基于技术和水质相结合的排污许可限值核定技术研究

邓义祥， 郝晨林*， 李子成， 赵 健， 徐宪根， 毛 鹍

1.中国环境科学研究院水生态环境研究所， 北京 100012

2.常州市环境科学研究院， 江苏 常州 213022

“十三五”期间，我国排污许可管理制度已基本建立，到2020年我国将实现排污许可管理覆盖到所有固定污染源[1]. “十四五”时期，我国排污许可管理将进入深化发展阶段. 从发达国家排污许可的经验来看，美国的排污许可管理也经历了从基于技术到基于水质的发展历程[2-3]. 1972年美国《清洁水法》303(d) 条款要求各州每2年向EPA汇报当地水体的整体卫生情况及水体是否达到水质标准[4]. 如果没有达到相应的水质标准，则要求针对这些水体制定并实施TMDL计划[5-6]. 美国于1983年12月正式立法，实施以水质达标为目标的排放总量控制[7]. 污染物总量控制TMDL计划最终通过国家污染物削减系统(NPDES)落实到排污许可管理[8-9]. 欧盟水框架指令要求欧盟境内水体达到良好的水质状态[10]，并通过调整排污许可限值来实现预期的水环境质量目标[11-12]. 各国和地区经验表明，水质达标是排污许可管理的核心，排污主体同时负有达标排放和受纳水体水质达标的双重责任. 由于地表水水质达标可能涉及多个排污主体，还受到自然环境条件等复杂因素的影响，导致企业难以直接对水体达标负责，排污许可管理就成为企业对地表水水质达标负责的间接体现形式. 该文借鉴美国和欧盟的相关经验，特别是美国TMDL管理体系的经验，建立了基于技术和水质相结合的排污许可限值核定技术体系，以期为我国排污许可管理的深化发展提供技术支撑.

1 研究方法

1.1 总体思路

基于技术和水质相结合的排污许可管理，是指企业的排污许可限值既要满足排放标准、环评审批文件等基于行业治理技术的排放限值，也要满足地表水水质达标的要求. 为满足上述目标，基于技术和水质相结合的排污许可限值核定的总体技术路线见图1. 主要步骤：①开展流域水质评价. 对流域内的水环境质量和生态状况进行评估，识别主要污染指标和主要水环境问题. ②核算基于技术的排污许可限值(Technical Based Effluent Limits, TBELs)[13]. ③对于水质不超标地区，该限值即为企业的排污许可限值. ④对于水质超标地区，需对流域内点源、非点源负荷的产生量和排放量进行估算，构建流域水质模型，根据公平性、经济性和可行性原则，开展流域污染物最大允许排放量分配，确定各污染源的最大允许排放量，即基于水质的排放限值(Water Quality Based Effluent Limits, WQBELs)[14-15]. ⑤取TBELs和WQBELs的较小值作为企业最终的排污许可限值.

图1 排污许可限值核定技术路线

1.2 基于技术的排放限值(TBELs)

基于技术的排放限值核定主要根据企业自身特点确定其排放限值，主要依据是企业的行业属性和核定产能，以及环境影响评价等确定的允许排放量[16-17]. 主要步骤包括：①收集企业相关信息，明确企业所属行业，核实产能和企业环境影响评价批复的排放额度；②确定其适用的排放标准和《排污许可证申请与核发技术规范》系列标准，其中排放标准即为企业的排放浓度限值；③确定企业产品基准排水量，日排放水量为单位产品基准排水量与设计产能的乘积；④按达标排放核算排污单位日排放量，日最大允许排放量为日排水量与污染物排放浓度限值的乘积. 当企业具有环评批复额度时，还应在标准限值和环评批复额度之间取较小值.

1.3 基于水质的排放限值(WQBELs)

基于水质的排放限值核定主要根据地表水体的水质目标计算企业的排放限值. 基于水质的排放限值，需要对流域水系进行概化，确定重点关注的水系和水质目标；然后采用数学模型等方法，建立污染源排放和地表水质的响应关系；最后按照公平性、经济性和可行性[18]的原则，根据地表水质目标反推污染源的最大允许排放量，以此作为企业基于地表水质的排放限值[19-20].

1.3.1水系和污染源概化

环境中的水系和污染源十分复杂，需根据实际情况对水系和污染源进行简化. 其中，水系概化应覆盖研究范围内主要水系，特别是有监测断面的水系和具有重要连通功能的水系；污染源概化应根据污染源进入地表水体的位置，按就近原则进行归并. 污染源概化不仅可减少污染源评估数量，还可避免优化求解的多解问题，是十分必要的.

1.3.2建立水质模型

通过水质模型建立污染源与水质之间的响应关系，可根据实际的水体特征和模拟空间精度的需求，建立不同的水质模型. 如果研究区域为流域性水环境问题，由于模拟区域范围较大，一般更关心断面水质沿程分布，可采用一维水质模型进行求解，其中水力学方程[21-22]为

(1)

式中：x为沿河流方向的距离，km；t为时间，s；Q为流量，m3s；A为过水断面面积，m2；ql为侧向入流的流量，m3s；β为动量修正系数，一般情况下取1.0；g为重力加速度，取值9.81 ms2；Z为水位，m；R为水力半径，m；n为糙率，为经验系数.

水质方程：

(3)

式中：C为污染物浓度，mgL；Ex为污染物沿x方向的扩散系数，m2s；S为污染物的源汇项，mg(L·s).

1.3.3建立最大允许排放量分配模型

在污染源与水质响应关系的基础上，通过地表水质目标反推污染物的最大允许排放量，一般常用的总量分配模型有情景分析模型、线性优化模型、非线性优化模型、整数优化模型等. 对于一般常规污染指标，可采用线性规划方法进行最大允许排放量分配计算. 污染物最大允许排放量分配线性规划问题的一般形式[23-25]为

maxz=CTX

(4)

(5)

式中：z为目标函数；X、Xl和Xu分别为污染源的排放负荷、排放负荷下限和排放负荷上限向量，X=[x1,x2,…,xp]T，Xl=[xl1,xl2,…,xlp]T，Xu=[xu1,xu2,…,xup]T，其中p为污染源个数；C为系数，当考虑污染物总量最大时，C=[1,1,…,1]T；B为背景浓度，B=[b1,b2,…,bm]T；S为水质标准限值，S=[s1,s2,…,sm]T，其中m为水质控制点个数；E为响应系数矩阵，eij为第j个污染源单位负荷在第i个控制点所形成的浓度(i=1,2,…,m;j=1,2,…,p).

(6)

按照上述线性规划问题所求得的最优解，虽能取得最大污染物允许排放量，但对污染源之间的公平性有欠考虑，会造成某些污染源削减过大而另外一些污染源不需削减的情况. 因此需按照公平性的原则确定分配比例，在此基础上再求解污染源的最大允许纳污量[26].

设污染源之间的分配比例系数向量为R=[r1,r2,…,rp]T，显然存在标量参数t，使得X=tR. 将X向量代入约束条件得到tER+B≤S，目标函数可以转化为对t求最大值，即：

(7)

因此，每个污染源所分配的负荷为

xi=tri

(8)

考虑到污染源分配的上下限，当污染源最大允许排放量小于分配下限时，取分配下限；当污染物最大允许排放量大于分配上限时，取分配上限. 固定取到上下限的污染源负荷值，再次进行优化，直到不需要再次根据上下限进行调整时结束.

2 研究案例

2.1 研究区域

2.1.1区域概况

该文以常州市两家化工企业排污许可限值为研究对象. 常州市位于江苏省南部、长江三角洲中部，地理位置为119°53′E～120°02′E、31°44′N～31°52′N，全市总面积 4 385 km2. 2015年，经改制后，常州市下辖天宁区、钟楼区、新北区、武进区、金坛区和溧阳市. 常州市由南至北分为三大水系：①南部南河水系，骨干河道有南河、中河、北河等；②中部三湖水系，主要有太滆运河、湟里河、北干河、中干河等；③北部运河水系，以运河为界又分为运北、运南水系. 根据常州市水环境功能区划，主要河道水质目标类别(参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》)见图2. 常州市水环境功能区以Ⅲ类为主，西部溧阳市境内上游有少量Ⅱ类功能区，Ⅳ类功能区主要分布在金坛区北部、武进区和市辖区.

图2 常州市水系概化和水环境功能区划

2.1.2水质状况

以CODCr和NH3-N为评价指标，2016—2019年，常州市主要34个控制断面水质见图3. 评价结果显示，常州市2016—2019年期间共计监测样本 1 535 次，按照控制断面水环境功能区确定的水质类别，超标比例为13.4%，其中CODCr超标率为4.9%，NH3-N超标率为10.5%，超标区域集中在溧阳东南部、武进区南部及大运河北部. 由于常州市CODCr和NH3-N总体均超标，需要根据环境容量确定基于水质的排污许可限值，才能实现水环境质量达标.

图3 常州市重点水质监测断面水质超标率情况

2.1.3污染源状况

以乡镇(街道)作为计算单元，分别考虑工业废水、直排生活污水、城镇污水厂、畜禽养殖、城市面源、种植业和水产养殖，估算了常州市59个乡镇(街道)的污染物排放量. 结果表明，2018年常州市CODCr、NH3-N总排放量分别为 93 264.75、3 927.01 t. 其中，点源(工业废水、直排生活污水、城镇污水厂)CODCr、NH3-N排放量分别为 22 984.96、2 597.02 t，占比分别为24.6%、66.1%；非点源(畜禽养殖、城市面源、种植业和水产养殖)CODCr、NH3-N排放量分别为 70 279.78、1 329.99 t，占比分别为75.4%、33.9%. 常州市各乡镇(街道)单位面积污染物排放量见图4. 对比图3和图4可知，污染物排放强度与水质超标的空间分布具有一定的对应关系，表明本地污染物排放是造成CODCr和NH3-N超标的主要原因.

2.2 基于技术的排污许可限值研究

化工企业是常州市排污许可限值核发的重点行业. 该文选取了两家化工企业，计算其基于技术的排污许可限值. 其中，A化工企业行业类别为有机化学原料制造，生产周期为全天24 h，一年生产300 d，排放去向为接管，接管标准为《污水综合排放标准》3级[27]；年批复产量为特殊酐类 20 000 t、偏苯三酸酐 10 000 t、特殊增塑剂 30 000 t，实际产品产量为特殊酐类 7 045 t、偏苯三酸酐 9 618 t、特殊增塑剂 22 611 t. B化工企业行业类别为化学农药制造，生产周期为全天24 h，一年生产300 d，排放去向为接管，接管标准为《污水综合排放标准》3级[27]；产品年批复产量为丁硫脲540 t、功夫酸500 t、2-氯-5-氯甲基吡啶 2 000 t，实际产品产量为丁硫脲540 t、功夫酸500 t、2-氯-5-氯甲基吡啶 2 000 t.

两家化工企业各项指标的环评批复量和基于技术的排放限值见表1.

图4 2018年常州市污染物排放强度

表1 两家化工企业环评批复量与根据排放标准核定的许可量比较

Table 1 Comparison of loads of two chemical enterprises ratified by EIA and loads calculated by standards ta

表1 两家化工企业环评批复量与根据排放标准核定的许可量比较

项目A化工企业B化工企业环评批复量排放限值环评批复量排放限值水量148 414.842 470—46 400CODCr36.3910.61—11.60NH3-N0.0750.74—0.17

按就低不就高的原则，最终确定基于技术的排放限值见表2. A化工企业CODCr和NH3-N排放限值分别为10.61和0.075 ta，B化工企业CODCr和NH3-N排放限值分别为11.60和0.17 ta.

表2 两家化工企业基于技术的排放限值

2.3 基于水质的排污许可限值研究

为计算常州市两家化工企业基于水质的排污许可限值，应根据地表水水质目标，建立水质模拟和污染物最大允许纳污量分配模型，计算流域内最大允许纳污量，并分配到流域内的每个污染源.

2.3.1设计水文条件

根据《常州市水资源公报》，常州市2005—2018年地表水资源量、主要河道入境总量和降水总量见图5. 从历年来看，常州市2013年降水量和地表水资源量最小，因此以2013年的水文条件作为常州市最大允许纳污量的计算条件.

图5 常州市地表水资源量的年际变化

2.3.2模型参数识别

模型参数识别是建立污染源排放负荷与实测水质响应关系的重要步骤. 采用年均流量模拟2018年CODCr、NH3-N浓度，并与实测浓度进行对比(见图6). 根据模型校验，常州市河流CODCr、NH3-N的降解系数分别为0.01、0.05 d-1,长荡湖和滆湖CODCr、NH3-N的降解系数分别为0.00、0.01 d-1. 总体来看，常州市污染物降解系数相对较小.

图6 2018年常州市主要考核断面水质模拟值与实测值的对比

2.3.3污染物最大允许排放量分配结果

采用1.3节的水质模型和污染物最大允许排放量分配模型进行模拟，得到常州市各乡镇(街道)污染物最大允许排放量(见图7). 结果显示，常州市CODCr和NH3-N最大允许排放量分别为 81 165、2 956 t，其中点源最大允许排放量分别为 19 003 和 1 626 t. 从图7来看，常州市CODCr和NH3-N削减比例总体较小，削减量主要分布在东部地区.

图7 常州市最大允许纳污量计算结果

进一步将污染物最大允许纳污量分配到流域内每个污染源. 该研究对同一乡镇(街道)的污染源，采用等比例分配方法，将乡镇和街道的最大允许排放量再次分配到乡镇和街道内的每一个企业. 采用上述方法，得到A化工企业CODCr和NH3-N基于水质的排放限值分别为6.53和0.075 ta，B化工企业CODCr和NH3-N基于水质的排放限值分别为22.98和0.20 ta.

2.4 基于技术和水质相结合的排污许可限值研究

取基于技术的排放限值和基于水质的排放限值中的较小值作为最终的排污许可限值. 采用上述方法，两家化工企业最终的年排污许可限值对比见表3. A化工企业的CODCr和NH3-N最终排污许可限值分别为6.53和0.075 ta，其中CODCr的最终取值为基于水质的排放限值，NH3-N基于技术和基于水质的排放取值相同；B化工企业的CODCr和NH3-N最终排放限值分别为11.60和0.17 ta，最终取值均为基于技术的排放限值. 可见，虽然常州市NH3-N总体超标，但由于排污口空间位置、局部环境容量和排放标准值的差异，针对具体的污染源，基于水质的NH3-N排放限值仍然有可能大于按照排放标准核定的限值. 实际上采用基于技术的排放限值，B化工企业仍然要在现状基础上削减85.2%，削减比例仍然较大.

表3 两家化工企业基于技术和容量排污许可限值的比较

Table 3 Comparison of the discharge permit limits based on technology and water environmental capacity ta

表3 两家化工企业基于技术和容量排污许可限值的比较

化工企业CODCr排污许可限值NH3-N排污许可限值基于技术排放限值基于水质排放限值最终排放限值现状排放量基于技术排放限值基于水质排放限值最终排放限值现状排放量A11.6906.5326.53224.8770.0750.0750.0750.438B11.60022.98311.60087.5340.1700.1960.1701.151

3 结论

a) “十四五”时间，我国将从目前的基于技术的排污许可管理逐步过渡到基于技术和水质相结合的排污许可管理. 基于技术的排放限值核定主要根据企业的行业属性和核定产能，结合环境影响评价批复的污染物排放额度，确定其排放浓度限值和排放总量限值；基于水质的排放限值核定需建立污染源与水质之间的响应关系，以地表水水质达标为目标，计算各污染源的最大允许排放量. 最终的排污许可限值为基于技术的排污许可限值和基于水质的排污许可限值的最小值.

b) 以常州市为例，核算了A化工企业和B化工企业基于技术的排放限值，A化工企业CODCr和NH3-N的排放限值分别为10.61和0.075 ta，B化工企业CODCr和NH3-N的排放限值分别为11.60和0.17 ta. 构建了常州水质模型和污染物最大允许排放量分配模型，开展了常州污染物最大允许排放量分配，A化工企业CODCr和NH3-N基于水质的排放限值分别为6.53和0.075 ta，B化工企业CODCr和NH3-N基于水质的排放限值分别为22.98和0.20 ta.

c) 取基于技术的排放限值和基于水质的排放限值中的较小值作为最终的排污许可限值，A化工企业的CODCr和NH3-N最终排污许可限值分别为6.53和0.075 ta，其中CODCr的最终取值为基于水质的排放限值，NH3-N基于技术和基于水质的排放取值相同；B化工企业的CODCr和NH3-N最终排放限值分别为11.60和0.17 ta，最终取值均为基于技术的排放限值. 采用基于技术的排放限值，B化工企业需要在现状基础上削减85.2%，削减比例仍然较大.

d) 受环境条件和模型参数不确定性的影响，基于水质达标进行最大允许纳污量计算并确定排放限值可能会存在一定误差，应根据实际水质变化不断进行调整；同时，由于排污许可管理仅针对固定污染源，还应进行非点源综合治理，才能最终实现地表水水质达标的目标.