2016, Vol. 36
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2. 河南师范大学环境学院, 黄淮水环境与污染防治教育部重点实验室, 新乡 453007;
3. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012;
4. 北京师范大学环境学院, 北京 100875
2. School of Environment, Henan Normal University, Key Laboratory of Yellow River and Huai River Water Environment and Pollution Control, Ministry of Education, Xinxiang 453007;
3. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012;
4. School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875
随着工业化、城市化进程的快速推进和机动车的普及，全球范围的铅(Pb)污染问题日趋严重.1990年美国《清洁空气法(修正案)》(CAAA—1990)列举的189种有害空气污染物中，即涵盖了Pb在内的11种重金属元素.2012年，我国新发布的《环境空气质量标准》(GB3095—2012)中收紧了Pb的浓度限值，同时，《重金属污染综合防治“十二五”规划》也将Pb纳入重点防控污染物之一.
大气中的Pb主要富集在细颗粒表面，可长时间停留在大气中，并通过呼吸系统进入人体，同时，还可经由大气干湿沉降过程迁移进入水体和土壤，危害水和土壤生态环境，并最终对人体造成各种急慢性毒性伤害(El-Araby et al.，2011;Kvietkus et al.，2011;洪也等，2011;王广华等，2011;兆敏等2011).研究显示，大气Pb污染是造成人体Pb暴露的主要因素，同时，大气干湿沉降还是有害重金属在土壤中富集的主要途径(刘鉴强，2012;Cheng et al.，2015).大气Pb等挥发性有毒有害重金属元素的排放及控制开始成为国际学术界高度关注的大气污染防治领域的新兴热点之一.
环境中Pb的来源有自然源和人为源，而人为源是Pb污染的主要原因.近年来，伴随着无铅汽油的推广使用，由机动车汽油燃烧排放的Pb大幅减少，燃煤源和工业生产过程成为我国大气Pb的主要来源(Cheng et al.，2015).中国环境发展报告(2012)显示，我国血铅超标事件愈发复杂和难以控制，爆发频率激增，地域覆盖范围广，而此类Pb污染环境健康事件的直接原因，多数是由于有色金属冶炼和铅蓄电池生产企业废气违规排放所致.因此，了解工业过程大气Pb的排放现状，对于应对我国有害重金属污染、保障民众身体健康具有切实意义.
本文系统估算了2000—2010年中国工业过程的大气Pb排放，并讨论了时间和空间变化特征.以期了解我国工业过程大气Pb的排放特征.
2 研究方法与数据来源(Methodology and data sources)采用“自下而上”的排放因子法计算中国工业过程的大气Pb排放(Cheng et al.，2015;Tian et al.，2012;2015).
2.1 污染源分类工业生产过程涵盖有色金属冶炼、钢铁冶炼、建筑材料生产和铅酸电池生产.
2.1.1 有色金属冶炼采用的估算方法如下:
其中，ENF为有色金属冶炼过程中Pb的大气排放量;FP为铜、铅和锌矿石消费量;FS铜、铅和锌精矿石消费量;EFP为矿石冶炼过程中Pb的大气排放因子;EFS为再生精矿石冶炼过程中Pb的大气排放因子;T代表总量;i代表省、市、自治区.
2.1.2 钢铁冶炼采用的估算方法如下:
式中，EISM为生铁和粗钢生产过程中大气Pb的排放量;FPI为生铁生产量;FST为粗钢生产量;EFPI为生铁冶炼过程中大气Pb的排放因子;EFST为粗钢生产过程中大气Pb的排放因子.
2.1.3 建筑材料生产采用的估算方法如下:
主要考虑水泥生产、平板玻璃生产和砖生产等三种重点排放源.具体估算方法如下:
其中，ECM为水泥、平板玻璃和砖生产过程中Pb的大气排放量;FMP为水泥、平板玻璃和砖的产量;EFMP为水泥、平板玻璃和砖生产过程中Pb的大气排放因子.
2.1.4 铅酸电池生产采用的估算方法如下:
其中，EBT为铅酸电池生产过程中大气Pb排放量;FLA为铅酸电池的产量;EFLA为铅酸电池生产过程中大气Pb的排放因子.
2.2 活动水平数据的收集2000—2010年，我国有色金属产量持续大幅度增长，铜、铅和锌的产量分别由131.98、109.99和190.70×104 t，增加到453.88、415.75和520.89×104 t(国家统计局，2001—2011;中国有色金属工业协会，2011).截止2010年底，钢铁行业的生铁产量为59733.34×104 t，粗钢产量为63722.99×104 t(国家统计局，2001—2011;中国钢铁工业协会，2011).由于经济危机的影响及产业结构调整，2008年，钢铁行业的增长势头得到遏制，钢铁产量与2007年基本持平，但这种局面很快得到扭转，2009年以后又呈现明显增长趋势.2000年，水泥、平板玻璃和砖等三类建材产品产量分别约为58269.97、917.61和61973×104 t，经过30年的发展，截止到2010年，三类建材产品产量分别增至188191.17、3316.54和73306.61×104 t，水泥和平板玻璃产量年均增长率均在10.0%以上(国家统计局，2001—2011;中国建材工业协会，2011).2000—2005年，我国铅酸电池产量年均增长率保持在25%左右.2005年以后，随着我国电池行业的产业调整，大量小规模生产企业被取缔，整体铅酸电池产量增速有所减缓，但仍保持稳步增长趋势.2005年，我国铅酸电池产量为66.40×106kVAh，截止2010年底，铅酸电池产量已增至144.20×106kVAh，年均增长率约为16.8%(科学新闻网，2011).
2.3 排放因子通过汇总国内外已公开发表文献资料中大气Pb排放测试数据(US EPA，2001;Pacyna和Pacyna，2001;Nyberg et al.，2009;EMEP/EEA，2009;NPI，1999)，本研究用于排放量估算的各生产工艺大气Pb排放因子见表 1.
| 表 1 工业行业大气Pb排放因子 Table 1 Emission factors of Pb from industrial processes |
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利用各工业过程的大气Pb排放因子和行业活动水平数据计算其大气Pb排放量.本研究不包括以煤作原材料或燃料的燃烧过程Pb排放.2010年，我国工业过程大气Pb排放总量为14920.47 t.图 1给出了2010年各工业过程部门的大气Pb排放贡献率.有色金属冶炼过程为大气Pb的主要排放源，其占比高达66.7%，其中Pb冶炼过程对整个工业过程的Pb排放贡献达到29.0%.目前，Pb冶炼和铜冶炼行业都以火法冶炼为主，锌冶炼行业则以湿法冶炼为主(李若贵，2010;李卫锋等，2010;韩明霞等，2009).但无论是湿法冶炼还是干法冶炼，有色金属矿石中重金属的释放比例均可高达90.0%以上.钢铁冶炼为仅次于有色金属冶炼的第二大Pb排放源，其中烧结炉是大气Pb排放的主要工序(李建新等，2009).铅酸电池和建筑材料生产的排放占比均在5.0%左右，但其对周边环境的影响仍不容忽视.我国铅酸蓄电池企业普遍规模小、较为分散，且大多生产工艺落后，致使铅酸蓄电池行业环境问题频出(廖艳媚，2010;沈越等，2011).建材生产过程的烟气和粉尘排放较为严重，其中熟料煅烧和物料熔化过程分别是水泥和平板玻璃生产过程的大气Pb主要排放过程，目前我国砖瓦焙烧窑中90%为落后的轮窑工艺，不可避免的产生大量无组织排放(刘强等，2010;刘清宝，2011).
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| 图 1 2010年各工业过程Pb排放特征 Fig. 1 Characteristics of Pb emissions from industrial processes in 2010 |
图 2给出了2000—2010年各工业过程大气Pb排放历史变化趋势.从中可以看出，4个工业过程的大气Pb排放均呈现明显的逐年递增趋势，有色金属冶炼、钢铁冶炼、建材生产和铅酸电池生产4个工业过程的大气Pb排放年均增长率分别为11.0%、17.2%、11.6%和18.6%.主要原因在于行业产能增速过快、产业结构的不合理，以及大气污染排放控制设施应用比例达不到减排需求.
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| 图 2 2000—2010年各工业部门大气Pb排放趋势 Fig. 2 Atmospheric Pb emission trend by industrial sectors of 2000—2010 |
由于各地区产业结构差异较大和矿产资源分布不均，工业过程大气Pb排放的地区差异明显.表 2给出了分省市工业过程大气Pb排放状况.大气Pb排放主要集中在湖南、河南、云南、河北和江西等省份.其中河南、湖南和云南的排放多源于铅冶炼企业，江西的排放主要来自铜冶炼过程，钢铁冶炼则为河北省的主要贡献源.受矿藏资源分布的影响，有色金属工业在各省间分布不均匀.铜冶炼重点企业分布在白银、金川、铜陵、辽宁、云南、上海、湖北、山西、江西、广东、湖南和四川等地，年生产能力在1~15×104 t之间.铅锌冶炼重点企业主要分布在株洲、韶关、沈阳、白银、长沙、柳州和昆明等地，年生产能力在2.5~30×104 t之间，其中，铅冶炼重点企业有15个，年产量占全国总产量的65.0%左右，锌冶炼重点企业有17个，锌年产量占全国总产量的70.0%左右.河北是我国钢铁的主要产地，2010年钢铁产量占全国的20.0%以上;建材生产大气Pb排放方面，河北、山东和广东等省份的排放量较大;浙江、广东和河北是我国铅酸电池的主要产地，大气Pb排放量占全国铅酸电池行业的46.8%.
| 表 2 2010年分省市工业过程大气Pb排放量 Table 2 Atmospheric Pb emissions of industrial processes by province in 2010t |
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采用蒙特卡罗法(Monte Carlo)对排放量计算过程中采用的活动水平和排放因子的不确定性在整个计算过程中的传递进行模拟，获得了不同污染源排放量的不确定性分析结果.该方法通过抓住事物运动的几何数量和几何特征，利用数学方法来加以模拟，即进行一种数字模拟实验.它是以一个概率模型为基础，按照这个模型所描绘的过程，通过模拟实验的结果，作为问题的近似解(Zhao et al.，2011;Delacrétaz et al.，2012).模拟过程中用到的各个变量的数据分布参数见表 3.
| 表 3 工业过程大气Pb排放因子数据分布参数 Table 3 Data distribution parameters of atmospheric Pb emission factors of industrial processes |
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由于工艺复杂及测试工况差异，导致各工业过程的排放测试结果差异较大，造成排放量估算具有较大的不确定性，结果见表 4.几个工业过程的排放量均具有较大的不确定性，主要来源于这些行业的工艺流程复杂，生产工序较为复杂，由于缺少生产过程和生产设备的具体参数以及本地化的排放因子，因此导致排放量计算所用参数数据分布变化较大.
| 表 4 工业过程大气Pb排放量不确定性分析结果 Table 4 Uncertainties of atmospheric Pb emissions from industrial processes |
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1)采用“自下而上”排放因子法对我国有色金属冶炼、钢铁冶炼、建材生产和铅酸电池生产等工业过程排放源2000—2010年大气Pb排放量进行了估算.其中，有色金属冶炼为大气Pb的主要来源，其占比高达66.7%，其次为钢铁冶炼.
2)工业过程源导致的大气Pb排放地区分布极不平衡，主要集中在湖南、河南、云南、河北和江西等省份，各地区的主要排放源也存在明显差异.
3)采用蒙特卡罗法对排放量估算过程中的不确定性进行了量化，由于缺少生产过程和生产设备的具体参数以及本地化的排放因子，导致工业过程源大气Pb排放量均具有较大的不确定性.
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