建材业对空气质量影响有多大？
——以湖南郴州2020－2022年建材企业错峰生产效果为例进行探讨
文丨邓水平
摘要：有关单位以湖南省郴州市建材行业为研究对象，开展了2020－2022年建材企业错峰生产实际效果评估的外场试验，通过分析典型建材企业关停时段的空气质量站点和气象数据，研究企业关停前后大气环境污染物的浓度变化特征，评估了建材行业停产污染物减排量及对空气质量改善效果，并提出了对策建议。结论表明：1.建材行业对环境PM2.5贡献可达6%，仅次于电厂、机动车、扬尘源和有色冶炼行业；2.2022年建材行业停产后，臭氧、SO2、PM10、PM2.5和NO2浓度下降明显，分别为23%、22%、21%、20%和16%；3.NOx深度减排和交叉错峰生产能有效降低建材行业停产带来的区域大气氧化性增强的风险，且建材行业深度减排对环境PM2.5和臭氧改善有益，是现阶段空气质量持续改善的重要手段之一。
作为湖南省空气质量的排头兵，郴州市已连续5年达到国家环境空气质量二级标准。“十三五”以来，市政府大力推进突出生态环境问题整改，深入推进生态文明体制改革，“生态郴州”绿色优势逐渐彰显。同时，近3年环境空气质量综合指数变化也表明，郴州的传统燃煤污染正转化为PM2.5与臭氧共存的复合型污染，大气环境质量改善进入瓶颈期。制定今后一个时期大气污染防治的政策和技术措施，需要做好源减排效果研究，进一步厘清空气质量改善成因、量化主要源对空气质量的影响权重。
现有污染源减排效果研究主要利用源排放清单、受体模型、空气质量模型、观测数据反演等方法。这些方法是科学有效的，但也有特定的适用范围和边界。例如，源排放清单能够量化特定区域特定时段的排放源强度，但无法回答源强对环境空气质量的影响。受体模型可以根据某时段环境样品的组分特性给出排放源对环境目标污染物的贡献比例，但受限于本地源谱特性和方法不确定性，难以准确回答个别工业生产对环境的贡献。空气质量模型结合了清单与化学传输模式，能较为准确地量化源贡献及传输问题，其中的敏感性分析方法应用广泛，但受限于源清单输入及模型假设的不确定性。而强化实际观测试验，可以与污染源减排效果研究的其他方法相互配合，科学评估错峰生产等管控措施的实际效果，对指导大气环境管理工作具有现实意义。
本文基于企业错峰生产实际效果评估的外场试验，通过耦合受体模型源解析和源排放清单结果，识别建材行业对颗粒物的贡献特征，并且利用实际观测数据与错峰生产企业关停时刻表，结合主要空气质量特征指标，评估建材行业关停产对大气环境的影响。
一、数据与方法
1. 研究区域与对象
郴州位于湖南东南部，地处南岭山脉与罗霄山脉南段交汇地带，属亚热带气候带中亚热带季风湿润气候区。全市总面积19387平方千米。2021年末，全市常住人口为465.8万人，地区生产总值2770.1亿元，主要工业产业以原煤、金属冶炼、水泥制造和非金属制造业为主。水泥年产量达到1048.5万吨，10种有色金属产量达76.7万吨，水泥与有色金属是重点支柱产业，也是重点污染排放行业。郴州气候的显著特点是四季分明。本研究选取的夏季时段，高温湿热，旱涝分明。2022年受拉尼娜现象影响，出现持续高温静稳天气，是研究本地污染源关停与生产的重要窗口期。本研究选取了苏仙区和北湖区的14家砖瓦生产和7家水泥生产企业作为研究对象，结合郴州空气小微站点的空气质量数据，开展了详细分析。
2. 研究方法
本研究外场观测试验主要以2020－2022年6－8月建材企业错峰生产过程为主，收集错峰前后时段的空气质量及主要气象参数，结合大气污染源解析及企业现场调研开展分析。其中，源解析主要采用受体模型PMF与清单源耦合方法，受体模型主要采用郴州市颗粒物组分站点观测数据，结合PMF模型的最小二乘法计算颗粒物的主要污染源及贡献率。针对源解析出来的二次硫酸盐、燃煤和其他二次组分，依据源排放清单中对应污染源的主要行业与资源排放贡献率进行再分配，形成与排放清单一致的源分类。企业现场调研以走访水泥和砖瓦企业为主，以企业环保负责人和执法人员会议讨论为辅。
本研究采用的是基于观测的源强空气质量影响评估方法。不同于模型评估中的假设源强关闭，本研究依据站点周边主要建材行业的实际关停时刻表来区分污染源关停对空气质量的影响。本研究主要通过分析典型建材企业的停产限产时刻表，选取2020－2022年夏季6－8月的空气质量站点数据，分析停产前后的浓度分布特征，并对比同时期的污染物与气象逐日变化趋势，用于识别降雨、风速风向等气象要素对研究结果的影响。此外，本研究选取了一些关键指标参数（PM2.5/PM10比值，NO2+SO2，O3+NO2，O3/CO比值）分析停产前后的大气环境特征。
3. 数据来源
研究数据来源包括空气质量与气象数据、大气污染源排放清单、大气污染防控应急举措与方案、主要建材企业停产时刻表等数据资料。其中主要分析数据采用2018－2022年郴州市高新区管委会空气站的空气质量数据（包括SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5、AQI）与气象数据（包括平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、最大风速风向、最大风速、24小时累计降水），重点分析了6－8月建材企业停产时段的空气质量数据，其周边1公里范围内的4个小微站点（白露塘政府、留仙湖、高科投、金田湖）用于辅助分析研判。大气污染源排放清单采用污染源普查数据，用于受体模型源解析二次生成组分的结果再分配。大气污染防控应急举措与方案和建材企业停产时刻表参考2020－2022年的主要方案和各企业上报的停产时刻表，研究重点关注3家以上企业同时停产时段，用于分析主要企业停产对空气质量的影响。
二、结果分析
1. 大气污染成因及空气质量改善压力分析
2018－2021年城区重点区域环境空气质量改善趋势明显（如图1）。2021年，全市优良天比例、PM2.5、PM10、臭氧90分位数、SO2、NO2浓度分别为97.8%、28微克/立方米、41微克/立方米、123微克/立方米、9微克/立方米和21微克/立方米。相比2018年，上述所有指标均有改善，其中臭氧和PM2.5改善幅度最低，分别为1.6%和3.5%；SO2和PM10改善幅度最大，分别为30.8%和28.1%。根据《郴州市“十四五”生态环境保护规划》等要求，到2025年，城区PM2.5年均浓度下降到27微克/立方米以下，城市环境空气质量优良率达到95.5%以上。尽管两者均有改善，但环境PM2.5距离稳定实现目标依然存在压力。环境臭氧和PM2.5对郴州市城市综合指数的贡献最高，两者之和贡献近50%，是影响空气质量排名的首要难题。因此，开展臭氧与PM2.5深度减排是现阶段工作重点。
根据受体模型的PM2.5源解析结果，结合源排放清单对二次颗粒物进行再解析，最终合并到一次源类，得到PM2.5综合来源解析结果。结果表明，电厂、机动车、扬尘是大气颗粒物的主要来源，其贡献率分别达到17%、17% 和12%。随着近年电厂净零排放改造、国六排放标准落地、柴油货车专项整治和扬尘“六个百分百”治理措施的全面实施，上述污染源的减排潜力逐渐受限。在工业生产领域，有色冶炼和水泥行业的贡献最显著，贡献率分别达到9%和6%。相较于苏仙区的国控站点，周边建材行业（水泥和砖瓦生产）企业分布广且产量大，一直是重点管控对象。然而，现阶段建材行业排放控制主要是停产限产，末端治理设施较为落后，难以满足空气质量长期改善的现实需求。
通过分析郴州市空气质量现状，结合本地源排放清单等基础资料，我们认为郴州市空气质量持续改善的压力主要来源于以下六个方面。
图1 郴州市2018－2021年空气质量演变特征
一是大气复合污染越来越突出。以一次排放为主的PM10下降明显，反应颗粒物二次生成的PM2.5/PM10比值逐年升高，且臭氧污染尚未进入下降通道，大气氧化性增强，大气复合污染问题显著。
二是PM10本地排放源整治仍需持续强化。PM10可以通过强化本地排放源监管实现较大改善。对于城区主要贡献源道路扬尘、施工扬尘、工业企业等污染源，现有治理效果难以准确评估，执法能力、监控能力建设仍然存在不足，落实经费、补充人员、强化部门间合作监管应是下一步的工作重点。
三是PM2.5治理有待加强。虽然近年来PM2.5浓度稳中有降，但要实现“十四五”规划目标仍需付出较大努力。要持续强化本地一次PM2.5排放源和前体物（SO2、NOx、VOCs、NH3等）排放源治理。值得关注的是，PM2.5污染存在外来传输贡献，与周边城市合作开展多污染物协同控制迫在眉睫。
四是臭氧短期内整治难度较大。臭氧污染具有显著的区域污染特性及复杂的生成机制。目前臭氧污染防治尚处于研究阶段，应加强臭氧前体物排放监测能力建设，摸清其前体物（NOx和VOCs）的排放基数，建立前体物排放源数据库，逐步探索符合本地实际情况的臭氧污染长期治理与短期削峰方案。
五是多污染物协同减排增效需求迫切。目前，全市范围内还有很多小锅炉，燃煤大灶、散煤燃烧、燃煤散烧等现象突出，重型车辆尾气污染严重，餐饮油烟难以监管，秸秆焚烧情况屡有发生。鉴于污染物的同根、同源特性，应该从根本上理清多污染物的源强排放特征，实现核查面源、摸清底数、同步减排、协同增效。
六是城区工业企业布局优化空间大，产业结构调整需求迫切。水泥、砖瓦和有色冶炼等大气污染物排放重点行业企业布局在城市周边，有的甚至在站点主导风向的上风向，对城区空气质量影响较大。同时，城区还零星分布着生物质小锅炉和散乱污企业。加之本地地貌又以山地丘陵为主，污染物的集中排放使得静稳天的污染指数容易迅猛上升。
图2 2020－2022年6－8月典型建材行业停产前后对比图（注：红色为停产时段，蓝色为正常生产时段）
2. 建材行业对城区空气质量的影响分析
图2给出了2020－2022年6－8月典型建材行业停产前后空气质量对比图。由图可知，2020－2022年建材行业停产后，空气质量6项指标均有不同程度的改善，2022年下降幅度显著高于2020－2021年。建材企业停产后，臭氧、SO2、PM10、PM2.5和NO2下降比例显著，分别达到23%、22%、21%、20%和16%。其 中，PM2.5和PM10在3年里均有大幅度下降，下降幅度达到8%～23%，且PM10的下降幅度普遍高于PM2.5。这主要是由于建材行业产生颗粒物的环节除了水泥熟料或砖瓦烧制，还有物理研磨和破碎工艺。2021年SO2出现了轻微反弹，主要来源应该是电厂和燃煤锅炉。此外，NO2和O3在３年间的下降幅度虽然不如PM2.5，但均呈现稳定下降，下降幅度在2%～16%。
图3 2020－2022年6－8月典型建材企业停产前后关键大气指标的对比分析（注：红色为停产时段，蓝色为正常生产时段）
3. 建材行业对关键大气环境指标的影响分析
为探讨停产前后大气环境特征变化，我们统计了2020－2022年6－8月典型建材企业停产前后关键大气指标的对比结果（如图３）。结果分析如下：
第一，PM2.5/PM10比值能反映城市一次颗粒物的治理情况，比值越高，说明一次颗粒物排放源治理越好。2020－2022年所有停产时段的PM2.5/PM10比值均高于正常生产时段，均值高出约1.2%～9.6%，表明建材企业停产显著改善了环境颗粒物治理效果。
第二，NO2与SO2之和能较好反映化石燃料源状况，值越高，表明燃烧源越多。2020年受疫情影响，机动车锅炉等排放源停摆严重，2021－2022年停产期间该指标仅略小于正常运行时段。这说明本地燃烧源底数大，建材企业停产能小幅减少环境NO2和SO2的值。
第三，臭氧和NO2之和能很好反映大气氧化性，是体现区域环境PM2.5和臭氧二次生成的关键性指标。停产期间该指标要显著高于正常生产时段，表明建材企业停产有可能提高大气氧化性。NOx深度减排之前，有凸显区域复合污染的风险，但是建材企业停产期间可以降低臭氧均值，是臭氧削峰的重要手段。CO在NO浓度低时将促进臭氧生成，CO主要来源于燃烧源，臭氧与CO的比值能间接反映臭氧受燃烧源影响，值越高，表明臭氧受燃烧源影响大。2021－2022年正常运行时段略高于停产时段，表明建材企业停产也有利于臭氧削减。
综上，建材企业停产尽管有凸显区域大气氧化性的风险，但NOx深度减排和交叉错峰生产能够有效降低这个风险。建材行业深度减排对环境PM2.5和臭氧改善具有显著贡献，是现阶段空气质量改善的重要手段。
４. 建材行业减排潜力分析
2022年，郴州市部分水泥厂开展了氮氧化物深度治理工作，安仁南方水泥、华新、苏仙南方水泥、良田水泥二线的NOx浓度已低于100毫克/立方米。表1给出了2022年典型7家建材企业停产期间及全年污染物削减量估算结果。将水泥企业2022年的在线监测数据按照改造前和改造后进行小时均值统计发现，安仁南方水泥、华新、良田水泥二线、苏仙南方水泥改造后NOx的日均减排量分别为769.3、2052.8、290.6、684.6千克/天，合计3777.3千克/天，若按300天/年计算，合计减排量为1133.2吨/年。同时，本研究还分别核算了未改造企业的全年日均排放量和改造企业改造前后的日均排放量。经核算，7家企业改造前、改造后的合计日排放量分别为14.6吨和10.8吨，因此季节性停产期间水泥行业的减排量在10.8～14.6吨。
依据2023年以来的废气排放量和NOx浓度小时均值等在线监测数据，表2给出了7家典型建材行业的NOx排放现状及未来减排潜力。研究按24小时/天计，良田水泥一线和南岭水泥因今年处于停产状态，采用2022年12月的数据。7家水泥企业（9条生产线）的NOx日均排放量合计为9608.1千克，按300天/年计，年排放量合计为2882.4吨。若对水泥企业开展深度治理，将NOx的浓度降低至100毫克／立方米，则共有4家企业的5条生产线具有NOx减排潜力，预期NOx日均减排量合计为3518.4千克，按300天/年计，则预期年减排量为1055.5吨。
郴州市建材行业主要面临以下几个大气环境问题：行业竞争恶化导致利润降低，企业夜间治理设施停用现象频发；砖瓦企业隧道窑的吨产品烟气量可达5000立方米，是常规工业窑炉的5倍，污染物总量控制势在必行；以煤矸石为主的砖瓦企业存在外加燃料补充煤矸石热值不足的现象，期间漏风现象和热损失严重；部分企业窑炉加热废气引入烘干工序，但烘干尾气未依标检测，存在无组织散排；建材行业大气污染物排放标准尚未实现与全国沿海城市的排放标准对接，还存在较大的提升空间。因此，提高建材行业大气污染排放标准并加强监管，是实现研究区域空气质量持续改善的关键。
三、结论与建议
本研究利用空气质量站点的2020－2022年实际监测数据和典型企业的关停时刻表，探讨了企业关停前后大气环境污染物的浓度变化特征，并结合大气污染成因与来源解析结果，评估了建材行业停产对空气质量改善效果。得出３个主要结论：一是郴州市建材行业对环境PM2.5贡献可达6%；二是对比2022年建材行业停产前后，臭氧、SO2、PM10、PM2.5和NO2浓度下降比例分别达 到 23%、22%、21%、20% 和16%；三是建材企业停产有增强区域大气氧化性的风险，但NOx深度减排和交叉错峰生产能够有效降低风险，建材行业错峰停产期间PM2.5和臭氧能得到有效改善。
基于此，提出以下两方面建议：一是针对城市环境中的大气化学组分开展包括甲醛、亚硝酸、典型VOCs物种、光化学指标、大气氧化性等在内的多指标监测，同时在大气主要传输通道上开展环境颗粒物样品采集，分别从区域传输、关键工业集聚区、受体敏感区等角度探讨本地空气质量污染成因及改善渠道。此外，应广泛收集社会经济、产业行业发展、末端设施效果及治理成本等数据，从更多角度论证行业减排升级的经济成本与环境效益，为全面改善区域空气质量提供决策参考。二是针对建材行业废气污染物排放量在不同气象条件下对区域大气环境质量的影响进行深入研究，进一步摸清建材行业，尤其是城区周边砖瓦行业废气污染物排放量对区域大气环境质量的贡献，提出精准管控要求及优化整合方案。
（作者单位：湖南省郴州生态环境监测中心）
来源：《中国生态文明》杂志2023年第2期