于流域尺度的排污许可管理研究较少，已不适应当前改善流域水环境的迫切需求。笔者以柘溪水库流域为例，采用流域水环境容量核算及畜禽养殖污染负荷分析的研究方法，以畜禽养殖总氮排放为突破口，基于环境功能区划，构建排污许可体系，从水环境容量动态分配和方案可行性等方面进行探讨，以期为我国水污染物排污许可体系科学、经济、高效地实施提供技术支持。

1 技术路线

分析比较了规模化畜禽养殖污染负荷与水环境容量的响应关系，针对不同控制单元和流域分别提出了排污许可设计方案及污染治理措施：1)通过环境现状与污染负荷调查，确定研究区各类型污染负荷背景值，以及规模化畜禽养殖污染物负荷；2)根据流域水环境功能区划、水环境质量目标，划分控制单元，核算流域水环境容量，并结合各污染源排放现状和贡献率，确定流域规模化畜禽养殖环境容量；3)分析畜禽养殖环境承载力，结合不同流域规模化畜禽养殖环境容量与污染物排放量的响应关系，提出各流域规模化畜禽养殖排污许可设计方案和畜禽污染治理措施(图1)。

图1 技术路线Fig.1 The techncial roadmap

2 研究方法

2.1 研究区概况

柘溪水库位于湖南省益阳市境内，系资江中游，流域面积5 681.5 km2，涉及娄底市和益阳市2个市的新化县和安化县共39个乡镇。其水面面积85.0 km2，总库容35.7亿m3，主要入库支流有青峰河、油溪河、白溪河、大洋河和渠江等。流域内地形起伏，平均海拔463.9 m。流域属中亚热带季风湿润气候区，四季分明，雨量丰沛，年均降水量11 455.9 mm。

2.2 控制单元划分

控制单元划分作为计算水环境容量的关键步骤，是为实施水环境容量控制提供水质目标管理的基本控制单元[15-17]。柘溪水库属典型的河道型水库，整个库区主河道长达171.0 km，其中，安化县境内(安化段)为80.0 km，新化县(新化段)境内为91.0 km。故在分析柘溪水库水环境容量时，将该水库看作河流，并根据流域地形自然差异和水质监测控制断面，将研究区划分为6个小流域，18个控制区域(图2和表1)，以便于排污许可方案设计与规模化畜禽点源污染管控。

图2 研究区划分Fig.2 Division of study area

河段流域单元控制区域新化段梅苑1油溪2～6坪口7～9安化段烟溪10～12大坝13～16东坪17～18

2.3 水环境容量核算

2.3.1 水环境容量模型

对于水力停留时间长、水质基本处于稳定状态的水库，可视为均匀混合水体进行研究。通常情况下，污染物进入河流后主要有3种形态：随环境介质的推流迁移、污染物质点的分散以及污染物的转化和衰减。鉴于柘溪水库的换水周期和自然条件限制，将河流看作是一个完全混合的反应器，即水流进入该系统后可以完全分散到整个系统，根据质量守恒原理，建立河流污染物浓度随时间变化的微分方程：

V(dCdt)=QinCin-QoutCout+qCoth-kCoutV

(1)

式中：Cin为入流水质浓度，mgL；Cout为出流水质浓度，mgL；Qin为入流流量，m3a；Qout为出流流量，m3a；V为河流有效容积，m3；q为由侧向进入河流的污染物流量，m3a；Coth为由侧向进入河流的污染物浓度，mgL；k为水体自净系数。

当湖泊处于稳定状态时：

dCdt=0

(2)

根据式(1)和式(2)得出：

qCoth=QoutCout-QinCin+kCoutV

(3)

根据水环境容量的定义，当河流中污染物浓度Cout=Cs(Cs为允许排放的水质浓度)时，河流外部输入的污染物量等于河流的水环境容量，则河流水环境容量(W)为：

W=QoutCout-QinCin+kCoutV

(4)

2.3.2 水文参数选取

水文条件作为决定水环境容量的重要因素之一，反映了水质保护目标的安全系数。根据柘溪水库水文水质特性以及安化县和新化县水利局提供的水文监测数据，选取设计水文参数(表2)。根据DB 43023—2005《湖南省主要地表水系水环境功能区划》，研究区域内资江水体主要功能为饮用水水源地保护区和渔业用水区，要求相应的水质标准分别执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅱ类和Ⅲ类水质标准。根据流域水环境功能区划及国控断面近期目标控制水质要求，确定坪口为国控断面，水质控制目标为Ⅱ类，其余各控制断面均为Ⅲ类。

表2 水文参数

注：年均流量为376.9 m3s。

2.3.3 计算结果

根据式(4)建立的水库控制模型和选取的设计条件的各项水文参数，计算出柘溪水库的总氮水环境容量为4 048.3 ta(表3)。

表3 水环境容量计算结果

Table 3 The calculation results of environmental capacity ta

表3 水环境容量计算结果

流域单元梅苑油溪坪口烟溪大坝东坪水环境容量1611 2339 7636 5881 2328 0251 7

2.4 畜禽养殖排污负荷核算

畜禽养殖污染源强采用《全国水环境容量核定技术指南》中推荐的折算方法和参数，把所有的畜禽养殖动物都折算成当量猪。根据流域污染源调查，研究区内猪存栏460 446头、牛存栏55 978头、羊存栏95 633只、鸡存笼1 124 031羽，折算为约93.7万头当量猪。对于畜禽养殖总氮产生量核算可参考产排污系数法[18-20]：

Q=N×T×P

(5)

式中：Q为畜禽养殖污染物产生量，万t；N为畜禽养殖饲养量，头当量猪；T为饲养期，d；P为产排污系数，kgd。

研究表明[18]，每头猪生长期内总氮排放量为3.4 kg。通过计算分析，柘溪水库流域畜禽养殖散户总氮排放量为2 149.1 ta，以安化段大坝控制区域总氮排放量最大，占全流域的41.2%(表4)。

表4 流域畜禽养殖污染负荷

3 排污许可设计方案

3.1 污染物入河量分析

根据研究区各污染物统计分析，流域内污染源可分为点源污染和非点源污染。点源污染包括城镇生活集中污水处理设施污染和工业企业污染；非点源污染包括农村生活污染、畜禽养殖污染、农田径流污染和水域内源污染。根据《湖南省水环境容量核算》相关研究成果，流域地形地貌特征，安化县和新化县统计年鉴，污染物排放现状等相关资料可知流域污染负荷及其贡献率(表5)，其中畜禽养殖贡献率为25.3%。

表5 流域污染负荷及其贡献率

3.2 安全临界值的确定

安全临界值(MOS)是指污染物负荷与受纳水体水质之间的不确定数量[9,21]。依据国内经验和美国国家环境保护局(US EPA)推荐方法[22-23]，安全临界值一般取水体最大纳污量的5%～10%。考虑到柘溪水库目前总氮污染排放已大大超出其水环境容量，无法预留较大的安全余量，故安全临界值取环境容量的5%。

3.3 数据分析

通过对比流域总氮入库量及水环境容量，并结合畜禽养殖污染贡献率，得到各控制单元规模化养殖环境容量(表6)。

表6 各控制区域规模化养殖环境容量

Table 6 Environmental capacity of large-scale farms in control areas ta

表6 各控制区域规模化养殖环境容量

河段流域单元控制区域环境容量畜禽养殖容量MOS养殖散户总氮入河量规模化养殖环境余量新化段梅苑11611．2407．620．475．9311．3油溪2～6339．785．94．350．631．0坪口7～9636．5161．08．119．5133．4安化段烟溪10～12881．2222．911．1176．035．8大坝13～16328．083．04．2354．2-275．4东坪17～18251．763．73．2183．5-123．0

3.4 排污许可方案设计

3.4.1 基于行业排放限值的排污许可方案设计

基于行业排放限值的排污许可设计思路是依据行业总量控制发展而来，即在流域规模化畜禽养殖场等企业执行层面上，通过实施基于行业排放限值的排污许可调控措施，严格管控企业污染物排放行为，实现污染物达标排放管控目标。

根据流域水环境容量分析，在梅苑、坪口和烟溪3个流域，规模化畜禽养殖环境容量相对充足，流域内规模化养殖场按柘溪水库地区畜禽养殖污染物排放标准排放污染物，分别占剩余水环境容量的3.0%、6.2%和24.1%。据此，对上述3个控制区域的流域实施基于行业排放限值的排污许可设计方案，结合柘溪水库规模化养殖实际情况及流域规模化畜禽养殖环境容量控制目标，参考《畜禽养殖业污染物排放标准(征求意见稿)》，确定规模化畜禽养殖场总氮排放浓度限值为70.0 mgL。据此，对流域内的109家规模化畜禽养殖场，结合各场养殖量，确定污染物排放总量限值，以约束流域畜禽养殖污染排放。

根据畜禽养殖行业污染物排放标准，采用干清粪处理工艺，按照单位产品基准排水量为1.2 m3(百头·d)，计算单位产品每年总氮排放量：

QTN=V排水×CTN×M100×365

(6)

式中：QTN为单位产品总氮排放量，kga；V排水为单位产品基准排水量，按1.2 m3(百头·d)计；CTN为总氮排放浓度限值，mgL；M为规模化养殖场畜禽养殖量，头当量猪。

基于行业排放限值设计畜禽梅苑、坪口和烟溪流域养殖业排污许可实施方案，流域内规模化畜禽养殖场污染物总氮排放量计算公式为：

QTN=0.31M

(7)

根据式(7)计算各控制区域规模化畜禽养殖场总氮排放限值，见表7。

表7 基于行业排放标准的规模化养殖场总氮排放限值

3.4.2 基于环境质量-容量总量的排污许可方案设计

依据流域水环境容量及规模化畜禽养殖污染负荷分析，参照污染源的环境属性与经济属性，将流域污染物削减量具体分配到各规模化养殖场，并核定畜禽总氮排放浓度限值，为52.8 mgL；结合养殖总量，确定各养殖场污染物排放限值，约束各养殖场污染物排放，满足流域水环境功能区划及水环境容量总量控制要求，当排污许可调控措施及行政管理决策等满足经济技术可行性时，即可对产排污企业发放排污许可证。通过对污染企业实施更为严格的基于环境质量-容量总量控制的排放限值，降低各污染源排污总量，实现控制单元内污染物总量的调控，改善水环境质量。

根据式(6)，结合污染物浓度限值要求，基于行业排放限值设计畜禽养殖业排污许可，油溪流域内规模化畜禽养殖场污染物总氮排放量计算公式为：

QTN=0.23M

(8)

依据式(8)，计算油溪流域各控制区域规模化畜禽养殖场总氮排放限值(表8)。

表8 基于环境质量-容量总量的规模化养殖场总氮排放限值

3.4.3 畜禽养殖超容流域治理方案

由于大坝和东坪流域养殖散户数量较多，畜禽养殖散户总氮污染物排放入河量已然超出流域畜禽养殖水环境容量，流域规模化畜禽养殖场环境容量不能满足养殖场排污需求，不适合规模化养殖场建设和运营。

为满足流域改善环境质量与地区经济发展的基本需求，首先，根据环境保护工作的需要，结合流域畜禽养殖现状，参考《畜禽养殖污染物排放标准(征求意见稿)》，在国土开发密度较高、环境承载力开始减弱，或者环境容量较小、生态环境脆弱，容易发生严重环境污染问题，需要采取特别保护措施的地区或流域，应严格控制养殖场的污染物排放行为，即流域内228家规模化畜禽养殖场制定特殊的污染物排放限值，为40.0 mgL。按照特定水质标准制定排放限值，仍不能满足水环境质量的要求，流域内畜禽养殖污染排放量分别超出环境容量的281.9和131.2 ta。据此，需要对上述超容流域严格控制畜禽养殖散户饲养量，提高流域规模化养殖比例，完善畜禽污染治理措施，进而提升流域环境质量。

针对在上述环境容量不足的控制区域，提出2种治理方案，以减少环境污染压力：方案一，在流域规模化养殖总量不变的情况下，参考环境容量削减养殖散户饲养量，即大坝和东坪控制单元削减养殖量分别为20.7万和9.7万头当量猪，可满足流域水环境质量目标要求；方案二在流域畜禽养殖总量不变的情况下，提高流域规模化养殖比例，对散户进行规模化整合，以满足流域畜禽养殖环境容量要求，即大坝和东坪控制单元需要转变为规模化畜禽养殖总量分别为6.1万和4.4万头当量猪，约占流域散户养殖总量的23.4%和32.7%(表9)。

表9 污染治理措施

4 结语

根据污染现状调查分析，柘溪水库畜禽养殖污染成因主要有：1)柘溪水库流域内畜禽养殖业发展迅速，沿河区域养殖散户多，分布广，排放量大；2)规模化畜禽养殖场缺乏相应规范约束，粪污处理设施不完善，大量畜禽养殖污水排入水库；3)多数沿河养殖户直接将畜禽粪便冲入附近河流沟渠，造成库区污染加剧；4)缺乏技术指导，没有形成符合地区特点的治理模式。

通过分析柘溪水库流域畜禽养殖环境容量与污染负荷之间的响应关系，提出针对不同流域环境容量和畜禽养殖污染现状的排污许可实施方案与污染管控措施，即通过核定不同规模化畜禽养殖场养殖类型和养殖总量，结合不同子流域总氮排放限值及各规模化畜禽养殖场污染物排放贡献率等，响应各控制区域排污许可设计方案，最终确定各规模化畜禽养殖场总氮污染物排放限值，颁发排污许可证，以约束污染物排放，改善流域水环境质量。

研究也存在不足之处，需要再进一步深入研究：1)未充分考虑流域之间的自然状况、经济发展等客观因素，不能完全实现环境容量的公平分配；2)畜禽养殖污染核算中输出系数、排泄系数、畜禽粪污中污染物含量等未考虑不同饲养周期、饲养方式和饲料使用所引起的差异。

[1] 逄勇.水环境容量计算理论及应用[M].北京:科学出版社,2010.

[2] 王涛,张萌,张柱,等.基于控制单元的水环境容量核算研究:以锦江流域为例[J].长江流域资源与环境,2012,21(3):283-287. WANG T,ZHANG M,ZHANG Z,et al.Calculation of water environmental capacity basin on control unit:a case study of the Jinjiang River Basin[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2012,21(3):283-287.

[3] 环境保护部环境规划院.全国水环境容量核定技术指南[M].北京:环境保护部环境规划院,2003.

[4] 王海燕,吴江丽,钱小平,等.欧盟综合污染预防与控制(IPPC)指令简介及对我国水污染物排放标准体系建设的启示[C]环境安全与生态学基准标准国际研讨会会议论文集.北京:中国毒理学会,2013:82-90. WANG H Y,WU J L,QIAN X P,et al.The introduction of EU IPPC directive and the suggestion for the excellence of water pollution emission standard system of China[C]International conference on environmental safety and ecological criterionstandards conference proceedings.Beijing:Chinese Society of Toxicology,2013:82-90.

[5] 李兴锋.排污许可法律制度重构研究:环境容量资源配置视角[J].中国地质大学学报(社会科学版),2016,16(2):32-40.

[6] US EPA.NPDES permit writers’manual for CAFOs[M].Washington DC:US Environmental Protection Agency. Office of Water,2012.

[7] 刘文琨,肖伟华,黄介生,等.水污染物总量控制研究进展及问题分析[J].中国农村水利水电,2011(8):9-12. LIU W K,XIAO W H,HUANG J S,et al.The total amount control research progress and problem analysis of water pollution[J].China Rural Water and Hydropower,2011(8):9-12.

[8] GELDERMANN J,NUNGE S,AVCI N,et al.The reference installation approach for the techno-economic assessment of emission abatement options and the determination of BAT according to the IPPC-directive[J].International Journal of Life Cycle Assessment,2000,5(4):194.

[9] US EPA.National pollutant discharge elimination system (NPDES) permit writers’ manual[M]. Washington DC:US Environmental Protection Agency. Office of Water,2012.

[10] 王燕,施维蓉.简介《欧盟水框架指令》及其成功经验[J].环境研究与监测,2009(4):73-75.

[11] 吴险峰,李阳,王淑兰.欧盟污染物总量控制历程和排污许可证管理框架:环境保护部大气污染防治欧洲考察报告之二[J].环境与持续发展,2013(5):8-10. WU X F,LI Y,WANG S L.Pollutant cap control and management framework of industrial discharge permit in EU[J].Environment and Sustainable Development,2013(5):8-10.

[13] 范兆轶,刘莉.国外流域水环境综合治理经验及启示[J].环境与可持续发展,2013(1):81-84. FAN Z Y,LIU L.Foreign expertise reference of watershed system management[J].Environment and Sustainable Development,2013(1):81-84.

[14] 王秉杰.现代流域管理体系研究[J].环境科学研究,2013,26(4):457-464. WANG B J.Research on modern watershed management system[J].Research of Environmental Sciences,2013,26(4):457-464.

[15] 张玉珍,曹文志,陈锦,等.九龙江流域湖库化河段水环境容量研究[J].福建师范大学学报(自然科学版),2015,31(6):85-89. ZHANG Y Z,CAO W Z,CHEN J,et al.Study on water environmental capacity of reservoired river in Jiulong River Basin[J].Journal of Fujian Normal University(Natural Science Edition),2015,31(6):85-89.

[16] 王卫平.九龙江流域水环境容量变化模拟及污染物总量控制措施研究[D].厦门:厦门大学,2007.

[17] 刘媛媛.基于控制单元的水环境容量核算及分配方案研究[D].南京:南京大学,2007.

[18] 王晓凤,赵英姿,夏训峰.赵王河流域畜禽养殖污染负荷分析[J].湖北农业科学,2012,51(18):3963-3966. WANG X F,ZHAO Y Z,XIA X F.Pollutants loads of livestock and poultry breeding in Zhaowang Basin[J].Hubei Agricultural Sciences,2012,51(18):3963-3966.

[19] 张金恒,王军强,万玉,等.青岛市农业面源污染评价研究[J].中国农学通报,2010,26(10):276-280. ZHANG J H,WANG J Q,WAN Y,et al.Agricultural non-point source pollution investigation and assessment in Qingdao[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2010,26(10):276-280.

[20] 朱立安,王继增,胡耀国,等.畜禽养殖非点源污染及其生态控制[J].水土保持通报,2005,25(2):40-43. ZHU L A,WANG J Z,HU Y G,et al.Non-point source pollution from livestock and poultry and ecological control[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2005,25(2):40-43.

[21] 王彩艳,彭虹,张万顺,等.TMDL技术在东湖水污染控制中的应用[J].武汉大学学报(工学版),2009,42(5):665-668. WANG C Y,PENG H,ZHANG W S,et al.Application of total maximum daily load (TMDL) technology to water pollution control for East Lake[J].Engineering Journal of Wuhan University,2009,42(5):665-668.

[22] 周雯,任秀文,李适宇.TMDL中MOS的定量估算方法及其应用[J].新疆环境保护,2011,33(2):21-28. ZHOU W,REN X W,LI S Y.Quantitative estimation method of margin of safety (MOS) in the TMDL development process and its application[J].Environmental Protection of Xinjiang,2011,33(2):21-28.

[23] HARMEL R D.Uncertainty in TMDL models[J].Transactions of the ASABE,2006,49(4):1033-1049. ○

Design of discharge permit system of livestock and poultry breeding: a case study in Zhexi Reservoir Basin

JI Zhibo1, WANG Wenjie1, LIU Xiaofu1,2, XU Chao1, WANG ying1, BAI Yang1, QIU Wenting1, LUO Lei1
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster of Ministry of Education, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

As an effective environmental management instrument, the discharge permit system has certain restriction on pollutant discharge of point sources, especially of large-scale livestock and poultry breeding in the basin. The TN discharge from livestock and poultry breeding was studied in Zhexi Reservoir Basin. The water environmental capacity and the TN discharge load of livestock and poultry breeding were calculated on the small basin scale, and the response relationship between the environmental capacity of the river basin and the TN discharge of the livestock and poultry breeding determined according to the pollutant discharge contribution rates of different industries. The pollutant discharge limits and permit system program were identified according to the water environment capacity of large-scale livestock and poultry breeding for the basin, and the pollution control measures of livestock and poultry breeding under different environmental capacity targets were put forward.

discharge permit; livestock and poultry breeding; environmental capacity; discharge limits

2017-01-17

污染物总量控制技术体系、绩效评估、宣传教育与信息平台建设(2025003006)

纪志博(1992—)，男，硕士研究生，主要从事非点源污染控制、环境遥感应用研究，jizb@craes.org.cn

*责任作者:王文杰(1970—)，男，研究员，博士，主要从事区域生态评价与规划、环境遥感应用研究，wangwj@craes.org.cn

X522

1674-991X(2017)05-0621-08

10.3969j.issn.1674-991X.2017.05.086

纪志博，王文杰，刘孝富,等.流域畜禽养殖排污许可方案设计:以柘溪水库为例[J].环境工程技术学报,2017,7(5):621-628.

JI Z B, WANG W J, LIU X F, et al.Design of discharge permit system of livestock and poultry breeding: a case study in Zhexi Reservoir Basin[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(5):621-628.