2014, Vol. 35
, LI Xiao-qian, JI Liang, ZOU Lan, WEI Yu-xia, ZHAO Guo-hua, CHE Fei, LI Gang, ZHANG Guo-ning
排放标准是环境管理的基本手段，各国都非常重视排放标准制定工作，并且随着技术、 经济的发展不断提高排放控制要求. 从全球范围看，美国分行业制定的新固定源标准(NSPS)和危险空气污染物国家排放标准(NESHAP)，欧盟发布的工业排放指令(IED)及其配套的行业BAT指南文件，日本主要按污染物项目规定统一的排放限值(很少区分行业、 工艺)，三者在污染物排放管理方面最具典型性. 将它们与我国排放标准进行比较研究，可以借鉴国外成熟的标准制订思路和方法，明确污染控制技术路线，分享污染源监督管理经验，提高我国的环境管理和污染控制水平.
从1985年第一版《水泥工业污染物排放标准》起，历经1996年、 2004年、 2013年三次修订，标准的制订思路、 管控的污染物项目、 排放限值严格程度等都发生了很大变化，表1所示是不同时期标准对水泥回转窑大气污染物的排放要求.
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表 1 不同时期标准的污染物项目及排放限值(水泥回转窑)/mg ·m-3 Table 1 Pollutant projects and emission limits for cement kiln in different periods /mg ·m-3 |
从标准制定思路看，GB 4915-1985标准(1985版标准)根据水泥企业所处地区，划分为4个区域类别(特殊地区、 城市近郊区、 城市远郊区、 城镇和农村)，分别规定了排放限值[1]. GB 4915-1996标准(1996版标准)则与环境空气质量功能区挂钩，对应GB 3095-1996《环境空气质量标准》的一、 二、 三类区，分别执行一级、 二级、 三级标准[2]. GB 4915-2004标准(2004版标准)取消了排放限值与环境功能区直接挂钩，区分现有企业和新建企业，按可行控制技术(包括生产工艺技术和末端治理技术)确定排放限值[3]. GB 4915-2013标准(2013版标准)则根据区域联防联控的最新环境管理要求，区分重点地区和一般地区制订排放限值，对重点地区要求采用最有效的污染控制技术执行大气污染物特别排放限值[4].
从管控的污染物项目看,1985版标准只控制颗粒物，到1996版标准、 2004版标准控制颗粒物、 SO2、 NOx、 氟化物四项污染物，再到2013版标准新增了NH3、 Hg两项污染物(合计6项污染物)，污染物的控制范围不断扩大，目前能够涵盖水泥工业的主要污染排放情况.
从排放限值看，水泥工业排放标准大约每10 a修订一次，每次均大幅提高了排放控制要求，累计近30 a间颗粒物排放限值严格了10～20倍，近20 a间SO2、 NOx、 氟化物排放限值严格了2～4倍. 通过加严标准，保证了在水泥产量迅猛增长的同时，污染物排放量得到有效控制.
与《水泥工业大气污染物排放标准》相配套，如果水泥窑用于协同处置危险废物、 生活垃圾、 污泥、 受污染土壤等固体废物，还需要同时执行GB 30485-2013《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》[5]. 该标准对HCl、 HF、 重金属、 二 英等有毒有害物质制订了排放限值，以控制风险.
美国关于水泥行业大气污染物排放控制的标准有两种，一是针对常规污染物的新源特性标准(NSPS)，列入联邦法规典40 CFR 60 Subpart F(见表2)[6]； 另一是针对189种空气毒物(Air Toxics，近几年有修订)的危险空气污染物国家排放标准(NESHAP)，列入联邦法规典40 CFR 63 Subpart LLL(见表3)[7]. 无论是NSPS标准，还是NESHAP标准，它们均是基于污染控制技术而制订的，只是对应污染物不同，选择的控制技术也不同，例如NSPS是基于最佳示范技术(BDT)，而NESHAP则是基于最大可达控制技术(MACT)，显然后者更加严格.
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表 2 美国水泥工业NSPS标准 Table 2 NSPS standard for cement industry in the United States |
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表 3 美国水泥工业NESHAP标准 Table 3 NESHAP standard for cement industry in the United States |
水泥工业NSPS标准控制的常规污染物包括PM、 SO2和NOx，NESHAP标准控制的有毒污染物包括PM、 二 英、 汞、 总碳氢(THC)和HCl，两者合计有7项污染物. 虽然NSPS标准和NESHAP标 准中都规定了颗粒物(PM)项目，但出发点并不同， NSPS标准是为了控制水泥粉尘的排放，NESHAP标准则是为了控制凝聚在水泥尘上的重金属，由于控制措施相同，所以限值相同. 值得注意的是，对于一般性的颗粒物排放源(如磨机、 料仓等)，美国标准采用了简化的“不透光率”指标，该指标测量简便易行(光学法，测量仅需6 min)，代替了操作复杂的颗粒物浓度测定.
美国标准主要采用“单位产品排放量”作为反映污染源环境特性的指标，一般是通过连续排放监测系统(CEMS)获得30 d的滑动平均值(rolling 30- day average). 在最新版的标准中，由于颗粒物控制的浓度很低，CEMS在低PM浓度下的测量不确定性问题难以克服，现已将PM测定改为手工方法，取3次测量结果(每次1 h)的平均值，但同时建立了颗粒物连续参数监测系统(PM CPMS)用于日常监管[8].
利用水泥窑焚烧处置危险废物执行40 CFR 63 Subpart EEE危险废物焚烧的NESHAP标准[9].
欧盟对综合污染预防与控制指令(96/61/EC、2008/1/EC)、 大型燃烧装置指令(2001/80/EC)、 废物焚烧指令(2000/76/EC)、 有机溶剂使用指令(1999/13/EC)、 二氧化钛指令(78/176/EEC、 82/883/EEC、 92/112/EEC)进行整合，发布了统一的工业排放指令(2010/75/EU)[10]. 该指令将工业生产活动划分为能源工业、 金属工业、 无机材料工业、 化学工业、 废物管理以及其它活动6大类共38个子类(行业)，水泥行业是其中之一.
为配合2010/75/EU指令以及许可证制度的实施，根据各成员国和工业部门信息交流的成果，欧盟委员会出版了相关行业最佳可行技术(BAT)参考文件. 水泥行业BAT文件最初发布于2001年12月，最新的文件是2013年4月[11]，相应BAT排放要求见表4. 以欧盟发布的BAT评估结论和建议的排放控制水平为依据，各成员国结合本国的法律传统以及工业污染控制实践，将其转化为本国的标准.
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表 4 欧盟水泥行业BAT排放水平 Table 4 BAT emission levels for cement industry in EU |
在水泥行业BAT文件中，对颗粒物评估确定的BAT技术包括布袋除尘技术、 静电除尘技术以及电袋复合除尘技术，相应的排放控制水平为小于10～20 mg ·m-3(日均值)，如采用布袋除尘器或新建、 改造静电除尘器时，要求达到建议的下限值. 对NOx评估确定的BAT技术包括一次措施(低NOx燃烧器、 分解炉分级燃烧、 工艺优化控制、 添加矿化剂等)和二次措施(选择性非催化还原技术SNCR、 选择性催化还原技术SCR)，相应的排放控制水平为小于200～450 mg ·m-3(日均值)，如窑况良好可控制在350 mg ·m-3以下. 其他污染物如原料、 燃料品质控制得当，一般不需采取额外措施.
根据排放源和污染物项目的不同，执行的监测要求亦不同. 对于水泥窑的PM、 SO2和NOx排放，要求连续监测获得日均值，如果采用SNCR脱硝技术，还需要连续监测NH3逃逸浓度(日均值)； 重金属和PCDD/F要求定期监测(重金属监测至少0.5 h、PCDD/F监测6～8 h)； HCl和HF则既可以连续监测获得日均值，也可以定期监测取平均值(现场测量至少0.5 h). 除水泥窑外的其他污染源，监测颗粒物排放，既可以连续监测获得日均值，也可以定期监测取平均值(现场测量至少0.5 h).
日本大气污染物排放标准的综合性特征非常明显，基本是按污染物项目统一规定排放限值，其中一些项目(如烟尘、 NOx、 VOCs等)进一步区分了源类，类似我国的《大气污染物综合排放标准》. 其排放标准包括两种情况，一是对于二氧化硫，按各个地区实行K值控制，同时配合燃料S含量限制. K值标准是基于大气扩散模式，根据SO2环境质量要求、 排气筒有效高度确定SO2许可排放量. K值与各个地区的自然环境条件、 污染状况有关，需要划分区域确定K值.
二是对于烟尘、 粉尘(含石棉尘)、 有害物质(Cd及其化合物、 Cl2、 HCl、 氟化物、 Pb及其化合物、 NOx)、 挥发性有机物(VOCs)、 28种指定物质，以及234种空气毒物(其中22种需要优先采取行动，目前完成了苯、 三氯乙烯、 四氯乙烯、 二 英4项)，由国家制定统一的排放标准[12].
可见对某一行业的大气排放要求分散在不同的污染物项目标准里。一些污染物项目在制订排放限值时考虑了行业差异，以NOx为例，区分了锅炉、熔炼炉、加热炉、水泥窑等，排放浓度限值从60×10-6(燃气锅炉)到800×10-6(电子玻璃熔炉)不等. 表5为日本水泥工业执行的大气污染物排放标准[13].
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表 5 日本水泥工业执行的大气污染物排放标准 Table 5 Emission standard of air pollutants for cement industry in Japan |
根据所处地区和设施规模(NOx烟气量、 SO2排放量)的不同，水泥企业执行不同的监测要求. 如设施规模较大(NOx烟气量大于4万m3 ·h-1，SO2排放量大于10 m3 ·h-1)，总量规制地域内的特定工厂要求开展日常性监测，总量规制地域外的工厂要求每2个月至少监测1次.如设施规模小，可降低监测要求，每年监测2次以上即可[14].
污染物项目的确定主要依据污染源排放的污染物数量、 浓度及其危害程度，同时也要兼顾污染控制措施的技术经济可行、 监测方法的配套. 我国《水泥工业大气污染物排放标准》管控的污染物项目是逐渐增多的，根据行业特点，污染控制先从颗粒物开始，之后才扩展到SO2、 NOx以及Hg等，这与我国的经济社会发展阶段相适应，污染控制是分步走的：从20世纪70、 80年代就开始颗粒物控制，但直到“十一五”期间(2006～2010年)才从火电行业开始SO2控制，“十二五”期间(2011～2015年)才从火电、 水泥行业开始NOx控制.
目前我国水泥工业控制的大气污染物项目有6项，对比美国、 欧盟水泥工业相关标准，污染物项目还可能包括重金属、 有机物、 二 英、 HCl、 HF等. 由于水泥窑的高温、 长停留时间、 氧化气氛、 碱性条件以及固化反应，非常有利于酸性气体(HCl、 HF)、 有机物、 重金属(Hg除外)等的排放控制，它们的排放量和浓度都很低，因此我国标准暂未规定. 考虑到水泥窑在协同处置固体废物时一些有毒有害物质可能的高排放，为防范风险，在配套发布的GB 30485-2013《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》中对它们进行了限制.
从国外情况看，美国在常规污染物之外，制定了《危险空气污染物(HAPs)名录》(目前有187种有毒物质)和《城市危险空气污染物控制战略》(其中列明了城市重点关注的33种有毒物质)[15]，列入其中的物质是标准制订需要重点考虑的污染物项目. 欧盟在《工业排放指令》2010/75/EU中也明确了需要控制的13类大气污染物名单(包括常规污染物)[10]. 日本也有类似的有害物质(6种)、 空气毒物(234种，其中22种需要优先采取行动)名录[13]. 由于这些国家和地区有明确的污染物清单，污染控制的边界是清晰的，在制订排放标准时从中选择行业特征的污染物纳入监管，使得行业污染控制的针对性很强.
借鉴国外成熟经验和做法，我国也应建立类似的污染物管控清单，明确污染控制的边界，对行业特征污染物进行全面控制.
大气污染物排放标准采用的控制指标通常有三类，第一类是从污染控制技术角度提出的指标，包括单位产品排放量(kg ·t-1产品或物料)、 排放浓度(mg ·m-3)、 污染物削减率(%)等； 第二类是从环境质量标准反推排放控制要求而提出的指标，包括总量控制指标(t ·a-1)、 大气污染物最高允许排放速率(kg ·h-1)、 排气筒高度要求等； 第三类是感官性指标，如烟气黑度、 不透光率、 臭气浓度等. 这三类指标在我国和欧、 美、 日的水泥工业污染物排放标准中都有反映，如单位熟料排放量(美国标准，针对PM、 SO2、 NOx、 Hg项目)、 排放浓度(各国普遍采用)、 与环境质量挂钩的K值标准(日本SO2控制)、 不透光率(美国对小型排放源的简化控制)，可见各国采用的控制指标并不统一，这与各国的污染控制思想密切相关.
单位产品排放量指标最能代表污染源的环境特性，其理论依据是：同一类型污染源(如火电厂、 水泥厂)，生产相同或相似的产品，创造相同的社会价值，承担的环境成本就应该相同，即单位产品或单位产值的污染物排放量相同. 公平性是它的首要特征，因而在强调公平竞争的市场经济国家成为基本控制指标，美国是主要采用这一指标的典型代表. 但由于涉及到产品的计量，对很多排污企业、 监测执法部门来说实施存在难度(产量的统计和计量较为困难，考核周期长，一般为一个工作日、 一周甚至一个月，需配合在线监测或等时间间隔多次采样)，因此对于连续稳定生产工艺，常常采用简便的排放浓度指标加以控制，这对于大部分工业行业是可行的，但要注意防止稀释排放.
排放浓度指标的最大优势在于监测和达标评定都很容易，因此成为污染物排放标准中应用最大量的控制指标，但也存在着稀释达标的缺陷，一般通过规定基准排气量、 烟气含氧量加以避免. 对于燃烧型的大气污染源，通过规定烟气含氧量(如水泥窑烟气含氧量10%)或过剩空气系数，可以保证排放浓度指标的真实、 准确.
如果生产工艺过程的污染物产生量随时间波动很大，且这种波动是合理的(如周期式生产工艺、 车间通风除尘、 饮食业油烟)，或者类似火电、 石油天然气开发等能源生产企业，原料不可选择且品质变异大，也常采用污染物削减率指标. 削减率指标的实质是要求安装污染治理设备，但不利于污染物的源头削减，也增加了监测负担.
单位产品排放量、 排放浓度、 污染物削减率这3项指标体现了污染源的污染控制技术水平. 与此不同，总量控制指标、 大气污染物最高允许排放速率、 排气筒高度要求则与环境质量有一定关联，但与生产特性无关. 理论依据是基于大气扩散原理，由污染物环境允许浓度(环境质量标准)，考虑适当的气象扩散条件，反推年允许排放量、 小时排放速率、 排气筒高度等排放控制要求. 由于是以单独企业为考核对象，仅适用于一个区域内只有一家或少数几家排污企业的情况，不能解决区域多污染源共同影响问题.
烟气黑度、 臭气浓度等感官控制指标通常具有直观性强、 实施方便的特点. 但鉴于有时排污企业难以接受这种人为判断的执法方式，目前采用不多. 不透光率指标是从烟气黑度发展而来，即保留了烟气黑度指标操作简单、 现场出结果、 方便快捷的特点，又实现了仪器观测，减少了人为判断的主观性，可用于颗粒污染物的控制. 美国对一些不重要的小型颗粒物排放源采用简化的不透光率控制方式，值得借鉴.
以上控制指标的单独或组合应用，应根据实际情况确定. 特别要注意多项控制指标之间“和”或者“或”的关系. 如“污染物削减率”和“排放浓度”两个指标搭配使用，以“或”的关系为宜，这样可增加标准实施的灵活性.
以水泥工业排放最突出的颗粒物、 NOx、 SO2为例，排放水平对比见表6.
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表 6 污染物排放控制水平比较 Table 6 Comparison of pollutants emission control level |
从标准对比来看，我国的颗粒物控制与美国、 欧盟要求还有少许差距，但NOx、 SO2控制已达到了国际最先进的污染控制水平. 由于欧盟BAT指南仅指明了最佳控制水平，还不是现实执行的标准，例如环保要求非常严格的德国，水泥工业执行《空气质量控制技术指南》(Technical Instructions on Air Quality Control，TA Luft)[16]，限值要求为：颗粒物20 mg ·m-3、 SO2 350 mg ·m-3、 NOx 500 mg ·m-3. 可见我国水泥工业排放标准严于欧洲、 日本等绝大多数国家标准，仅略宽松于美国标准. 考虑到我国考核的是污染物浓度一小时均值，国外一般为日均值(甚至月均值)，相同限值水平下我国标准要严格很多.
为达到上述标准要求，颗粒物控制需要采取高效静电或布袋除尘技术，如静电除尘器增加电场级数(4、 5级电场)、 提高高压电源性能、 采用移动电极技术、 电改袋或电袋复合除尘技术，布袋除尘器降低过滤风速、 采用PTFE(聚四氟乙烯)覆膜滤料等. 对于NOx控制，则需要在低氮燃烧技术(低氮燃烧器、 分解炉分级燃烧、 燃料替代等)的基础上，采用SNCR(选择性非催化还原)技术进行烟气脱硝，考虑到喷氨衍生的环境问题，脱硝效率宜维持在50%左右，一般不应超过60%. 为满足未来更严格的环境保护要求，目前正在积极开发水泥窑适用的SCR技术、 SNCR-SCR复合技术.
标准对新建企业于2014年3月1日执行，对现有企业将于2015年7月1日生效. 目前各地结合NOx总量减排要求，已全面开展了水泥企业脱硝改造工作，可实现到“十二五”末将水泥行业NOx排放量控制在150万t的国家战略目标.
以排放标准规定的排放限值或技术/管理规定为依据，开展污染源监测或现场检查，证明符合排放标准要求，如不符合则要求限期治理或责令改正，并予以相应处罚，这是污染物排放标准实施的基本制度，体现了排放标准的法定约束力. 在此要求下，污染源单位可开展排污状况自我监测，环境保护主管部门则开展污染源监督性监测，以保证排放标准制度的落实. 对比国外排放标准地实施，基于信用制度的污染源自我监测是主要实施方式，要求记录、 报告、 公开相关信息，由于有企业信用作担保，排放标准得到了很好地实施. 我国在这方面差距很大，企业的达标责任主体意识不强，很少开展自我监测并声明达标情况. 目前这一情况有所改变，在排放标准中原则规定：企业应按照有关法律和《环境监测管理办法》等规定，建立企业监测制度，制定监测方案，对污染物排放状况及其对周边环境质量的影响开展自行监测，保存原始监测记录，并公布监测结果. 这条原则规定将通过出台相应办法予以明确、 细化.
受技术条件和管理水平限制，环保部门的监督性监测还主要依靠手工监测，虽然一些重点污染源要求安装了污染物排放自动监控设备，但主要用于监视目的，没有用到环境执法中. 正是由于基于手工监测，我国的排放限值都是规定小时均值，适用于抽查方式的执法，这同国外主要基于在线监测规定的日均值、 周均值、 月均值有很大不同. 没有在线监测，依靠环保部门抽查，很难保证污染源连续稳定达标，排放标准和环保措施的作用会大打折扣.
为适应新的环境挑战，借鉴发达国家经验，国家正在努力建设企业自我声明与环保监督执法相结合的新型管理体制. 企业是污染物排放标准的责任主体，具有环境守法、 达标排放的义务，应通过年报公示、 网站信息披露等方式，自我证明达到了排放标准的要求，接受公众监督. 环保部门可通过在线监测、 监督性监测等方式，督促企业落实环保责任. 两者结合将有效解决目前污染严重、 被动执法的局面. 6 结论与建议
(1)我国水泥工业排放标准目前管控的污染物项目有6项，能够涵盖水泥工业的主要污染排放情况，但少于美国、 欧盟管控的污染物项目. 今后应结合污染物管控清单的建立，明确污染控制的边界，对行业污染物排放进行全面控制.
(2)各国采用的控制指标与各国的污染控制思想密切相关. 由于各种污染控制指标优缺点各有不同，应考虑工艺特征、 指标原理、 监测实施的简便易行等因素，选择合理的控制指标，提高环境监管的效率和污染控制的有效性.
(3)我国水泥工业的颗粒物、 NOx排放控制已达到国际先进控制水平，需要采用高效的静电或布袋除尘技术、 工艺控制(低氮燃烧器、 分解炉分级燃烧、 燃料替代等)与末端治理(SNCR技术)相结合的组合降氮技术，大幅削减污染物排放量.
(4)积极推进企业自我监测，建立企业自我声明与环保监督执法相结合的新型管理体制，落实企业的环保责任主体地位. 环保管理部门应强化对污染源的监督性监测，全面推广应用先进的在线监测手段，监督污染源连续稳定达标.
| [1] | GB 4915-1985, 水泥工业污染物排放标准[S]. |
| [2] | GB 4915-1996, 水泥厂大气污染物排放标准[S]. |
| [3] | GB 4915-2004, 水泥工业大气污染物排放标准[S]. |
| [4] | GB 4915-2013, 水泥工业大气污染物排放标准[S]. |
| [5] | GB 30485-2013, 水泥窑协同处置固体废物污染控制标准[S]. |
| [6] | USEPA. (40 CFR 60 Subpart F) Standards of performance for portland cement plants[S]. |
| [7] | USEPA. 40 CFR PART 63, Subpart LLL-National emission standards for hazardous air pollutants from the portland cement manufacturing industry[S]. |
| [8] | USEPA. National emission standards for hazardous air pollutants for the portland cement manufacturing industry and standards of performance for portland cement plants[J]. Federal Register, 2013, 78 (29): 10006-10054. |
| [9] | USEPA. Subpart EEE-National emission standards for hazardous air pollutants from hazardous waste combustors[S]. |
| [10] | The European Parliament and the Council. Directive 2010/75/EU on industrial emissions[S]. |
| [11] | European Commission. Best available techniques (BAT) reference document for the production of cement, lime and magnesium oxide[R]. Seville: European IPPC Bureau (EIPPCB), 2013. 341-354. |
| [12] | 张国宁, 郝郑平, 江梅, 等. 国外固定源VOCs排放控制法规与标准研究[J]. 环境科学, 2011, 32 (12): 3501-3508. |
| [13] | 日本环境省. 工場及び事業場から排出される大気汚染物質に対する規制方式とその概要[EB/OL]. http://www.env.go.jp/air/osen/law/t-kisei1.html, 2014-05-01. |
| [14] | 大气污染源控制手册编写组. 水泥工业大气污染源控制手册[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2000. 58-65. |
| [15] | USEPA. National air toxics program: The integrated urban strategy[J]. Federal Register, 1999, 64 (137): 38706-38740. |
| [16] | BMUB. Technical instructions on air quality control-TA Luft[S]. |