工業廢水不規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：重金屬工業廢水；不規范處理；工業園區；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。相關規定中，工業廢水不允許直排，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。通過檢測數據判斷水質情況，判斷工業廢水是否達到排放標準。但是，由于生產線的增加，工業廢水量也隨之增加，導致部分工業企業污水處理站不能滿足現有需求。或者在回收處理廢水的過程中，部分工業企業因考慮成本等問題，未實現規范化處理，導致最終排放的工業廢水未達標。這些原因都可能會對周邊河流水體造成污染。

隨著環保理念的加固，人們對工業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廢水的不規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園區為例，展開了深入研究。

1工業廢水不規范處理的特征分析

1.1不可逆性

未經規范處理的工業廢水中存在重金屬，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污染持續性

在水體不斷的循環和運動過程中，滲入其中的污染物會發生擴散，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，未經規范處理的工業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的污染。

2不規范處理的工業廢水在周邊水體中的擴散建模

如圖1所示不規范處理的工業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園區為研究范圍。安陽市是豫北地區的一座老工業城市，涉及到的工業產業包括鋼鐵產業、煤化工產業、裝備制造業、醫藥化工產業、紡織服裝產業等。其中，鋼鐵產業也是安陽市的支柱產業，主要企業包括安陽鋼鐵集團、河南風寶特鋼等。工業化的發展，不可避免的會對環境造成負面影響，為此，以該地區為例，文章分析了工業廢水不規范處理對安陽市工業園區周邊河流水質的污染。

主成分分析方法可以處理海量數據，屬于一種降維方法，保留原始數據關系的同時，可以將較多指標轉變為幾個綜合指標，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學模型模擬過程中采集的數據，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據后，根據主成分載荷矩陣系數計算各主成分，在此基礎上獲得綜合得分。

式（4）中，m_c表示超標水質參數的數量；m_j表示超標數據在總監測數據中的數量；M₁、M₂分別表示水質監測項目和數據的總數；參數Q由各檢測項目超標倍數之和與水質監測數據總數計算得到。

4結果仿真

仿真過程中，CCME WQI的檢測結果在區間[0，100]內取值，在上述計算的基礎上，劃分園區周邊河流水質等級，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]。

根據級別劃分結果，分析安陽市不同產業園區的CCME WQI水質等級，結果見表1。

為了更準確地模擬工業園區周邊河流水質受工業廢水不規范處理的污染影響，根據表1選取水質較差的安陽市產業集聚區作為重點分析區域。該工業園區也曾與2018年因不規范排放而受到懲罰。檢測該園區周邊河流中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，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類數值標準的上限值。

Cu元素、Mn元素和Pb元素的污染指數見表2。

由表2中的數據可知，重金屬元素Mn的污染指數在采樣區1、3、4、6中均高于4.0，重金屬元素Pb的污染指數在采樣區2、3、4、5、6中高于4.0，劣于Ⅲ級水質（污染指數小于等于4.0），重金屬元素Cu在各個采樣區內的污染指數均低于4.0，合格率為100%。上述重金屬元素在采樣區內的污染指數排序為Pb>Mn>Cu。經調查發現，與實際檢測值相比，上述重金屬元素在采樣區內的背景值較低，表明工業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。

在不同采樣區中，通過單因素方差分析方法對重金屬元素的污染指數展開差異性檢驗，在不同采樣區內Cu元素的污染指數的獨立性顯著性均較高，在采樣區1、2、3、5中，其方差小于等于0.047，在采樣區4、6中，Cu元素的方差大于等于0.062。分析Mn元素污染指數的統計結果，發現在采樣區2中表現出顯著獨立特征，在采樣區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空間變異特征，在上述采樣區內其方差小于等于0. 020，具有顯著差異。造成上述現象的主要原因如下：

（1）不同區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）采樣區的污染源和地理位置存在差異性。

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

根據圖3中的數據，按照從小到大的順序對采樣區的污染程度排序：2<3<5<1<4<6。根據評價結果可知，研究區域內的河流水質一般，采樣區1、2、3、5屬于Ⅲ類水質，采樣區4、6屬于Ⅳ類水質，其中水質最好的區域為采樣區2。經調查發現，造成采樣區周邊河流水質較差的主要原因是工業排放的廢水沒有達到排放標準，工業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生改變。因此，根據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節。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，重金屬元素的敏感系數越大，表明對綜合評價結果的影響越大，即對園區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，其計算公式如式（6）：

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

重會屬元素的權重敏感性系數計算結果見表3。

由表3中的數據可知，Pb元素的權重敏感系數最高，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為0，表明Cu元素的含量對水質的污染現狀不產生影響，Mn元素的權重敏感系數處于兩者之間。

通過上述分析可知，在安陽市產業集聚區范圍內，工業廢水中以Pb和Mn為主要污染物，這兩種重金屬元素對園區周邊河流水質產生的影響較為顯著。因此，在治理水體污染、監管工業廢水排放、處理工業廢水的過程中，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，上述工業生產污染物會對工廠附近的環境產生污染。現有研究表明，工業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廢水直排，但是不可避免的會存在部分工業企業的污水處理站不能滿足現有需求，或者因考慮成本問題未實現規范化處理。針對上述情況，文章通過科學手段分析工業廢水不規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，為園區水質治理提供相關依據。