含銅廢物處置企業地下水的環境影響預測評價

馬 黎

（無錫柯銘環保科技有限公司，江蘇 無錫 214072）

隨著經濟及社會的發展，含銅的產品應用廣泛。一般銅質產品生產中，會產生大量的含銅廢水，廢水處理后剩余污泥中含銅量較高。例如，李海英分析了工廠處理線路板廢水產生的污泥，Cu、Fe和Sn含量分別是6.27%、5.55%和0.062%[1]。張慶建等分析了電鍍污泥中典型金屬離子的含量，Cu、Sn、Fe的含量分別為16.72%～24.60%、6.99%～12.65%和1.82%～24.47%，并推斷了樣品的來源[2]。研究表明，污泥中含有的金屬離子成分是一種廉價的二次可再生資源。很多企業通過火法冶煉、濕法浸出等方法回收金屬。然而，資源化處置利用的企業技術和管理水平參差不齊，很容易造成二次污染。例如，污泥中金屬隨水分滲入土壤中造成污染，污水處理設施的滲漏等。因此，為了最大限度消除和減輕污染，含銅污泥處置利用的企業，應進行地下水污染的影響研究。

蘇南地區是全國的工業重地，較高的工業化水平帶來了重金屬污染問題。例如，徐晨等在研究望虞河西岸河網區重金屬污染特征及風險時發現，地累積指數法顯示沉積物中Cu、Zn和Cd的污染程度較高，局部地方屬于偏重度污染水平[3]。方斌斌等研究太湖流域水體和沉積物中的重金屬時發現，沉積物中Cr、Cu和Zn平均值為102.32 mg/kg、65.24 mg/kg、185.64 mg/ kg[4]。鑒于金屬廢物處置企業可能會出現二次污染問題，有必要開展含銅廢物處置企業內地下水的環境影響預測與評價。為此，選擇了蘇南某資源再生企業為對象，分析了廢水中有機污染物和金屬離子滲入土壤后對地下水的影響，為該類企業的金屬離子污染防止提供一些理論上的支撐。

1 研究對象及模型

1.1 研究區域見圖1。

圖1 研究地塊的實景圖

蘇南某銅資源再生企業位于工業集中區，所在區域的地形呈南高、中低、北平的趨勢，屬于揚子地層區江南地層分區，地層發育較為齊全。企業占地面積約29 700 m2，總建筑面積約為17 200 m2，南側為南溪河，東側為某凈水劑廠，北側為某通風機廠，西側是某環保工程公司。該企業位于所在市的國家森林公園南側約5 km處，距離最近的生態空間管控區域約1.6 km。根據現場鉆孔對上層水位的測量，水位埋深約為0.5 m，主要受大氣影響降水補給，以垂直蒸發和側向滲流排泄為主。污染物主要是通過降雨和廢水排放進入包氣帶，從而影響地下水環境。

1.2 預測分析模型

為了分析污染物滲入后對地下水水質的影響，采用非均質、各向異性、非穩態地下水流系統進行地下水動力模擬，采用地下水質遷移模型預測污染物的遷移及分布。

（1）水動力模型：

式（1）中，Kxx，Kyy，Kzz是介質的滲透系數，[L/T]；h是水頭，[L]；W是單位面積上的垂向流量，[L/T]；μ是多孔介質的飽和差；Z是含水層底板標高，[L]；t是時間，[T]。

式（2）和（3）中，Ω表示滲流區域，Γ1代表第一類給定水頭的邊界。

（2）污染物遷移模型：

污染物的遷移包括對流、彌散和溶質自身的物理化學變化等。

上式中，θ是有效孔隙度；C是水溶溶質組分的濃度，[M/L]；Dij是彌散系數的張量，[L2/T]；ui是i方向的滲透流速，[L/T]；qs是單位體積含水層中的流量，[1/T]；Cs是總濃度，[M/L]；是溶質化學反應的總量，[M/LT]。

若吸附能達到平衡，且其化學反應為不可逆，方程（4）可以表示為：

式（5）中λ1和λ1是溶質在溶液和吸附介質中的衰變速率，[1/T]；C?是介質吸附溶質的能力，[M/M]；ρb是介質的密度，[M/L]；R是阻滯因子；Kd是溶質在介質與溶解相上的平衡分配系數，[L3/M]。

采用GMS軟件對模型進行求解，使用MODFLOW求解水流運動數學模型，用MT3DMS模型求解地下水污染物遷移模型。

2 結果與討論

2.1 參數確定及網格剖分

根據廠區土壤現狀，地層巖性以壤土為主，壤土的滲透系數取0.05～0.1 m/d。根據地下水環評導則（HJ610-2016），廠區以壤土為主，研究區域給水度取0.1。巖石和土壤孔隙度與顆粒大小、顆粒形狀、膠結程度等有關，研究區域內的巖性主要為壤土，孔隙度取0.4。此外，根據Schulze-Makuch對不同巖性和尺度條件下介質的彌散度統計數據[5]、以及廠區內土壤條件，潛水含水層取50 m、縱向彌散度取5 m。

用VisualModflow軟件對數值模擬模型求解，采用有限差分法求解。為了更精確模擬溶質運移，在污染處理區加密求解網格，最小網格長度取10 m。依含水層的特征，網格垂直方向上分為4層。

2.2 預測因子及情景

研究區域內地下水污染的來源主要是廢水處理設施導致的污染。廢水處理設施多為地上池，出現了局部破損難以被發現，對地下水的影響很大，選擇廢水處理設施區域作為預測對象。污染物在地下水環境中的遷移及轉化較為復雜[6]，因此在模擬污染物擴散時不考慮吸附、化學反應等因素的影響，主要分析對流彌散的作用。

結合設施運行情況與環境特征，預測污染發生365天及1 825天后污染物遷移的情況，探討對地下水環境保護目標的影響。結合廢水污染源分析，COD、鎘、鉻、鉛、砷和銅的產生量較多，造成環境污染的可能性最大，并探討其在地下水中的遷移過程。

所研究的區域涉及到兩種情景，即正常工況和非正常工況，模擬主要污染因子在地下水環境中遷移轉化的趨勢，分析污染物影響范圍和最大遷移距離。對于正常狀況，污水處理設施未發生破壞、正常運行，計算預測污染物的遷移。對于非正常情況，在防滲措施老化造成局部失效，廢水經包氣帶進入地下水，情景設定為第365天滲漏，第1 825天修復完成，研究污水處理設施運行時對地下水環境的影響。

2.3 預測結果分析

由圖2和圖3可知，正常工況下，廢水處理設施防滲系統未發生破損，廢水較難泄露，不會經包氣帶進入地下水，廢水處理設施運行365天和1 825天后，地下水環境中的COD濃度均在地下水質量標準中III類水標準的十分之一以下，影響范圍在廠區內；經過模型預測，地下水中鎘濃度、鉻濃度、鉛濃度均在I 類水標準的十分之一以下，同樣影響較小。同樣，由于廢水處理設施防滲系統未發生破損，廢水處理設施運行365天后地下水中鉛濃度、銅濃度均在地下水質量標準中的I 類水標準的十分之一以下。廢水處理設施運行1 825天后，地下水中砷和銅的最大濃度值為0.000 2 mg/L，最大遷移距離分別為7 m和8 m，但是未超出所研究的廠區范圍。

圖2 正常工況下COD、鎘和鉻的遷移過程分布

圖3 正常工況下鉛、砷和銅的遷移過程分布

由圖4可知，非正常工況下廢水處理設施防滲系統發生破損，廢水泄露并經包氣帶進入地下水，廢水處理設施運行365天后地下水中COD濃度最大值為0.271 8 mg/L，僅分布在廠區內。隨著時間延長，污染的范圍逐漸擴大，受地下水流向的影響，污染源主要沿廠區向南遷移擴散；1 835天后廠區地下水中COD 濃度最大值為1.452 5 mg/L，未超出地下水質量標準中的Ⅲ類水質要求，最大遷移距離為6 m，未超出廠區范圍。非正常工況下廢水處理設施防滲系統發生破損，泄露廢水經包氣帶進入地下水，廠區地下水中鎘濃度、鉻濃度均未超出地下水質量標準中的I 類水標準的十分之一。

圖4 非正常工況下COD、鎘和鉻的遷移過程分布

由圖5可知，廢水處理設施防滲系統發生破損，廢水處理設施運行365天后，地下水中的鉛濃度未超出地下水質量標準中的I類水標準的十分之一，僅分布在廠區內。隨著時間演唱，污染范圍逐漸地擴大，受地下水流向控制，污染物主要沿著廠區向南逐步擴散，1 825天后廠區地下水中鉛濃度最大值為0.001 mg/L，最大遷移距離為10 m。再者，廢水處理設施防滲系統發生破損后，365天后地下水中砷濃度最大值為0.00 02 mg/ L。隨著時間延長，污染范圍逐漸擴大，污染物主要沿著廠區向南擴散。地下水中銅的遷移過程分布與砷類似，365天后地下水中銅濃度最大值為0.00 23 mg/L，1 825天后最大遷移距離為17 m，超出廠界范圍，此時廠區地下水中銅濃度的最大值為0.00 47 mg/L。

圖5 非正常工況下鉛、砷和銅的遷移過程分布

2.4 環境影響分析

正常工況下，在預測范圍1 825天內，污染物均不會超出廠界，不會影響到廠界外運河的水質，且污染物砷、銅遷移沿著廠區主要向南擴散。非正常工況下，COD、鎘、鉻和鉛的污染物主要在廠區內，不會影響到廠界外地表水的水質，受地下水流向控制，污染源主要沿廠區向南擴散。但是，非正常工況下污染物中的砷和銅在365天時分布在廠區內；1 825天后銅污染物最大遷移距離為17 m，超出廠界范圍。

由此可見，地下水環境中無論是污染物最大遷移距離，還是中心點濃度，非正常工況均比正常工況下的影響范圍大。在污染防滲措施有效情況下（正常工況下），污水處理區對區域地下水質影響較小；在非正常工況下，會在廠區及周邊一定范圍內污染地下水。污染防滲措施對溶質運移結果會產生較明顯的影響。污染物遷移速度很慢，遷移范圍不大。污染物運移范圍主要是場地水文地質條件決定的，場地含水層水力坡度較小，其滲透性亦較差，地下水徑流緩慢，污染物運移擴散的范圍有限。

3 結論

通過數學模型模擬預測的方法研究了廢水中COD、鎘、鉻、鉛、砷和銅滲入土壤后對地下水水質的影響。由此可以得出，正常工況下，在預測范圍1 825天內，污染物均不會超出廠界，不會影響到廠外運河的水質，且污染物主要向南擴散。非正常工況下，COD、鎘、鉻和鉛的污染物主要在廠區內，受地下水流向控制，污染源主要向南擴散；砷和銅污染物在365天時主要在廠區內；1 825天后銅污染物超出廠界，最大遷移距離為17 m。污染防滲措施對溶質運移產生明顯的影響，污染物運移范圍主要受場地水文地質條件的影響。