工業(yè)廢水不規(guī)范處理對周邊河流水質的污染影響仿真研究

陳利粉　陳龍　宋盈　馬建茹　丁志安

關鍵詞：重金屬工業(yè)廢水；不規(guī)范處理；工業(yè)園區(qū)；污染物擴散；河流污染

中圖分類號：X523 文獻標志碼：A

前言

工業(yè)廢水中含有重金屬元素、酚類物質、有機污染物、無機有機污染物等。相關規(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，再對水中的各項指標進行檢測。通過檢測數(shù)據(jù)判斷水質情況，判斷工業(yè)廢水是否達到排放標準。但是，由于生產線的增加，工業(yè)廢水量也隨之增加，導致部分工業(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，未實現(xiàn)規(guī)范化處理，導致最終排放的工業(yè)廢水未達標。這些原因都可能會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)廢水排放對水體產生的影響的關注度越來越高。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)污水中的重金屬結合產生硫化物、M（ OH）n等沉淀物，并隨著水體不斷遷移和運動。

1.2污染持續(xù)性

在水體不斷的循環(huán)和運動過程中，滲入其中的污染物會發(fā)生擴散，在此過程中，污染物會運動遷移到生活水源中，人們長期飲用含有污染物的飲用水會對身體造成傷害。另外，以重金屬元素為例，未經規(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沉積一部分重金屬。雖然水體的流動過程會形成沖刷作用，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，因此也難以進入地表水體或跟隨地下水流遷移，導致這部分重金屬元素難以在短時間內釋放出來，在不斷的富集后會產生持續(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)產業(yè)包括鋼鐵產業(yè)、煤化工產業(yè)、裝備制造業(yè)、醫(yī)藥化工產業(yè)、紡織服裝產業(yè)等。其中，鋼鐵產業(yè)也是安陽市的支柱產業(yè)，主要企業(yè)包括安陽鋼鐵集團、河南風寶特鋼等。工業(yè)化的發(fā)展，不可避免的會對環(huán)境造成負面影響，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)關系的同時，可以將較多指標轉變?yōu)閹讉€綜合指標，從而提高水質評價結果的準確性和客觀性。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)學模型模擬過程中采集的數(shù)據(jù)，降維處理水質指標，遵循特征值高于1的原則選取主成分因子，在標準化處理檢測數(shù)據(jù)后，根據(jù)主成分載荷矩陣系數(shù)計算各主成分，在此基礎上獲得綜合得分。

式（4）中，m_c表示超標水質參數(shù)的數(shù)量；m_j表示超標數(shù)據(jù)在總監(jiān)測數(shù)據(jù)中的數(shù)量；M₁、M₂分別表示水質監(jiān)測項目和數(shù)據(jù)的總數(shù)；參數(shù)Q由各檢測項目超標倍數(shù)之和與水質監(jiān)測數(shù)據(jù)總數(shù)計算得到。

4結果仿真

仿真過程中，CCME WQI的檢測結果在區(qū)間[0，100]內取值，在上述計算的基礎上，劃分園區(qū)周邊河流水質等級，結果如下：

（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)級別劃分結果，分析安陽市不同產業(yè)園區(qū)的CCME WQI水質等級，結果見表1。

為了更準確地模擬工業(yè)園區(qū)周邊河流水質受工業(yè)廢水不規(guī)范處理的污染影響，根據(jù)表1選取水質較差的安陽市產業(yè)集聚區(qū)作為重點分析區(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元素屬于強變異，Pb元素和Cu元素屬于弱變異。在此基礎上，用U_i表示重金屬元素i在水體中的污染指數(shù)，可通過下式計算得到式（5）：

式（5）中，k表示重金屬元素i的質量濃度對應的水質等級；C_i表示重金屬元素i在研究區(qū)域內的實際質量濃度；C_iks、C_ikx分別表示重金屬元素i的k類水質標準的上限值和下限值；C_i5s表示重金屬元素i的Ⅴ類數(shù)值標準的上限值。

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（污染指數(shù)小于等于4.0），重金屬元素Cu在各個采樣區(qū)內的污染指數(shù)均低于4.0，合格率為100%。上述重金屬元素在采樣區(qū)內的污染指數(shù)排序為Pb>Mn>Cu。經調查發(fā)現(xiàn)，與實際檢測值相比，上述重金屬元素在采樣區(qū)內的背景值較低，表明工業(yè)廢水等外源性污染源會對河流水體中的重金屬質量濃度產生影響。

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，在不同采樣區(qū)內Cu元素的污染指數(shù)的獨立性顯著性均較高，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)計結果，發(fā)現(xiàn)在采樣區(qū)2中表現(xiàn)出顯著獨立特征，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。

綜合評價不同采樣區(qū)內河流中重金屬的污染程度，將評價結果統(tǒng)計成折線圖，見圖3。

根據(jù)圖3中的數(shù)據(jù)，按照從小到大的順序對采樣區(qū)的污染程度排序：2<3<5<1<4<6。根據(jù)評價結果可知，研究區(qū)域內的河流水質一般，采樣區(qū)1、2、3、5屬于Ⅲ類水質，采樣區(qū)4、6屬于Ⅳ類水質，其中水質最好的區(qū)域為采樣區(qū)2。經調查發(fā)現(xiàn)，造成采樣區(qū)周邊河流水質較差的主要原因是工業(yè)排放的廢水沒有達到排放標準，工業(yè)廢水中存在的重金屬滲入淺層地下水和地表水中。

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

假設S_i表示重金屬元素的敏感性系數(shù)，其計算公式如式（6）：

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

重會屬元素的權重敏感性系數(shù)計算結果見表3。

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

通過上述分析可知，在安陽市產業(yè)集聚區(qū)范圍內，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)周邊河流水質產生的影響較為顯著。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，應重點治理重金屬Pb元素和Mn元素造成的污染。

5結束語

工業(yè)生產過程中不可避免的會產生廢渣、廢水和廢氣，在一定程度上，上述工業(yè)生產污染物會對工廠附近的環(huán)境產生污染?，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凈化處理，否則會對周邊水體產生污染。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現(xiàn)規(guī)范化處理。針對上述情況，文章通過科學手段分析工業(yè)廢水不規(guī)范處理對周邊河流水質的污染影響，通過建立水流運動學分析模型和污染物擴散運動方程，分析污染物造成的污染程度以及其運動和遷移規(guī)律，通過CCME WQI評價方法模擬分析水質狀況，并檢測河流中重金屬元素的含量，為園區(qū)水質治理提供相關依據(jù)。