陳利粉　陳龍　宋盈　馬建茹　丁志安

關(guān)鍵詞：重金屬工業(yè)廢水；不規(guī)范處理；工業(yè)園區(qū)；污染物擴(kuò)散；河流污染

中圖分類號：X523 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

工業(yè)廢水中含有重金屬元素、酚類物質(zhì)、有機(jī)污染物、無機(jī)有機(jī)污染物等。相關(guān)規(guī)定中，工業(yè)廢水不允許直排，通常是要先做好消毒、滅菌等處理，再對水中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測。通過檢測數(shù)據(jù)判斷水質(zhì)情況，判斷工業(yè)廢水是否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于生產(chǎn)線的增加，工業(yè)廢水量也隨之增加，導(dǎo)致部分工業(yè)企業(yè)污水處理站不能滿足現(xiàn)有需求?；蛘咴诨厥仗幚韽U水的過程中，部分工業(yè)企業(yè)因考慮成本等問題，未實(shí)現(xiàn)規(guī)范化處理，導(dǎo)致最終排放的工業(yè)廢水未達(dá)標(biāo)。這些原因都可能會(huì)對周邊河流水體造成污染。

隨著環(huán)保理念的加固，人們對工業(yè)廢水排放對水體產(chǎn)生的影響的關(guān)注度越來越高。為有效分析含重金屬工業(yè)廢水的不規(guī)范處理對周邊河流水質(zhì)造成的影響，研究以河南省安陽市周邊的工業(yè)園區(qū)為例，展開了深入研究。

1工業(yè)廢水不規(guī)范處理的特征分析

1.1不可逆性

未經(jīng)規(guī)范處理的工業(yè)廢水中存在重金屬，重金屬以離子的形式匯入地表、滲入地下水體中，水體中的S^2-離子和OH^-離子與工業(yè)污水中的重金屬結(jié)合產(chǎn)生硫化物、M（ OH）n等沉淀物，并隨著水體不斷遷移和運(yùn)動(dòng)。

1.2污染持續(xù)性

在水體不斷的循環(huán)和運(yùn)動(dòng)過程中，滲入其中的污染物會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，在此過程中，污染物會(huì)運(yùn)動(dòng)遷移到生活水源中，人們長期飲用含有污染物的飲用水會(huì)對身體造成傷害。另外，以重金屬元素為例，未經(jīng)規(guī)范處理的工業(yè)廢水在滲入水體的過程中，在地下巖石和土壤表面會(huì)沉積一部分重金屬。雖然水體的流動(dòng)過程會(huì)形成沖刷作用，但由于地下水的流速較慢，沉積的重金屬很難通過沖刷作用返回地下水，因此也難以進(jìn)入地表水體或跟隨地下水流遷移，導(dǎo)致這部分重金屬元素難以在短時(shí)間內(nèi)釋放出來，在不斷的富集后會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的污染。

2不規(guī)范處理的工業(yè)廢水在周邊水體中的擴(kuò)散建模

如圖1所示不規(guī)范處理的工業(yè)廢水滲入周邊河流后的遷移和移動(dòng)情況。

3污染影響模擬分析

研究以河南省安陽市周邊的工業(yè)園區(qū)為研究范圍。安陽市是豫北地區(qū)的一座老工業(yè)城市，涉及到的工業(yè)產(chǎn)業(yè)包括鋼鐵產(chǎn)業(yè)、煤化工產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)、醫(yī)藥化工產(chǎn)業(yè)、紡織服裝產(chǎn)業(yè)等。其中，鋼鐵產(chǎn)業(yè)也是安陽市的支柱產(chǎn)業(yè)，主要企業(yè)包括安陽鋼鐵集團(tuán)、河南風(fēng)寶特鋼等。工業(yè)化的發(fā)展，不可避免的會(huì)對環(huán)境造成負(fù)面影響，為此，以該地區(qū)為例，文章分析了工業(yè)廢水不規(guī)范處理對安陽市工業(yè)園區(qū)周邊河流水質(zhì)的污染。

主成分分析方法可以處理海量數(shù)據(jù)，屬于一種降維方法，保留原始數(shù)據(jù)關(guān)系的同時(shí)，可以將較多指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閹讉€(gè)綜合指標(biāo)，從而提高水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性。為此，文章方法在SPSS軟件中采用主成分分析方法降維處理上述水流數(shù)學(xué)模型模擬過程中采集的數(shù)據(jù)，降維處理水質(zhì)指標(biāo)，遵循特征值高于1的原則選取主成分因子，在標(biāo)準(zhǔn)化處理檢測數(shù)據(jù)后，根據(jù)主成分載荷矩陣系數(shù)計(jì)算各主成分，在此基礎(chǔ)上獲得綜合得分。

式（4）中，m_c表示超標(biāo)水質(zhì)參數(shù)的數(shù)量；m_j表示超標(biāo)數(shù)據(jù)在總監(jiān)測數(shù)據(jù)中的數(shù)量；M₁、M₂分別表示水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目和數(shù)據(jù)的總數(shù)；參數(shù)Q由各檢測項(xiàng)目超標(biāo)倍數(shù)之和與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)總數(shù)計(jì)算得到。

4結(jié)果仿真

仿真過程中，CCME WQI的檢測結(jié)果在區(qū)間[0，100]內(nèi)取值，在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上，劃分園區(qū)周邊河流水質(zhì)等級，結(jié)果如下：

（1）極好級別，CCME WQI取值范圍為（94，100]；

（2）良好級別，CCME WQI取值范圍為（79，94]；

（3）中等級別，CCME WQI取值范圍為（64，79]；

（4）較差級別，CCME WQI取值范圍為（44，64]；

（5）極差級別，CCME WQI取值范圍為（0，44]。

根據(jù)級別劃分結(jié)果，分析安陽市不同產(chǎn)業(yè)園區(qū)的CCME WQI水質(zhì)等級，結(jié)果見表1。

為了更準(zhǔn)確地模擬工業(yè)園區(qū)周邊河流水質(zhì)受工業(yè)廢水不規(guī)范處理的污染影響，根據(jù)表1選取水質(zhì)較差的安陽市產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)作為重點(diǎn)分析區(qū)域。該工業(yè)園區(qū)也曾與2018年因不規(guī)范排放而受到懲罰。檢測該園區(qū)周邊河流中Cu元素、Mn元素和Pb元素的含量，結(jié)果見圖2。

Cu、Mn、Pb元素的變異系數(shù)分別為1.85%、121.26%、35.16%。由此可知，Mn元素屬于強(qiáng)變異，Pb元素和Cu元素屬于弱變異。在此基礎(chǔ)上，用U_i表示重金屬元素i在水體中的污染指數(shù)，可通過下式計(jì)算得到式（5）：

式（5）中，k表示重金屬元素i的質(zhì)量濃度對應(yīng)的水質(zhì)等級；C_i表示重金屬元素i在研究區(qū)域內(nèi)的實(shí)際質(zhì)量濃度；C_iks、C_ikx分別表示重金屬元素i的k類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的上限值和下限值；C_i5s表示重金屬元素i的Ⅴ類數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)的上限值。

Cu元素、Mn元素和Pb元素的污染指數(shù)見表2。

由表2中的數(shù)據(jù)可知，重金屬元素Mn的污染指數(shù)在采樣區(qū)1、3、4、6中均高于4.0，重金屬元素Pb的污染指數(shù)在采樣區(qū)2、3、4、5、6中高于4.0，劣于Ⅲ級水質(zhì)（污染指數(shù)小于等于4.0），重金屬元素Cu在各個(gè)采樣區(qū)內(nèi)的污染指數(shù)均低于4.0，合格率為100%。上述重金屬元素在采樣區(qū)內(nèi)的污染指數(shù)排序?yàn)镻b>Mn>Cu。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與實(shí)際檢測值相比，上述重金屬元素在采樣區(qū)內(nèi)的背景值較低，表明工業(yè)廢水等外源性污染源會(huì)對河流水體中的重金屬質(zhì)量濃度產(chǎn)生影響。

在不同采樣區(qū)中，通過單因素方差分析方法對重金屬元素的污染指數(shù)展開差異性檢驗(yàn)，在不同采樣區(qū)內(nèi)Cu元素的污染指數(shù)的獨(dú)立性顯著性均較高，在采樣區(qū)1、2、3、5中，其方差小于等于0.047，在采樣區(qū)4、6中，Cu元素的方差大于等于0.062。分析Mn元素污染指數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在采樣區(qū)2中表現(xiàn)出顯著獨(dú)立特征，在采樣區(qū)1、3、4中其方差小于等于0.044，存在顯著差異。Pb元素與Cu元素和Mn元素相比，具有較大的污染指數(shù)空間變異特征，在上述采樣區(qū)內(nèi)其方差小于等于0. 020，具有顯著差異。造成上述現(xiàn)象的主要原因如下：

（1）不同區(qū)域中的水文狀況存在差異，導(dǎo)致重金屬元素隨地下水遷移以及富集過程不同；

（2）采樣區(qū)的污染源和地理位置存在差異性。

綜合評價(jià)不同采樣區(qū)內(nèi)河流中重金屬的污染程度，將評價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)成折線圖，見圖3。

根據(jù)圖3中的數(shù)據(jù)，按照從小到大的順序?qū)Σ蓸訁^(qū)的污染程度排序：2<3<5<1<4<6。根據(jù)評價(jià)結(jié)果可知，研究區(qū)域內(nèi)的河流水質(zhì)一般，采樣區(qū)1、2、3、5屬于Ⅲ類水質(zhì)，采樣區(qū)4、6屬于Ⅳ類水質(zhì)，其中水質(zhì)最好的區(qū)域?yàn)椴蓸訁^(qū)2。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成采樣區(qū)周邊河流水質(zhì)較差的主要原因是工業(yè)排放的廢水沒有達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)廢水中存在的重金屬滲入淺層地下水和地表水中。

隨時(shí)間的變化，重金屬元素的權(quán)重也會(huì)發(fā)生改變。因此，根據(jù)評價(jià)結(jié)果對權(quán)重的敏感和依賴程度分析結(jié)果受權(quán)重變化的影響，也是分析中的重要環(huán)節(jié)。綜合評價(jià)結(jié)果對重金屬元素的敏感程度可通過權(quán)重敏感性得以體現(xiàn)，重金屬元素的敏感系數(shù)越大，表明對綜合評價(jià)結(jié)果的影響越大，即對園區(qū)周邊河流水質(zhì)的影響越大。

假設(shè)S_i表示重金屬元素的敏感性系數(shù)，其計(jì)算公式如式（6）：

式（6）中，I_q、I_g表示采樣區(qū)q和采樣區(qū)g對應(yīng)的綜合標(biāo)識指數(shù)；w_i表示重金屬元素i對應(yīng)的權(quán)重；U_q，i表示重金屬元素i在采樣區(qū)g內(nèi)的污染指數(shù)；U_g，i表示重金屬元素i在采樣區(qū)g內(nèi)的污染指數(shù)。

重會(huì)屬元素的權(quán)重敏感性系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3中的數(shù)據(jù)可知，Pb元素的權(quán)重敏感系數(shù)最高，表明對水質(zhì)評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響最大，Cu元素的權(quán)重敏感系數(shù)為0，表明Cu元素的含量對水質(zhì)的污染現(xiàn)狀不產(chǎn)生影響，Mn元素的權(quán)重敏感系數(shù)處于兩者之間。

通過上述分析可知，在安陽市產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)范圍內(nèi)，工業(yè)廢水中以Pb和Mn為主要污染物，這兩種重金屬元素對園區(qū)周邊河流水質(zhì)產(chǎn)生的影響較為顯著。因此，在治理水體污染、監(jiān)管工業(yè)廢水排放、處理工業(yè)廢水的過程中，應(yīng)重點(diǎn)治理重金屬Pb元素和Mn元素造成的污染。

5結(jié)束語

工業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水和廢氣，在一定程度上，上述工業(yè)生產(chǎn)污染物會(huì)對工廠附近的環(huán)境產(chǎn)生污染?，F(xiàn)有研究表明，工業(yè)廢水中的重金屬含量較高，排放廢水前需要對其做相關(guān)凈化處理，否則會(huì)對周邊水體產(chǎn)生污染。雖然目前不允許工業(yè)廢水直排，但是不可避免的會(huì)存在部分工業(yè)企業(yè)的污水處理站不能滿足現(xiàn)有需求，或者因考慮成本問題未實(shí)現(xiàn)規(guī)范化處理。針對上述情況，文章通過科學(xué)手段分析工業(yè)廢水不規(guī)范處理對周邊河流水質(zhì)的污染影響，通過建立水流運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型和污染物擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方程，分析污染物造成的污染程度以及其運(yùn)動(dòng)和遷移規(guī)律，通過CCME WQI評價(jià)方法模擬分析水質(zhì)狀況，并檢測河流中重金屬元素的含量，為園區(qū)水質(zhì)治理提供相關(guān)依據(jù)。