某鉛鋅浮選廠顆粒物濃度分布及其影響研究

摘要：鉛鋅浮選廠在生產過程中產生大量顆粒物，污染工作環(huán)境。以某鉛鋅浮選廠為研究對象，對廠房內、外顆粒物濃度分布情況進行測試分析，并對其污染狀態(tài)及健康影響進行深入研究。結果表明：粒徑小于10 μm顆粒物其廠房內數量濃度高于廠房外，且數量濃度隨粒徑變小而增加，廠房內、外顆粒物的數量濃度比平均值大多大于1。PM10、PM2.5和PM1的廠房內質量濃度顯著高于廠房外，廠房內PM10、PM2.5分別超過一級標準5.333倍和6.313倍，超過二級標準2.614倍和2.134倍。廠房內對廠房外顆粒物濃度有較大影響，顆粒物的分布和濃度也有所不同，環(huán)境因素對粉塵污染有較大影響。研究結果可為礦山環(huán)境顆粒物的有效控制提供數據參考價值。

關鍵詞：鉛鋅浮選廠；顆粒物；濃度分布；質量濃度；數量濃度

中圖分類號：TD723 文章編號：1001-1277（2024）09-0087-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240916

引 言

長期以來，鉛鋅礦作為重要的工業(yè)原料來源，許多國家都在大力勘探和開發(fā)利用，且取得了巨大的經濟效益［1］。礦山生產過程中產生的職業(yè)危害因素有粉塵、噪聲、有毒有害氣體等，其中粉塵危害最為嚴重。粉塵不僅危害作業(yè)場所，惡化生態(tài)環(huán)境，同時嚴重威脅從業(yè)人員的身體健康，導致塵肺病等職業(yè)病患病率增高［2-3］?！丁敖】抵袊?030”規(guī)劃綱要》指出，要積極開展粉塵防控技術研發(fā)，加強對高危粉塵職業(yè)病危害源頭的有效治理。現(xiàn)階段應對粉塵的主要思路是“預防為主，綜合治理”［4］。

金屬礦山在掘進、開采、運輸和選礦生產過程中，均會產生大量粉塵，尤其選礦過程中浮選廠產塵占比較大。顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)中積聚會導致呼吸道感染、萎縮性鼻炎等呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率增加［5］。更重要的是，當粉塵粒徑小于7.07 μm時會進入肺泡，極易引起肺部組織纖維化病變，喪失正常呼吸功能，導致塵肺病［6］。近些年，對礦山顆粒物的研究主要集中在掘進面、巷道、破碎車間等作業(yè)現(xiàn)場［7-10］，針對浮選廠顆粒物污染的研究不多。

本研究主要對某鉛鋅浮選廠廠房內、外顆粒物進行測試，對比分析不同粒徑顆粒物的數量濃度（比）、質量濃度（比）［11-12］，探究顆粒物濃度分布及影響。研究結果可為礦山空氣處理領域中浮選廠廠房顆粒物濃度控制提供數據支持，為礦山環(huán)境的優(yōu)化及治理提供參考。

1 測試概況

1.1 測試地點

測試地點位于某鉛鋅礦浮選廠廠房內、外，測試呼吸區(qū)高度距地面1.2 m，根據GB 3095—2012 《環(huán)境空氣質量標準》［13］，設置測點和測試要求。測試時間為2023年4月10日至15日，天氣均晴朗。

1.2 測試儀器

采用GRIMM1.109便攜式氣溶膠粒徑譜儀測試過濾器前后顆粒物的數量濃度和質量濃度，測量值分別為1×109～2×109粒/m3、0.100～100.000 μg/m3，0.25～32 μm分為31個粒徑通道［14］。采用TSI7525型室內空氣質量測量儀對試驗溫度和濕度進行測量，溫度為0～60 ℃，精度為±0.6 ℃，分辨率為0.1 ℃；相對濕度為5 %～95 %，精度為±3 %，分辨率為0.1 %。

1.3 測試方法

測試場景為某鉛鋅浮選廠廠房，廠房內有持續(xù)性顆粒物釋放源（浮選工藝進行加工的過程視作釋放源）。測試期間，廠房作業(yè)人員為2～3人，均在正常作業(yè)。測試期間溫度為9 ℃～16 ℃，相對濕度為54 %，廠房內、外溫差不大。

1.4 評價指標

1）數量濃度比。廠房內、外顆粒物的數量濃度比（I/On），是評價廠房外環(huán)境受廠房內環(huán)境影響程度的一個指標，計算公式［15］為：

I/On=nInO（1）

式中：nI為廠房內顆粒物數量濃度（粒/m3）；nO為廠房外顆粒物數量濃度（粒/m3）。

2）質量濃度比。廠房內、外顆粒物的質量濃度比（I/OC），反映廠房內、外顆粒物間的影響，計算公式［15］為：

I/OC=CICO（2）

式中：CI為廠房內顆粒物質量濃度（μg/m3）；CO為廠房外顆粒物質量濃度（μg/m3）。

2 結果與討論

2.1 廠房內、外顆粒物的數量濃度

正常工況下，廠房內、外各粒徑顆粒物的數量濃度如表1所示。

由表1可知：無論廠房內還是廠房外，粒徑0.2～1.0 μm顆粒物的數量濃度較高，且隨著粒徑增大，顆粒物的數量濃度減小。當粒徑為1.0～10 μm時，顆粒物的數量濃度減小幅度較大。不同粒徑顆粒物的數量濃度均為廠房內高于廠房外，但大部分顆粒物數量濃度量級相等，由此可以推斷出廠房內是顆粒物的最大產生源。粒徑0.2～0.3 μm顆粒物的數量濃度廠房內為33 291.2×103粒/m3，廠房外為17 796.9×103粒/m3，差值為15 494.3×103粒/m3；粒徑0.3～0.5 μm顆粒物的數量濃度廠房內為15 264.7×103粒/m3，廠房外為6 287.5×103粒/m3，差值為8 977.2×103粒/m3；粒徑0.5～1.0 μm顆粒物的數量濃度廠房內為3 426.5×103粒/m3，廠房外為1 159.4×103 粒/m3，差值為2 267.1×103粒/m3；粒徑1.0～2.5 μm顆粒物的數量濃度廠房內為1 020.6×103粒/m3，廠房外為321.3×103粒/m3，差值為699.3×103粒/m3；粒徑2.5～5.0 μm顆粒物的數量濃度廠房內為277.6×103粒/m3，廠房外為70.0×103粒/m3，差值為207.6×103粒/m3；粒徑5.0～10 μm顆粒物的數量濃度廠房內為47.1×103粒/m3，廠房外為5.0×103粒/m3，差值為42.1×103粒/m3。顆粒物的數量濃度差值最大的粒徑為0.2～0.3 μm，差值最小的粒徑為5.0～10 μm；這與0.2～0.3 μm顆粒物在空氣中的沉降速度和擴散性質有關，較大顆粒物（粒徑5.0～10 μm）在空氣中的擴散效應較小，導致其在廠房內外分布相對均勻。為進一步分析不同粒徑顆粒物對廠房內、外環(huán)境的影響，考察了其環(huán)境中的占比情況，結果如圖1所示。

在測試期間，廠房內、外大氣塵被用作測試塵源。由圖1可知：粒徑0.2～1.0 μm的顆粒物廠房內占比為97.48 %，廠房外占比為98.45 %；粒徑1.0～2.5 μm的顆粒物廠房內占比為1.91 %，廠房外占比為1.25 %；粒徑2.5～5.0 μm的顆粒物廠房內占比為0.52 %，廠房外占比為0.27 %；粒徑5.0～10 μm的顆粒物廠房內占比為0.088 %，廠房外占比為0.019 5 %。而由表1可知，粒徑0.2～2.5 μm的顆粒物廠房內占比約99.39 %，廠房外占比約99.70 %。這表明該鉛鋅浮選廠粉塵主要由細顆粒物組成，且隨著粒徑增加，其在環(huán)境中的占比減少。無論在廠房內還是廠房外，0.2～1.0 μm的顆粒物在環(huán)境中的占比均為最高。這些顆粒物易進入人體的呼吸道和肺部，對工作人員的身體健康造成重大影響，同時粉塵會增加操作設備轉動部位的磨損，降低作業(yè)場所的光照度和能見度，干擾工作人員的視線，可能會引發(fā)一系列安全事故［16-17］。因此，有必要加強對細顆粒的凈化力度，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。

2.2 數量濃度比

正常工況下，浮選廠廠房不同粒徑下的I/On統(tǒng)計結果如圖2所示。

由圖2可知：各粒徑下的I/On中位數變化不大，且I/On平均值均大于1，同時各粒徑的I/On分布都較為集中，大多分布在0～10。但是，空氣中顆粒物受環(huán)境因素影響較大，與范東葉等［18］研究發(fā)現(xiàn)的不同粒徑顆粒物的數量濃度變化具有較強的隨機性和波動性一致，驗證了結果的正確性。I/On平均值隨粒徑變化如圖3所示。

由圖3可知：粒徑0.265～5.750 μm的顆粒物I/On平均值大于1，而粒徑5.750～9.250 μm的顆粒物I/On平均值小于1。這是因為粒徑小的顆粒物不僅廠房內存在污染源且不容易沉降，粒徑5.750～9.250 μm的顆粒物沉降率隨粒徑的增大而增大，使得I/On平均值小于1。此外，粒徑0.265～0.375 μm的顆粒物I/On平均值隨粒徑的增大而增大，極大值出現(xiàn)在0.375 μm處；粒徑為0.375～0.900 μm時，I/On平均值整體隨粒徑的增大而減小；粒徑為0.900～4.500 μm時，I/On平均值整體趨于平穩(wěn)；粒徑＞4.500 μm時又逐漸降低。I/On平均值變化趨勢平穩(wěn)、下降的部分及極大值出現(xiàn)的位置與HUSSEIN等［19］研究結果一致。粒徑0.265～5.750 μm的顆粒物均具有較低的沉降率，且I/On平均值大于1，廠房內產生的細顆粒物保持懸浮狀態(tài)，持續(xù)影響廠房外環(huán)境。結合不同粒徑占比分析結果可知，細顆粒物占比極高，絕大部分為廠房內大氣環(huán)境影響廠房外大氣環(huán)境，這不僅會對廠房內工作人員身體健康造成危害，還會因為粉塵的逸散對周邊居民及環(huán)境造成影響。I/On平均值在粒徑＞5.750 μm時小于1，表明浮選工藝產出的顆粒物主要為細顆粒物，且廠房內大顆粒物大多來源于廠房外，其受廠房外的影響要大于廠房內。因此，對廠房內粉塵的過濾、凈化刻不容緩。

2.3 質量濃度

浮選廠廠房內、外顆粒物的質量濃度如表2所示。

zp+JaQuHxXfI2hgu2pYKKw==由表2可知：PM10的質量濃度廠房內為253.3 μg/m3，廠房外為119.0 μg/m3，差值為134.3 μg/m3；PM2.5的質量濃度廠房內為109.7 μg/m3，廠房外為76.1 μg/m3，差值為33.6 μg/m3；PM1的質量濃度廠房內為48.5 μg/m3，廠房外為42.5 μg/m3，差值為6.0 μg/m3；發(fā)現(xiàn)廠房內空氣中PM10、PM2.5和PM1的質量濃度均高于廠房外，說明廠房內的空氣質量存在較大的污染問題，需要采取有效的措施進行凈化和改善。根據GBZ 2.1—2019 《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學有害因素》［20］，崗位粉塵濃度≤1 mg／Nm3，同時保證粉塵達標排放濃度≤80 mg/Nm3的最高環(huán)保標準要求，該浮選廠廠房內、外粉塵均無法達到環(huán)保標準要求。根據GB 3095—2012 《環(huán)境空氣質量標準》一級標準規(guī)定，PM10為40 μg/m3，PM2.5為15 μg/m3；二級標準規(guī)定PM10為70 μg/m3，PM2.5為35 μg/m3［13］。與一級標準相比，廠房內PM10超標5.333倍、PM2.5超標6.313倍，廠房外PM10超標1.975倍、PM2.5超標4.07倍；與二級標準相比，廠房內PM10超標2.614倍、PM2.5超標2.134倍，廠房外PM10超標0.7倍、PM2.5超標1.174倍。由于目前暫未規(guī)定PM1的排放要求，此處暫不作計算分析。綜上分析，廠房內、外PM10、PM2.5的質量濃度均高于標準規(guī)定，根據空氣污染指數的等級定義，廠房內、外均處于重度污染。

廠房內、外不同顆粒物占比如圖4所示。由圖4可知：PM2.5顆粒物中PM1約占50 %，其中，廠房內占比為44.17 %，廠房外占比為55.83 %，差值為11.66百分點；這表明PM1在大氣中的比例相對較高，尤其在廠房外。PM10顆粒物中PM1占比較小，廠房內為19.14 %，廠房外為35.69 %，差值為16.55百分點;這說明PM10中含有大量的較大顆粒物。與此相反，PM10顆粒物中PM2.5約占50 %，廠房內為43.33 %，廠房外為63.92 %，差值為20.59百分點;這表明PM2.5在PM10中的占比較高，尤其在廠房外，差值最大。綜合分析可知，大氣中的顆粒物以細顆粒為主，特別是PM10顆粒物中PM2.5占比較高，這對空氣質量和人體健康產生不利影響，因此需要加強對PM1和PM2.5的監(jiān)測和凈化工作。

2.4 質量濃度比

PM10、PM2.5、PM1的I/OC測試數據如圖5所示。由圖5可知：PM10的I/OC為0.559～4.671，中位數為2.311；PM2.5的I/OC為0.407～5.182，中位數為1.349；PM1的I/OC為0.426～3.923，中位數為1.625；PM10、PM2.5和PM1的I/OC范圍均較廣。這表明廠房內顆粒物與廠房外顆粒物之間存在較大的質量濃度差異，廠房內顆粒物可能對廠房外環(huán)境產生較大的影響。中位數是衡量數據集中趨勢的重要指標，其進一步說明了廠房內顆粒物對廠房外環(huán)境的影響程度。

PM10、PM2.5、PM1的I/OC平均值如表３所示。由表3可知：PM10、PM2.5、PM1的I/OC平均值分別為2.510，2.040和1.625，均大于1，說明廠房內顆粒物質量濃度高于廠房外，廠房外顆粒物質量濃度主要受廠房內顆粒物的影響。這是由于廠房內進行浮選工藝時產生大量粉塵，這些顆粒物通過通風系統(tǒng)或自然通風等途徑進入廠房外環(huán)境，影響了廠房外顆粒濃度。因此，需要加強廠房內粉塵的管理和控制，以改善廠房內、外的空氣質量和工作環(huán)境。

3 結 論

本研究以某鉛鋅浮選廠為研究對象，通過對廠房內、外顆粒物濃度分布情況進行測試分析，得到以下結論：

1）廠房內、外不同粒徑顆粒物的數量濃度存在明顯差異，粒徑為0.2～0.3 μm顆粒物的差值最大。隨著粒徑增大，數量濃度逐漸下降，且廠房內的顆粒物數量濃度明顯高于廠房外。

2）I/Oｎ平均值均大于1，表明廠房外顆粒物主要受廠房內顆粒物影響。不同粒徑的I/Oｎ集中分布在0～10，粒徑為0.2～1.0 μm顆粒物占比較多。

3）對照GB 3095—2012 《環(huán)境空氣質量標準》一級標準，廠房內PM10超標5.333倍、PM2.5超標6.313倍，廠房外PM10超標1.975倍、PM2.5超標4.07倍；對照二級標準，廠房內PM10超標2.614倍、PM2.5超標2.134倍，廠房外PM10超標0.7倍、PM2.5超標1.174倍。

4）PM10、PM2.5、PM1的I/OC平均值均大于1，說明廠房內顆粒物對廠房外環(huán)境的影響較大。廠房內、外PM10顆粒物中PM2.5的占比差值最大，為20.59百分點，對空氣質量和人體健康造成不利影響。

５）加強對廠房內空氣質量的管理和控制至關重要，以降低對廠房外環(huán)境的污染影響，保障環(huán)境質量和人體健康。研究結果為礦山空氣處理領域中浮選廠房粉塵濃度控制提供數據支持，同時為礦山粉塵治理及優(yōu)化提供參考。

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Study on the distribution of particulate matter concentration

in a lead-zinc flotation plant and its impact

Zhou Tianyu，Zhang Xin，Nie Xingxin，Zhang Chenyu，Sun Zeyu

（School of Resources Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology）

Abstract：During the production process in a lead-zinc flotation plant，a large amount of particulate matter is generated，polluting the working environment.This study takes a lead-zinc mine as an example and analyzes the distribution of particulate matter concentration inside and outside the flotation plant.The pollution status and its health impacts are thoroughly investigated.The results show that the quantity concentration of particulate matter smaller than 10 μm inside the average plant is higher than outside，with the quantity concentration increasing as particle size decreases.The average ratio of quantity concentration of particulate matter inside to outside the plant is generally greater than 1.The mass concentrations of PM10，PM2.5，and PM1 inside the plant are significantly higher than those outside，with PM10 and PM2.5 inside the plant exceeding the Grade 1 standard by 5.333 times and 6.313 times，respectively，and the Grade 2 standard by 2.614 times and 2.134 times.The concentration of particulate matter inside the plant significantly influences the concentration outside.The distribution and concentration of particulate matter vary，and environmental factors greatly impact dust pollution.The study’s findings provide valuable data for effectively controlling particulate matter in mining environments.

Keywords：lead-zinc flotation plant;particulate matter;concentration distribution;mass concentration;quantity concentration