響水爆炸事故污水應急處理決策與實施效果分析

段麗杰，王健，魏健，王冠穎，宋永會,4*

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室,中國環境科學研究院

2.中國環境科學研究院水生態環境研究所

3.清華大學環境學院

4.北京師范大學水科學研究院

化工行業危險化學品的生產、運輸和儲存過程中存在安全風險[1-3]。近幾十年來，我國化工企業規模不斷擴大，生產設備和裝置逐步大型化，化學品泄漏、危險品爆炸等事故頻發[4]，造成巨大的生命和財產損失[5-7]。事故狀態下的污水量大、污染物成分復雜、化學污染物濃度高、應急處置難度大，因此爆炸事故污水應急處理與城鎮污水、工業污水等傳統廢水的處理明顯不同[8]。化工園區事故污水中有毒有害類污染物成分復雜、生物毒性大，如何在應急狀態下快速有效地對此類污水進行妥善的處理處置，是環境應急過程中亟待解決的問題。

2019 年3 月21 日，江蘇響水天嘉宜化工有限公司發生特大爆炸事故[9]，爆炸中心區及周邊河流水體受到不同程度的化學品污染，嚴重威脅周邊水生態環境和地下水安全，亟需第一時間開展事故污水的應急處置工作。現場污水應急處理過程中，發展和實踐了化工園區突發環境事件污水“快速封堵—安全轉移—妥善處置”的應急技術鏈條，科學制定了污水分類應急處理方案和工程實施方案，成功完成了爆炸區各類污水的應急處理任務，實現了“不發生次生環境災害”和“不讓一滴污水進入灌河”的應急目標。響水爆炸污水應急處置成為我國化工類重特大事故環境應急處置的成功案例。

筆者基于響水爆炸事故現場環境應急和事故污水處理處置工作，系統闡述了爆炸事故污水應急處理決策、應急處理方案制定及工程實施成效，總結了該次事故應急污水處理處置的經驗，以期為今后此類突發環境事件污水應急處理提供借鑒。

1 污水處理應急決策

1.1 爆炸事故概況

2019 年3 月21 日，位于江蘇省鹽城市響水縣生態化工園區的天嘉宜化工有限公司貯存的硝化廢料因持續積熱升溫導致自燃，燃燒引發硝化廢料爆炸[10]，造成重大人員傷亡和財產損失。事故中心區爆炸形成了直徑約80 m 的圓形坑，現場積存約2.1 萬m3強酸性廢水。此外，爆炸區域內幾條河流也存在不同程度的污染，若不經妥善處理，可能會造成區域地下水污染，同時也會影響事故救援工作。如何科學有效地開展爆炸現場污水的應急處理處置，防止污水泄漏導致更大范圍的環境污染，是現場環境應急工作的重中之重。

1.2 爆炸區域污水分析

1.2.1 污水來源

爆炸事故污水主要來源包括3 個部分：爆炸大坑污水、廠區地面積水和受污染河水。園區內有4 條東南—西北走向河道，最終平行地注入灌河；另有3 條南北走向的河道，分別為三排河、四排河和五排河。水質檢測結果顯示，受污染河水主要有新豐河、新民河、新農河、新民支渠、三排河和四排河。現場水質監測結果表明，新民河受爆炸事故污染影響較小，但在爆炸中有部分污染物飄灑入河。爆炸大坑污水、廠區地面積水和各受污染河水的分布如圖1 所示。

圖1 響水化工園區受污染水體分布Fig.1 Distribution of polluted water bodies in Xiangshui chemical industry park

事故應急初期，初步估算爆炸區域內各類污水總量約為28.7 萬m3。因后期有降雨入河，導致事故污水量增加，截至2019 年6 月21 日，現場實際累計污水量約47.58 萬m3。

1.2.2 污水水質

根據不同類型污水水質情況，現場污水可分為爆炸大坑污水、廠區地面積水、重污染河水（新豐河、三排河、新民支渠）、輕污染河水（新豐河輕污染段、四排河、新農河）和其他（新民河微污染段），水量分別是2.1 萬、0.1 萬、8.5 萬、3.7 萬和14.3 萬m3。

（1）爆炸大坑污水。典型的高有機物高氨氮污水，pH 為9.1～12.5，污水化學需氧量（COD）為1 300～3 000 mg/L，氨氮濃度為50～90 mg/L。爆炸大坑污水有機物組成復雜，綜合利用氣相色譜-質譜（GCMS）、液相色譜-串聯質譜（LC/MS/MS）等手段檢測出苯胺類[11]、硝基苯類[12]、苯甲酸[13]、二氯乙烷[14]、三氯甲烷[15]等54 種特征有機物。對苯胺類及硝基苯類污染物的定量分析結果表明，苯胺類濃度低于1 mg/L，硝基苯類污染物濃度為2～3 mg/L。

（2）廠區地面積水。呈強酸性，pH<1，有機物濃度較高，COD 最高可達55 500 mg/L，氨氮濃度為112～323 mg/L，苯濃度最高達613 mg/L，屬于典型的強酸性高COD、高氨氮有毒有機污水。

（3）重污染河水。pH 為6.1～7.3，COD、氨氮和苯胺類濃度一直居于高位，COD 為300～634 mg/L，氨氮濃度為10～15 mg/L，苯胺類污染物濃度最高達80 mg/L。此外，二氯乙烷、三氯甲烷等污染物濃度也有一定程度的超標。

（4）輕/微污染河水。輕污染河水pH 為6～9，COD、氨氮、苯胺等污染物濃度較高（分別為64～315、2.54～39.00 和0～13.1 mg/L）；新民河污染的水質基本能達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準，但COD 略高（23～114 mg/L），氨氮濃度為0.015～1.47 mg/L，苯胺類濃度低于0.08 mg/L。

綜合分析，爆炸大坑污水、廠區地面積水和新豐河閘內、三排河、新民支渠河水為重污染水，四排河、新農河、新豐河東段河水為輕污染水，新民河水為微污染水。受污染水體若進入灌河等環境水體，將會嚴重污染地表水和地下水，對水生態環境和人類健康造成威脅，存在重大的生態環境安全隱患。

1.3 污水應急處理目標

1.3.1 排放標準

現場受污染水體成分復雜，不同的水質指標需滿足不同的排放標準。苯、COD、氨氮等常規指標應滿足DB 32/939—2006《江蘇省化學工業主要污染物排放標準》一級標準、GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》和GB 8978—1996《污水綜合排放標準》標準。甲苯、硝基苯類、苯胺類等特征污染物指標應滿足GB 31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》。pH 的排放標準為6～9，色度為50，其他指標及其排放標準見表1。

表1 排放指標和排放標準Table 1 Emission indicators and emission standards

1.3.2 排放要求

園區雨水及污水的最終納污河流為灌河，化工園區總排污口所在位置距灌河入海口約12 km，距上游響水水文站約30 km。灌河水質考核目標為GB 3838—2002 的Ⅲ類標準。

1.4 污水分類處理方案制定

爆炸事故發生后，如何防止污水入河、控制爆炸污水對周邊環境的影響，是現場應急處置亟待解決的問題。為了防止事故核心區污水擴散導致污染面積擴大，需及時對爆炸污水進行控制，并加強對事故核心區污水和受污染水體的水質監測，根據不同類型污水水質采取針對性的污水處理處置技術，制定具體的事故污水應急處理方案，如圖2 所示。

圖2 爆炸事故污水應急處理方案Fig.2 Emergency treatment scheme of wastewater from the explosion accident

1.4.1 應急監測

第一時間完成了事故爆炸大坑污水、廠區地面積水和受污染河水的水質檢測工作，定量分析污水的COD、氨氮、硝基苯類、苯胺類、羥基苯甲酸類等指標。根據水質檢測結果，為上述5 類污水的分質處理提供了基礎數據。

1.4.2 全面控污

為防止事故核心區污水擴散，在事故核心區構筑攔截壩，實現污染物的有效圍堵，并且加建污染物攔截壩提升降雨時污染物外泄風險防控能力。通過層層攔截，降低事故污水溢出到園區外環境的風險。

（1）河道污水封堵。為進一步提升降雨時污染物外泄風險防控能力，第一時間關閉園區與外環境相連的全部閘壩或臨時封堵與外環境相連的河道。對新民河、新豐河、新農河3 條河道兩側進行圍堵，加大園區包圍圈以及圍堰高度，避免路面雨水進入河道。此外，在爆炸核心區加建一道污染物攔截壩，形成一個約7 km2的大包圍圈，通過層層攔截，有效降低了事故污水溢出到園區外環境的風險。

（2）構筑兩道封閉圈。對爆炸核心區域廠區進行封閉，以廠區現有圍墻為邊界，對廠區污水進行圍堵，構筑封閉圈。在爆炸核心區和化工園區外圍壘建大圍堰，確保污染水體不會溢出到外環境，杜絕了次生環境災害的發生。

（3）防雨防浸保安全。制定響水化工園區閘壩加固和監控巡視方案、危險化學品管控方案和防范降雨預案。對爆炸核心區雨水收集系統進行排查疏通，確保地面積水進入企業雨水收集池和事故池貯存；加強對園區內固（危）廢、化學品的遮蓋和防護，確保不淋雨、不浸水，不對水環境造成影響；清運高濃度苯胺污水，并及時處理巡查中發現的類似問題；針對可能發生強降雨天氣，開展人工干預降雨作業準備，盡可能減少事故區域降水量；在確保安全的前提下，開展加密監測，并加強對事故周邊區域水環境質量的監測分析。

1.4.3 污水處置

陳家港污水處理廠是響水化工園區內一座集中式化工污水處理廠，受爆炸影響，污水處理廠受損嚴重，通過搶修維護使其恢復正常運行，全面恢復污水處理能力。陳家港污水處理廠處理工藝為“混凝沉淀-水解酸化-生化池-沉淀池-芬頓反應池-沉淀池-活性炭吸附-終沉池-砂濾池-消毒池”，設計處理能力為7 500 t/d，實際運行處理能力為4 000～5 000 t/d，處理后的尾水由水泵提升排放至灌河。爆炸區域污水經預處理后達到納管要求，排入陳家港污水處理廠進行后續處理。根據應急處置方案，首先轉存爆炸大坑核心區強酸性高濃度的污染水，將總量約2.1 萬m3爆炸大坑污水安全轉移至裕廊化工污水處理池，消除了爆炸點及附近的重大生態環境隱患。重污染河水在裕廊污水處理廠儲存和預處理后，輸送至陳家港污水處理廠進一步處理后達標排放。

1.5 污水處理工程方案

根據現場各類型污水水質特征（表2）制定污水應急處理方案。爆炸大坑污水的特點是有機物和氨氮濃度高，有機物以小分子有機物為主，可生物降解性好，且對硝化細菌具有一定的毒性。混凝沉淀[16]和活性炭吸附等物理分離工藝[17]對污水中有機物去除效果較差，臭氧氧化對污水中有機物的去除能力有限[18]。芬頓氧化[19]、UV/O3/H2O2[20]等高級氧化工藝可實現污水中有機物的高效去除，但存在藥劑投加量大、處理成本高等問題。水解酸化-厭氧-缺氧/好氧（A2/O）工藝連續處理試驗和序批式活性污泥反應器（SBR）間歇試驗的結果均表明，采用活性炭吸附預處理與生物處理處理技術，可實現污水中有機物和氨氮的有效去除[21]。結合現場小試試驗效果，選擇活性炭好氧強曝氣預處理與陳家港污水處理廠生物處理組合工藝作為爆炸大坑污水處理工藝。

表2 不同種類污水特征以及處理工藝Table 2 Characteristics and treatment technology of different kinds of sewage

事故廠區積水有機污染物濃度高、風險高、水量小，污水呈強酸性（pH<1），應首先在現場進行中和處理。分析對比氫氧化鈉和石灰2 種中和劑發現，使用氫氧化鈉時，酸性污水中和后仍為液體，收集難度大；使用石灰時可進行現場中和，同時形成的固體沉淀物便于收集和運輸。綜合考慮，事故廠區積水先進行石灰中和處理，然后再將沉淀物收集轉運至危險固體廢物處置單位進行處置。

重污染河水中有機物濃度較高，主要污染物為毒性較強的苯胺類[22]，需通過強化預處理將重污染河水中的苯胺濃度降低，滿足污水處理廠進水水質要求后，再進入陳家港污水處理廠進行處理。根據苯胺特性，選擇了芬頓氧化預處理和陳家港處理廠生化、芬頓氧化、活性炭吸附及砂濾處理組合工藝[23-24]。

輕污染河水的COD 為64～315 mg/L，超過排放標準，需進一步處理后排放。由于輕污染河水的水質滿足陳家港污水處理廠進水水質要求，因此不經預處理可直接引入陳家港污水處理廠進行處理。

微污染河水風險污染物以有機物為主，濃度較低且活性炭對大部分有機物均有吸附效果，因此，進行活性炭吸附預處理，達到相關標準后排入灌河。已使用的活性炭采取園區就地處置和外運的方式進行處理，通過分區、分類的措施，高效、有序、安全地清理與處置，以最大限度降低風險。

爆炸事故區各類污水處理工藝流程如圖3 所示。爆炸大坑污水經過活性炭預處理和生物處理可實現污水中有機物和氨氮的有效去除，然后進入污水處理廠再處理；廠區地面積水經石灰中和處理后，產生的固體廢物作為危廢集中處置；重污染河水經芬頓氧化預處理后進入陳家港污水處理廠進行混凝沉淀處理；輕污染河水直接進入污水處理廠的調節池，經過混凝沉淀、水解酸化、好氧生化池等處理后達標排放；微污染河水進入污水處理廠經活性炭吸附處理后達標排放。值得注意的是，經初步估算，爆炸事故產生的待處理污水總量約為28.7 萬m3。由于爆炸后雨水和地下水的匯入，截至6 月19 日，陳家港污水廠處理事故污水共計32.3 萬m3。

圖3 事故污水處理工藝流程Fig.3 Process flow chart of accidental wastewater treatment

2 污水處理成效

爆炸區內各類污水經芬頓氧化、活性炭吸附、生物強化預處理等分質預處理后，再進入陳家港污水處理廠和裕廊化工污水處理廠進行后續處理，可實現各類污水達標排放，污水應急處理取得了明顯成效。

2.1 污水處理成效分析

2.1.1 處理水量

截至6 月19 日，陳家港污水處理廠累計處理污水約32.3 萬m3，每日進水量根據現場實際情況進行相應調整，水量變化如圖4 所示。累計進水量逐步上升，日處理水量基本持續在4 000～5 000 m3。5 月12 日—5 月17 日，剩余爆炸大坑污水和高污染河道污水中的COD 升高，為保證污水處理廠出水水質達標，通過延長水力停留時間以降低污染負荷，因此該時間段的日進水量偏低。

圖4 污水處理廠累計進水量及每日進水量Fig.4 Cumulative influent water volume and daily influent water volume of the wastewater treatment plant

2.1.2 出水水質

采用HJ 822—2017《水質 苯胺類化合物的測定氣相色譜-質譜法》和HJ 716—2014《水質 苯胺類化合物的測定 氣相色譜-質譜法》檢測陳家港污水處理廠總排口出水中苯胺類和硝基苯類的濃度，二者的檢測限分別為0.05～0.09 和0.04～0.05 μg/L，檢測結果表明二者濃度均低于檢出限。pH、COD、總磷、氨氮、三氯甲烷、苯、甲苯、氯苯、色度等指標均能達到相關標準。其中，出水色度維持在10 左右，水質pH 穩定于6.2～8.2，COD 為28～68 mg/L，氨氮濃度為0.05～8.66 mg/L。常規水質指標以及特征污染物指標均符合DB 32/939—2006 和GB 31571—2015。出水pH、COD、氨氮和苯濃度隨時間的變化如圖5 所示。

圖5 陳家港污水處理廠出水氨氮、COD、pH 及苯濃度變化Fig.5 Variation of effluent ammonia,COD,pH and benzene concentration from Chenjiagang wastewater treatment plant

新民河水經活性炭吸附處理后水質穩定，出水COD 為11.8～29.8 mg/L、氨氮濃度為0.07～0.12 mg/L，水質滿足地表水Ⅴ類標準，可以排入灌河。

2.1.3 污染物削減量

應急處理期間，污水處理設施的污染物累計削減量如表3 所示。4 月8 日—5 月19 日，芬頓氧化預處理池共處理高濃度重污染河水116 260 m3，運行期間累計削減COD 64 185.8 kg，氨氮1 898.1 kg、苯胺7 123.7 kg。4 月13 日—5 月19 日，強化生物活性炭預處理單元共處理爆炸大坑污水20 580 m3，運行期間累計削減COD 33 319.6 kg、氨氮209.4 kg、苯胺6.1 kg。3 月30 日—6 月26 日，陳家港污水處理廠共處理綜合污水340 133 m3，運行期間累計削減COD 68 564.5 kg、氨氮6 763.2 kg、苯胺898.6 kg。綜上，應急處理期間，各污水處理設施處理的爆炸大坑污水、重污染河水和陳家港污水處理廠處理的綜合污水的污染物累計削減量分別為COD 166 069.9 kg、氨氮8 870.7 kg、苯胺8 028.4 kg。

表3 污染物削減量匯總Table 3 Summary of pollutant reductions

2.1.4 受納水體水質監測

對爆炸污水進行應急處置的同時，在受納水體灌河下游3 km 處設置監測斷面，并開展了85 d 的水質監測。監測結果顯示，苯胺類、硝基苯、乙苯、二甲苯均未檢出，氨氮濃度、pH 等指標持續達標，其中氨氮濃度維持在0.075～1.81 mg/L，pH 為6.1～8.6。陳家港污水處理廠及污水應急處置設施排放污水各項監測指標能達到DB 32/939—2006 一級標準、GB 18918—2002 和GB 8978—1996 相關標準。

2.2 污水處理廠后續運行

針對高濃度污水強化預處理，通過優化藥劑投量、水力停留時間、曝氣強度等參數，制定了預處理單元安全操作規程，保證了預處理效果。預處理出水進入陳家港污水處理廠進行常規處理，通過兩大處理單元的緊密銜接配合，污水應急處理工程技術鏈被全面打通。應急處理工程的順利實施，保障了爆炸區域污水的有效處理，趕在雨季來臨之前消除事故環境污染隱患，為事故區域水環境安全提供了保障。

3 應急處置的成功經驗

3.1 科學確定應急目標，“快速封堵”是首要任務

全面分析事故水污染區域和周邊環境狀況，及時掌握污水擴散趨勢，科學確定應急目標，明確重點工作任務。采取一切必要措施封堵園區內的污水，嚴格控制污染擴散。經過采取封堵措施，污染水體沒有流入灌河，使用截污壩攔截污染水體的措施有效，實現了“不讓一滴園區內的污水直排外環境”和“不發生次生環境災害”兩個總目標，避免企業內部積存污水進入園區河道。通過對事故核心區污水攔截壩進行加固并開展實時監控，確保污染不入河，為后續處置工作贏得主動。

3.2 以空間換時間，“安全轉移”高風險污水

及時轉儲爆炸核心區強酸性高濃度污水，為污水后續妥善處理贏得時間，第一時間消除環境隱患。通過調查園區內企業情況，確定具有較大的污水貯存能力的企業，將總量約2.1 萬m3爆炸大坑污水安全轉移至裕廊化工污水處理池以及之江化工廠的事故應急池，消除爆炸點及附近的重大生態環境隱患。將風險轉移至可控的“相對安全地帶”，通過有條不紊地處理、化解風險，以空間換時間，確保了爆炸區重污染污水得到安全轉移。

3.3 科學研發處理技術，“妥善處置”各類污水

一是根據污水水質水量特征，科學篩選適用技術。優先處理爆炸中心、廠區積水和重污染河水，并根據污染情況進行分質處理。在本次事故中，爆炸大坑污水具有酸性強、COD 高、氨氮濃度高等特征，通過分析污染物組成及工藝對比后選擇生物活性炭強化預處理工藝，實現了爆坑污水的高效穩定處理。針對事故廠區積水和受污染水體，通過對比選取適合的污水處理工藝，快速全面展開工程實施，保障污水處理達到排放要求。因地制宜開展應急處理工程實施，成功地研發了科學的處理處置技術。

二是加強周邊環境監測，優化工藝方案。以現有污水處理設施為依托，優先修復尚具有污水處理能力的陳家港污水處理廠，密切監測污水處理廠的處理能力、工藝流程和日常運行數據，增加水質監測點位和頻次，對pH、COD、氨氮等主要常規指標每3 h監測一次，對苯胺等特征有機污染物指標每4 h 監測一次。及時根據污水處理廠出水水質進行工藝方案的優化和調整。

3.4 統籌協作，加強應急物資保障

爆炸事故發生時，響水縣尚未建立完備的環境應急物資儲備庫，由于事故波及范圍廣、應急物資需求量大，應急物資的調配和供應保障難度很大。現場應急專家組根據污水處理需要，制定了明確的藥劑和物資需求清單，并精確核算藥劑消耗量及投藥時間，由當地政府協調相關部門專門負責各類應急物資的供給保障。各部門統籌協作，有效保障了藥劑、活性炭等應急物資的供給，確保應急工程正常運轉。

4 結語

（1）事故發生后，通過對爆炸區域受污染水體開展系統監測分析，識別了受污染水體中污染物種類、含量及污水量，基于相關分析結果確定了明確的污水應急處置目標，為制定科學有效的污水應急處理方案打好了基礎。

（2）實施了全面的應急污染控制，根據污水受污染程度及水質特征，將爆炸區域的污水分為爆炸大坑污水、事故廠區地面積水、重污染河水、輕污染河水以及微污染河水5 大類。根據各類污水的水質水量特性開展了針對性的技術篩選，并開展分類分質處理，有效保障了各類污水的高效處理。

（3）應急工程實施方面，因地制宜選取爆炸現場周邊現有的污水儲存和處理設施，通過簡單的工程化改造以滿足各類污水的應急處理需求，在短時間內實現爆炸區各類污水的妥善處理處置，最大限度地減小了爆炸污水對周邊水環境的影響，保障了水生態環境安全。

致謝

本文所述應急工作，是在生態環境部領導下，在生態環境部環境應急與事故調查中心、江蘇省生態環境廳指導下，由中國環境科學研究院、中國環境監測總站、生態環境部華南環境科學研究所、生態環境部南京環境科學研究所、生態環境部華東督察局、清華大學、南京大學、清華蘇州環境創新研究院和北控水務集團有限公司等單位協同攻關、合力完成的，對所有領導和相關技術人員的指導、支持一并表示感謝。