2020, Vol. 50
2. 中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100
随着产业和人口快速增加，自1970年代末中国陆源污染物产污数量逐年增加，结果造成陆海水环境质量逐步恶化，到目前已对社会经济可持续发展形成紧乃至刚性约束，亟需加大源头治理的力度[1]。源头治理是陆源污染物减排的核心技术措施，不仅可直接减少产污超压污染源，而且也间接降低公共污水处理系统建设和流域环境综合整治等压力[2]。陆源污染物产污数量是社会经济发展的副产品，不仅取决于产业和人口等污染源规模，而且也取决于产业结果和不同行业污染源产强系数[3]。其中，产强系数指不同产/行业单位产品或单位产值所产生的污染物，它反映了新创作的单位经济价值的环境负荷的大小，也间接反映了经济生产技术水平的高低和污染物治理能力的大小，是经济发展所造成的环境污染程度的重要指标，也是指导产/行业准入的重要标准[4]。陆海水环境质量影响要素解析结果表明，在源头治理中，降低污染源产强不仅比减少规模可行，而且更加有效[5]。实际上，污染源产强环境准入制度是环保等部门依法履行环境监管职责，也是倒逼产业转型升级的重要手段[6]。
中国污染源产强环境准入制度始于1989年《中华人民共和国环境保护法》，特别是2002年《中华人民共和国清洁生产促进法》(下面简称《清洁生产法》)的颁布实施。根据《清洁生产法》，陆源污染物产强环境准入基准是清洁生产6类定量评价指标体系的核心指标，自2001年开始，环境保护部相继颁布了一批重点行业的污染源产强环境准入基准。对于陆源化学耗氧量(COD)和总氮(TN)污染物行业小类污染源，包括了钢铁、机械、玻璃、印染、啤酒、氮肥等20多个重点工业行业和畜禽养殖1个重点农业行业，合计只占国民经济行业小类的6.4%[7]。当前，中国正处在推进社会经济与陆海生态环境相和谐的可持续发展的关键阶段，源头治理与产业转型升级之间的脱节依然严重，亟需建立完善行业小类污染源全覆盖的产强环境准入制度[6]。这不仅需要行业小类污染源全覆盖且取值简便的产强系数等级划分表，而且也需要产强环境准入基准的量化标定方法[6]。
行业(亚)小类污染源产强系数列表既是产强系数等级划分，也是产强环境准入基准量化标定的基础数据。按照生产原料、工艺、规模和废水处理等污染源同质性，行业(亚)小类污染源产强系数研究始于污染源产污数量核算[8-9]。1995年世界银行发展和政策研究署在国际上首次发布了归属80余个制造业的1 500余个产品的生化耗氧量(BOD)产强系数等(“世行IPPS产强列表”)，目前已在50余个国家广泛应用[9-12]。2007年中国首次发布了《第一次全国污染源普查污染源产排污系数手册》(统称“全国产强列表手册”)，包括工业源、城镇生活污染源、农业污染源和集中式污染治理设施等[10-13]，是目前中国各种污染源和各级行政区陆源COD和TN(NH3-N)产污数量核算的基本技术依据。
由于亚小类污染源数量庞杂、地区差异性等原因[10-12]，“世行IPPS产强列表”和“全国产强列表手册”都过于繁杂，结果难以直接作为产强系数等级划分表。然而，无论是对于农业、工业和服务业源，还是对于城镇和农村生活源，由于不同亚小类污染源归一化产强系数在数值上往往相近，作为一个整体有可能在统计上呈现出聚类分组规律，结果有可能形成行业小类污染源全覆盖且取值简便的产强系数等级划分表。根据领先、先进和基本的3等级清洁生产划分标准，一般采用“先进”等级作为行业小类污染源产强环境准入基准[13]，但目前尚没有见到量化标定方法。
因此本文的研究目的是围绕现行行业小类污染源产强环境准入基准仅限于少数重点行业的突出问题，在编制业小类污染源全覆盖且取值简便的产强系数等级划分表的基础上，通过建立完善产强准入基准的量化标定方法，构建全国行业小类农业、工业、服务业和生活源COD和TN污染物产强环境准入基准体系，为通过高效源头治理全面推进产业转型升级提供量化依据。
1 方法“全国行业小类农业、工业、服务业和生活源COD和TN污染物产强环境准入基准列表”(“全国污染源产强环境准入基准列表”)是实行行业小类污染源全覆盖的产强环境准入制度的基本技术依据。这不仅要体现污染源产强环境准入基准等级划分，而且也要体现产强环境准入基准量化标定等。这样，“全国污染源产强环境准入基准列表”编制主要包括(亚)小类产强系数归一化、聚类分组、产强等级划分、行业小类污染源产强环境准入基准标定和准确可靠性检验评价等步骤。
1.1 (亚)小类污染源产强系数归一化对于(亚)小类污染源产污数量，目前一般采用分类产强系数法核算[9]：
| $ {{W}_{j}}\text{=}{{\omega }_{j}}{{M}_{j}}_{\ \circ } $ | (1) |
式中：W、M和ω分别表示污染源产污数量、规模因子和产强系数，下标“j”表示(亚)小类代码。在污染源普查等环境监测统计中，一般采用污染物重量(kg)作为W计量单位，但M计量单位却不尽相同，结果造成ω计量单位也有显著差别[9]。这样，要对所有ω(j)进行聚类分组，参照“统计年鉴”编列数据计量单位，既需要对农业、工业和服务业源规模因子计量单位归一化为“产值(万元)”，对生活源归一化为“收入(万元)”，也需要同时将相应产强系数计量单位归一化为“kg/万元”：
| $ {{\bar{M}}_{\left( j \right)}}=\frac{{{M}_{\left( j \right)}}}{{{k}_{\left( j \right)}}}\ {}^\circ $ | (2) |
| $ {{\overline{\omega }}_{\left( j \right)}}={{k}_{\left( j \right)}}~{{\omega }_{\left( j \right)}}{{\ }_{\circ }} $ | (3) |
式中：M和ϖ分别表示归一化污染源规模因子和产强系数; κ表示归一化转换(归转)系数。按照方程(2)，κ表征不同计量单位污染源规模因子之间的关系，其中对于农业和工业源，表征“单位货物产品产值”，对于服务业源，表征“单位服务产品产值”，对于生活源，表征“人均收入”。
为最大程度地降低因监测统计体系不同所产生的系统偏差，κ应首先选取“污染源普查”等环境监测统计数据，其次选取目标行政区或行业“统计年鉴”数据，最后才选取行业价格权威报告等。按前两者，对于农业、工业和服务业源，可表示为“单位产品产值”，对于生活源，可表示为“人均收入”，但按后者，可表示为“单位产品价格”。在“污染源普查”数据中，只对部分农业、工业和服务业源，同时编列了产品产值和数量数据。这样，对于其余κ，生活源取自《中国城市统计年鉴》[14]和《中国农村统计年鉴》[15]，部分工业源取自《中国工业经济统计年鉴》[16]，部分服务业源取自《中国第三产业统计年鉴》[17]，部分农业源取自《中国农村统计年鉴》[15]，部分农业源则取自《中国农产品价格调查年鉴》[18]。
1.2 归一化(亚)小类污染源产强系数聚类分组“全国产强列表手册”共分别编列了3 022个COD和1 734个TN(亚)小类污染源产强系数，其中农业源分别有187和187个，工业源分别有2 727和1 439个，服务业源分别有106和106个，生活源都有2个[3]。对于部分只编列ωNH3(j)而没有编列ωTN(j)的污染源，根据“全国产强列表手册”中同时编列ωNH3(j)和ωTN(j)的比例均值，即按ωTN(j)=0.61ωNH3(j)估算[3]，对于未编列的林业，采用“果树不施肥”数据替代。应用层次聚类法对归一化(亚)小类污染源产强系数聚类分组，其中以不一致系数(ø)表征类间和类内之间差异的聚合度(δ(n))，按ø→ømax且δn≥0确定聚类分组数量[19]。
1.3 (亚)小类污染源产强系数等级划分在产强系数聚类分组基础上，综合采用整数分“等”、非整数类组分“级”、超低产强跨“等”归并等原则，划分(亚)小类污染源产强系数等级(见表 1)。
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表 1 全国行业小类农业、工业、服务业和生活源COD和TN污染物产强系数(ϖCOD_i和ϖTN_i)13等级划分表 Table 1 The thirteen grades for the normalized COD and TN pollution intensity coefficients of the group of household, agriculture, industry and service in China |
无论是对于农业、工业和服务业等产业源，还是城镇和农村等生活源，都以行业小类作为污染源产强环境准入计量单元。由于污染源的归一化、聚类分组和等级划分都是在亚小类水平上进行的，可以采用全国或某一城市的亚小类产强系数均值来量化标定后，以获得行业小类污染源产强环境准入定级的基准值[10]。按照清洁生产定量指标体系领先、先进和基本3个划分等级的要求[19]，陆源污染物产强环境准入基准至少应相当于行业亚小类中上等水平的先进等级。由于最能体现亚小类中上等水平的先进等级，理论上最好采用产污数量加权均值量化标定产强环境准入基准。然而，由于加权均值难以取值，既可采用算数均值，又可采用中位值，也可采用四分位均值等[10, 20-21]。这里，相对加权均值，采用偏差最小的均值量化标定小类行业污染源产强环境准入基准。
1.5 行业小类污染源产强环境准入基准的准确可靠性检验评价在量化标定污染源产强环境准入基准中，准确性主要体现在产污数量核算上，可靠性主要体现产强等级高低上。这样，采用污染源产污数量分级产强核算结果相对分类产强核算结果的偏差，检验评价行业小类污染源产强环境准入基准的准确性。在青岛市污染源产强环境准入基准的准确性评价中，污染源产污数量和规模因子数据取自《2007年第一次全国污染源普查》和《2010年度污染源普查动态更新调查》。对于同一行业小类，由于在生产工艺、规模、“三废”尤其是废水处理等发展水平方面有所差异，不同地区产强系数往往有所不同[22-23]。这样，对于目标城市产强环境准入基准等级，应按照“就低不就高”的从严标定准入基准的原则，如果低于或与全国相同，采用目标城市数据标定的基准，否则采用全国基准。
2 结果 2.1 全国(亚)小类污染源归一化产强系数聚类分组归一化结果显示，对于“全国产强列表手册”编列的3 022个COD和1 734个TN(亚)小类产强系数，ϖCOD(j)范围从10-6.13到104.36，跨11个数量级，ϖTN(j)范围从10-4.23到101.84，跨7个数量级，前者数值大小和变化范围都大于后者(见图 1)。
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图 1 全国3 022个COD和1 734个TN亚小类污染源归一化产强系数对数logϖj(COD)(左)和logϖj(TN)按类数构成(右)分布图 Fig. 1 Distribution of logarithm value of normalized pollution intensity coefficients (logϖj(COD)and logϖj(TN)) of total 3 022 industrial sub-groups for COD and 1 734 sub-groups for TN in China |
分析表明，无论是logϖj(COD)还是logϖj(TN)，都呈正态分布(见图 1)，因此这里采用logϖ(j)进行聚类分组。结果显示，在φ→φmax且所有类组δ(n)≥0条件下，3 022个logϖCOD(j)和1 734个logϖTN(j)分别聚合为22个和71个类组，相邻两个类组间的Δlogϖ(n)=logϖ(n+1)-logn在数值上都呈现出等分特征，其中ΔlogϖCOD(n)=0.49±0.18，ΔlogϖTN(n)=0.086±0.026。logϖ(j)聚类等分特征不仅体现在“全国产强列表手册”上，而且也体现在“世行IPPS产强列表”上[10]，约1 500个产品的BOD归一化产强系数聚合为20个等分类组(见图 2)。这说明陆源污染物(亚)小类污染源归一化产强系数列表普遍呈现出“对数等分聚类分组”统计分布规律，因此有可能简化为产强系数等级划分表。
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图 2 全国3 022个COD和1 734个TN亚小类污染源及世行1 500个工业产品BOD污染源归一化产强系数对数聚类分组和产强系数等级划分示意图 Fig. 2 The schematic diagram of normalized COD and TN pollution intensity coefficients grouped by cluster analysis and divided into several grades |
在各级行政区污染源构成中，由于超低产强类组产污数量占比极低，按照数量级分“等”原则，对于ϖTN(j) < 10-3的14个类组，归并为1个等级，对于10-3≤ϖTN(j) < 10-1的23个类组，合计归并为2个等级。由于中高强类组产污数量占比较高，对于10-1 < ϖTN(j)≤102的34个类组，综合数量级分“等”和等分类组分“级”的原则，合计归并为9个等级。由于超高强类组占比也较低，对于ϖTN(j)>102的类组，按照数量级分“等”原则，划分为1个等级。结果，可将71个ϖTN(j)等分类组划分为13个等级组。相似地，综合应用数量级分“等”、等分类组分“级”和超低类组跨数量级合并等原则，可将22个ϖCOD(j)等分类组划分为13个等级组。分析表明，在13个等级组中，分别有77%的ϖCOD_i和92%的ϖTN_i的等级组的δi≥0。这说明，无论是对于3 022个ϖCOD(j)还是1 734个ϖTN(j)，都可以划分成13个等级。在“全国行业小类农业、工业、服务业和生活源COD和TN污染物产强系数13等级划分表”(见表 1)中，对于每个等级，ϖi都由下限、中位和上限基准值组成。由于每个等分类组变幅不同，每个等级变幅(Δω%i)不尽相同，其中等级中位值间变幅，Δω%COD_i(M-M)和Δω%TN_i(M-M)平均是60%，等级内中位值与上下限值间变幅，Δω%COD_i(M-UP)和Δω%TN_i(M-UP)平均是39%，小于等级间变幅。
2.3 行业小类污染源产强系数环境准入基准标定等级根据“污染源普查”数据[24]分析结果显示，在青岛市254个COD和109个TN行业小类污染源中，对于亚小类归一化产强系数按产污数量构成，分别有70和10个呈正态分布，其余分别有184和99个呈非正态分布(见图 3)。无论是对于70个正态还是184个非正态分布的COD行业小类污染源，相对产污数量加权均值，都是行业小类产强系数算数均值偏差最小(29%和150%)，四分位均值偏差居中(139%和39 100%)，中位值最大(154%和52 600%)。同样，无论是对于10个正态还是99个非正态分布的TN行业小类污染源，也都是算数均值偏差最小(14%和16%)，四分位均值居中(84%和843%)，中位值最大(96%和11 200%)。这样，在应用“全国污染源产强13等级划分表”标定行业小类污染源产强环境准入基准等级中，可采用其亚小类算数均值作为基准值。
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图 3 青岛市COD(上)和TN(下)行业小类污染源归一化产强系数按产污数量构成典型正态和非正态型分布图 Fig. 3 Gaussion and non-Gaussion distribution of normalized pollution intensity coefficients of industrial sub-groups for COD (up) and for TN (down) in Qingdao |
根据“全国产强列表手册”数据，以“全国污染源产强13等级划分表”作为参照基数分析表明，对于全国321个COD和133个TN行业小类污染源，产强环境准入基准等级构成有显著差异。321个COD行业小类共有10个等级，不同等级占比按II-2、III-3、I-1、IV-4、IV-5、IV-6、V-7、V-8、VI-10和V-9等级依次降低。其中，农业、工业和服务业源分别有4、10和7个等级，生活源集中分布在IV-5等级(见图 4)。133个TN行业小类共有12个等级，不同等级占比按IV-6、IV-5、IV-4、III-3、V-7、V-9、II-2、V-8、VI-10、VI-11、I-1和VI-12等级依次降低。其中，农业、工业和服务业源分别有9、11和6个等级，生活源集中在V-9等级(见图 4)。
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图 4 全国321个COD(左)和133个TN(右)行业小类产强环境准入基准等级构成分布图。 Fig. 4 Constitute profiles of environmental access benchmark for the pollution intensity coefficients of total 321 industrial small-groups for COD (left) and 133 small-groups for TN (right) in China |
根据污染源产强系数检验性监测结果[25]，结合“全国产强列表手册”数据分析表明，对于青岛市254个COD和109个TN行业小类农业、工业、服务业和生活源，产强环境准入基准等级构成与全国有所差异。对于254个COD行业小类，154个相同、77个低于、但23个高于全国准入基准等级。对于109个TN行业小类、68个相同、14个低于、但27个高于全国准入基准等级。这主要是由于青岛部分行业的技术水平与全国平均水平有差异所致。其中，对于COD污染物，青岛的无机酸合成、胶合板制造、造纸及纸制品业等行业清洁水平高于全国，而机制纸及纸板制造、电池制造、轮胎制造等行业清洁水平低于全国；对于TN污染物，味精工业、啤酒制造、燃料制造等行业清洁水平高于全国；而饮料制造业、电力及热力生产和供应业等行业清洁水平低于全国。
按照从严标定准入基准的原则，对于77个COD和14个TN低于全国准入基准等级的行业小类，按污染源产强系数检验性监测结果标定准入基准等级，但对于合计177个COD和95个TN高于或与全国准入基准等级相同的行业小类，按“全国产强列表手册”数据标定。这样，对于青岛市254个COD行业小类，共有10个等级，不同等级占比按II-2、III-3、I-1、IV-4、IV-5、IV-6、V-7、V-8、VI-10和V-9依次降低，其中农业、工业和服务业源分别有4、9和7个等级，生活源集中分布在IV-5等级(见图 5)。对于青岛市109个TN行业小类，共有11个等级，不同等级占比按IV-6、IV-5、V-8、IV-4、III-3、V-7、V-9、VI-10、I-1、II-2和VI-11依次降低，其中农业、工业和服务业源分别有7、10和6个等级，生活源集中在V-8等级(见图 5)。
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图 5 青岛市254个COD(左)和109个TN(右)行业小类农业、工业、服务业和生活源产强环境准入基准等级构成分布图 Fig. 5 Constitute profiles of environmental access benchmark for the pollution intensity coefficients of total 254 industrial small-groups for COD (left) and 109 small-groups for TN (right) in Qingdao |
比较分析表明，对于青岛市陆源COD和TN产污数量，按“全国污染源产强13等级划分表”的分级产强核算结果，比按“全国产强列表手册”的分类产强核算结果分别约高7%和低5%，其中差别最大分别是服务业(12%)和生活源(10%)，最小都是农业源(3%)。这不仅大大低于产强系数检验性监测偏差(49%)，而且也大大低于13等级产强等级内变幅(39%)。这说明，在农业、工业、服务业和生活源COD和TN污染物产污数量核算中，根据“全国污染源产强13等级划分表”的分级产强核算法完全可以替代根据“全国产强列表手册”的分类产强核算法。因此，在按“全国行业小类农业、工业、服务业和生活源COD和TN污染物产强环境准入基准列表”(附表 1，因版面限制未列出)建立完善中国污染源产强环境准入制度中，不仅按产污数量分级产强核算结果具有相当的准确性，而且按从严标定准入基准的原则也具有相当的可靠性。
3 讨论传统的分类产强系数既可以应用于产污数量核算，也可以应用于污染源准入管理。然而，分类产强核算方法具有污染源规模因子单位不统一、且数据不易获取等问题；同时由于产强系数分类过细，导致产强系数列表过大等不足，结果难以在日常环境管理中推广应用。本文所建立的分级产强可以方便地应用于陆源污染物产污数量的常规核算，即将产强系数按照其数值高低进行分级后，应用分级产强与污规因子核算产污数量；但在作为污染源准入基准时，需要明确传统的分类产强系数在分级产强中的对应等级，同时，随着行业工艺技术进步和清洁生产水平的提高，行业分类产强的在分级产强中的对应等级也会变动，需要调整。
根据陆源污染物产污数量与经济结构之间的投入/产出模型等[26]，在清洁生产6类定量指标体系中，污染源产强环境准入基准不仅集中体现了污染物产生、废物回收利用和环境管理等循环经济指标水平，而且也与生产工艺与装备、资源能源利用等投入指标水平密切关联，甚至在相当程度上反映了产品等产出指标水平[19]。因此，行业小类污染源全覆盖的产强环境准入制度不仅是促使企业技术改造升级甚至淘汰产强过高企业，而且也是引导行业技术发展进步的有效手段，结果可以对产业转型升级形成有效的倒逼机制[27-28]。实际上，在通过源头治理减少各类污染源产污数量中，降低污染源产强不仅比限制产业和人口规模可行，而且更加有效[29]。这样，在按“全国行业小类产强环境准入基准列表”实行污染源全覆盖的产强环境准入制度中，既需要从严调整现有22个重点行业产强环境准入基准，又需要建立完善污染源产强系数检验性监测方法，也需要建立完善污染源归转系数统计体系。
参照“全国行业小类产强环境准入基准列表”比较分析表明，对于部颁和省颁的22个重点行业的COD和TN产强环境准入基准，5个行业偏低，11个相同，但6个偏高(见图 6)。这样，按照从严标定准入基准的原则，无论是对于5个偏低还是11个相同的行业，应保留现行准入基准，但对于味精、啤酒制造、印染、机制纸及纸板制造、电池和机械制造6个偏高的行业，应按“全国行业小类产强环境准入基准列表”调整，平均降低2个等级。
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( 11个行业小类相同：铁矿采选(0810)、食用植物油加工(1331)、乳制品制造(1440)、氮肥制造(2621)、平板玻璃制造(3141)、日用玻璃制品及玻璃容器制造(3145)、钢铁行业(3220)、汽车整车制造(3610)、皮革鞣制加工(1910)、化学药品原料药制造(2710)，5个偏低：白酒制造(1521)、葡萄酒制造(1524)、原油加工及石油制品制造(2511)、金属表面处理及热处理加工(3460)，6个偏高：味精工业(1461)、啤酒制造(1522)、棉、化纤印染精加工(1712)、机制纸及纸板制造(2221)、电池制造(3940)、轮胎制造(2911)。Among the existing EAB for the total 22 small-groups, the values of EAB of 11 small-groups are consistent with them in the Thirteen Grades, those of 5 small-groups lower than the Thirteen Grades, and those of 6 small-groups higher than the Thirteen Grades. ) 图 6 中国现行22个行业小类部省颁产强环境准入基准与全国污染源产强13等级划分表比较图 Fig. 6 Comparison between the existing national (or provincial) environmental access benchmark (EAB) for pollution intensity coefficients and the developed Thirteen Grades for national pollution intensity coefficients |
对于污染源产强系数检验性监测，目前主要限于重点工业等单一源，最近张艳军等[30]建立了城市生活、服务业等混合点源中单一源产强系数检验性监测方法，但目前尚没有见到农村生活、农业等混合非点源中单一源产强系数检验性监测方法的报道。污染源产强系数不仅取决于生产工艺、规模等，而且也取决于“三废”废水处理等[30]。这样，对于同一行业小类污染源，不同企业和行政区都可能有所差异。例如，种植业可能由于施肥量等不同，生活服务业可能由于规模层次等不同，生活源可能由于人均收入等不同，不同行政区往往有所差异。这样，在实行产强环境准入制度中，须建立完善污染源全覆盖特别是混合非点源的产强系数检验性监测方法。在此基础上，建立全国行业小类污染源全覆盖的COD和TN污染物产强环境准入基准列表。然而，在当前条件下“全国行业小类产强环境准入基准列表”(附表 1)合计只能包括339个行业小类，《国民经济行业分类(GB/T 4754-2002)》却编列了915个，前者约占后者的37%。
在标定行业小类污染源产强环境准入基准等级中，首先需要按方程(2)通过归转系数κ将经检验性监测的分类产强系数转换出归一化产强系数。然而，由于在现行“污染源普查”等环境统计中只采集统计部分污染源产值数据，对于这部分归转系数κ，只能采用“价格”替代“单位产品产值”，结果有可能造成产强环境准入基准等级标定值偏差过大。因此，在实行污染源产强环境准入制度中，需要建立完善“污染源普查”等环境统计体系，特别是要采集统计全部农业、工业和服务业源的产值数据。
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