解析山西霧霾天氣的成因

段再明

(山西省環境監測中心站,太原 030027)

近年來,山西境內霧霾天氣時有發生。2006年12月22日開始,山西遭遇連續幾天的霧霾天氣;2008年11月10日,山西中南部大部分地區,出現大范圍的霧霾和輕霧天氣;2009年12月10日,太原市區霧霾天氣導致能見度不足200 m;2010年4月1日,山西中南部大部分地區出現大范圍的霧霾和輕霧天氣,并持續了3～4 d;2010年10月9日,山西中北部大部分地區出現霾天氣,能見度較差,局部地區能見度不足200 m。

霧霾天氣不僅影響了人們的日常出行,更重要的是直接導致環境空氣質量的下降,嚴重危害人們的身體健康。為此,關注霧霾天氣,解析霧霾的成因,有效減輕霧霾造成的環境污染是本課題的研究重點。

1 焦化與熄焦技術的現狀

山西省是全國最重要的焦炭生產基地,目前有270余家焦化企業,總產能接近1.6億t。到2015年,規劃形成炭化室6 m以上焦爐(含炭化室高度5.5 m以上的搗固式焦爐)產能占到焦炭總產能的60%以上。其中采用國際領先的炭化室高度7.63 m焦爐產能達3 000萬t以上,鋼鐵聯合企業焦爐全部配套干熄焦裝置,大型焦化園區配套干熄焦能力達到80%以上。

熄焦技術分為濕法和干法兩種。干熄焦具有環保、回收熱能的效果,但由于投資和運行費用高,短時內還較難推廣。

濕法熄焦是焦餅成熟后,由推焦車將出爐紅焦推入攔焦車,攔焦車再將焦炭導入熄焦車中送往熄焦塔用水冷卻熄火,熄焦后焦炭由熄焦車送至涼焦臺,局部未熄滅的紅焦在此用水補充熄滅,涼放、蒸發焦炭中水分后,焦炭由刮板放焦機刮至膠帶機送往篩焦工段。濕法熄焦每噸焦炭需耗水約0.3～0.5 t[1]。

目前,在全國范圍內及我省煉焦企業(除太原鋼鐵有限公司焦化廠和安泰有限公司焦化廠采用干熄焦外)均采用焦化廢水熄焦,雖然解決了焦化廢水的排放問題,但是造成了污染轉移的后果,即由水污染變成了氣態污染。

2 濕法熄焦誘發霧霾天氣的機理

2.1 霧霾天氣的形成

霧霾天氣,稱為“霾”的濃重霧氣,形成原因比較復雜,一般在氣溫持續走高,高溫導致氣壓偏低,加上連續幾日的靜風天氣,在高空形成了逆溫層。逆溫層就像一個鍋蓋,將大量工業廢氣(大量的氣溶膠)籠罩在近地面,無法擴散。濕度高時形成大霧,濕度低就形成霧霾天氣。霾和輕霧常常同時出現,水汽的凝結可以導致霾演變成為輕霧或霧,霧霾天氣的演變見圖1所示。霧霾天氣常常加重空氣污染的程度,對人體健康極為不利。

2.2 霧霾的主要化學成分

霧霾的主要成分是氣溶膠(aerosol),氣溶膠(aerosol)主要成分是細顆粒,細粒子中含有多種化學元素和化合物。氣溶膠的化學組分,除一般無機元素外,還有元素碳(EC)、有機碳(OC)、有機化合物(尤其是揮發性有機物(VOC)、多環芳烴(PAR)和有機毒物)、生物物質(細菌、病毒、霉菌等)。

目前氣溶膠[5](aerosol)中已發現的元素有砷(As)、鎘(Cd)、氟(F)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、硫(S)、氯(Cl)、溴(Br)、銫(Cs)、鑭(La)、汞(Hg)、鉻(Cr)等。

2.3 氣溶膠(aerosol)的來源

大氣氣溶膠(aerosol)的污染源可分為自然源,人為源與地球化學源,還有二次顆粒物[3-4]。焦化廢水中所含的有機碳(OC)、有機化合物(尤其是揮發性有機物(VOC)、多環芳烴(PAR)和有機毒物)含量較高,隨熄焦過程附著在氣溶膠細顆粒上,在特殊的氣象條件下表現為灰霾。

2.4 焦化廢水的來源

焦化廢水主要來自煉焦和煤氣凈化過程及化工產品的精制過程,其中以蒸氨NH3過程中產生的剩余氨水NH 3-H2O為主要來源。剩余氨水NH 3-H 2O是焦化廠最重要的酚氰廢水源,是含氨的高濃度酚水。剩余氨水NH3-H2O主要由三部分組成：裝爐煤表面的濕存水、裝爐煤干餾產生的化合水和添加到吸煤氣管道和集氣管循環氨水泵內的含油工藝廢水。

2.5 焦化廢水熄焦

焦化廢水成分復雜,其水質因各企業工藝流程和生產操作方式差異而不同。一般焦化廠的蒸氨廢水水質為：CODcr 3 000～3 800 mg/L,酚(包括苯酚(C6H6O)、對甲苯酚、間甲苯酚、對苯二酚、均苯三酚、鄰苯二酚、對苯二酚 、間苯二酚 、連苯三酚、α-萘酚、β-萘酚)600～ 900 mg/L 、氰(HCH)10 mg/L 、油50～70 mg/L、氨氮(NH 3-N)300 mg/L左右。經生化處理后出水水質可達到《污水綜合排放標準》一級排放標準：SS 70 mg/L,CODcr 100 mg/L,酚0.5 mg/L,氰 0.5 mg/L,油 10 mg/L,氨氮 15 mg/L 。

2.6 濕法熄焦誘發霧霾天氣

2009年,山西焦炭出省5 423萬t,熄焦耗水按0.35 t計[1-2],全年有1 898萬t焦化廢水,通過熄焦以濕熱的水蒸氣氣化后的體積約236億m3,像熱的云朵般輸入大氣層,不斷加熱和加濕了周邊的空氣;同時夾雜著因氣化轉變為氣溶膠的廢水中的懸浮物和有機化合物等。熄焦廢水(以經過生化處理達到一級《污水綜合排放標準》要求的廢水熄焦進行估算)僅以懸浮物(SS)含量為70 mg/L計,輸送到大氣層的氣溶膠達到1 329 t,濕熱蒸氣中總懸浮物的質量濃度平均為56 mg/m3。這樣的高溫、高濕、含高氣溶膠的云團在上升的過程中,不斷與周邊空氣發生熱交換、濕交換及污染物的稀釋擴散,在遇到連續靜風和逆溫的氣象條件下,將高濕、含高氣溶膠的云團積聚籠罩在近地面,無法擴散而誘發形成霧霾天氣。焦化廢氣熄焦形成霧霾天氣示意圖見圖2。

圖2 焦化廢氣熄焦形成霧霾天氣示意圖

更何況,焦化企業處理酚氰廢水的生化處理站不能保證一直處于正常運行狀態。尤其是在冬季,因寒冷氣候,導致生化處理站微生物失去活性,生化對廢水的處理失去效果,用未經處理的廢水直接熄焦,廢水中大量的懸浮物和有機化合物(僅以一般焦化廠的蒸氨廢水中酚濃度為600～900 mg/L計,輸入大氣層的氣溶膠中有機物酚濃度為480～720 mg/m3)輸入大氣層,不僅對環境造成極大的污染,而且更加劇了誘發形成霧霾天氣的可能。

3 濕法熄焦的排污分析產焦區有機污染狀況

筆者對2009年山西美錦焦化廢水生化處理站驗收監測數據進行了統計分析,得出利用經生化處理達標[2]后的中水熄焦,隨熄焦排放到大氣層的懸浮物(SS)為 1 329 t,COD 為 1 898 t,酚 9.5 t,氰(HCH)9.5 t,油 190 t,氨氮(NH3-N)285 t。

將焦化廢水不經處理直接用于熄焦,隨熄焦排污大氣層的COD為5.7～7.2萬 t,酚1.1～1.7萬t,氰(HCH)190 t,油 949 ～1 329 t,氨氮(NH 3-N)5 694 t。

分析表明,大量的熄焦廢水排放進入大氣層,夾雜著數千萬噸的懸浮物(SS)、有機污染物及數千噸的酚、氰(HCH)、油、氨(NH 3)等復雜的氣溶膠污染物。

為了解和關注產焦區環境空氣中有機物的污染狀況,從2007—2008年期間,筆者分別對山西省太原市、晉中市、臨汾市、清徐縣、孝義市、河津市開展了采暖期和非采暖期環境空氣中苯并[a]芘(C20 H12)的監測,監測結果見圖3和圖4所示。

由圖3、圖4的監測結果表明,山西省產焦區環境空氣普遍受有機污染物(以B[a]P(C20 H12)為例)的污染。2008年采暖期各產焦區環境空氣B[a]P(C20 H 12)質量濃度總均值由高到低污染程度排序,依次為：清徐0.028μg/m3,臨汾0.028 μg/m3,孝義0.026 μg/m3,河津 0.016 μg/m3,太原 0.010 μg/m3。

圖3 2007年山西省產焦區采暖期與非采暖期苯丙芘污染對比圖

圖4 2008年山西省產焦區采暖期與非采暖期苯丙芘污染對比圖

2008年非采暖期各產焦區環境空氣B[a]P(C20 H12)質量濃度總均值由高到低污染程度排序,依次為：清徐0.023μg/m3,孝義0.021 μg/m3,臨汾0.011 μg/m3,河津 0.010 μg/m3,太原 0.008 μg/m3。

苯并[a]芘[5]是多環芳烴中毒性最大的一種高活性強致癌物,但并非直接致癌物,必須經細胞微粒體中的混合功能氧化酶激化才具有致癌性。長期生活在含苯并芘的空氣環境中,會造成慢性中毒,空氣中的苯并芘是導致肺癌的最重要的因素之一。

究其原因,采暖期環境空氣B[a]P(C20 H 12)濃度普遍高于非采暖期,主要是疊加了當地采暖燃煤產生的煙塵、煙氣的污染;同時冬季焦化工業廢水生化處理站運行不正常,導致引用高濃度酚氰廢水熄焦;同時還有寒冷冬季不利于空氣中污染物擴散的氣象條件等。

4 結論

通過對濕法熄焦工藝及霧霾天氣的形成機理的分析,探討了霾及焦化廢水的主要成分及產焦區不同季節有機污染物的污染趨勢,得出結論如下。

1)廢水熄焦消耗大量的水資源,大量水體污染物轉化成氣態污染物進入大氣層,干擾和改變了局部的環境氣象條件,大量的水轉霧和水體污染物轉化成氣溶膠輸入大氣層,進一步誘發了霧霾天氣的形成,增加了產焦地區大氣環境出現霧霾天氣的幾率,使產焦地區大氣環境中有機污染物的濃度增高不降。

2)采暖期環境空氣有機污染普遍高于非采暖期,主要是疊加了采暖燃煤產生的煙塵、煙氣的污染,以及冬季焦化工業廢水生化處理站運行不正常直接用高濃度酚氰廢水熄焦,還有冬季不利于空氣中污染物擴散的氣象條件等因素。

3)干熄焦技術節能減排,可徹底解決廢水熄焦帶來的一系列環境問題,但焦化廢水的處理、處置成為迫切需要解決的關鍵技術課題。

[1] 中華人民共和國環境保護部.HJT126-2003煉焦行業清潔生產標準[S].北京：標準出版社,2003.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB8978-1996污水綜合排放標準[S].北京：標準出版社,1996.

[3] 張仁健.采暖期前和采暖期北京大氣顆粒物的化學成分研究[J].中國科學院研究生院學報,2002,19(1)：75-81.

[4] 于鳳蓮.城市大氣氣溶膠細粒子的化學成分與來源[J].氣象,2002,28(11)：3-6.

[5] 丁文軍.國家污染物環境健康風險名錄[M].北京：中國環境科學出版社,2009.