工业废水不规范处理对周边河流水质的污染影响仿真研究
2023-04-29陈利粉陈龙宋盈马建茹丁志安
陈利粉 陈龙 宋盈 马建茹 丁志安
关键词：重金属工业废水；不规范处理；工业园区；污染物扩散；河流污染
中图分类号：X523 文献标志码：A
前言
工业废水中含有重金属元素、酚类物质、有机污染物、无机有机污染物等。相关规定中，工业废水不允许直排，通常是要先做好消毒、灭菌等处理，再对水中的各项指标进行检测。通过检测数据判断水质情况，判断工业废水是否达到排放标准。但是，由于生产线的增加，工业废水量也随之增加，导致部分工业企业污水处理站不能满足现有需求。或者在回收处理废水的过程中，部分工业企业因考虑成本等问题，未实现规范化处理，导致最终排放的工业废水未达标。这些原因都可能会对周边河流水体造成污染。
随着环保理念的加固，人们对工业废水排放对水体产生的影响的关注度越来越高。为有效分析含重金属工业废水的不规范处理对周边河流水质造成的影响，研究以河南省安阳市周边的工业园区为例，展开了深入研究。
1工业废水不规范处理的特征分析
1.1不可逆性
未经规范处理的工业废水中存在重金属，重金属以离子的形式汇入地表、渗入地下水体中，水体中的S2-离子和OH-离子与工业污水中的重金属结合产生硫化物、M（ OH）n等沉淀物，并随着水体不断迁移和运动。
1.2污染持续性
在水体不断的循环和运动过程中，渗入其中的污染物会发生扩散，在此过程中，污染物会运动迁移到生活水源中，人们长期饮用含有污染物的饮用水会对身体造成伤害。另外，以重金属元素为例，未经规范处理的工业废水在渗入水体的过程中，在地下岩石和土壤表面会沉积一部分重金属。虽然水体的流动过程会形成冲刷作用，但由于地下水的流速较慢，沉积的重金属很难通过冲刷作用返回地下水，因此也难以进入地表水体或跟随地下水流迁移，导致这部分重金属元素难以在短时间内释放出来，在不断的富集后会产生持续的污染。
2不规范处理的工业废水在周边水体中的扩散建模
如图1所示不规范处理的工业废水渗入周边河流后的迁移和移动情况。
3污染影响模拟分析
研究以河南省安阳市周边的工业园区为研究范围。安阳市是豫北地区的一座老工业城市，涉及到的工业产业包括钢铁产业、煤化工产业、装备制造业、医药化工产业、纺织服装产业等。其中，钢铁产业也是安阳市的支柱产业，主要企业包括安阳钢铁集团、河南风宝特钢等。工业化的发展，不可避免的会对环境造成负面影响，为此，以该地区为例，文章分析了工业废水不规范处理对安阳市工业园区周边河流水质的污染。
主成分分析方法可以处理海量数据，属于一种降维方法，保留原始数据关系的同时，可以将较多指标转变为几个综合指标，从而提高水质评价结果的准确性和客观性。为此，文章方法在SPSS软件中采用主成分分析方法降维处理上述水流数学模型模拟过程中采集的数据，降维处理水质指标，遵循特征值高于1的原则选取主成分因子，在标准化处理检测数据后，根据主成分载荷矩阵系数计算各主成分，在此基础上获得综合得分。
式（4）中，mc表示超标水质参数的数量；mj表示超标数据在总监测数据中的数量；M1、M2分别表示水质监测项目和数据的总数；参数Q由各检测项目超标倍数之和与水质监测数据总数计算得到。
4结果仿真
仿真过程中，CCME WQI的检测结果在区间[0，100]内取值，在上述计算的基础上，划分园区周边河流水质等级，结果如下：
（1）极好级别，CCME WQI取值范围为（94，100]；
（2）良好级别，CCME WQI取值范围为（79，94]；
（3）中等级别，CCME WQI取值范围为（64，79]；
（4）较差级别，CCME WQI取值范围为（44，64]；
（5）极差级别，CCME WQI取值范围为（0，44]。
根据级别划分结果，分析安阳市不同产业园区的CCME WQI水质等级，结果见表1。
为了更准确地模拟工业园区周边河流水质受工业废水不规范处理的污染影响，根据表1选取水质较差的安阳市产业集聚区作为重点分析区域。该工业园区也曾与2018年因不规范排放而受到惩罚。检测该园区周边河流中Cu元素、Mn元素和Pb元素的含量，结果见图2。
Cu、Mn、Pb元素的变异系数分别为1.85%、121.26%、35.16%。由此可知，Mn元素属于强变异，Pb元素和Cu元素属于弱变异。在此基础上，用Ui表示重金属元素i在水体中的污染指数，可通过下式计算得到式（5）：
式（5）中，k表示重金属元素i的质量浓度对应的水质等级；Ci表示重金属元素i在研究区域内的实际质量浓度；Ciks、Cikx分别表示重金属元素i的k类水质标准的上限值和下限值；Ci5s表示重金属元素i的Ⅴ类数值标准的上限值。
Cu元素、Mn元素和Pb元素的污染指数见表2。
由表2中的数据可知，重金属元素Mn的污染指数在采样区1、3、4、6中均高于4.0，重金属元素Pb的污染指数在采样区2、3、4、5、6中高于4.0，劣于Ⅲ级水质（污染指数小于等于4.0），重金属元素Cu在各个采样区内的污染指数均低于4.0，合格率为100%。上述重金属元素在采样区内的污染指数排序为Pb>Mn>Cu。经调查发现，与实际检测值相比，上述重金属元素在采样区内的背景值较低，表明工业废水等外源性污染源会对河流水体中的重金属质量浓度产生影响。
在不同采样区中，通过单因素方差分析方法对重金属元素的污染指数展开差异性检验，在不同采样区内Cu元素的污染指数的独立性显著性均较高，在采样区1、2、3、5中，其方差小于等于0.047，在采样区4、6中，Cu元素的方差大于等于0.062。分析Mn元素污染指数的统计结果，发现在采样区2中表现出显著独立特征，在采样区1、3、4中其方差小于等于0.044，存在显著差异。Pb元素与Cu元素和Mn元素相比，具有较大的污染指数空间变异特征，在上述采样区内其方差小于等于0. 020，具有显著差异。造成上述现象的主要原因如下：
（1）不同区域中的水文状况存在差异，导致重金属元素随地下水迁移以及富集过程不同；
（2）采样区的污染源和地理位置存在差异性。
综合评价不同采样区内河流中重金属的污染程度，将评价结果统计成折线图，见图3。
根据图3中的数据，按照从小到大的顺序对采样区的污染程度排序：2<3<5<1<4<6。根据评价结果可知，研究区域内的河流水质一般，采样区1、2、3、5属于Ⅲ类水质，采样区4、6属于Ⅳ类水质，其中水质最好的区域为采样区2。经调查发现，造成采样区周边河流水质较差的主要原因是工业排放的废水没有达到排放标准，工业废水中存在的重金属渗入浅层地下水和地表水中。
随时间的变化，重金属元素的权重也会发生改变。因此，根据评价结果对权重的敏感和依赖程度分析结果受权重变化的影响，也是分析中的重要环节。综合评价结果对重金属元素的敏感程度可通过权重敏感性得以体现，重金属元素的敏感系数越大，表明对综合评价结果的影响越大，即对园区周边河流水质的影响越大。
假设Si表示重金属元素的敏感性系数，其计算公式如式（6）：
式（6）中，Iq、Ig表示采样区q和采样区g对应的综合标识指数；wi表示重金属元素i对应的权重；Uq，i表示重金属元素i在采样区g内的污染指数；Ug，i表示重金属元素i在采样区g内的污染指数。
重会属元素的权重敏感性系数计算结果见表3。
由表3中的数据可知，Pb元素的权重敏感系数最高，表明对水质评价结果产生的影响最大，Cu元素的权重敏感系数为0，表明Cu元素的含量对水质的污染现状不产生影响，Mn元素的权重敏感系数处于两者之间。
通过上述分析可知，在安阳市产业集聚区范围内，工业废水中以Pb和Mn为主要污染物，这两种重金属元素对园区周边河流水质产生的影响较为显著。因此，在治理水体污染、监管工业废水排放、处理工业废水的过程中，应重点治理重金属Pb元素和Mn元素造成的污染。
5结束语
工业生产过程中不可避免的会产生废渣、废水和废气，在一定程度上，上述工业生产污染物会对工厂附近的环境产生污染。现有研究表明，工业废水中的重金属含量较高，排放废水前需要对其做相关净化处理，否则会对周边水体产生污染。虽然目前不允许工业废水直排，但是不可避免的会存在部分工业企业的污水处理站不能满足现有需求，或者因考虑成本问题未实现规范化处理。针对上述情况，文章通过科学手段分析工业废水不规范处理对周边河流水质的污染影响，通过建立水流运动学分析模型和污染物扩散运动方程，分析污染物造成的污染程度以及其运动和迁移规律，通过CCME WQI评价方法模拟分析水质状况，并检测河流中重金属元素的含量，为园区水质治理提供相关依据。
