解析山西雾霾天气的成因

段再明

(山西省环境监测中心站,太原 030027)

近年来,山西境内雾霾天气时有发生。2006年12月22日开始,山西遭遇连续几天的雾霾天气;2008年11月10日,山西中南部大部分地区,出现大范围的雾霾和轻雾天气;2009年12月10日,太原市区雾霾天气导致能见度不足200 m;2010年4月1日,山西中南部大部分地区出现大范围的雾霾和轻雾天气,并持续了3～4 d;2010年10月9日,山西中北部大部分地区出现霾天气,能见度较差,局部地区能见度不足200 m。

雾霾天气不仅影响了人们的日常出行,更重要的是直接导致环境空气质量的下降,严重危害人们的身体健康。为此,关注雾霾天气,解析雾霾的成因,有效减轻雾霾造成的环境污染是本课题的研究重点。

1 焦化与熄焦技术的现状

山西省是全国最重要的焦炭生产基地,目前有270余家焦化企业,总产能接近1.6亿t。到2015年,规划形成炭化室6 m以上焦炉(含炭化室高度5.5 m以上的捣固式焦炉)产能占到焦炭总产能的60%以上。其中采用国际领先的炭化室高度7.63 m焦炉产能达3 000万t以上,钢铁联合企业焦炉全部配套干熄焦装置,大型焦化园区配套干熄焦能力达到80%以上。

熄焦技术分为湿法和干法两种。干熄焦具有环保、回收热能的效果,但由于投资和运行费用高,短时内还较难推广。

湿法熄焦是焦饼成熟后,由推焦车将出炉红焦推入拦焦车,拦焦车再将焦炭导入熄焦车中送往熄焦塔用水冷却熄火,熄焦后焦炭由熄焦车送至凉焦台,局部未熄灭的红焦在此用水补充熄灭,凉放、蒸发焦炭中水分后,焦炭由刮板放焦机刮至胶带机送往筛焦工段。湿法熄焦每吨焦炭需耗水约0.3～0.5 t[1]。

目前,在全国范围内及我省炼焦企业(除太原钢铁有限公司焦化厂和安泰有限公司焦化厂采用干熄焦外)均采用焦化废水熄焦,虽然解决了焦化废水的排放问题,但是造成了污染转移的后果,即由水污染变成了气态污染。

2 湿法熄焦诱发雾霾天气的机理

2.1 雾霾天气的形成

雾霾天气,称为“霾”的浓重雾气,形成原因比较复杂,一般在气温持续走高,高温导致气压偏低,加上连续几日的静风天气,在高空形成了逆温层。逆温层就像一个锅盖,将大量工业废气(大量的气溶胶)笼罩在近地面,无法扩散。湿度高时形成大雾,湿度低就形成雾霾天气。霾和轻雾常常同时出现,水汽的凝结可以导致霾演变成为轻雾或雾,雾霾天气的演变见图1所示。雾霾天气常常加重空气污染的程度,对人体健康极为不利。

2.2 雾霾的主要化学成分

雾霾的主要成分是气溶胶(aerosol),气溶胶(aerosol)主要成分是细颗粒,细粒子中含有多种化学元素和化合物。气溶胶的化学组分,除一般无机元素外,还有元素碳(EC)、有机碳(OC)、有机化合物(尤其是挥发性有机物(VOC)、多环芳烃(PAR)和有机毒物)、生物物质(细菌、病毒、霉菌等)。

目前气溶胶[5](aerosol)中已发现的元素有砷(As)、镉(Cd)、氟(F)、钴(Co)、镍(Ni)、铅(Pb)、硫(S)、氯(Cl)、溴(Br)、铯(Cs)、镧(La)、汞(Hg)、铬(Cr)等。

2.3 气溶胶(aerosol)的来源

大气气溶胶(aerosol)的污染源可分为自然源,人为源与地球化学源,还有二次颗粒物[3-4]。焦化废水中所含的有机碳(OC)、有机化合物(尤其是挥发性有机物(VOC)、多环芳烃(PAR)和有机毒物)含量较高,随熄焦过程附着在气溶胶细颗粒上,在特殊的气象条件下表现为灰霾。

2.4 焦化废水的来源

焦化废水主要来自炼焦和煤气净化过程及化工产品的精制过程,其中以蒸氨NH3过程中产生的剩余氨水NH 3-H2O为主要来源。剩余氨水NH 3-H 2O是焦化厂最重要的酚氰废水源,是含氨的高浓度酚水。剩余氨水NH3-H2O主要由三部分组成：装炉煤表面的湿存水、装炉煤干馏产生的化合水和添加到吸煤气管道和集气管循环氨水泵内的含油工艺废水。

2.5 焦化废水熄焦

焦化废水成分复杂,其水质因各企业工艺流程和生产操作方式差异而不同。一般焦化厂的蒸氨废水水质为：CODcr 3 000～3 800 mg/L,酚(包括苯酚(C6H6O)、对甲苯酚、间甲苯酚、对苯二酚、均苯三酚、邻苯二酚、对苯二酚 、间苯二酚 、连苯三酚、α-萘酚、β-萘酚)600～ 900 mg/L 、氰(HCH)10 mg/L 、油50～70 mg/L、氨氮(NH 3-N)300 mg/L左右。经生化处理后出水水质可达到《污水综合排放标准》一级排放标准：SS 70 mg/L,CODcr 100 mg/L,酚0.5 mg/L,氰 0.5 mg/L,油 10 mg/L,氨氮 15 mg/L 。

2.6 湿法熄焦诱发雾霾天气

2009年,山西焦炭出省5 423万t,熄焦耗水按0.35 t计[1-2],全年有1 898万t焦化废水,通过熄焦以湿热的水蒸气气化后的体积约236亿m3,像热的云朵般输入大气层,不断加热和加湿了周边的空气;同时夹杂着因气化转变为气溶胶的废水中的悬浮物和有机化合物等。熄焦废水(以经过生化处理达到一级《污水综合排放标准》要求的废水熄焦进行估算)仅以悬浮物(SS)含量为70 mg/L计,输送到大气层的气溶胶达到1 329 t,湿热蒸气中总悬浮物的质量浓度平均为56 mg/m3。这样的高温、高湿、含高气溶胶的云团在上升的过程中,不断与周边空气发生热交换、湿交换及污染物的稀释扩散,在遇到连续静风和逆温的气象条件下,将高湿、含高气溶胶的云团积聚笼罩在近地面,无法扩散而诱发形成雾霾天气。焦化废气熄焦形成雾霾天气示意图见图2。

图2 焦化废气熄焦形成雾霾天气示意图

更何况,焦化企业处理酚氰废水的生化处理站不能保证一直处于正常运行状态。尤其是在冬季,因寒冷气候,导致生化处理站微生物失去活性,生化对废水的处理失去效果,用未经处理的废水直接熄焦,废水中大量的悬浮物和有机化合物(仅以一般焦化厂的蒸氨废水中酚浓度为600～900 mg/L计,输入大气层的气溶胶中有机物酚浓度为480～720 mg/m3)输入大气层,不仅对环境造成极大的污染,而且更加剧了诱发形成雾霾天气的可能。

3 湿法熄焦的排污分析产焦区有机污染状况

笔者对2009年山西美锦焦化废水生化处理站验收监测数据进行了统计分析,得出利用经生化处理达标[2]后的中水熄焦,随熄焦排放到大气层的悬浮物(SS)为 1 329 t,COD 为 1 898 t,酚 9.5 t,氰(HCH)9.5 t,油 190 t,氨氮(NH3-N)285 t。

将焦化废水不经处理直接用于熄焦,随熄焦排污大气层的COD为5.7～7.2万 t,酚1.1～1.7万t,氰(HCH)190 t,油 949 ～1 329 t,氨氮(NH 3-N)5 694 t。

分析表明,大量的熄焦废水排放进入大气层,夹杂着数千万吨的悬浮物(SS)、有机污染物及数千吨的酚、氰(HCH)、油、氨(NH 3)等复杂的气溶胶污染物。

为了解和关注产焦区环境空气中有机物的污染状况,从2007—2008年期间,笔者分别对山西省太原市、晋中市、临汾市、清徐县、孝义市、河津市开展了采暖期和非采暖期环境空气中苯并[a]芘(C20 H12)的监测,监测结果见图3和图4所示。

由图3、图4的监测结果表明,山西省产焦区环境空气普遍受有机污染物(以B[a]P(C20 H12)为例)的污染。2008年采暖期各产焦区环境空气B[a]P(C20 H 12)质量浓度总均值由高到低污染程度排序,依次为：清徐0.028μg/m3,临汾0.028 μg/m3,孝义0.026 μg/m3,河津 0.016 μg/m3,太原 0.010 μg/m3。

图3 2007年山西省产焦区采暖期与非采暖期苯丙芘污染对比图

图4 2008年山西省产焦区采暖期与非采暖期苯丙芘污染对比图

2008年非采暖期各产焦区环境空气B[a]P(C20 H12)质量浓度总均值由高到低污染程度排序,依次为：清徐0.023μg/m3,孝义0.021 μg/m3,临汾0.011 μg/m3,河津 0.010 μg/m3,太原 0.008 μg/m3。

苯并[a]芘[5]是多环芳烃中毒性最大的一种高活性强致癌物,但并非直接致癌物,必须经细胞微粒体中的混合功能氧化酶激化才具有致癌性。长期生活在含苯并芘的空气环境中,会造成慢性中毒,空气中的苯并芘是导致肺癌的最重要的因素之一。

究其原因,采暖期环境空气B[a]P(C20 H 12)浓度普遍高于非采暖期,主要是叠加了当地采暖燃煤产生的烟尘、烟气的污染;同时冬季焦化工业废水生化处理站运行不正常,导致引用高浓度酚氰废水熄焦;同时还有寒冷冬季不利于空气中污染物扩散的气象条件等。

4 结论

通过对湿法熄焦工艺及雾霾天气的形成机理的分析,探讨了霾及焦化废水的主要成分及产焦区不同季节有机污染物的污染趋势,得出结论如下。

1)废水熄焦消耗大量的水资源,大量水体污染物转化成气态污染物进入大气层,干扰和改变了局部的环境气象条件,大量的水转雾和水体污染物转化成气溶胶输入大气层,进一步诱发了雾霾天气的形成,增加了产焦地区大气环境出现雾霾天气的几率,使产焦地区大气环境中有机污染物的浓度增高不降。

2)采暖期环境空气有机污染普遍高于非采暖期,主要是叠加了采暖燃煤产生的烟尘、烟气的污染,以及冬季焦化工业废水生化处理站运行不正常直接用高浓度酚氰废水熄焦,还有冬季不利于空气中污染物扩散的气象条件等因素。

3)干熄焦技术节能减排,可彻底解决废水熄焦带来的一系列环境问题,但焦化废水的处理、处置成为迫切需要解决的关键技术课题。

[1] 中华人民共和国环境保护部.HJT126-2003炼焦行业清洁生产标准[S].北京：标准出版社,2003.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB8978-1996污水综合排放标准[S].北京：标准出版社,1996.

[3] 张仁健.采暖期前和采暖期北京大气颗粒物的化学成分研究[J].中国科学院研究生院学报,2002,19(1)：75-81.

[4] 于凤莲.城市大气气溶胶细粒子的化学成分与来源[J].气象,2002,28(11)：3-6.

[5] 丁文军.国家污染物环境健康风险名录[M].北京：中国环境科学出版社,2009.