排水氟化物风险评估及最优生态处理措施研究

2019-09-05贾文慧

水利科技与经济 2019年8期

龚慧，王丽，邵鹏，贾文慧

(1.江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏常州 213000； 2.鲁南煤化工研究院，山东济宁 272000； 3.盐城市水利工程质量监督站，江苏盐城 224002)

1 概述

氟化物是钢铁行业排水中的主要污染物之一，水中氟化物含量对人体、水中生物均会造成直接的影响[1]。已有研究表明，水体中氟化物含量高，人体饮用过量后，可导致骨骼和牙齿损坏，严重者可丧失行动能力[2]。在工业所排废水中，危害最大的指标就是氟化物含量[3]，若钢铁行业排水不经过处理直接排放，将导致河道内氟化物含量升高，直接影响居民身体健康。

因此，本文基于投影追踪法对钢铁行业排水整体水质指标进行评价，采用美国环保局推荐的风险评价模型，对钢铁行业排水氟化物含量进行风险评估，通过试验手段，判断、处理钢铁行业排水，探索降低氟化物含量的最佳措施，为钢铁行业排水治污工作打下基础。

2 研究方法

2.1 投影追踪水质评价模型研究

建立指标样本集{x*(i，j)|i=1，2，…，n；j=1，2，…p}，其中i、j分别代表样本i和指标值j；n、p分别对应样本容量和指标数目。首先对数据进行预处理，对于越大越优指标和越小越优指标分别用式(1)和式(2)进行预处理，具体如下：

(1)

(2)

式中：xmax(j)和xmin(j)分别为指标j的最大值和最小值。

其次建立投影寻踪模型P，假设a={a(1)，a(2)，a(3)，…，a(p)}为投影方向的一维投影值，其公式可表示如下：

(3)

综合考虑局部投影点尽可能密集，最好凝聚成若干个点团，而在整体上投影点团之间要尽可能散开，构造一个投影指标函数，可以表述如下：

Q(a)=SzDz

(4)

式中：Sz为类间散开度，可用z(i)的标准差代替；Dz为类内密集度，可表示为z(i)的局部密度，具体计算公式如下：

(5)

(6)

式中:E(z)为序列{z(i)|i=1，2，…，n}的均值；R为局部宽度参数，由数据特征确定，其值一般可取0，1；r(i，j)为样本之间的距离，r(i，j)=|z(i)-z(j)|；符号函数U(t)为单位阶跃函数，其中t=R-r(i，j)，当t≥0时函数值取1，反之则取为0。

最佳投影方向是数据信息利用最充分、信息损失量最小的方向，优化投影方向归根到底是找出某种意义下好的投影指标。因此，通过求解投影指标函数最大化来估计最佳投影方向。

目标函数最大化：

MaxQ(a)=SzDz

(7)

约束条件：

(8)

2.2 健康风险评估方法

本文采用的定量方法为美国环保局(USEPA)推荐的风险评价模型[4-5]。该模型又根据污染物性质分为致癌物与非致癌物健康风险评价两类，氟化物属于非致癌物，该模型公式为：

(9)

Di=1.125×Ci/61.5

(10)

Di=1.046×Ci/14.9

(11)

式中：Rign为非致癌污染物i经食入途径所致健康危害的个人平均风险，a-1；RfDi为非致癌污染物i的食入途径参与剂量，mg-1(kg·d)-1；Di为非致癌污染物i经食入途径的单位体重日均暴露剂量，mg-1(kg·d)-1；74.8为人类平均寿命，年；1.125、1.106分别为成人和儿童的每日平均饮水量，L/d；61.5、14.9分别为成人和儿童的平均体重，kg。

2.3 氟化物处理措施研究

试验选择在相对位置相同区域的钢铁行业排水，分别设置3个试验处理，选择3种不同的措施方法，分别为电解法和还原性碳法和种植狐尾藻，不同处理其余要素均一致。试验开始之前，测量一次水体中的水质指标，保证各项试验背景值一致。通过试验测定不同时期水体，选出最优方案。

3 结果与分析

3.1 钢铁行业排水水质评价

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中给定的水质参数取值及分级标准，选定初始种群n=600，交叉概率Pc=0.75，变异概率Pm=0.75，优秀个体数量为40，显著性检验水平α=0.01，得到的最大投影指标为100.557 4。利用投影追踪模型进行数据转化，选择对钢铁行业排水中的氟化物含量、总氮、总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数5个指标进行测定，得出的最佳投影方向为x*=[0.431，0.537，0.079，0.149，0.274]，地表水5个等级投影值计算结果见表1。

表1 地表水评价水平投影值分级结果

根据对钢铁行业排水水质实测数值的测定，可最终得出钢铁行业排水水质投影值为1.374，处于Ⅳ类水标准，表明钢铁行业排水水质较差，急需制定相应的处理措施。

3.2 钢铁行业排水氟化物浓度分析

图1为实测钢铁行业排水氟化物含量变化趋势图。由图1可以看出，近4年该钢铁行业排水中的氟化物浓度明显降低，2014年氟化物浓度含量较高，年均0.88 mg/L；2015、2016和2017年较2014年氟化物浓度分别降低了15.9%、40.0%和46.9%，尤其在2016和2017年氟化物浓度降低明显。氟化物浓度年内变化趋势基本呈现先升高后降低的趋势，即随着温度的升高，排水中氟化物的浓度呈现提高的趋势，氟化物浓度在6-9月份的数值占全年的50%左右。数据表明，在温度较高时，应更加注意对钢铁行业排水水质的监测。

图1 钢铁行业排水氟化物变化趋势图

3.3 钢铁行业排水氟化物风险评价

表2为由风险评价模型计算得出的钢铁行业排水风险值。由表2可以看出，儿童对氟化物的风险要明显高于成人，表明氟化物对儿童的危害要显著高于成人。成人年均风险为1.57×10-8/a，儿童为6.22×10-8/a，表明每年每亿人口中有1个成人、6个儿童因钢铁行业排水氟化物致病致死。已有研究表明，国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的有毒有害物质健康危害风险最大可接受水平为5.0×10-5/a[6-7]，本文结论远低于标准值，表明钢铁行业排水中氟化物风险未达最大水平，但仍需采取相应的方法进行治理。同时年内风险值变化呈现先提高后降低的趋势，与前文结论基本一致。

表2 钢铁行业排水风险 /10-8

3.4 不同常规处理措施处理效果

图2为不同处理措施对钢铁行业氟化物治理效果的影响。由图2可以看出，不同措施对氟化物去除效果不同。采用电解法去除时，初始阶段的去除速率较快，随着时间的推移，去除速率逐渐减弱；采用还原性碳法的时候，去除速率比较平均；而种植狐尾藻去除的初始速率较慢，随着时间的推移，速率逐渐提高。不同处理措施所需的成本不同，为保证快速去除率时，可考虑电解法，但成本较高；当考虑长远利益时，可采用狐尾藻等生物法，可保证长远的去除率。

图2 不同处理措施处理效果图

3.5 不同氟化物浓度对狐尾藻叶片酶活性影响研究

分别设置不同氟化物浓度为0、5、10、20、30、50 mg/L的钢铁行业排水，分别标记为A-F的6个组别，测定不同氟化物浓度下，对狐尾藻叶片超氧化物歧化酶、过氧化氢酶及过氧化物酶的活性，测定方法见文献[8]，测定结果见图3。由图3可以看出，不同酶活性随着时间的提高呈现先提高后降低的趋势，在第4 d时达到最高，而浓度越高，叶片活性同样呈现先增高后降低的趋势，在浓度达到50 mg/L时，活性最低，且随着时间的提高，酶活性基本不变。表明在钢铁行业氟化物浓度在5～30 mg/L时，可保证狐尾藻的净化功能。