鋼鐵企業顆粒物沉降對土壤重金屬影響的預測方法探討

梁向鋒，楊新

(1.河南江河環境科技有限公司，鄭州 450004；2.河南鑫磊集團控股有限公司，河南 安陽 455141)

大氣中重金屬污染的來源主要有化石燃料的燃燒、交通尾氣的排放以及冶金化工等行業工業廢氣的排放，這些污染物在環境中穩定，毒性大，且容易在食物鏈中富集，已經成為威脅人類健康的重大問題[1]。大氣可攜帶大量重金屬隨沉降作用進入土壤，其對土壤重金屬累積貢獻率在各種外源輸入因子中排在首位。工業廢氣中的重金屬元素主要是通過大氣沉降進入土壤環境，是土壤重金屬污染的主要途徑之一[2-3]。鋼鐵企業周邊，顆粒物的沉降是土壤重金屬的最主要來源。鋼鐵企業廢氣除塵處理后，殘留在廢氣中的重金屬主要以可溶態、碳酸鹽態、可氧化態存在。

在鋼鐵廠和燃煤電廠周圍，大氣銅的點源污染非常嚴重，如加拿大安大略地區熔煉廠3km內的土壤銅含量濃度水平較50km處的土壤銅高100倍[4]。2016年土壤污染防治行動計劃的實施將土壤環境保護提到了新的高度?！董h境影響評價技術導則 土壤環境(試行)》(HJ964—2018)給出了土壤大氣沉降的預測方法，同時指出，重金屬輸入量的計算方法依據大氣導則確定。

目前鋼鐵行業的環境影響評價工作中，少見有將重金屬作為評價因子。筆者以某鋼鐵企業為例，利用AERMOD模型計算鋼鐵企業顆粒物中含有的重金屬鉛(Pb)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鋅(Zn)對土壤累積的影響，疊加土壤背景值后與監測數據對比，研究鋼鐵行業顆粒物沉降對土壤重金屬的影響。以期為同類項目的土壤環境影響評價工作提供借鑒參考。

1 AERMOD模型介紹

1.1 模型特點

AERMOD模型由美國國家環保局聯合美國氣象學會共同開發，該模型系統包括大氣擴散模型、氣象數據預處理、地形數據預處理3部分，是一個穩態煙羽擴散模式，可模擬點源、面源、體源等排放出的大氣污染物在小時平均、日平均、長期濃度分布，適用于農村或城市地區，簡單或復雜地形。模式使用每小時連續預處理氣象數據模擬大于等于1h平均時間的濃度分布，適用于評價范圍小于等于50km的評價項目。

1.2 模型數據輸入

1)氣象參數。實例分析中采用A市2017年全年逐日4次地面氣象觀測數據，包括風向、風速、氣壓、溫度、相對濕度、總云量和低云量。該氣象站與某鋼鐵廠排氣筒的直線距離約為8km，可較好地反映所在地的低空氣象參數；所需高空氣象數據由中尺度氣象模式MM5模擬生成。

2)地形參數。模型采用的地形參數來源于網站下載的中國90m精度的strm格式地形文件。

3)污染源參數。污染源數據采用A某鋼鐵廠產能進行核算，該企業位于A市西部，成立于2003年，至2018年對其下風向村莊進行土壤監測期間已連續運行15年。該企業年產燒結礦133萬t/a、鐵85萬t/a、鋼96萬t/a，顆粒物及重金屬排放情況見表1。表1中重金屬鉛、銅的排放速率根據趙浩寧[5]的研究進行核算，研究中沒有列出的按照同一工序中的最低值進行計算。

1.3 顆粒物在大氣中擴散和遷移特性參數的確定

顆粒物在大氣中擴散和遷移規律研究表明，顆粒物粒徑分布對其在大氣中的擴散和遷移規律影響較大。本研究對顆粒物的粒徑分布系數根據趙浩寧[5]、劉道清[6]的研究確定。

1.4 預測模式

大氣沉降分為干、濕沉降兩種形式。干沉降是指無降水條件下,空氣中的污染物通過湍流輸送和重力作用向地面沉降的過程。影響干沉降過程的因素主要分為氣象要素和污染物本身在大氣中的濃度水平。干沉降作用時間長、范圍廣,是干燥天氣期間和干旱半干旱地區氣溶膠的主要去除機理。濕沉降是指降雨、下雪使顆粒物沉降到地面的過程。一般來說，大氣顆粒物沉降量干沉降為10%～20%，濕沉降為80～90%[7]。由于該企業顆粒物采用袋式除塵器，粒度較細，受重力作用沉降的顆粒物較少，絕大部分顆粒物沉降以濕沉降為主，因此,本次計算以干沉降占10%，濕沉降占90計。

1.5 土壤重金屬預測

《環境影響評價技術導則 土壤環境(試行)》(HJ964—2018)附錄E單位質量土壤中某種物質的增量：

△S=n(Is-Ls-Rs)/(ρb×A×D)

(1)

式中：△S為單位質量表層土壤中某種物質的增量，g/kg；Is為預測評價范圍內單位年份表層土壤中某種物質的輸入量，g；Ls為預測評價范圍內單位年份表層土壤中某種物質經淋溶排出的量，g；Rs為預測評價范圍內單位年份表層土壤中某種物質經徑流排出的量，g；ρb為表層土壤容重，kg/m3(取1 250)；A為預測評價范圍，m2，(1 900 000)；D為表層土壤深度，一般取0.2m；n為持續年份，15a。

同時，導則中還說明涉及大氣沉降影響的，可不考慮輸出量。因此，式(1)可以變形為：

△S=n×Is/(ρb×A×D)

(2)

單位質量土壤中某種物質的預測值可根據其增量疊加現狀值進行計算：

S=Sb+△S

(3)

式中：Sb為單位質量土壤中某種物質的現狀值，g/kg；S為單位質量土壤中某種物質的預測值，g/kg。

2 結果與討論

距離該鋼鐵企業最近的敏感點有3個：A位廠區西側，距離廠界100m；B位于廠區東南側，距離廠界500m；C位于廠區北側，距離800m。2018年對3個敏感點的土壤重金屬含量進行了檢測。用上述方法預測了ABC3個敏感點的重金屬沉降量，并疊加背景值與實測值進行了比較分析，具體見表3。土壤重金屬背景值參考李樹斌等[8]1985—1986年對安陽市西南郊土壤重金屬的研究成果。

由表3可知，用各污染物敏感點沉降量預測土壤重金屬，得出的結果均較實測值偏低。各重金屬網格最大沉降量預測結果，與背景值疊加后的結果均較敏感點更接近實測值。

3 結論

利用AERMPOD模型的大氣沉降模式預測了某鋼鐵公司運行15年后周邊3個敏感點土壤重金屬的疊加影響，結果表明，對預測點的沉降通量預測結果偏低，用評價區域網格最大值較為接近實測值?；诃h境影響評價應考慮最不利因素，本文推薦在利用AERMOD進行大氣沉降土壤重金屬預測時，采用網格最大值。

由于采樣數據較少，本研究用一個實例進行模擬和實測值比較，比較結果是否準確和具有普適性還有待進一步研究。

表3 各預測點土壤顆粒物沉預測值