钢铁企业颗粒物沉降对土壤重金属影响的预测方法探讨

梁向锋，杨新

(1.河南江河环境科技有限公司，郑州 450004；2.河南鑫磊集团控股有限公司，河南 安阳 455141)

大气中重金属污染的来源主要有化石燃料的燃烧、交通尾气的排放以及冶金化工等行业工业废气的排放，这些污染物在环境中稳定，毒性大，且容易在食物链中富集，已经成为威胁人类健康的重大问题[1]。大气可携带大量重金属随沉降作用进入土壤，其对土壤重金属累积贡献率在各种外源输入因子中排在首位。工业废气中的重金属元素主要是通过大气沉降进入土壤环境，是土壤重金属污染的主要途径之一[2-3]。钢铁企业周边，颗粒物的沉降是土壤重金属的最主要来源。钢铁企业废气除尘处理后，残留在废气中的重金属主要以可溶态、碳酸盐态、可氧化态存在。

在钢铁厂和燃煤电厂周围，大气铜的点源污染非常严重，如加拿大安大略地区熔炼厂3km内的土壤铜含量浓度水平较50km处的土壤铜高100倍[4]。2016年土壤污染防治行动计划的实施将土壤环境保护提到了新的高度。《环境影响评价技术导则 土壤环境(试行)》(HJ964—2018)给出了土壤大气沉降的预测方法，同时指出，重金属输入量的计算方法依据大气导则确定。

目前钢铁行业的环境影响评价工作中，少见有将重金属作为评价因子。笔者以某钢铁企业为例，利用AERMOD模型计算钢铁企业颗粒物中含有的重金属铅(Pb)、铜(Cu)、铬(Cr)、锌(Zn)对土壤累积的影响，叠加土壤背景值后与监测数据对比，研究钢铁行业颗粒物沉降对土壤重金属的影响。以期为同类项目的土壤环境影响评价工作提供借鉴参考。

1 AERMOD模型介绍

1.1 模型特点

AERMOD模型由美国国家环保局联合美国气象学会共同开发，该模型系统包括大气扩散模型、气象数据预处理、地形数据预处理3部分，是一个稳态烟羽扩散模式，可模拟点源、面源、体源等排放出的大气污染物在小时平均、日平均、长期浓度分布，适用于农村或城市地区，简单或复杂地形。模式使用每小时连续预处理气象数据模拟大于等于1h平均时间的浓度分布，适用于评价范围小于等于50km的评价项目。

1.2 模型数据输入

1)气象参数。实例分析中采用A市2017年全年逐日4次地面气象观测数据，包括风向、风速、气压、温度、相对湿度、总云量和低云量。该气象站与某钢铁厂排气筒的直线距离约为8km，可较好地反映所在地的低空气象参数；所需高空气象数据由中尺度气象模式MM5模拟生成。

2)地形参数。模型采用的地形参数来源于网站下载的中国90m精度的strm格式地形文件。

3)污染源参数。污染源数据采用A某钢铁厂产能进行核算，该企业位于A市西部，成立于2003年，至2018年对其下风向村庄进行土壤监测期间已连续运行15年。该企业年产烧结矿133万t/a、铁85万t/a、钢96万t/a，颗粒物及重金属排放情况见表1。表1中重金属铅、铜的排放速率根据赵浩宁[5]的研究进行核算，研究中没有列出的按照同一工序中的最低值进行计算。

1.3 颗粒物在大气中扩散和迁移特性参数的确定

颗粒物在大气中扩散和迁移规律研究表明，颗粒物粒径分布对其在大气中的扩散和迁移规律影响较大。本研究对颗粒物的粒径分布系数根据赵浩宁[5]、刘道清[6]的研究确定。

1.4 预测模式

大气沉降分为干、湿沉降两种形式。干沉降是指无降水条件下,空气中的污染物通过湍流输送和重力作用向地面沉降的过程。影响干沉降过程的因素主要分为气象要素和污染物本身在大气中的浓度水平。干沉降作用时间长、范围广,是干燥天气期间和干旱半干旱地区气溶胶的主要去除机理。湿沉降是指降雨、下雪使颗粒物沉降到地面的过程。一般来说，大气颗粒物沉降量干沉降为10%～20%，湿沉降为80～90%[7]。由于该企业颗粒物采用袋式除尘器，粒度较细，受重力作用沉降的颗粒物较少，绝大部分颗粒物沉降以湿沉降为主，因此,本次计算以干沉降占10%，湿沉降占90计。

1.5 土壤重金属预测

《环境影响评价技术导则 土壤环境(试行)》(HJ964—2018)附录E单位质量土壤中某种物质的增量：

△S=n(Is-Ls-Rs)/(ρb×A×D)

(1)

式中：△S为单位质量表层土壤中某种物质的增量，g/kg；Is为预测评价范围内单位年份表层土壤中某种物质的输入量，g；Ls为预测评价范围内单位年份表层土壤中某种物质经淋溶排出的量，g；Rs为预测评价范围内单位年份表层土壤中某种物质经径流排出的量，g；ρb为表层土壤容重，kg/m3(取1 250)；A为预测评价范围，m2，(1 900 000)；D为表层土壤深度，一般取0.2m；n为持续年份，15a。

同时，导则中还说明涉及大气沉降影响的，可不考虑输出量。因此，式(1)可以变形为：

△S=n×Is/(ρb×A×D)

(2)

单位质量土壤中某种物质的预测值可根据其增量叠加现状值进行计算：

S=Sb+△S

(3)

式中：Sb为单位质量土壤中某种物质的现状值，g/kg；S为单位质量土壤中某种物质的预测值，g/kg。

2 结果与讨论

距离该钢铁企业最近的敏感点有3个：A位厂区西侧，距离厂界100m；B位于厂区东南侧，距离厂界500m；C位于厂区北侧，距离800m。2018年对3个敏感点的土壤重金属含量进行了检测。用上述方法预测了ABC3个敏感点的重金属沉降量，并叠加背景值与实测值进行了比较分析，具体见表3。土壤重金属背景值参考李树斌等[8]1985—1986年对安阳市西南郊土壤重金属的研究成果。

由表3可知，用各污染物敏感点沉降量预测土壤重金属，得出的结果均较实测值偏低。各重金属网格最大沉降量预测结果，与背景值叠加后的结果均较敏感点更接近实测值。

3 结论

利用AERMPOD模型的大气沉降模式预测了某钢铁公司运行15年后周边3个敏感点土壤重金属的叠加影响，结果表明，对预测点的沉降通量预测结果偏低，用评价区域网格最大值较为接近实测值。基于环境影响评价应考虑最不利因素，本文推荐在利用AERMOD进行大气沉降土壤重金属预测时，采用网格最大值。

由于采样数据较少，本研究用一个实例进行模拟和实测值比较，比较结果是否准确和具有普适性还有待进一步研究。

表3 各预测点土壤颗粒物沉预测值