1 引言(Introduction)

随着我国社会经济的高速发展, 越来越多的人为镉被释放到环境中, 由此产生了严重的生态环境污染.比如, 近年来我国城市地区气溶胶中的镉浓度被观察到呈不断增加的趋势(Hieu et al., 2010).谭吉华等(2013)通过文献资料调研, 收集了我国40个主要城市近10年间重金属颗粒物在大气中的浓度数据, 结果发现, 我国主要城市大气镉的平均浓度为12.9 ng·m^-3, 远远高于中国环境空气质量标准(GB3095—2012) 5 ng·m^-3的标准限值, 这些研究表明我国城市大气镉污染较为严重.我国水体重金属镉污染问题也十分突出, 如山东省大沂河河流中镉含量超过了国家Ⅴ类水质标准(宋春霞等, 2006).另外, 土壤镉污染也日趋严重, 据中国农业环境报告显示, 我国1980年农田土壤中镉污染面积仅为9333 hm², 到2014年, 土壤镉污染超标点位达到7.0%, 镉因此成为重要的土壤污染物(崔力拓等, 2006；环境保护部, 2014).由此可见, 人为镉的大量排放对我国生态环境安全构成了严重威胁.

污染源识别在污染治理中具有举足轻重的作用.近些年, 国内外相继出现了大量镉人为排放清单核算的研究.在大气方面, Pacyna等(2001)研究了全球人类活动向大气中的镉排放量, 发现有色金属冶炼是大气中最大的镉排放源, 占人为排放源的73%.Shao等(2013)采用排放因子法估算了1990—2010年中国人为源大气镉排放量, 发现镉排放总体呈上升趋势, 到2010年中国大气镉排放已达到2186 t, 以有色金属冶炼和煤炭燃烧为主.Cheng等(2013)采用自下而上的方法核算了中国2009年的大气镉排放情况, 结果表明, 2009年镉的总排放量约为743.77 t, 主要的排放源是有色金属冶炼和煤燃烧.对于镉排放进入整个环境介质的研究也有一些报道.欧共体根据欧盟的排放因子核算方法对欧洲1975年镉排放量进行统计, 发现欧洲每年排放到环境中的Cd共约6118 t, 其中2%进入大气, 4%进入水体, 94%进入土壤(Rauhut et al., 1980).Shi等(2019)等采用物质流分析的方法, 其中, 大气镉采用排放因子值结合生产量或消费量数据来计算, 废水镉通过《自然资源与环境统计年鉴》得出, 固废镉通过物料平衡得出, 对1990—2015年中国大陆工业生产中Cd的流动与库存进行了调查, 研究发现, 中国大陆超过63%的镉排放是由有色金属矿采选所产生的.罗涛(2019)主要通过实测的废物排放量与镉排放因子相结合的方法来制定排放清单, 发现江苏省丁蜀镇2015年人为源排放进入环境中的镉总量约为43.5 kg, 其中约90.4%的镉排放进入水体, 进入土壤和大气的镉占比分别为9.5%和0.1%, 其主要的污染来源为工业生产和牲畜养殖.可见, 目前对我国镉排放的研究大气方面较多, 对其他镉排放去向的研究还很有限.

浙江省地处长江三角洲中心地带, 是典型的工农业集产区, 据统计2017年浙江省GDP总量居全国第4位(国家统计局, 2018).随着工农业的快速发展, 大量的人为镉排放到环境中, 对该地区大气、水体及土壤生态安全构成了极大的威胁.据统计, 浙江省农田土壤中镉含量最高已达到2.8 mg·kg^-1, 远高于《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995) 0.2 mg·kg^-1的限值(王蕴赟等, 2016).农田污染普查数据也显示, 浙江省土壤镉超标点位高于全国平均水平.然而, 当前有关该地区镉污染源及其时空排放规律的研究仍然处于空白, 为该地区镉污染治理带来极大困难.基于此, 本文将以工农业集产区浙江省为案例, 整合现有排放因子, 利用清单核算法对浙江省人为镉排放的源汇进行估算, 分析浙江省人为镉排放时空格局, 以期进一步完善人为镉排放因子清单, 并为浙江省乃至全国镉污染源端防控与治理提供科学依据.

2 材料与方法(Materials and methods)

本研究采用清单核算法来构建浙江省镉排放因子清单(Streets et al., 2003；Zhao et al., 2011), 通过调研大量文献资料, 结合浙江省造纸与陶瓷工业较发达的实际情况, 针对工业生产过程中含镉产品的生产和消费来确定主要工业排放来源, 较为完整地选取了燃煤源、有色金属开采、有色金属冶炼、油料消费、钢铁生产、造纸、塑料、磷肥、平板玻璃、水泥生产、蓄电池及陶瓷生产12种排放源进行核算.排放因子的选取则是在广泛搜集和整理相关文献的基础上, 根据排放源特征, 优先采用国内实测排放因子, 对于国内暂时缺失的排放因子则参考国外在同等或类似污染情况下的排放因子, 详见表 1.

2.1 燃煤源

由于浙江省原煤消费的途径众多, 因此, 可将大气燃煤源进一步划分为火电厂用煤部门、工业用煤部门、住宅用煤部门和其他用煤部门, 并且不同类型燃煤设施的排放效率和除尘设备的除尘效率表现出很大的差异性.因此, 本研究参考相关文献, 得出不同燃煤部门所对应的燃煤和除尘设备(表 2).各部门的煤炭消费量数据来自于《浙江统计年鉴》和各市统计年鉴(1996—2018).其计算方式见式(1)~(2).

(1)

(2)

式中, C为煤产品中镉的平均含量(g·t^-1)；F为各部门煤消耗量(t)；R为燃煤设施镉的释放速率；RE为除尘装置对镉的去除效率；P为各燃烧和除尘设备用煤比例；E_Air为大气镉排放量(t)；i为用煤部门；j为燃烧设施、除尘控制装置分类的排放源.

燃煤固废镉的计算主要根据《浙江自然资源与环境统计年鉴》(1996—2018)中煤燃烧的固体废物排放量数据, 再结合表 1中原煤燃烧固废的排放因子值, 计算出煤燃烧固废镉的排放量, 其计算方法见式(3)~(4).

(3)

(4)

式中, i为各地级市；A为煤燃烧的固废产生量(t)；j为通过固废的排放形式；EF为排放因子(g·t^-1)；E_Soil为固废镉排放量(t).

2.2 非燃煤源

非燃煤源的镉排放量则根据其活动数据结合排放因子值进行计算, 其中, 有色金属开采及冶炼、造纸生产、钢铁生产等是根据其产量活动数据计算得出, 油料燃烧是根据其各地级市年油料消费情况来计算消费过程中镉排放量, 具体计算方法见式(5).

(5)

式中, i为各地级市的各个镉排放源；A为产品的生产量或消费量或废物排放量；j为不同的排放途径；EF为排放因子(g·t^-1)；E_ij为各地级市污染源通过不同途径的镉排放量(t)；E_总为浙江省镉的总排放量(t).产品的生产量或消费量数据来自于《浙江统计年鉴》和各市统计年鉴(1996—2018), 废物排放量数据来源于《浙江自然资源与环境统计年鉴》(1996—2018).其中, 需要说明的是, 有色金属行业产量数据仅有全省的有色金属年产量值, 缺乏各个地级市的年产量值.因此, 各地级市的有色金属产量通过各市有色金属工业总产值的比例与浙江省有色金属的总产量值相乘而获得, 以便于分析地级市单位的镉排放量.各地级市有色金属开采量和冶炼量的计算均采用上述方法.

2.3 不确定性分析

本研究利用蒙特卡洛方法对浙江省镉总排放量及各行业排放量进行不确定性分析.该方法的随机变量采用排放因子的范围值, 假设其概率分布服从三角分布来建立计算模型, 然后随机抽样10000次, 得出排放量在95%置信区间内的不确定性范围.

2.4 数据分析

空间分析图采用ArcMap10.2软件来绘制, 其他数据核算及图表绘制使用Excel2010进行处理.

3 结果和讨论(Results and discussion) 3.1 浙江省人为镉排放源历史变化趋势

图 1展示了1995—2017年浙江省各行业镉的排放量变化情况, 其人为排放源包括有色金属开采、有色金属冶炼、原煤燃烧、油料燃烧、钢铁生产、造纸、塑料、磷肥、平板玻璃、水泥、蓄电池和陶瓷生产12种排放源.总体来看, 浙江省人为镉排放自1995年的39 t·a^-1后呈上升趋势, 直到2007年其排放量基本达到稳态, 2007—2017年排放量约在140 t左右.由此说明, 自2007年以来, 该地区工农业发展水平达到一定规模.

其中, 原煤燃烧是其主要排放源, 年排放量从1995年的23 t显著增加到2017年的73 t, 约占每年总排放量的50%以上.但在2016年原煤镉排放量下降显著, 主要与该年煤炭消费大量减少有关.

另外, 钢铁生产、有色金属冶炼、造纸和水泥生产也是重要的排放源, 四者镉排放量之和约占每年总排放量的40%左右.钢铁生产的镉排放量在2007年以前保持较为平稳的增加趋势, 2007年以后增长迅速, 从2007年的13 t迅速增加到2014年的33 t, 之后又呈略下降趋势.有色金属冶炼是第三大排放源, 镉排放从1995年的4 t增加到2017年的15 t, 其中, 1995—2007年镉排放保持稳步增加状态, 之后其排放量都保持在较高水平.造纸生产是第四大排放源, 从1995—2009年其镉排放量呈显著的上升趋势, 2009年镉排放量达到15 t, 之后由于造纸产量减少, 其镉排放逐年下降.水泥生产镉排放从2 t增加到2017年的9 t, 呈逐年增加趋势.塑料生产的镉排放量从1 t增加到5 t, 呈稳定增加趋势.

而其他排放量占比较小的排放源如有色金属开采、油料燃烧、平板玻璃和蓄电池生产, 镉排放增加缓慢, 合计排放量从1995年的1.3 t增加到2017年4.5 t.磷肥生产和陶瓷生产的镉排放在这22年中呈波动下降趋势, 磷肥生产的镉排放量从1 t下降到0.6 t, 陶瓷生产的镉排放量从0.1 t下降到0.03 t, 但其下降幅度有限, 对总排放量变化影响较小.

3.2 镉排放量去向分析

通过对1995、2000、2005、2010和2015年这5个节点年来分析浙江省镉的去向：大气、废水、固废, 具体如图 2所示.总体来看, 进入固废的人为镉占比最多, 约占总排放镉的75%左右, 从1995年的30 t增加到2015年的117 t；其次, 大气镉排放量也较高, 其贡献率基本保持在14%, 从1995年的5 t增加到2015年的21 t；而进入废水的镉较少, 仅占总排放量的7%~11%, 废水中镉的排放量从4 t增加到10 t.本研究与Shi等(2019)的报道相似, 他们同样发现固废是人为镉排放的主要去向, 且增长显著, 其次是大气, 而废水镉排放量最小.

其中, 固废镉的排放以原煤燃烧为主, 其贡献率约为60%, 尽管贡献率呈下降趋势, 但其总量仍然呈上升趋势, 2015年排放量已达65 t.此外, 钢铁生产、水泥生产和有色金属冶炼也是重要的排放源.有色金属冶炼的贡献率基本保持在15%左右, 2015年其贡献率下降较为显著, 下降至9%, 其镉排放量达到11 t左右.水泥生产的镉排放贡献率基本保持在7%.而钢铁生产的镉排放贡献率则从7%增加到25%, 增长趋势显著, 特别在2010年以后贡献率迅速增加, 从9%增加到19%, 成为2010年后的第二大排放源, 镉排放量达到20 t以上.其他工业来源的占比变化不大, 贡献率基本稳定0.05%左右.在有关文献相比, Shi等(2019)也发现固废镉主要来源为原煤燃烧、有色金属冶炼和钢铁生产, 与本研究结果一致.

另外, 大气镉最主要的污染源也是原煤燃烧, 原煤燃烧镉排放占比从1995年的48%增加到2000年的53%, 2000年以后呈逐年下降趋势, 到2015年其贡献率达到33%, 下降趋势显著, 但其排放量一直呈上升趋势, 2015年已达7 t.塑料生产、油料消费、有色金属冶炼、磷肥、水泥和钢铁生产也是重要的排放源.其中, 塑料生产的镉排放贡献率在从25%下降到2000年的11%, 下降幅度较大, 其镉排放量减少到0.7 t, 但在2005年以后又开始逐年增长, 2015年已达5 t以上.油料消费的镉排放贡献率在2000年达到最大值, 约占11%, 之后其贡献率开始缓慢下降, 但其排放量一直保持上升趋势, 2015年达到2 t左右.钢铁生产的镉排放量贡献率在这5年里一直呈增加趋势, 从4%增加到13%, 2015年大气镉排放量达到2 t.有色金属冶炼的镉排放贡献率从1995年的5%稳步增加到2010年的10%, 在2015年下降到7%, 但其镉排放量呈稳定上升趋势, 2010年以后基本保持在2 t以上.其他排放源如有色金属开采、磷肥、水泥和平板玻璃生产的贡献率变化不大, 基本稳定在0.15%左右.与其他研究相比, 本研究估算的2009年大气镉排放量为19 t, 与Cheng等(2013)核算的该年镉排放量14.9 t相差较小；但与Shao等(2013)估算的2010年镉排放量为11.4 t(本研究仅6.28 t)差异显著, 这是由于Shao等(2013)选择的是早期工业比较粗放时的排放因子, 从而导致其估算结果偏大, 而本文是在国外的排放因子调研基础上, 综合了国内污染普查数据, 更符合我国实际, 因此更有说服力.

而废水最重要的排放源是造纸生产, 其镉排放贡献率在前3年稳步增加, 达到95%, 2010年以后下降趋势显著, 镉排放量也下降至10 t以下.有色金属冶炼也是重要的排放源, 其镉排放贡献率从3%增加到16%, 呈逐年增长趋势, 镉排放量也增长显著, 2010年以后保持在1.5 t左右.铅酸蓄电池贡献率也有所增加, 但增长缓慢, 从1%增加到3%, 到2015年镉排放量达到0.3 t.其他排放源的贡献率基本稳定在0.05%左右.与Wu等(2018)的研究(2010年浙江省废水镉排放量达到6 t)相比, 相差较大(本文在2010年高达15 t).这是由于前者使用了第一次污染源普查数据集里的废水排放量值, 从而导致其估算量偏低.而本研究排放因子来源于实测废水排放口重金属浓度值和部分未经处理直接排放企业的浓度值, 与文献中计算的浓度值相差较大, 造成其结果值差异较大, 但本文的结果更能反映实际情况, 同时可为浙江省水环境管理提供一定的参考.

3.3 浙江省镉排放总量空间变化特征

在分析镉的空间变化时, 本研究同样选取了5个节点年(1995年、2000年、2005年、2010年和2015年)来描述浙江省过去多年里各地级市镉年排放量变化趋势(图 3).浙江省各市由于经济发展程度和能源消费结构的不同, 全省镉排放总量的空间变化大.1995年, 镉排放主要集中在杭州市和宁波市, 排放量均约为8 t, 其他各市镉排放量都在5 t以下, 且差异较小.2000年, 宁波市镉排放增长迅速, 达到11 t左右, 而杭州市镉排放量相较1995年几乎没有变化, 仍然保持在10 t以下；嘉兴、绍兴和衢州的镉排放量都增加到5 t以上, 增幅较大；其他各市镉排放增加缓慢, 仍在5 t以下.到2005年, 杭州市和宁波市镉排放增加幅度变化较大, 杭州市增至20 t, 宁波市增至19 t, 几乎是2000年的2倍左右；绍兴市和嘉兴市镉排放也有显著的增长, 都增加到10 t以上；金华市和台州市镉排放则增长至5 t左右；衢州镉排放从2000年到2005年几乎没有变化；镉排放最少的城市主要是温州、丽水、舟山, 镉排放量不到5 t.2010年, 宁波市的镉排放量已达到36 t, 增幅显著, 而杭州市增加速度减慢, 仅从20 t增加到26 t；金华和温州的镉排放增加趋势较为明显, 分别增加到11、7 t；其他各市的镉排放量相较2005年几乎没有变化.2015年宁波市和杭州市的镉排放量有略微下降, 从36、26 t分别下降到34、21 t；而嘉兴、湖州和衢州市镉排放呈上升趋势, 嘉兴增加到18 t, 湖州和衢州增至10 t左右；其他各市镉排放增长缓慢, 变化不大；丽水市和舟山市镉排放量最低, 仍在5 t以下.

总体来看, 浙江省镉排放量增长最为显著的是宁波市, 从1995年的8 t增加到2015年的34 t, 主要与该市的原煤消费和有色金属冶炼的产量一直稳步增加有关.杭州市、绍兴市和台州市2005年以后镉排放就保持在较为稳定状态, 主要与其工业产量与能源消费量在2005年达到较高水平, 之后增加趋势减缓有关.嘉兴、衢州、金华、湖州和温州的镉排放一直保持稳步增加趋势, 主要是改革开放后, 各个地区经济开始迅速发展, 其中, 原煤消费量、钢铁产量和有色金属冶炼量迅速增加, 使其镉排放量增加显著.增加速度最慢的是舟山市和丽水市, 从0.5 t增加到5 t左右.舟山市年镉排放平均量在0.1 t左右, 增长缓慢.丽水市有色金属矿产资源丰富, 该市的镉排放主要来自于有色金属矿的开采, 另外, 造纸生产量和原煤消费量也在逐年增加, 但其他工业产业较少且不发达, 使其镉排放量在浙江省一直处于较低水平.总的来说, 浙江省镉排放主要集中在北部地区(舟山除外)且增长迅速, 南部地区镉排放量较小且增长缓慢.

3.4 浙江省镉排放累计量与单位接收量空间变化特征

从图 4a可以看出, 过去22年浙江省各市镉累计排放量差异较大.宁波市累计镉排放已达到524 t, 这与宁波市工业经济基础良好, 且工业发展势头足有关.杭州市累计镉排放量仅次于宁波市, 达到407 t, 这与杭州市是省会城市, 人口稠密, 工业发展较好, 能源和各种工业产品需求量大有关.嘉兴和绍兴的累计镉排放均达到250 t左右, 与宁波市、杭州市的差距较大.湖州、金华、衢州的累计镉排放都在170 t左右, 说明这3个地区工业发展水平相近.台州市和温州市累计镉排放都达到100 t以上, 说明两市工业发展较为缓慢, 使其累计镉排放量较小.而舟山市和丽水市在过去22年累计向环境中排放的镉均不超过100 t, 这是由于受自然环境的制约, 工业水平低, 使其镉总排放量一直较少.

而单位面积累计镉接收量变化趋势则与总累计量差异较大(图 4b).其中, 单位面积累计镉接收量最大的是宁波市, 达到0.9 kg·hm^-2, 进一步说明该市重金属镉污染可能较为严重.宁波市最主要的排放源是原煤燃烧, 其累计镉排放量约为290 t, 占总累计镉排放量的1/2以上.嘉兴市、杭州市、绍兴市、温州市和舟山市的单位面积累计镉接收量仅次于宁波市, 达到0.27 kg·hm^-2左右.嘉兴市和杭州市的主要污染源是原煤燃烧, 其累计镉排放量达到150 t左右.杭州市的钢铁生产和造纸生产也是重要污染源, 其累计镉排放量达到89 t左右.绍兴市最主要的排放源是原煤燃烧, 其累计镉排放量达到120 t.其次是有色金属冶炼, 累计镉排放量已达64 t.温州市的主要排放源是原煤燃烧, 达到71 t.舟山市由于面积小, 使其单位面积排放量较大, 说明舟山发达的海运业不容忽视, 主要的排放源是原煤燃烧, 其单位面积累计镉排放量达到37 t, 其次是油料消费, 累计排放达到2 t.湖州、金华、衢州和台州市的单位面积累计镉接收量较小, 约为0.15 kg·hm^-2, 其主要的排放源是原煤燃烧, 且保持较为稳定的增加趋势.其中, 台州市和金华市有色金属冶炼也是重要的排放源, 其累计镉排放量分别达到20、48 t.衢州市和湖州市的钢铁生产排放量也占有较大比例.丽水市的单位面积累计镉接收量最小, 为0.03 kg·hm^-2, 主要排放源是钢铁生产, 累计镉排放量达到25 t, 其次有色金属开采的排放量也较大, 累积镉排放达到13 t.总体来看, 原煤燃烧是大多数地区的主要污染来源, 因此, 未来应该大力提倡清洁型能源的使用, 减少煤炭消耗, 以减轻重金属镉对浙江省环境的污染.

4 不确定性分析及其预测(Uncertainty analysis and prediction)

在估算过程中由于因子量不足及实地勘测误差等导致排放因子具有很大的不确定性.本文采用蒙特卡洛随机抽样的方法进行镉排放量的不确定分析, 图 5展示了1995—2017年浙江省镉排放量的不确定范围, 镉排放量最小值从12 t增加到44 t, 最大值从69 t增加到242 t, 其不确定性差异较大.而各行业在不同去向中镉排放的不确定度如表 3所示.其中, 大气镉不确定度较大的行业集中在水泥生产和有色金属冶炼, 不确定度较小的行业主要是平板玻璃生产和钢铁生产；废水镉不确定度较大的行业主要集中在有色金属开采, 不确定度较小的行业是蓄电池生产和造纸生产；固废镉各行业的不确定度都较大, 其中最为显著的是有色金属开采、钢铁生产和造纸生产行业.本研究所采用的排放因子参考了目前国内外有限的研究成果, 可能存在数据代表性较低和部分排放因子与浙江省实际情况有所差异的问题, 因此, 为了减少排放源清单的不确定性, 今后的研究需要对所有人为源进行更详细的调查和更多的实地监测.

5 结论(Conclusions)

1) 自1995年以来浙江省人为镉排放呈上升趋势, 到2007年由于其工农业发展到相当水平, 其镉排放量基本达到了140 t·a^-1左右, 相当于1995年的3.5倍.在12种排放源中, 原煤燃烧是最重要的排放源, 约占年总排放量50%左右；其次钢铁生产、有色金属冶炼、造纸和水泥生产也是重要的排放源, 四者累积镉排放量约占年总排放量的40%左右.其中75%以上的镉通过固废的形式排放进入环境, 进入大气的量约占21%, 其余进入废水.大气和固废镉的主要排放源是煤炭燃烧, 而进入水体的镉则主要来源于造纸行业.这些结果为镉人为源端管控提供了重要参考价值, 而且本研究还新增添了陶瓷生产、蓄电池生产和造纸生产的镉排放因子, 也为未来镉排放源研究提供了数据基础.

2) 在空间变化上, 浙江北部区域镉排放量高于南部区域.其中, 宁波市因高度发达的工业, 导致镉排放总量及单位面积排放强度均为全省最高, 而且一直呈上升趋势, 其源端若不加以管控, 镉污染问题将非常严重.其次, 杭州市镉排放量由1995年的8.74 t升高至2009年的26.81 t, 到2017年又下降到13.49 t, 这与杭州自2008年以来的产业结构调整有关, 其原煤燃烧、钢铁生产、造纸行业镉排放显著下降.嘉兴、绍兴两地发展规模相似, 镉排放均以原煤燃烧为主, 1995—2007年呈上升趋势, 而后稳定在较高的排放状态下.近年来, 金华、衢州、湖州的镉排放量也呈上升趋势, 排放量较高.温州、台州市的镉排放总量不算高, 但单位面积排放量不低, 因该区域是典型的电子拆卸区域, 电子拆卸是导致镉污染的又一重要因素, 但由于缺乏统计数据, 本研究没有估算, 后续需更多研究.丽水和舟山的镉总排放量较低, 但2003—2017年一直呈显著上升趋势, 说明近年来两市工业发展较快, 丽水以有色金属开采、钢铁生产为主, 而舟山的单位面积排放强度则仅次于宁波, 以海运业发展为主, 其重金属污染不容乐观.尽管本研究存在一定的不确定性, 但研究结果可为浙江省镉污染源识别、污染区域管控提供科学依据.

另外, 本研究由于因子稀缺, 其中部分因子采用了比较老的数据, 而且部分排放源如电子拆卸、秸秆回田等未纳入估算, 因此, 后续需进一步相关研究.