排污单位自行监测频次确定方法研究

王军霞,唐桂刚,敬 红,陈敏敏

中国环境监测总站,北京 100012

监测是获取污染物排放状况的重要手段。由于受生产工况、治理状况等因素的影响,污染物排放状况存在波动,监测时间和监测频次与数据代表性密切相关[1]。根据监测目的不同,在确定监测频次时应考虑的因素也不相同,例如,为获取有代表性的监测浓度、准确获取排放总量、获取最优或最差情况的排放状况等不同目标下,监测频次确定原则有所差异。对于不同目标下的监测频次确定方法与原则,相关学者开展了较多的研究[2-5]。

2013 年以来,我国污染源监测管理体制发生了较大变革,将排污单位自行监测主体地位进行了强化[6-9]。排污单位自行监测实施的目标是多元的、综合的,既包括获取有代表性的浓度数据与排放标准进行比对;也包括对于排放量贡献大、与环境质量密切的污染物,通过监测相对准确获取排放总量结果;同时还要兼顾到对于有毒有害污染物,应通过监测获取风险的影响。因此,在多目标导向下,如何确定适用于排污单位日常自我监管的自行监测频次是推进排污单位自行监测工作的重要研究内容。本文在对自行监测频次确定现状与问题分析基础上,提出分级分类的排污单位自行监测频次确定方法,并就废气、废水污染物排放监测频次确定方法进行研究,以期为排污单位自行监测频次研究提供借鉴。

1 现状与问题

根据对我国针对排污单位自行监测频次确定方法的梳理,监测频次确定时主要存在两种情况:单从排放源角度考虑,排放源单因素为主的监测方案制定方法;单从污染物考虑,污染物单因素为主的监测方法制定方法。

对于排放源单因素为主的监测频次确定方法,多用于提出自动监测要求的情况,表现为根据排放源的污染贡献总体情况,不区分污染物排放特征而提出统一的监测频次要求。对于排放源的确定又存在两种情形:一是根据排放源的污染物产生机理确定;二是根据排放源的形态特征而确定。对于根据排放源的污染物产生机理确定排放源分类的,例如,20 t/h 及以上蒸汽锅炉和14 MW 及以上热水锅炉应安装污染物排放自动监测设备。对于根据排放源的形态特征而确定排放源分类的,例如,对于45 m 以上排污口应实施自动监控。

对于污染物单因素为主的监测频次确定方法,多用于确定手工监测频次的情况,表现为根据污染物的重要性,不区分具体排放源排放特征而提出统一监测频次要求。例如,重金属排放日监测,化学需氧量、氨氮每日开展监测,二氧化硫、氮氧化物每周至少开展一次监测,颗粒物每月至少开展一次监测,二噁英每年至少开展一次监测等。

以上两种情况下,监测频次确定方法主要存在以下两方面的问题:第一,缺少方法学指导,各种规定过于零散,不成体系。尽管各种管理规定、标准规范中,涉及部分自行监测方案制定相关的内容,但缺少方法学的指导,多因管理需求分别确定,散落于各种文件或标准。由于缺少统一的方法,且由各方分别确定,存在相互之间不匹配、不衔接等问题,甚至存在相互矛盾的情形。第二,考虑因素过于单一,造成对某些情形适用性差的情况。由于对于特定对象,排放特征同时受排放源类型、污染物类型的影响,对于同类排放源不同污染物排放特征、同类污染物不同排放源排放特征均有可能不同,且这种情况非常普遍。因此,排放源单因素为主的监测方案制定方法、污染物单因素为主的监测方法制定方法均会对造成对部分对象的“误伤”。例如,对于钢铁、电子行业排污单位等COD、氨氮排放浓度较低或排放量不大的排放源,则存在要求过高的现象。

2 分级分类的排污单位自行监测频次确定方法

针对排放源、污染物单因素的排放监测频次确定技术方法存在的不足,将排放源和污染物两个因素叠加进行考虑,从而针对每类污染物的特征确定监测频次,形成具有多个层次差异的监测方案。

对于排放源和污染物两个因素,考虑到排放源跟生产设备对应性较强,同一排放源往往有多个污染物,因此以排放源作为两因素叠加的第一因素,在排放源的基础上叠加污染物,形成“排放源—污染物”矩阵,见图1。

图1 “排放源—污染物” 矩阵Fig.1 "emission source—pollutant" matrix

根据“排放源—污染物” 矩阵,可以得到每个“排放源—污染物” 的类别,在此基础上,进一步对“排放源—污染物” 进行归类,设计分层次的监测频次,也即赋予每类“排放源—污染物” 的监测频次,从而形成排放源分级分类叠加污染物分级分类的排放监测方案。

根据本技术路线,确定排放源分级分类方法、污染物分级分类方法、监测频次分级是确定排放监测方案的技术要点。由于废气、废水在污染物“产生—治理—排放” 上,呈现不同的特征。废水污染物从产污单元到排放,中间往往经过车间废水的混合,并经集中处理后经排放口排放,排放较为集中,排放口往往较少。废气污染物从产污到排放关联关系较强,往往从产污单元经过独立治理后经产污设备对应的排放口排放,由于较少集中治理排放,废气排放口往往较多。这在应用排放源分级分类叠加污染物分级分类的排放监测方案制定技术方法上,会存在差异。对于废水应立足排放口进行分级分类,而废气应立足排放源分级分类,因此以下将分别针对废气、废水进行研究。

3 废气污染源监测频次确定方法

根据废气排放源的特征,在确定自行监测频次时,应首先对废气排放源及污染物指标进行梳理,在此基础上对排放源进行分级分类,确定主要排放源和一般排放源。由于排放源与排污口紧密关联,在排放源分级分类的同时,也即实现了对排污口的分级分类。排污口与监测点位紧密关联,对于每类排污口(监测点位) 因涉及多种污染物指标,对于主要排污口还应进行污染物分级分类,而一般排污口由于对全厂排放贡献率较低,再进行污染物分级分类的意义不大。在对排污口进行分级分类、污染物分级分类的基础上,对监测频次进行分级,从而实现主要排污口监测要求高于一般排污口、主要污染物监测要求高于非主要污染物的目标,形成分层次、可操作的自行监测排放监测方案。

3.1 排放源分级分类方法

对于废气排放源,首先按照单个排放源污染物排放水平将其分为主要排放源和一般排放源两个级别。主要排放源是指单个排放源排放量较大,在行业排放总量中贡献率高的排放源。一般排放源指单个排放源排放量较小,对行业排放总量贡献率较低的排放源。考虑到同一行业排放源差异大,对于主要排放源和一般排放源,可以根据实际情况,进一步细分排放源的级别为一级主要排放源、二级主要排放源、一级一般排放源、二级一般排放源等。

排放源分级分类的难点在于科学确定主要污染源与一般污染物的划分界限。对此,本文提出两种主要污染源确定的方法,分别为单源标杆法和多源“监测点个数—排放量占比” 曲线切线斜率法。

3.1.1 单源标杆法

单源标杆法适用于同一企业中同类排放源数量少的情况,如造纸行业碱回收炉、某些行业的焚烧装置等等,在确定这类排放源是否为主要排放源时,可以采用标杆法。这种方法需要先给定可参照的标杆,在确定某类排放源是否为主要排放源时,可通过对该类排放源的废气排放量、污染物浓度、排放量与标杆进行对比予以确定。若排放量超过标杆,则可将其划定为主要排放源;若排放量未达到标杆的水平,则可以将其划定为主要排放源。该方法的重点在于确定合适和相对明确的标杆。

根据废气排放源常见分类方式,固定污染源主要有燃料燃烧源、工艺过程源、溶剂使用源等几种类型,可分类设定标杆。对于燃料燃烧源,参照《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2014) 中规定,20 t/h 及以上蒸汽锅炉和14 MW 及以上热水锅炉应安装污染物排放自动监控设备,故将单台出力14 MW 或20 t/h 燃煤锅炉作为单纯燃料燃烧源的标杆。对于溶剂使用源,主要涉及挥发性有机物,这与挥发性有机溶剂使用量有关,可以一定规模的挥发性有机溶剂使用量作为标杆。由于挥发性有机物的研究基础与燃料燃烧源相比较弱,暂以10 t 油性漆使用量作为溶剂使用源的标杆。对于工艺过程源,既涉及燃料燃烧相关的污染物,也可能涉及挥发性有机物。因此,对于涉二氧化硫、氮氧化物、颗粒物的工艺过程源,可参照燃料燃烧源的标杆;对于涉挥发性有机物的工艺过程源,可参照溶剂使用源的标杆。

3.1.2 多源“监测点个数—排放量占比” 曲线切线斜率法

多源“监测点个数—排放量占比” 曲线切线斜率法适用于同一污染物有数量较多的排放源的情况。同一污染物有数量较多排放源的情况下,如何选择合适的主要排放源和一般排放源分界线,以实现尽可能少的监测成本覆盖尽可能多的排放量,是监测方案制定的关键问题。

这种方法在应用时,首先对同类排放源进行归类,得出同类排放源的数量和排放量情况,从而画出“监测点位个数—排放量占比” 曲线,进而寻找“监测点位个数—排放量占比” 曲线切线斜率的突变点,将切线斜率的突变点所对应的点作为划分主要排放源和一般排放源,以及进一步细分排放源级别的分界线,见图2。

3.2 污染物分级分类方法

对于主要污染源,若涉及多种污染物,则应进一步确定主要污染源的主要污染物。为了便于确定主要污染物,首先将污染物进行分类。对污染物的分类主要从两个角度进行考虑,一是对环境质量的影响情况,二是对人体健康的影响情况。

图2 “监测点个数—排放量占比” 曲线切线斜率法示意图Fig.2 Schematic diagram of tangent slope method of "number of monitoring points—proportion of emission" curve

对环境质量的影响来说,重点考虑对环境质量六项基本项目的影响,且结合污染源排放形式多样性的特点,优先考虑采用综合性的指标进行表征。由于这类污染物与环境质量六项基本项目具有一定对应性,社会公众关注度和熟悉度较高,将其统称为一般污染物,具体包括二氧化硫(主要对应空气质量评价指标二氧化硫,与一氧化碳和PM2.5有关联)、氮氧化物(主要对应空气质量评价指标二氧化氮,与一氧化碳和PM2.5有关联)、颗粒物(主要对应空气质量评价指标PM2.5、PM10)、挥发性有机物(主要对应空气质量评价指标臭氧) 等4 项污染物指标。对于人体健康的影响情况来说,考虑到污染物对人体多有不同程度的影响,且存在一定的未知性,为了使其具有参考性和可操作性,必须限定在一定范围内,因此以《有毒有害大气污染物名录》为依据,列入其中的统称为有毒污染物。一般污染物、有毒污染物之外的污染物,统称为其他。由于一般污染物、有毒污染物都有确定的范围,只要未列入其中的,都归为其他。随着管理和研究进展,可调整一般污染物、有毒污染物的范围,但仍应是确定的范围。

在上述分类基础上,可按照以下条件筛选主要污染物:(1) 二氧化硫、氮氧化物、颗粒物(烟尘/粉尘)、挥发性有机物中排放量较大的污染物指标,可参照排放源分级分类中的单源标杆法,以其中标杆排放量作为标杆予以确定;(2) 《有毒有害大气污染物名录》中列明的污染物,且在日常平均生产工况下能够检出的污染物;(3) 排污单位所在区域环境质量超标的污染物指标(环境质量六项基本项目之外)。

3.3 监测频次分级

确定监测频次分级时,主要考虑监测成本和监测需求的平衡性。监测成本是监测人力和其他投入的综合体现。对于废气排放监测,单次监测所花费的人力时间较大,由于需要首先对仪器设备进行调试,并完成至少一个小时的采样或分析测试,加上各种其他准备工作,开展一个多项目的点位监测,往往现场就需要花费2～3 人半天时间。加上部分项目还需要进行实验室分析,那么综合耗时往往较大,故对于手工监测往往不宜提出过高的频次要求。

对于监测需求,除了考虑是否为主要污染物外,还需考虑排放的稳定性,是否存在影响排放的因素,若无污染物治理设施,排放相对稳定,那么单次监测的代表性较强,则不需要考虑过高的监测频次要求。

综合以上因素,并结合废气排放监测经验情况,将废气排放监测频次分级设定为自动监测、月、季度、半年、年等五个等级。对于排放量贡献大,且自动监测技术成熟的主要污染源的主要污染物指标,可考虑自动监测;对于排放量贡献相对小或无法实施自动监测的主要污染源的主要污染物指标,按月—季度频次;对于非主要污染源的污染物指标,按照半年—年的频次;若有必要,对于数量特别多、排放量贡献率很低的污染源的污染物指标,也可考虑进一步将监测频次降低至两年。

4 废水污染源监测频次确定方法

4.1 废水排污口分级分类

对于废水污染源,污染物产生与排放之间的直接关联较弱,因此与废气污染源不同,不再对排放源进行分类,而是直接立足排污口进行分类分级,这也是与排放标准相匹配的。考虑到废水排放口数量与废气相比较少,与废气污染源不同,不再区分主要排污口,而是根据排污口位置和排放去向对排污口进行分级分类。在对排污口进行分级分类、污染物分级分类的基础上,对监测频次进行分级,从而实现主要污染物监测要求高于非主要污染物的目标,形成分层次、可操作的自行监测排放监测方案。

根据废水排放口的监控位置、废水类型,目前我国对废水排放口的分类包括车间排放口(含专门处理车间废水的处理设施排放口)、雨水排放口、单独的生活污水排放口、企业废水总排放口。废水总排放口又可分为直接排放的废水总排放口和间接排放的废水总排放口。

由废水中所含污染物较为复杂,废水排放口分级方法也较为复杂,从便于操作的角度,将其简化为名录法,即以重点排污单位名录为依据,以是否纳入重点排污单位名录作为划分排污口级别的依据。由此,可以得到废水排放口分级分类框架,见图3。

图3 废水排放口分级分类Fig.3 Classification of wastewater discharge outlet

4.2 污染物分级分类方法

废水污染物的分级分类也是从对环境质量影响和对人体健康影响两个角度考虑。对于环境质量影响,重点考虑废水中的综合性指标,根据我国环境管理基础和废水排放标准中普遍涉及的污染物指标,筛选出化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、悬浮物、石油类等7 种综合性污染物指标,统称为一般污染物。对于人体健康影响,同废气,以《有毒有害水污染物名录》为依据。与废气污染物分类类似,一般污染物、有毒污染物之外的污染物,统称为其他。由于一般污染物、有毒污染物都有确定的范围,只要未列入其中的,都归为其他。与废气污染物分类相同,随着管理和研究进展,可调整一般污染物、有毒污染物的范围,但仍应是确定的范围。

在上述分类基础上,筛选主要污染物,可按照以下条件进行筛选:(1) 化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、悬浮物、石油类中排放量较大的污染物指标;(2) 污染物排放标准中规定的监控位置为车间或生产设施废水排放口的污染物指标,《有毒有害水污染物名录》中列明的污染物,且在日常平均生产工况下能够检出的污染物;(3) 排污单位所在流域环境质量超标的污染物指标(一般污染物以为指标)。

4.3 监测频次分级

废水监测频次分级所考虑的因素与废气类似。同时废水监测所耗人力与废气相比相对较少,因此在监测频次分级节点上有所调整。废水排放监测频次分级设定为自动监测、日、月、季度、半年、年等六个等级。对于重点排污单位,排放量贡献大且自动监测技术成熟的主要污染物指标,可考虑自动监测;对于排放量贡献相对小或无法实施自动监测的主要污染物指标,按日—月频次;对于其他污染物指标,按照半年—年的频次。对于非重点排污单位,主要污染物指标可考虑按季度开展监测,其他污染物指标按年开展监测。对于监控位置非车间排放口的污染物指标,间接排放企业的监测频次可以较直接排放企业的监测频次有所降低。

5 结语

合理确定排污单位自行监测频次是一项复杂的技术工作,要真正能够反映排污单位排污状况特征,需要对排污单位排放状况信息及生产、治理状况进行长期、全面跟踪研究。我国排污单位自行监测研究基础较弱,“一企一策” 的深入跟踪研究更是极其缺乏。本文提出的排污单位自行监测频次确定方法,是针对排污单位自行监测频次研究和实践薄弱的现状提出的通用方法,对于进一步开展企业层面排污单位监测频次的精细化、科学化、规范化确定具有一定的借鉴价值。希望有关学者在此基础上开展更加深入科学的研究,为我国排污单位自行监测工作提供有力的科技指导和支撑,为排污单位自行监测真正发挥应有的作用奠定基础。