欧美国家大多在行业技术结构分析和成本效益分析的基础上，建立以工业技术系统模型为核心的模型，辅助开展确定污染物总量控制目标、 环境排放标准等管理政策的制定^[1]. 我国“十一五”和“十二五”期间分别制定了污染物减排的约束性指标^[2,3]，并制定了企业清洁生产技术标准、 行业污染物排放标准、 淘汰落后产能规定以及鼓励推广技术目录等环境政策. 然而，这些措施的制定大多依赖于专家判断，以及对行业技术水平和发展趋势的主观评价，往往导致污染物减排目标可达性和技术可行性与行业发展的实际情况不相符合. 本文围绕工业污染物减排管理需求，以工业生产全流程为系统，以“原料-工艺-技术-产品”为单元，以造纸行业为例模拟了工业水污染防治技术体系，结合情景分析方法开发了基于污染防治技术自下而上的“工业污染物减排潜力分析及环境管理(industrial reduction potential analysis and environment management，IRPAEM)”模型，开展行业水污染物减排的潜力分析，探索污染防治技术在主要污染物总量控制和污染物排放限值等环境管理中的应用.

构建基于工业部门生产全流程的污染防治技术结构，采用自下而上建模方法进行技术系统模拟，是研究环境管理方法行之有效的途径^{[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]}. 其显著优点在于将污染物排放的分析建立在工业技术系统模拟的基础之上，能将结构调整、 清洁技术和末端治理过程的变化对环境目标的影响进行细致分解，定量分析污染物排放总量和产排污强度的变化趋势，从而为行业主要污染物排放总量控制、 污染物排放限值等环境管理方法的制定提供支撑(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 基于污染防治技术模拟的环境管理方法示意 Fig. 1 Schematic diagram of environment management based on pollution control technology

图 2

Fig. 2

图 2 工业污染物减排潜力分析及环境管理研究(IRPAEM)模型框架 Fig. 2 Framework of Industrial Reduction Potential Analysis and Environment Management (IRPAEM) Model

本研究建立的IRPAEM模型(图 2)包括了: 行业技术系统模拟，模型参数输入，情景设置，污染物排放计算以及结果分析等5个模块. 其中行业技术系统模拟是基础，将具体行业的关键技术、 主导产品等按照“原料-工艺-技术-产品”的耦合关系和水污染物产生、 排放的路径特征，构建由产品的生产工艺(含规模因素)、 生产过程减排技术(即清洁生产技术)、 末端治理技术组成的工业技术系统结构(图 1). 然后将行业水平参数和技术参数输入到“原料-工艺-技术-产品”系统模拟模块和情景设置模块，经过计算即可获得不同技术政策情景下行业污染物减排潜力、 产污强度和污染物排放水平等，从而为工业污染物排放总量控制目标、 污染排放限值和污染防治技术政策的制定提供支撑. 3 造纸行业模型结构 3.1 技术系统模拟

造纸行业分为制浆和造纸两个子行业，按照每个子行业“原料-工艺-技术-产品”的耦合关系进行结构划分(图 3)，并筛选出非木纤维干湿法备料+横管连蒸技术、 木材干法备料等14项关键生产过程减排技术(即清洁生产技术，见表 1)以及①适用于污染负荷较低的单纯造纸企业的物化治理工艺； ②活性污泥、 氧化沟等传统好氧生物治理工艺； ③适用于高浓度制浆废水的厌氧+好氧组合工艺； ④二级生物治理后进一步采用微电解处理、 高级氧化技术、 膜分离技术、 吸附技术等深度处理技术进行三级处理这四类具有不同治理效果的末端治理技术，嵌入到相应的生产工艺中，模拟造纸行业完整的工艺结构及技术系统.

图 3

Fig. 3

图 3 制浆造纸行业工艺结构示意 Fig. 3 Schematic diagram of Process structure of pulp & paper industry in China

模型参数主要包括行业水平参数和技术参数两大类. 其中，行业水平参数主要是指不同产品产量，而技术参数与行业技术系统结构相对应，由生产工艺、 过程减排技术和末端治理技术三大类技术参数构成(表 2). 造纸行业模型中的相关参数通过文献调研、现场调研、专家咨询以及参考文献^{[14, 15, 16, 17]}获得.

情景分析法能解决行业未来生产和技术发展的不确定性，同时体现不同技术政策的强度和效果. 模型共设置5种造纸行业技术发展情景，分别为基准情景、 工艺规划情景、 清洁技术推广情景、 强化末端治理情景和政策组合情景(表 3). 根据行业历史产量增长率^[18]，同时参考行业“十二五”规划^[19]，产量设定2010~2015年纸及纸板总产量、 纸浆总产量年均增长6.0%和6.2%，分别达到12 405×10⁴ t、 11 430×10⁴ t； 2015~2020年年均增长5.1%和4.6%，分别达到15 890×10⁴ t、 14 320×10⁴ t.

图 4

Fig. 4

图 4 环境污染物排放量计算流程示意 Fig. 4 Schematic diagram of calculations of environmental pollutant emissions

表 1(Table 1)

表 1 造纸行业清洁生产技术概述 Table 1 Cleaner production technologies in paper industry 技术名称 技术说明及适用范围 污染物削减情况 木材干法备料技术 适用于以木材和竹浆为原料的制浆工艺. 与湿法剥皮技术相比，该技术可以减少废水量及有机污染物和SS的排放量 废水排放削减80%左右； 备料工段COD负荷削减90%左右 改良型间歇蒸煮技术 适用于化学漂白木浆工艺. 主要包括快速置换加热(RDH)、 超级间歇蒸煮及DDS置换蒸煮等工艺. 该技术相对传统间歇蒸煮技术可减少漂白药品消耗量和COD排放量，有操作灵活的优点 降低漂白阶段废水COD负荷10%~25%； 改良型连续蒸煮技术 适用于化学漂白木浆蒸煮. 包括延伸改良连续蒸煮技术(EMCC)、 低卡伯值连续蒸煮技术等 可是漂白废水COD降低15%~40% 非木纤维干湿法备料+横管连蒸技术 适用于以麦草、 芦苇、 蔗渣为原料的非木纤维化学纸浆工艺. 能够更好地去除杂质 黑液提取率提高3%~5%，从而减少中段废水污染负荷量 纸浆高效洗涤技术 适用于化学浆的洗涤工艺. 通过挤压、 扩散、 置换等作用可显著降低废水中的溶解有机物 黑液提取率由80%~84%提高至88%，减少了进入中段废水的污染负荷 先进黑液碱回收技术 适用于3.4×104 t·a-1以上的化学制浆工艺黑液碱回收. 包括黑液降膜蒸发技术等 降低中段废水COD负荷10%~40% 全封闭筛选技术 适用于各类化学浆. 在筛选过程中采用压力筛等设备进行逆流洗涤，可以实现洗涤水完全封闭，减少中段废水排放 废水排放量降低70%左右，中段COD负荷减少20%~30% 漂前氧脱木素技术 适用于化学漂白浆生产工艺. 氧脱木素技术是在蒸煮与漂白之间，可减少漂白剂用量减少漂白阶段污染负荷 漂白阶段废水排放量减少20%~25%，COD负荷降低40%~55% 无元素氯漂白技术 适用于化学漂白浆工艺. 目前只有个别苇浆厂或草浆生产线使用该技术，从源头控制污染物排放 减少漂白废水量25%~35%，COD负荷削减30%~60% 全无氯漂白技术 适用于化学漂白浆生产工艺. 是以过氧化氢、 臭氧等不含氯漂剂替代含氯漂剂 漂白废水削减65%~80%，COD负荷降低70%~90% 生物酶法脱墨技术 适用于废纸脱墨浆工艺. 脱墨过程使用纤维素酶替代传统化学脱墨剂 COD负荷降低25%~50% 浮选法脱墨技术 适用于小型浆厂的废纸脱墨工艺. 可有效减少纤维损失，大幅降低脱墨水耗和废水量 废水量减少70%~85%，COD负荷降低10%~20% 中高浓制浆技术 适用于化学浆和废纸浆工艺. 采用中浓技术可降低制浆能耗、 水耗 废水排放量降低25%~35%左右 纸机白水封闭循环 和回收技术 适用于造纸厂. 采用多圆盘过滤、 超效浅层气浮等技术回收纤维和纸机白水 造纸环节COD负荷降低15%~40%

表 1 造纸行业清洁生产技术概述 Table 1 Cleaner production technologies in paper industry

表 2(Table 2)

表 2 模型参数输入说明 Table 2 Parameters of model database 参数类别 参数 行业水平参数 不同产品产量 生产工艺参数 技术普及率，单位产品污染物产生系数 技术参数 过程技术参数 技术普及率，污染物削减率 末端治理技术参数 污染物去除率

表 2 模型参数输入说明 Table 2 Parameters of model database

表 3(Table 3)

表 3 造纸行业污染物控制技术情景设置 Table 3 Scenario design of China's paper industry 情景名称 情景描述 基准情景(BAU) 行业外部政策环境基本保持为2010年情况，结构上，淘汰落后生产技术或产能的政策使得生产布局略有优化，各类生产工艺中小型企业比重在2015年下降5%~10%，2020年下降10%~15%； 技术上，已出台的相关政策的作用仍会延续，清洁生产技术在低惯性的情况下略微变化，2015年各项技术普及率提高5%~15%，2020年提高15%~20%； 末端治理设施改造速度较慢，三级深度处理工艺在大中型企业中比重2015年占20%，2020年占40%左右 工艺规划情景(SA) 依据相关政府部门出台的行业发展规划和政策，鼓励先进的清洁生产工艺推广，限制淘汰落后产能，原料上2015年木浆、 非木浆、 废纸浆比重由2010年22.0%、 15.3%、 62.7%调整为24.3%、 11.2%、 64.5%. 国内废纸浆比重由38.0%提高到41.0%，国产木浆比重由8.4%提高到10.3%. 2020年延续此趋势其他浆种相对比重不变，工艺上2015年亚硫酸盐草浆减少40%，亚铵法减少60%，至2020年亚硫酸盐减少80%，亚铵法减少90%. 减排技术推广应用与基准情景相同 清洁技术推广情景(CT) 清洁生产技术得到大力推广应用，达到相关国家环保技术目录和技术推广政策的预期水平. 到2020年先进污染物减排技术基本达到最大普及率，行业结构和末端治理技术方面变化与基准情景相同 强化末端治理情景(EOP) 行业执行更加严格的排放标准，加快末端治理环节的技术升级改造，三级深度处理工艺在大中型企业中比例大幅提高，2015年达到40%左右，2020年达到80%左右. 行业结构和清洁生产技术普及情况与基准情景相同 政策耦合情景(CM) 工艺规划、 清洁技术推广和强化末端治理的组合方案，各类水污染防治技术政策配套实施，产业结构调整、 清洁技术推广的末端治理均达到理想效果

表 3 造纸行业污染物控制技术情景设置 Table 3 Scenario design of China's paper industry

如图 4所示，行业水污染物排放计算的核心是对产排污系数逐年递推计算.

首先，清洁生产技术普及率的提高使与之耦合的生产工艺组合的产污系数逐年降低，并且某项生产工艺组合产污系数的变动是由应用的多项清洁生 产技术共同决定的(假设多项技术的效果以单一技术效果乘积的形式表示).

图 5

Fig. 5

图 5 不同情景下造纸行业废水、 COD、 氨氮排放趋势 Fig. 5 Trends of wastewater,COD and ammonia nitrogen emissions in paper industry under different scenarios

获得生产工艺组合的产污系数之后，再根据水污染末端治理技术的普及率，计算该生产工艺组合的排污系数，即:

将所有生产工艺组合的排污系数与对应产量相乘并加总后，就得到了污染物p的行业排放总量:

造纸行业COD排放总量长期以来位居所有工业部门之首. 据统计，2010年造纸行业废水排放量达39.4×10⁸ t，占工业排放总量的18.6%，COD排放量达95.2×10⁴ t，占工业排放总量的26%，氨氮排放量达2.5×10⁴ t，占工业排放总量的10.2%^[20]. 本研究以2010年为基准年，应用“工业污染物总量控制及环境管理模型”分析2015年和2020年造纸行业废水、 主要水污染物(COD、 氨氮)的减排潜力、 产污强度和污染物排放水平等.

造纸行业未来各技术政策情景下的废水、 COD和氨氮排放趋势(图 5)表明: 污染物和废水排放总量在任一情景下都没有持续增长，而是保持了2010年水平或有所降低. 在基准情景(BAU)下，2015年、 2020年的废水排放量均在40×10⁸ t左右，氨氮排放总量在1.7×10⁴ t左右，基本与2010年持平； COD排放总量得到有效控制，呈现小幅下降趋势，2015年排放量比2010年降低约16%. 与文献^[19]提出的污染物排放的约束性指标——2015年主要污染物COD排放总量比2010年降低10%～12%，氨氮排放总量比2010年降低10%相比，在延续现有政策和技术低惯性发展的基准情景下，COD排放总量完全可以达到“十二五”规划目标，但氨氮排放总量削减目标难以实现.

在工艺规划(SA)、 清洁技术推广(CT)和强化末端治理(EOP)三类情景下，2015年行业废水、 COD和氨氮的排放量与2010年相比分别削减5%~5.5%、 23%~24%和4%~12%，2020年分别削减10%~15%、 35%~38%和5%~18%. 其中，废水和COD的减排幅度在这3种情景下基本相同，而对于氨氮的减排，强化末端治理情景的效果最为明显，在2015年可以实现“十二五”规划中氨氮的削减目标.

在政策耦合情景(CM)下，由于结构调整、 清洁技术推广与末端强化治理的联合作用，行业污染物及废水排放量大幅下降: 2015年废水、 COD、 氨氮排放量分别削减16%、 37%和18%，可以超额完成行业“十二五”规划削减目标，原因可能是国家对行业未来结构调整力度、 技术推广普及程度的估计与本文情景设置相比偏保守； 2020年废水、 COD、 氨氮排放量分别削减34%、 53%和28%. 该情景下污染物及废水减排的途径分解(图 6)表明: ①结构调整、 清洁技术推广与末端强化治理对于废水和COD的削减贡献率在2015年基本相同； 但在2020年，清洁技术推广的贡献率逐渐降低至25%，而末端强化治理的贡献率逐渐增加至45%左右，行业结构调整的贡献率则保持在30%左右. ②在氨氮减排方面，2020年末端强化治理和清洁技术推广的贡献率与2015年相比略有降低，而结构调整的贡献比例则有所增加； 不过末端强化治理仍是氨氮减排的主要途径，贡献率达60%左右.

图 6

Fig. 6

图 6 造纸行业政策耦合情景下水污染减排途径分解 Fig. 6 Decomposition of reduction approaches in paper industry under CM scenario

整体而言，强化末端治理对废水、 COD和氨氮的削减量较行业结构调整和清洁技术推广实现的削减量要高，是当前实现行业污染物及废水总量减排的主要途径. 由于技术的普及力度和成熟度在未来行业应用中趋于饱和，清洁技术推广带来的减排潜力将逐渐停滞，而通过行业结构调整，加快淘汰落后产能，从源头上减少污染物及废水的产生，将成为造纸行业污染物及废水重要的技术减排途径.

在造纸行业加大结构调整、 清洁技术推广与末端强化治理力度(政策耦合情景)的情况下，2015年可实现废水减排量7×10⁸ t、 COD减排量39×10⁴ t、 氨氮减排量0.3×10⁴ t，2020年可实现废水减排量13.8×10⁸ t、 COD减排量56×10⁴ t、 氨氮减排量0.5×10⁴ t.

针对制浆造纸工业，我国出台了不同生产工艺的清洁生产标准来推动、 指导和规范制浆造纸企业的污染防治工作^{[21, 22, 23, 24]}. 其中，对废水和COD产生的限值规定如表 4所示.

政策耦合情景(CM)下，制浆造纸行业不同产品的产污强度(图 7)计算表表明，不同类型的企业产污情况差异较大. 这主要是由于采用的原料，使用的制浆造纸工艺的不同，不同产品其废水、 COD和氨氮的浓度会有很大差异. 非木材浆的单位产品废水及污染物产生量一般高于木材浆，化学浆的单位产品废水及污染物产生量一般高于机械浆. 通过过程污染减排技术的普及应用，各种产品的产污强度均都有所降低，尤其是化学浆单位产品的产污量明显下降，2015年降低20%以上，2020年降低25%以上. 将其与造纸工业清洁生产标准(表 4)进行比较可以看到: 2010年各种产品的产污水平基本满足清洁生产中的三级或二级指标，通过清洁生产技术推广，在2015年和2020基本可以达到二级或是一级标准,这也就是国内或国际清洁生产先进水平.

文献^[25]中对我国制浆造纸企业废水、 COD和氨氮排放限值的规定如表 5所示. 政策耦合情景 (CM)下，制浆造纸行业不同产品的废水、 COD、 氨氮排放水平(图 8)与文献^[25]中规定的排放限值进行比较，可以看出: 氨氮排放水平基本达标，而且在短期内不会有太大的变化； 对于废水指标，2010年非木材浆的废水排放水平基本不达标，但通过废水减排技术的应用，2015年和2020年各种产品的废水排放水平基本满足排放标准； 而行业的COD排放水平严重超标，即使是在各种减排技术大力推广应用的条件下，2015年和2020年的产品COD排放水平依旧难以达标. 可见，过程减排和末端治理技术虽然使造纸行业COD排放总量得到有效控制，但COD排放浓度却难以满足排放标准.

表 4(Table 4)

表 4 国内制浆造纸行业水污染物清洁生产标准 Table 4 Cleaner production standard for pulp & paper industry 清洁生产指标等级 指标 一级 二级 三级 《造纸工业漂白化学烧碱法麦草浆生产工艺清洁生产标准》 (HJ/T 339-2007) 废水产生量/m3·t-1 90 100 120 COD产生量/kg·t-1 160 200 250 《造纸工业硫酸盐化学木浆生产工艺清洁生产标准》 (HJ/T 340-2007) 废水产生量/m3·t-1 30(本色) 40(本色) 50(本色) 45(漂白) 60(漂白) 80(漂白) COD产生量/kg·t-1 35(本色) 50(本色) 70(本色) 55(漂白) 70(漂白) 100(漂白) 《造纸工业漂白碱法蔗渣浆生产工艺清洁生产标准》 (HJ/T 317-2006) 废水产生量/m3·t-1 100 120 135 COD产生量/kg·t-1 110(烧碱法) 165(烧碱法) 230(烧碱法) 130(硫酸盐法) 195(硫酸盐法) 265(硫酸盐法) 《清洁生产标准造纸工业废纸制浆》 (HJ 468-2009) 废水产生量/m3·t-1 8(非脱墨浆) 11(非脱墨浆) 15(非脱墨浆) 11(脱墨浆) 15(脱墨浆) 20(脱墨浆) COD产生量/kg·t-1 28(非脱墨浆) 33(非脱墨浆) 36(脱墨浆) 44(脱墨浆)

表 4 国内制浆造纸行业水污染物清洁生产标准Table 4 Cleaner production standard for pulp & paper industry

图 7

Fig. 7

图 7 政策耦合情景下各种产品的产污强度 Fig. 7 Pollutant emissions per unit of product under CM scenario

分析结果表明，工业环境管理目标的制定应该建立在技术经济性和分解途径的模拟上，避免主观臆断影响了目标的可达性. 根据计算结果可以清晰地得出造纸行业污染防治技术政策应着重: 一是通过实施深度脱木素、 无元素氯漂白、 中高浓技术等加快发展林纸一体化，不断调整、 优化制浆原料的结构，提高木浆比重，扩大废纸回收利用，同时合理利用非木材原料，逐步实现以木浆和废纸浆为主，以非木浆为辅的原料结构； 二是加快淘汰落后产能，落后工艺与设备，淘汰高污染的企业类型，例如淘汰年产5.1万t以下的化学木浆生产线、 年产3.4万t以下的非木浆生产线和年产1万t以下的废纸浆生产线等、 元素氯漂白等落后工艺和窄幅、 低车速高消耗造纸机等落后设备； 三是加快末端治理和各种清洁生产技术(包括组合脱墨技术、 多段逆流洗涤、 漂前氧脱木素、 干湿法备料及横管连蒸、 全封闭筛选等技术)的推广与应用.

表 5(Table 5)

表 5 《制浆造纸工业水污染物排放标准》中主要水污染物排放限值 Table 5 Discharge standard of water pollutants for pulp and paper industyr 项目 制浆企业 制浆和造纸联合生产企业 造纸企业 单位产品废水量/t·t-1 50 40 20 化学需氧量/mg·L-1 100 90 80 氨氮/mg·L-1 12 8 8

表 5 《制浆造纸工业水污染物排放标准》中主要水污染物排放限值 Table 5 Discharge standard of water pollutants for pulp and paper industyr

图 8

Fig. 8

图 8 政策耦合情景下各种产品的污染物排放水平 Fig. 8 Discharge level of water pollutants under CM scenario

(1)虽然未来污染物排放量不会持续增长，但产排污量仍较大，强化末端治理是当前实现污染物及废水总量减排的主要途径，近期(2010~2015年)清洁技术推广和结构变化对废水和COD的削减贡献基本持平，而远期(2015~2020年)行业结构调整，加快淘汰落后产能的作用将逐渐提升.

(2)不同类型的企业产排污情况差异较大，不同原材料和制浆工艺的废水、 COD和氨氮的浓度会有几倍到几十倍的差异，清洁生产技术的推广应用使行业在2015年和2020基本可以达到国内或国际清洁生产先进水平，废水和氨氮指标在2015年和2020年基本满足排放标准，但COD却难以达到排放标准.

(3)造纸行业的污染防治应通过实施深度脱木素、 无元素氯漂白、 中高浓技术等加快发展林纸一体化； 同时加快淘汰小规模的化学木浆、 非木浆及废纸浆生产线等落后产能，元素氯漂白等落后工艺和窄幅、 低车速高消耗造纸机等落后设备； 加快末端治理和组合脱墨技术、 多段逆流洗涤、 低能耗蒸煮、 全封闭筛选等清洁生产技术的推广与应用.