化工園區(qū)大氣監(jiān)控預(yù)警溯源排查一體化監(jiān)管體系的探索與實(shí)踐

吳 劍，張玲玲，章許云，吳?，?，張亞一，盛 夏

（江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

化工園區(qū)的模式最早起源于上世紀(jì)40年代發(fā)達(dá)國家[1]，隨著生產(chǎn)力和生產(chǎn)規(guī)模的高速發(fā)展，污染引發(fā)的環(huán)境事件接連不斷，美國、英國等國家早已開展大氣實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行大氣污染識(shí)別和預(yù)報(bào)分析研究與實(shí)踐，以有效預(yù)防和及時(shí)控制突發(fā)性環(huán)境污染[2-3]。相對(duì)而言，我國的大氣環(huán)境監(jiān)控預(yù)警體系建設(shè)起步較晚，目前體系的系統(tǒng)化程度較低，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備能力較弱，污染模擬和預(yù)警水平受限，數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用匱乏，發(fā)揮的作用有限，導(dǎo)致園區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)不全面、預(yù)警不及時(shí)、溯源難以實(shí)現(xiàn)[4-5]。并且，傳統(tǒng)的廢氣治理大多在企業(yè)層面進(jìn)行，治理不規(guī)范、不全面，監(jiān)督不到位等問題長期得不到有效解決，廢氣治理工作往往簡單粗放，達(dá)不到預(yù)期效果。

為從源頭分析污染成因，精確尋找“病因”，本文基于現(xiàn)有監(jiān)控預(yù)警體系內(nèi)容，通過建立園區(qū)氣態(tài)污染因子庫，創(chuàng)新在線監(jiān)測(cè)方式，探索化工園區(qū)大氣監(jiān)測(cè)預(yù)警溯源排查一體化監(jiān)管體系，提高園區(qū)監(jiān)控預(yù)警水平，實(shí)現(xiàn)園區(qū) “摸清底數(shù)—精準(zhǔn)監(jiān)控—?jiǎng)討B(tài)感知—超標(biāo)溯源—聯(lián)動(dòng)管控—靶向治理”的閉環(huán)、高效管理目標(biāo)，從源頭解決園區(qū)污染排放不規(guī)范、異味擾民等問題，打造VOCs 治理達(dá)標(biāo)區(qū)。

1 建設(shè)思路

大氣監(jiān)測(cè)預(yù)警溯源排查一體化監(jiān)管體系建設(shè)思路見圖1。 從圖1 可以看出，該體系重點(diǎn)包含：①大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源調(diào)研，即建立園區(qū)大氣污染特征因子數(shù)據(jù)庫，為設(shè)備選型、污染溯源提供依據(jù)；②大氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，即建立動(dòng)靜結(jié)合的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，選用先進(jìn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快與準(zhǔn)；③大氣環(huán)境監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)建設(shè)，即擴(kuò)展數(shù)據(jù)分析、污染溯源模型功能，即時(shí)發(fā)現(xiàn)、追蹤異常數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)價(jià)值的深度挖掘；④異常因子排查溯源，監(jiān)測(cè)與排查的一體化，在科學(xué)設(shè)立物質(zhì)預(yù)警閾值的基礎(chǔ)上，建立快速響應(yīng)機(jī)制，準(zhǔn)確鎖定問題源；⑤污染問題跟蹤治理，即精確診斷問題后實(shí)行靶向治理、跟蹤評(píng)估，確保園區(qū)企業(yè)達(dá)標(biāo)排放。

2 某化工園區(qū)一體化監(jiān)管體系實(shí)踐

2.1 建設(shè)背景

江蘇省某化工園區(qū)內(nèi)企業(yè)眾多，排放的廢氣因子復(fù)雜，局部區(qū)域異味較重，給周邊居民生活帶來很大影響。該園區(qū)面積較大，基于一體化監(jiān)管體系建設(shè)思路，選取重點(diǎn)片區(qū)建成大氣監(jiān)測(cè)預(yù)警溯源排查一體化監(jiān)管體系示范工程，平戰(zhàn)結(jié)合，一方面實(shí)現(xiàn)環(huán)境應(yīng)急事件預(yù)警監(jiān)控，另一方面全面把握片區(qū)異味擾民、企業(yè)不規(guī)范排放等問題。 項(xiàng)目位置示意見圖2。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)源、特征污染物調(diào)研及優(yōu)控物質(zhì)篩選

園區(qū)污染現(xiàn)狀調(diào)研需做到全面、準(zhǔn)確和科學(xué)，項(xiàng)目通過“綜合調(diào)查分析法”，充分結(jié)合資料分析、現(xiàn)場(chǎng)核查、工藝分析等，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容、廢氣產(chǎn)排環(huán)節(jié)及因子等進(jìn)行綜合評(píng)估、分析，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相銜接，掌握各企業(yè)氣態(tài)污染特征因子及有組織廢氣排放特點(diǎn)，準(zhǔn)確收集該園區(qū)104 家企業(yè)354 個(gè)排氣筒基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包含258 個(gè)特征因子，建立氣態(tài)污染因子數(shù)據(jù)庫，摸清園區(qū)“家底”，為大氣環(huán)境的因子監(jiān)測(cè)、監(jiān)控布點(diǎn)、異味溯源等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

采用熵權(quán)理論進(jìn)行優(yōu)控物質(zhì)篩選，熵權(quán)計(jì)算基于樣本統(tǒng)計(jì)[6]，利用熵值法估算各指標(biāo)的權(quán)重，其本質(zhì)是利用該指標(biāo)信息的價(jià)值系數(shù)來計(jì)算，其價(jià)值系數(shù)越高，對(duì)評(píng)價(jià)的重要性就越大。經(jīng)調(diào)研、分析，除文件管理等要求外，需考慮廢氣因子嗅閾值、大氣反應(yīng)活性、毒性、飽和蒸汽壓、園區(qū)排放總量、所涉排污企業(yè)數(shù)量6 個(gè)方面，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

由表1 可以看出，權(quán)重大小順序?yàn)椋憾拘?嗅閾值>排放總量>大氣反應(yīng)活性>所涉企業(yè)數(shù)量>飽和蒸汽壓。因此，對(duì)于園區(qū)重點(diǎn)因子的選擇除根據(jù)管理要求外，最先考慮的是它們的毒性、嗅閾值和排放總量。 園區(qū)重點(diǎn)片區(qū)優(yōu)控物質(zhì)分別為：丁二烯、苯、甲苯、二甲基苯、丙酮、叔丁醇、環(huán)氧乙烷、反-2-戊烯、異戊二烯、DMF、苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸丁酯、乙二胺、乙酸、環(huán)己烷、環(huán)己胺、苯胺、丙烯醛、甲硫基丙醛、甲硫醇、二硫化碳、乙醇、甲醇、環(huán)氧丙烷、二氯乙烷等。

2.2.2 大氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

項(xiàng)目結(jié)合片區(qū)企業(yè)的污染因子及排放特點(diǎn)，配備“五站一車”，即5 個(gè)固定監(jiān)測(cè)站和1 輛移動(dòng)監(jiān)測(cè)車，形成“動(dòng)靜”結(jié)合的覆蓋式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，靈活滿足突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急及日常管理自動(dòng)監(jiān)控要求；并開創(chuàng)性地組合使用GC-MS（氣質(zhì)聯(lián)用儀）和TOF-MS（飛行時(shí)間質(zhì)譜儀）監(jiān)測(cè)技術(shù)，充分發(fā)揮GC-MS 的“精準(zhǔn)定性定量”與TOF-MS 的“秒級(jí)響應(yīng)、全譜檢測(cè)”能力，提升大氣環(huán)境監(jiān)控速度與準(zhǔn)度，并利用園區(qū)氣態(tài)因子庫成果，靶向監(jiān)控片區(qū)廢氣特征因子異動(dòng)跡象。

分別選取GC-MS 和TOF-MS 連續(xù)監(jiān)測(cè)30 d 的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，PTR-TOF 和GC-MS 的監(jiān)測(cè)能力具有明顯的互補(bǔ)性，如胺類物質(zhì)TOF-MS 能夠很好的響應(yīng)，而對(duì)于低碳烴類物質(zhì)GC-MS 的相應(yīng)效果更好。 結(jié)合設(shè)備性能，選取2 種設(shè)備均能夠響應(yīng)的物質(zhì)：環(huán)氧乙烷、丁二烯、丙酮、異戊二烯、反-2-戊烯、苯、甲苯、苯乙烯、二甲基苯、二氯乙烷進(jìn)行數(shù)值相關(guān)性分析，結(jié)果見圖3。

圖3 TOF-MS 和GC-MS 連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

對(duì)于大部分共同因子，TOF-MS 與GC-MS 具有較好的可比性，相關(guān)系數(shù)最高達(dá)0.96 以上。 此外，TOF-MS 的“精確監(jiān)測(cè)”和“瞬時(shí)捕獲因子能力”為異常溯源的精準(zhǔn)性和及時(shí)性提供了可能，GC-MS 數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 h，TOF-MS 數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為2 s，甲苯、環(huán)氧乙烷異常值可被TOF-MS 精準(zhǔn)快速捕獲?；诓煌O(shè)備的甲苯濃度變化（10月23日）見圖4。

圖4 基于不同設(shè)備的甲苯濃度變化（10月23日）

基于不同設(shè)備的環(huán)氧乙烷濃度變化 （10月24日）見圖5。

圖5 基于不同設(shè)備的環(huán)氧乙烷濃度變化（10月24日）

2.2.3 大氣環(huán)境監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)建設(shè)

大氣環(huán)境監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)功能包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、綜合展示等，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)因子的預(yù)警及擴(kuò)散溯源分析。 預(yù)警值設(shè)定方面，結(jié)合國家、地方發(fā)布的VOCs 無組織排放廠界標(biāo)準(zhǔn)、物質(zhì)嗅閾值、有害物質(zhì)接觸限值等，通過化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)及類比法，并參考日常平均濃度水平，確立片區(qū)所有特征因子的預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)片區(qū)特征因子的即時(shí)預(yù)警。

擴(kuò)散溯源通過LPDM 模型預(yù)測(cè)污染物傳輸軌跡，研判污染物來源及方向，結(jié)合氣態(tài)污染因子庫和企業(yè)生產(chǎn)與治污設(shè)備運(yùn)行大數(shù)據(jù)，鎖定疑似排污企業(yè)，供現(xiàn)場(chǎng)排查人員分析。 實(shí)際運(yùn)行中，LPDM 模型受WRF 模型預(yù)測(cè)的氣象場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，模型預(yù)測(cè)會(huì)存在一定的誤差，特別是應(yīng)用于園區(qū)層面，WRF 氣象模型的誤差會(huì)被放大，導(dǎo)致溯源結(jié)果有可能不合理。因此，考慮采用園區(qū)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬修正，同化近段時(shí)間的氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)而優(yōu)化溯源結(jié)果，使得到的結(jié)果更加客觀，接近自然的分析[7]。 結(jié)合園區(qū)大氣污染特征因子數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化后的LPDM 模型能夠獲得更準(zhǔn)確的溯源模擬結(jié)果，最大限度保障溯源結(jié)果的可靠性。

2.3 運(yùn)行效果

一體化監(jiān)管體系的運(yùn)行實(shí)施可歸納為 “五步閉環(huán)”，即：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)—異常預(yù)警—現(xiàn)場(chǎng)排查—問題反饋—跟蹤評(píng)估，溝通反饋排查結(jié)果，并以報(bào)告形式提交相關(guān)主管部門，配合主管部門與企業(yè)進(jìn)行問題確認(rèn)，并提出可行的治理建議。隨后相關(guān)主體多維度推進(jìn)問題整治，項(xiàng)目持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跟蹤治理效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)新的污染問題，進(jìn)入新一輪循環(huán)。

示范項(xiàng)目經(jīng)3 個(gè)月穩(wěn)定運(yùn)行，園區(qū)邊界TVOC濃度下降30.4%，異味擾民信訪量下降50%以上，推進(jìn)企業(yè)廢氣整治工程48 項(xiàng)，拉動(dòng)污染治理投資4 521萬元，在抑制企業(yè)廢氣異常排放、緩解異味擾民等方面取得積極成效。

3 經(jīng)驗(yàn)與思考

化工園區(qū)大氣監(jiān)測(cè)預(yù)警溯源排查一體化監(jiān)管體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包含以下幾點(diǎn)：①全面排查，采用“綜合調(diào)查分析法”建立園區(qū)氣態(tài)污染因子數(shù)據(jù)庫，摸清園區(qū)家底；②創(chuàng)新VOCs 監(jiān)測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)片區(qū)優(yōu)控VOCs的廣覆蓋、快響應(yīng)、準(zhǔn)監(jiān)測(cè)；③科學(xué)預(yù)警，通過溯源模型及“人機(jī)結(jié)合”排查機(jī)制的建立，實(shí)現(xiàn)污染精準(zhǔn)快速溯源；④組建專業(yè)團(tuán)隊(duì)，保障污染問題的精確診斷。通過上述關(guān)鍵環(huán)節(jié)的建設(shè)，保障體系高效運(yùn)行。該體系尚處于探索階段，在實(shí)踐中需進(jìn)一步關(guān)注以下方面。

（1）控制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量

在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接反映片區(qū)空氣環(huán)境質(zhì)量，其質(zhì)量控制是確保數(shù)據(jù)真實(shí)有效的關(guān)鍵，目前GC-MS的運(yùn)維可參考《國家環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)環(huán)境空氣揮發(fā)性有機(jī)物連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)定（試行）》，而TOF-MS 的運(yùn)維在國內(nèi)外均無成熟的質(zhì)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，需結(jié)合設(shè)備原理，借鑒現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)探索、完善相應(yīng)的質(zhì)控方法，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)有效。

（2）挖掘歷史數(shù)據(jù)價(jià)值

針對(duì)產(chǎn)生海量監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)，需通過多樣化的分析手段，探討、挖掘企業(yè)異常排放線索。 遠(yuǎn)期也可將企業(yè)生產(chǎn)工況、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行信息等相關(guān)參數(shù)接入平臺(tái)，與該系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、建模，探索重點(diǎn)企業(yè)及其主要生產(chǎn)線工況與特征因子、環(huán)境空氣質(zhì)量的相關(guān)性，逐步實(shí)現(xiàn)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，支持重污染天氣及重污染過程的精準(zhǔn)干預(yù)管控方案。

（3）完善溯源排查聯(lián)動(dòng)機(jī)制

大氣監(jiān)控預(yù)警體系建設(shè)的一個(gè)重要目的是通過問題的及時(shí)感知和排查溯源，督促相關(guān)企業(yè)落實(shí)整改，從源頭改善區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量。 在實(shí)踐中，通過建立預(yù)警信息聯(lián)動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法聯(lián)動(dòng)、存疑結(jié)果答疑、溯源結(jié)果簽收、整改跟蹤閉環(huán)等多重手段，進(jìn)一步完善異常溯源排查機(jī)制，保障溯源后的企業(yè)污染整治。

4 結(jié)論

通過實(shí)踐，探索建立化工園區(qū)大氣監(jiān)控預(yù)警溯源排查一體化監(jiān)管新模式，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)典型化工園區(qū)特征因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警、及時(shí)溯源、問題診斷和整改跟蹤，具有“監(jiān)測(cè)準(zhǔn)、因子廣、模型精、溯源快、模式新、治污狠”的優(yōu)點(diǎn)，快速提升了園區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)控管理智慧化、精準(zhǔn)化、高效化水平，未來將不斷總結(jié)、科學(xué)優(yōu)化，形成可復(fù)制可推廣的成熟經(jīng)驗(yàn)，為全省乃至全國的化工園區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量改善貢獻(xiàn)力量。