鋼鐵企業(yè)顆粒物沉降對(duì)土壤重金屬影響的預(yù)測(cè)方法探討

梁向鋒，楊新

(1.河南江河環(huán)境科技有限公司，鄭州 450004；2.河南鑫磊集團(tuán)控股有限公司，河南 安陽 455141)

大氣中重金屬污染的來源主要有化石燃料的燃燒、交通尾氣的排放以及冶金化工等行業(yè)工業(yè)廢氣的排放，這些污染物在環(huán)境中穩(wěn)定，毒性大，且容易在食物鏈中富集，已經(jīng)成為威脅人類健康的重大問題[1]。大氣可攜帶大量重金屬隨沉降作用進(jìn)入土壤，其對(duì)土壤重金屬累積貢獻(xiàn)率在各種外源輸入因子中排在首位。工業(yè)廢氣中的重金屬元素主要是通過大氣沉降進(jìn)入土壤環(huán)境，是土壤重金屬污染的主要途徑之一[2-3]。鋼鐵企業(yè)周邊，顆粒物的沉降是土壤重金屬的最主要來源。鋼鐵企業(yè)廢氣除塵處理后，殘留在廢氣中的重金屬主要以可溶態(tài)、碳酸鹽態(tài)、可氧化態(tài)存在。

在鋼鐵廠和燃煤電廠周圍，大氣銅的點(diǎn)源污染非常嚴(yán)重，如加拿大安大略地區(qū)熔煉廠3km內(nèi)的土壤銅含量濃度水平較50km處的土壤銅高100倍[4]。2016年土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施將土壤環(huán)境保護(hù)提到了新的高度?！董h(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境(試行)》(HJ964—2018)給出了土壤大氣沉降的預(yù)測(cè)方法，同時(shí)指出，重金屬輸入量的計(jì)算方法依據(jù)大氣導(dǎo)則確定。

目前鋼鐵行業(yè)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中，少見有將重金屬作為評(píng)價(jià)因子。筆者以某鋼鐵企業(yè)為例，利用AERMOD模型計(jì)算鋼鐵企業(yè)顆粒物中含有的重金屬鉛(Pb)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鋅(Zn)對(duì)土壤累積的影響，疊加土壤背景值后與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，研究鋼鐵行業(yè)顆粒物沉降對(duì)土壤重金屬的影響。以期為同類項(xiàng)目的土壤環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作提供借鑒參考。

1 AERMOD模型介紹

1.1 模型特點(diǎn)

AERMOD模型由美國(guó)國(guó)家環(huán)保局聯(lián)合美國(guó)氣象學(xué)會(huì)共同開發(fā)，該模型系統(tǒng)包括大氣擴(kuò)散模型、氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理、地形數(shù)據(jù)預(yù)處理3部分，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)煙羽擴(kuò)散模式，可模擬點(diǎn)源、面源、體源等排放出的大氣污染物在小時(shí)平均、日平均、長(zhǎng)期濃度分布，適用于農(nóng)村或城市地區(qū)，簡(jiǎn)單或復(fù)雜地形。模式使用每小時(shí)連續(xù)預(yù)處理氣象數(shù)據(jù)模擬大于等于1h平均時(shí)間的濃度分布，適用于評(píng)價(jià)范圍小于等于50km的評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

1.2 模型數(shù)據(jù)輸入

1)氣象參數(shù)。實(shí)例分析中采用A市2017年全年逐日4次地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、溫度、相對(duì)濕度、總云量和低云量。該氣象站與某鋼鐵廠排氣筒的直線距離約為8km，可較好地反映所在地的低空氣象參數(shù)；所需高空氣象數(shù)據(jù)由中尺度氣象模式MM5模擬生成。

2)地形參數(shù)。模型采用的地形參數(shù)來源于網(wǎng)站下載的中國(guó)90m精度的strm格式地形文件。

3)污染源參數(shù)。污染源數(shù)據(jù)采用A某鋼鐵廠產(chǎn)能進(jìn)行核算，該企業(yè)位于A市西部，成立于2003年，至2018年對(duì)其下風(fēng)向村莊進(jìn)行土壤監(jiān)測(cè)期間已連續(xù)運(yùn)行15年。該企業(yè)年產(chǎn)燒結(jié)礦133萬t/a、鐵85萬t/a、鋼96萬t/a，顆粒物及重金屬排放情況見表1。表1中重金屬鉛、銅的排放速率根據(jù)趙浩寧[5]的研究進(jìn)行核算，研究中沒有列出的按照同一工序中的最低值進(jìn)行計(jì)算。

1.3 顆粒物在大氣中擴(kuò)散和遷移特性參數(shù)的確定

顆粒物在大氣中擴(kuò)散和遷移規(guī)律研究表明，顆粒物粒徑分布對(duì)其在大氣中的擴(kuò)散和遷移規(guī)律影響較大。本研究對(duì)顆粒物的粒徑分布系數(shù)根據(jù)趙浩寧[5]、劉道清[6]的研究確定。

1.4 預(yù)測(cè)模式

大氣沉降分為干、濕沉降兩種形式。干沉降是指無降水條件下,空氣中的污染物通過湍流輸送和重力作用向地面沉降的過程。影響干沉降過程的因素主要分為氣象要素和污染物本身在大氣中的濃度水平。干沉降作用時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣,是干燥天氣期間和干旱半干旱地區(qū)氣溶膠的主要去除機(jī)理。濕沉降是指降雨、下雪使顆粒物沉降到地面的過程。一般來說，大氣顆粒物沉降量干沉降為10%～20%，濕沉降為80～90%[7]。由于該企業(yè)顆粒物采用袋式除塵器，粒度較細(xì)，受重力作用沉降的顆粒物較少，絕大部分顆粒物沉降以濕沉降為主，因此,本次計(jì)算以干沉降占10%，濕沉降占90計(jì)。

1.5 土壤重金屬預(yù)測(cè)

《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境(試行)》(HJ964—2018)附錄E單位質(zhì)量土壤中某種物質(zhì)的增量：

△S=n(Is-Ls-Rs)/(ρb×A×D)

(1)

式中：△S為單位質(zhì)量表層土壤中某種物質(zhì)的增量，g/kg；Is為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)單位年份表層土壤中某種物質(zhì)的輸入量，g；Ls為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)單位年份表層土壤中某種物質(zhì)經(jīng)淋溶排出的量，g；Rs為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)單位年份表層土壤中某種物質(zhì)經(jīng)徑流排出的量，g；ρb為表層土壤容重，kg/m3(取1 250)；A為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)范圍，m2，(1 900 000)；D為表層土壤深度，一般取0.2m；n為持續(xù)年份，15a。

同時(shí)，導(dǎo)則中還說明涉及大氣沉降影響的，可不考慮輸出量。因此，式(1)可以變形為：

△S=n×Is/(ρb×A×D)

(2)

單位質(zhì)量土壤中某種物質(zhì)的預(yù)測(cè)值可根據(jù)其增量疊加現(xiàn)狀值進(jìn)行計(jì)算：

S=Sb+△S

(3)

式中：Sb為單位質(zhì)量土壤中某種物質(zhì)的現(xiàn)狀值，g/kg；S為單位質(zhì)量土壤中某種物質(zhì)的預(yù)測(cè)值，g/kg。

2 結(jié)果與討論

距離該鋼鐵企業(yè)最近的敏感點(diǎn)有3個(gè)：A位廠區(qū)西側(cè)，距離廠界100m；B位于廠區(qū)東南側(cè)，距離廠界500m；C位于廠區(qū)北側(cè)，距離800m。2018年對(duì)3個(gè)敏感點(diǎn)的土壤重金屬含量進(jìn)行了檢測(cè)。用上述方法預(yù)測(cè)了ABC3個(gè)敏感點(diǎn)的重金屬沉降量，并疊加背景值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較分析，具體見表3。土壤重金屬背景值參考李樹斌等[8]1985—1986年對(duì)安陽市西南郊土壤重金屬的研究成果。

由表3可知，用各污染物敏感點(diǎn)沉降量預(yù)測(cè)土壤重金屬，得出的結(jié)果均較實(shí)測(cè)值偏低。各重金屬網(wǎng)格最大沉降量預(yù)測(cè)結(jié)果，與背景值疊加后的結(jié)果均較敏感點(diǎn)更接近實(shí)測(cè)值。

3 結(jié)論

利用AERMPOD模型的大氣沉降模式預(yù)測(cè)了某鋼鐵公司運(yùn)行15年后周邊3個(gè)敏感點(diǎn)土壤重金屬的疊加影響，結(jié)果表明，對(duì)預(yù)測(cè)點(diǎn)的沉降通量預(yù)測(cè)結(jié)果偏低，用評(píng)價(jià)區(qū)域網(wǎng)格最大值較為接近實(shí)測(cè)值。基于環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)考慮最不利因素，本文推薦在利用AERMOD進(jìn)行大氣沉降土壤重金屬預(yù)測(cè)時(shí)，采用網(wǎng)格最大值。

由于采樣數(shù)據(jù)較少，本研究用一個(gè)實(shí)例進(jìn)行模擬和實(shí)測(cè)值比較，比較結(jié)果是否準(zhǔn)確和具有普適性還有待進(jìn)一步研究。

表3 各預(yù)測(cè)點(diǎn)土壤顆粒物沉預(yù)測(cè)值