孟憲林，郭 威，王冬梅

(1.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱150090，mengxlll@sina.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學理學院，哈爾濱150001)

隨著石油資源壓力的增加，煤化工的發(fā)展成為替代石油資源的主要方式之一.其中煤的氣化在煤化工中占有重要地位，用于生產各種氣體燃料以及下游產品.但同時，不可避免的產生一定的廢棄物，例如煤化工廢水.煤化工廢水的來源主要有焦化廢水、氣化廢水和煤液化廢水.氣化廢水主要來自發(fā)生爐煤氣的洗滌和冷卻過程，氣化廢水中的主要污染物的數(shù)量隨著原料煤、操作條件和廢水系統(tǒng)的不同而變化，在煙煤或褐煤做原料時，廢水中含有大量的酚、焦油和氨，水質相當差.廢水中存在的大量酚類物質不僅是對該類廢水治理必須考慮的主要因素之一，同時，含酚廢水的最終去向以及可能引起的環(huán)境健康風險問題也是環(huán)境工作者重點關注的問題之一［1-4］.本文以哈爾濱某氣化廠為案例，通過數(shù)學模型，對污水處理廠正常運營情況下、事故狀態(tài)下可能產生的環(huán)境風險，特別是環(huán)境健康風險進行了系統(tǒng)研究，以便為氣化廠含酚廢水的控制目標、事故狀態(tài)廢水的管理以及受納水體功能的劃分提供科學依據.

1 研究對象與風險預測模型

1.1 研究對象與風險源識別

1.1.1 研究對象

以哈爾濱某氣化廠為研究對象.該氣化廠以煤為原料，通過氣化的方式，提供城市煤氣.

1.1.2 含酚廢水環(huán)境污染風險源識別

氣化廠含酚廢水主要來自造氣車間，產生于煤氣洗滌過程，廢水經過預處理后，進入氣化廠綜合廢水處理站，然后作為沖洗自備電廠灰渣用水，經污水管道進入貯灰壩，再經貯灰壩自然沉降后進入納污水體.含酚廢水進入水環(huán)境的可能情形:

(1)污水預處理設施、綜合處理站正常工況下外排.造氣廢水預處理設施在原有基礎上進行改造，增加一套120 m3/h造氣廢水預處理裝置:酚氨回收裝置、調節(jié)池、沉浮池等設施經預處理后再送入綜合污水處理站進一步處理，含酚廢水排放情況見表1中的正常狀況.

(2)污水處理設施事故下排放.造氣廢水預處理設施異常情況下，廢水直接進入氣化廠綜合污水處理站，然后直接排放，此時，含酚廢水排放情況見表1中的異常、事故狀態(tài).

表1 氣化廠含酚廢水排放情況

(3)含酚廢水事故暫存池潰壩事故下外泄.該氣化廠現(xiàn)有一事故暫存池，主壩長240 m，高9 m，壩頂寬5 m.當廠內污水處理站因設備故障檢修，或廢水產生量超出處理能力時，未經處理的生產廢水會全部送往事故暫存池暫存.該企業(yè)事故暫存池中存有25萬m3的煤氣化廢水，占事故暫存池總設計容積的50%.，壩前水深為3.85 m.事故暫存池存放目前夏季酚回收系統(tǒng)不能處理的25 m3/h的造氣廢水(冬季90 d酚回收系統(tǒng)不能處理的55 m3/h的造氣廢水)、酚回收系統(tǒng)處理后生化處理裝置后不能處理的30 m3/h造氣廢水全部送到事故池內存儲.

壩體的潰決形式從規(guī)模上分為全潰和局部潰，從時間上分為瞬時潰和逐漸潰.本項目中的事故暫存池壩型為土石壩，而該種壩型常見的潰壩形式為逐漸局部潰，為安全起見，本研究按瞬時局部潰壩情況考慮.

采用連續(xù)波流模式算得主壩潰壩后的最大流量為276.30 m3/s，潰壩事故發(fā)生后約15 min，事故暫存池中所有廢水外泄.事故暫存池廢水中揮發(fā)酚質量濃度及排放速率分別為 72 mg/L，19 893.6 g/s.

1.2 風險預測模式與參數(shù)選取

1.2.1 風險預測模式

(1)一維降解模式

任何排入水體中的污染物都滿足根據質量守恒推導出來的遷移轉化基本方程［5］.環(huán)境質量基本模型是根據污染物在水體中的基本運動特征，以質量平衡原理為理論基礎，通過演繹法，建立起描述污染物在環(huán)境介質中的運動變化規(guī)律的微分方程.當污染物濃度在空間分布只在一個方向上存在著顯著差異時，常采用一維模型來進行描述.一維模型是通過一個只在一個方向(設為x軸向)上存在著濃度梯度的微小體積元的質量平衡推導的.

基本方程

對于一般條件下的河流，推流形成的污染物遷移作用要比彌散作用大得多，在穩(wěn)態(tài)作用下，彌散作用可以忽略，則有:

(2)事故危害征值與危害期估算模型

一旦發(fā)生突發(fā)性水污染，其造成的風險危害也就越大，必須同時考慮污染物的橫向擴散作用與兩岸對污染物的反射［6］.設事故點源排放位置在距近岸距離為b的地方，河寬為B，若只考慮一次反射，則根據簡化的水質基本方程推得

式中:C為河流中污染物質量濃度(mg/L);M為事故瞬時排入河流的污染物量(g);x為縱向距離(m);y為橫向距離(m);Dx為河流縱向彌散系數(shù)(m2/s);Dy為河流橫向彌散系數(shù)(m2/s);u為河流平均流速(m/s);t為時間(s);B為河流寬度(m);b為近岸距離(m);h為河流平均水深(m);k為降解系數(shù)(s-1).

①事故危害最長時間TM及污染團最大危害長度XM

再另x=ut，y=0則有

對于上式可用迭代法求得危害區(qū)存在最長時間TM值.XM=uTM為事故之最大危害距離.

對于確定的(x，y)位置，可以求出該處受危害影響的起始時刻t1(t自0逐漸增大迭代到等式成立)與終止時刻t2(t自TM逐漸減小迭代到等式成立).該處受事故危害的時間(危害期)便為ΔT=t2-t1.

③污染水團質量濃度大于某級危害閾值質量濃度的范圍

令Rx=x-ut，y=0，可得

上式表達了Rx存在的條件與隨時間變化的規(guī)律.存在的條件是根號內值必須大于零，即事故排放必須達到一定強度，否則不會造成某級危害.事故危害區(qū)縱向半徑Rx一開始主要受第一個根號控制，隨t變大，變到最大值后就主要受第二個根號控制，隨t縮小到零.本公式可以用于確定一定危害濃度閾值等值線的時空精確位置，跟蹤危害水團.在事故危害區(qū)縱向半徑Rx取得最大值Rxm時，危害區(qū)最大橫向半徑Rym亦同時取得，同時算得其出現(xiàn)的位置xm.

1.2.2 風險預測參數(shù)

通過調查，本研究對象排水最終去向為該地區(qū)的一條主要河流型水體，該河流平均寬度590 m，平均水深1.16 m，平均流速為0.21 m/s，平均流量205 m3/s，通過愛爾德(Elder)法與Ficher經驗式［7］計算得到的橫向彌散系數(shù)Mx值為0.06 m2/s，縱向彌散系數(shù)My值為2.51 m2/s.

2 環(huán)境健康風險評價

2.1 受納水體揮發(fā)酚的質量濃度分布預測結果

2.1.1 污水處理系統(tǒng)正常異常情況下?lián)]發(fā)酚的質量濃度分布

(4) 分支線與分支開關之間為一對多的關聯(lián)關系,即分支線上有多個分支開關,但分支開關僅關聯(lián)一條分支線;

采用如上所述的一維預測模式對污水處理系統(tǒng)正常異常工況下，含酚廢水經處理后排入納污水體的質量濃度分布情況進行預測，結果見表2.

表2 揮發(fā)酚在納污水體中的質量濃度分布 mg·L-1

2.1.2 含酚廢水事故暫存池潰壩事故排放時質量濃度分布

含酚廢水事故暫存池發(fā)生潰壩事故時，揮發(fā)酚在納污水體的質量濃度分布情況見表3.

表3 揮發(fā)酚質量濃度變化

當事故排放后1 800 s時，污染團質量濃度變化如圖1所示，對不同受體其超標污染帶范圍如圖2～4所示.

圖1 事故發(fā)生后1 800 s時污染團質量濃度分布

圖2 事故發(fā)生后1 800 s時超標污染帶范圍

圖3 事故發(fā)生后1 800 s時漁業(yè)超標污染帶范圍

由圖2～4可知，一旦含有18 t的揮發(fā)酚進入納污水體，在事故發(fā)生后1800 s時，會在納污水體形成長度為1 000 m，最大寬度為180 m的半橢圓形的超標污染帶，此時對漁業(yè)的影響范圍，以及毒性作用范圍是長700 m，最大寬度140 m的半橢圓形的超標污染帶.不同控制點質量濃度變化如圖5所示.

圖4 事故發(fā)生后1 800 s時毒理作用超標污染帶范圍

圖5 不同控制點揮發(fā)酚的質量濃度隨時間變化圖

由圖5可知，由于水環(huán)境的稀釋和水力推流等作用，揮發(fā)酚的危害區(qū)域將隨著時間有所變化.超標區(qū)域持續(xù)一段時間，將在水媒介作用下逐漸達到符合水質標準.

2.2 環(huán)境健康風險評價

人體暴露模型不是用來表示對任一具體個體生命的暴露，而是表示對反映生物特性、生活方式和群體食物消耗個體的暴露，應用如下模型［8］評價揮發(fā)酚的人體暴露模型

式中:D為人群終生單位體重日均暴露量，mg/(kg·d);Qc為兒童日均暴露量，mg/d;Qa為成人日均暴露量，mg/d.

模型中考慮的暴露途徑主要是飲用水.考慮到揮發(fā)酚屬于非致癌性物質［9］，因此，采用非致癌性健康評價模型進行水體中揮發(fā)酚引起的健康風險預測與評價.對于非致癌物所指的健康風險評價，飲用水途徑參考劑量參數(shù)為RfD= 0.1 mg/(kg.d)［10］.

對人體健康風險為［11］

環(huán)境風險評價結果如表4所示.

表4 環(huán)境健康風險評價結果

3 結論

表4結果表明，該氣化廠污水處理系統(tǒng)正常與事故排放時，由于受納水體的水利稀釋擴散作用，以及揮發(fā)酚在水體綜合降解作用下，揮發(fā)酚在該納污水體中的質量濃度所引起的非致癌健康風險為1.67×10-7/a～9.12×10-7/a，該風險值小于非致癌性污染物的可接受水平(1.0×10-6/a)但是，在污水處理系統(tǒng)事故排放狀態(tài)下，揮發(fā)酚所造成的健康風險相比污水系統(tǒng)正常工況下所造成的健康風險要大很多，是污水處理系統(tǒng)正常工況的5.3倍.事故狀態(tài)下的健康風險值為可接受水平的88.3%～91.2%，已經接近可接受水平的限值，事故性排放極大增加了環(huán)境健康風險.此外，如果考慮氣化廠排水進入納污水體所需要的混合距離，那么在混合過程段若設置飲用水的取水口，揮發(fā)酚所引起的環(huán)境健康風險將超過可接受水平，因此，環(huán)境功能區(qū)劃中，要充分考慮氣化廠排水對該納污水體的影響，嚴禁在氣化廠排水與江水混合過程段設置飲用水的取水口.

綜上所述，氣化廠的含酚廢水具有一定的潛在健康風險，尤其是在污水處理系統(tǒng)出現(xiàn)事故性排放情形下.因此，除了杜絕氣化廠事故性排放外，還應在納污水體環(huán)境功能規(guī)劃時，充分考慮氣化廠對水體水質的潛在威脅，在混合過程段不得規(guī)劃飲用水取水口.氣化廠須盡快處理事故暫存池的含酚廢水，不得大量存放含酚廢水，避免潰壩產生較大的健康風險.

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