铜冶炼企业重金属污染物粒径分布特征研究.pdf

2 0 1 5 年第8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 6 7 d o i l o ．3 9 6 9 ／j ．i 跚I ．1 0 0 7 ‘7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 8 ．0 1 7 铜冶炼企业重金属污染物粒径分布特征研究 贾小梅1 ，何磊1 ，舒艳1 ，顾睿2 1 ．环境保护部环境发展中心，北京1 0 0 0 2 9 ；2 ．环境保护部环境工程评估中心，北京1 0 0 0 2 7 摘要对某铜冶炼企业铜冶炼有组织源和无组织源进行监测研究，并利用A E R M O D 空气质量模型对企 业重金属污染物扩散情况进行模拟，通过对铜冶炼企业环境空气质量浓度预测值与监测值的拟合结果 来验证铜冶炼企业废气中重金属污染物粒径分级的合理性。结果表明，污染源粒径分级参数的选择对 铜冶炼企业重金属污染物的空气质量浓度计算结果有显著影响；当采用“双闪”工艺的铜冶炼企业重金 属污染物铅、铜、砷、锌粒径参数质量百分比为2 5 ％、质量中位径为8 肛m 时，A E R M O D 空气质量模型能 较好地模拟该企业重金属污染物的扩散。 关键词铜冶炼；重金属；粒径 中图分类号X 7 5 8 ；T F 8 1 1 文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 】0 8 一0 0 6 7 一0 6 S t u d yo nP a r t i c l eS i z eD i s t r i b u t i o no fH e a V yM e t a l P o l l u t a n t si nC o p p e rS m e l t e r J I AX i a o m e i l ，H EL e i l ，S H UY a n l ，G UR u i 2 1 ．E n v i r o n m e n t a lD e v e l o p m e n tC e n t r e ，M i n i s t r yo fE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ，B e 巧i n g1 0 0 0 2 9 ，C h i n a ； 2 ．A p p r a i s a lC e n t e rf o rE n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g ，M i n i s t r yo fE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ，B e 巧i n g1 0 0 0 2 7 ，C h i n a A b s t r a c t T h eo r g a n i z e da n du n o r g a n i z e ds o u r c e si no n ec o p p e rs m e l t e rw e r em o n i t o r e d ． D i f f u s i o no fh e a v y m e t a lp o l l u t a n t si nt h ec o p p e rs m e l t i n gp l a n tw e r es i m u l a t e db yA E R M O Da i rq u a l i t ym o d e lt ov e r i f yt h e r a t i o n a l i t yo fp a r t i c l es i z eg r a d i n gf o rh e a v ym e t a lp o l l u t a n t si ne x h a u s tg a so fc o p p e rs m e l t i n gp l a n t sb y c o m p a r i s o nb e t w e e np r e d i c t i o nv a l u ea n dm o n i t o r i n gv a l u eo fc o p p e rs m e l t i n gp l a n te n v i r o n m e n t a la i rq u a l i t y c o n c e n t r a t i o n ．T h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tp a r t i c l es i z eo fh e a v ym e t a lp o I I u t a n t sh a ss i g n i f i c a n ti n n u e n c e o na i rq u a l i t yc o n c e n t r a t i o no fc o p p e rs m e l t i n gp l a n t s ．A E R M O Dm o d e li sc a p a b l et os i m u l a t ed i f f u s i o no f h e a v ym e t a lp o l l u t a n t si no n e “d o u b l ef l a s h ’’c o p p e rs m e l t e rw i t hp a r a m e t e ro fp a r t i c l es i z eo fl e a d ，c o p p e r ， z i n c ，a n da r s e n i co fq u a l i t yp e r c e n t a g eo f25 ％a n dq u a l i t yp a r t i c l em e d i a nd i a m e t e ro f8 肚m ． K e yw o r d s c o p p e rs m e l t e r ；h e a v ym e t a l ；p a r t i c l es i z e 近年来，国内专家学者对不同行业重金属的 分布及粒径特征做了大量研究工作[ 1 { ] 。铜冶炼 作为重金属污染物的主要工业来源之一，其冶炼 过程中所产生废气中含有铜、镉、铅、锌、铬等重金 属口。7 ] 。重金属污染物以大气为传输介质向外扩 散，并通过大气沉降向土壤、水体等环境介质迁 移[ 4 ] 。重金属污染物在大气中沉降的规律与其粒 径有直接关系，科学合理地选择铜冶炼企业大气 污染物中重金属污染物的粒径分布规律参数是行 业重金属污染大气预测科学可靠的前提。本文以 某铜冶炼企业为研究对象，对其铜冶炼有组织源 和无组织源进行监测研究，考察铜冶炼企业废气 收稿日期2 0 1 5 一0 3 一0 9 作者简介 基金项目环境保护部预算项目 2 1 1 0 2 0 3 作者简介贾小梅 1 9 8 卜 ，女，湖北荆州人，硕士，工程师；通信作者舒艳 1 9 7 8 一 ，女，重庆人，博士，高级工程师 万方数据 6 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第8 期 中重金属污染物粒径分布特征。 1 研究方法 1 ．1 技术路线 本研究以某铜冶炼企业为研究对象，对其“双 闪”工艺的铜冶炼有组织源和无组织源开展监测， 研究铜冶炼企业污染源重金属污染物粒径分布特 征。并结合A E R M O D 空气质量模型对铜冶炼企 业重金属污染物扩散情况进行模拟，通过对铜冶 炼企业环境空气质量浓度预测值与监测值的拟合 结果来验证铜冶炼企业废气中重金属污染物粒径 分级的合理性。 1 ．2 污染源强 为了详细了解铜冶炼企业重金属污染物的有 组织排放源和无组织排放源重金属排放规律，对 重金属排放源源强进行了监测。其中有组织源监 测主要包含污染物 烟尘、铅、镉、砷、铜、锌 浓度 值、污染物排放速率、烟气量、空气过剩系数、温 度，并记录监测当日的风向、风速、气温、气压、云 量，监测时间为1 天，监测频次为3 次。在正常工 况下进行监测。根据监测结果得到的重金属有组 织源源强信息见表1 。 表1 有组织排放的废气源强参数 T a b l e1P a r a m e t e I ．so fo r g a n i z e dw a s t eg a se m i s s i o n ss o u r c e s 竺墨炉烟气脱硫后 高度3 1 、内径1 ．o 尾气 一。’ 流量82 9 1 ．7m 3 ／h 、 出口温度1 3 0 ℃ 烟尘 铅 镉 砷 铜 锌 0 ．0 5 8 0 ．0 1 1 5 ．8 5 1 0 一3 0 ．0 1 9 0 ．0 1 5 6 ．9 2 1 0 一3 根据铜冶炼的无组织排放产生点情况 无组织排 放源平均排放高度5m 及厂区总平面布置，设置无 组织1 区 电解区 、无组织2 区 熔炼区 、无组织3 区 厂界 3 个区域，设置监测点位1 1 个。根据监测 当日的气象条件，按照大气污染物无组织排放监测 技术导则 H J ／T 5 5 2 0 0 0 进行监测，同期记录监测 时的风向、风速。根据监测结果核算无组织排放源 源强口] ，T S P 、铅、镉、铜、砷、锌等污染物因子的无组 织源强分别为o ．2 0 8 、o ．0 1 4 、o ．0 0 3 、o ．0 1 9 、o ．0 1 4 、 O ．0 4 7k g ／h 。 1 ．3 污染源粒径分级监测结果分析 1 ．3 ．1 有组织源 1 ．3 ．1 ．1 闪速熔炼、闪速吹炼炉环境集烟烟气 监测结果如下总尘浓度7 ．1 8 2m g ／m 3 、P M - o 质量浓度7 ．1 8 2m g ／m 3 、P M ．。质量浓度6 ．8 1 4 m g ／m 3 、P M 。质量浓度6 ．2 5 4m g ／m 3 、未检测到大于 1 0 Ⅱm 的颗粒。闪速熔炼、闪速吹炼炉环境集烟烟 气中尘粒子粒径小于1 0 弘m ，尘中P M ．。占 9 4 ．8 7 ％，P M 。占8 7 ．0 8 ％，尘主要为粒径小于等于 1 “m 的颗粒物。颗粒物中重金属含量见图1 。 闪速熔炼、闪速吹炼炉环境集烟烟气中铜、锌、 砷、镉和铅粒子都主要附着在粒径2 ．5 肚m 及其以 下的颗粒物上，其中6 0 ％以上集中在1 肛m 及其以 下的细颗粒物上。 1 ．3 ．1 ．2 精矿干燥系统及冰铜干燥系统烟气 监测结果如下总尘浓度4 ．3 0 5m g ／m 3 、P M 。。 质量浓度4 ．0 4 5m g ／m 3 、P M 2 ．5 质量浓度3 ．5 8 2 m g ／m 3 、P M l 质量浓度3 ．1 0 0m g ／m 3 。精矿干燥系 万方数据 2 0 15 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 6 9 图1闪速熔炼、闪速吹炼炉环境集烟烟气 颗粒中重金属元素分布图 F i g ．1 D i s t r i b u t i O nO fh e a V ym e t a lf r o m s m o k ec h a m b e ro ff l a s hs m e I t i n ga n d f l a s hc o n V e r t i n gf u r n a c e 统及冰铜干燥系统烟气中尘粒子主要为粒径小于 1 0p m 的颗粒物，粒径大于1 0 肛m 的颗粒物不足 1 0 ％，尘中P M 。。占9 3 ．9 6 ％，P M 2 ．。占8 3 ．2 1 ％，P M 。 占7 2 ．0 1 ％，尘主要为粒径小于等于1 肚m 的颗粒 物。颗粒物中重金属含量见图2 。 _ I 自 f s I 毫 k 出 3 遗3 ‘ 挺2 I 图2 精矿干燥系统及冰铜干燥系统烟气进入 烟囱入口位置颗粒中重金属元素分布图 n 昏2 D l i s t r i b u t i 蚰o fh 吼v ym e t a lo fs m o k ef m I n c 0 I 踟I 呐t ed I 咖S ’咖a I l dm a t t ed l 啊I 氅S y S t 锄 精矿干燥系统及冰铜干燥系统排放烟气中铜、 锌、砷粒子主要附着在粒径在1 0 ～2 ．5 扯m 的颗粒 物中，镉和铅粒子都主要附着在粒径2 ．5 “m 及其 以下的颗粒物中，其中6 0 ％以上集中在1 肚m 及其 以下的细颗粒物中，均有少量附着在粒径大于1 0 “m 的颗粒物中。 1 ．3 ．1 ．3 阳极炉烟气脱硫后尾气 监测结果如下总尘浓度1 0 1 ．7 4 3m g ／m 3 、 P M 。。质量浓度1 0 1 ．7 4 3m g ／m 3 、P M 2 ．；质量浓度 1 0 0 ．9 6 0m g ／m 3 、P M l 质量浓度6 9 ．9 3 1m g ／m 3 、未 检测到大于1 0l 上m 的颗粒。阳极炉烟气脱硫后尾 气中尘粒子粒径小于1 0 “m ，尘中P M ，。占1 0 0 ％， P M ．。占9 9 ．2 3 ％，P M ，占6 8 ．7 3 ％，尘主要为粒径小 于等于1 扯m 的颗粒物。颗粒物中重金属含量如图 3 所示。 图3阳极炉烟气脱硫后尾气进入烟囱入口 烟气中重金属元素分布图 F i g ．3 D i s t “b u t i o no fh e a V ym e t a Io f d e s u l f u r i z e df l u eg a sO fa n o d ef u r n a c e 阳极炉烟气脱硫后尾气中铜、锌、砷、镉和铅粒 子都主要附着在粒径2 ．5 扯m 及其以下的颗粒物 中，其中锌粒子6 0 ％以上集中在粒径2 ．5 ～1 “m 的 颗粒物中，铅粒子6 0 ％以上都集中在粒径1 “m 及 其以下细颗粒物中。均未附着于粒径大于1 0 “m 的颗粒物中。 1 ．3 ．2 无组织源 根据监测结果，本研究将T S P 、P M 。。和P M ．。以 及其中重金属污染物浓度的比例关系绘制成图4 。 监测数据显示，铜冶炼企业无组织排放上风 向和下风向监测的尘均主要以T S P 为主，重金属 粒子大部分附着在粒径大于2 ．5 肚m 的颗粒物上。 单独分析每个监测点的T S P 、P M ，。和P M 柱状 图，可以看出，采用“双闪”工艺的铜冶炼企业生产 区域无组织排放重金属污染物主要附着在P M 。。和 P M 25 中。 2 监测点位布设与监测结果 本文所有的实测数据为2 0 1 4 年5 月8 日至1 0 日对项目所在区域8 个监测点的尘和重金属污染物 日均浓度的监测结果，各点位位置及污染物浓度见 表2 。 X X X X X K Ⅲ Ⅲ 洲 愀 砌 ㈣ 姒 3 3 2 2 ● ● 一，E．望一、越艇 训辄蛳鞠川胤沁ⅢⅢ瓢。 fE．望一、龄蛙 万方数据 7 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第8 期 f E E ≮ 魁 3 0 2 5 2 0 1 5 监测点位 监测点位 监测点位 f 基 ● 三 、 魁 6 2 监测点位 234 监测点位 监测点位 a 尘【b 铅 c 铜 d 镉 e 砷 f 锌 图4无组织监测中金属粒子浓度比例关系图 F i g ．4 C 0 n c e n t r a t i o nr a t i oo fh e a V ym e t a l so fu n o r g a n i z e dm o n i t o r i n g 表2环境空气监测点位及污染物浓度监测值 T a b l e2P o u t a n tc O n c e n t r a t i o no fa i rm o n i t o r i n gp O i n t sa n dr e l a t e di n f o r m a t i o n 一，E．笺一、越 一，￡．望一、趟 一l_E．望一、越 一．．∈．兰一、巡 万方数据 2 0 1 5 年第8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 7 1 3模拟验证 3 ．1 预测参数的选取 地面气象资料采用企业所在地气象站2 0 1 3 年 全年逐日逐时气象数据 风速、风向、干球温度、气压 和相对湿度 ，一天4 次的总云量、低云量，以及全年 逐日降水量数据。高空数据采用M M 5 中尺度模拟 气象数据。模式中还包括计算区的土地利用类型、 植被覆盖等参数，这些参数根据项目所在地的特征 进行选取。项目所在地土地利用类型以农耕地为 主，计算所选用的参数见表3 。 表3 模式计算选用的地表参数 T a b l e3S u r f a c ep a r a m e t e r so fm o d ec a l c u l a t i o n 名称春季夏季秋季冬季 地表反照率 o ．1 4o ．2 0 o ．1 8o ．6 0 B 】W E N 参数 O ．3 0O ．5 00 ．7 01 ．5 0 地表粗糙度／m 0 ．0 3o ．2 0O ．0 5O ．0 1 3 ．2 预测情景设置 基于铜等重金属离子在预测模型中参数设置的 不确定性，而这些参数的选择对模拟预测结果有很 大影响，因此研究中根据参数敏感性设计了多种预 测方案，分别对实测值进行拟合分析。监测期间环 境风速为1 ．6 ～2 ．4m ／s ，平均风速2 ．om ／s 。飘尘 方案设计了2 个预测方案，方案1 细颗粒分级 7 5 ％、中粒径1 且m ；方案3 细颗粒分级2 5 ％、中粒 径8 肛m 。粉尘方案只设计了1 个预测方案，即方案 2 粒径1 0 肛m2 0 ％、3 0 弘m5 0 ％、5 0 肛m3 0 ％，质量 密度7g ／c m 3 。不同方案重金属元素的环境空气质 量浓度的模拟预测结果与实测值的比较见表4 。 从表4 可以看出，通过比较分析不同参数方案 下A E R M O D 模型的预测浓度值与监测结果，飘尘 方案中方案3 的参数能较好地模拟铜冶炼企业的 环境空气质量浓度，即重金属污染物铅、铜、砷、锌 粒径分级参数设置为细粒子质量百分比为2 5 ％、 表4不同预测方案模拟值与监测值拟合分析 T a b l e4 F i t t i n ga n a l y s i sO fd i f f e r e n tf o r e c 嬲t i n gr e s u l t sa n dm o n i t O r i n gv a l u e 元素方案l方案2方案3 l 。f ／毫2 l 。 ‘ ／／ ∥． ．’ ／／lm 8 ，。／／h n ’f l 抖 Z ∥．载f o钐■棼 巴【l I ．6 铅 j 型 } 4 鳍㈣ ‘’。 1 尹 4f 1 6I 81 ．o ” l J5 l 1I52 ． 1 ” f 1 21 1 41 1 6 1 1 8lf 监测值， “g ’m 一3 监测值， g ’m3 监测值， “g m 。 l 1 ∥手j∥ 1 l 澎争； 望㈤s 镉 面 箍 ” l } { 5o ．1 l l ‘，。 1 5 l j l 、‘ 1 5 1 l “ 监测值，【u g ’m 一3 监测值，雌．m 一3 监测值／ “g m 。 1 ．5 ／／董 l5 ∥ 。 lI 么■誊膨誊 铜 i 1 1 5 ；娶 妪 。’’ J ．5 I l5 ” ∽l 1l52 12 5 。 I 监测值／ g m 一3 监测值，【g ‘m3 ‘’5l o1 5 监测值／ g - m 。 万方数据 7 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第8 期 续表4 元素方案1方案2 方案3 1 ．5 丝 ．j ／ 0 钐 ． 1 ．O ／／ 01 ．5 砷 耋0 s 澎■郎 聚 ” 一o ．51 ．o1 ．5 ” o ．51 ．o1 ．52 ．o2 ．5 3 ．o o o 5l 石1 ．52 苟2 ．5 监滑值， p g ’m ．3 监测值， 鹏。m 一3 监测值， 耀m 。3 2 ．0 [ ，／／ ≤ ．j ／『／ ．．膨。 童1 ．5膨誊 胗，／．． 0 。o 5l 五l 52 ．0 菩1 ．o 锌 i 羲o ．5 聚 0 ．51 ．Ol - 52 ．0． 监测值， 雌m _ 3 ‘⋯。⋯ 三4 0 ⋯ 五施夏I 值必煺m - 3 全部粒子的质量中位径为8 肚m 时，预测值与实际 监测值最接近。镉粒子敏感点预测值与现状监测 值拟合均不理想，各方案均不能反应实际的分级 情况。 4结论 1 采用“双闪”工艺的铜冶炼企业有组织烟气中 的镉和铅粒子主要附着在粒径2 ．5 肚m 及其以下的 颗粒物中；精矿干燥系统及冰铜干燥系统排放烟气 中铜、锌、砷粒子主要附着在粒径1 0 ～2 ．5p m 的颗 粒物中。 2 铜业冶炼企业无组织排放上风向和下风向监 测的尘均主要以T S P 为主，重金属粒子大部分分布 在粒径大于2 ．5 肛m 的颗粒物上，生产区域无组织 排放重金属污染物主要附着在P M 。。、P M 中。 3 当重金属污染物铅、铜、砷、锌粒径分级参数 设置为细粒子质量百分比为2 5 ％、全部粒子的质量 中位径为8 肛m 时，A E R M O D 模型能够较好地预测 出铜冶炼企业周边重金属污染物空气质量浓度。环 境空气中的镉粒子浓度比预测值小，铜冶炼企业镉 粒子的污染源来源及核算方法有待研究。 参考文献 [ 1 ] 张远，石陶然，于涛，等．滇池典型湖区沉积物粒径与重 金属分布特征[ J ] ．环境科学研究，2 0 1 3 ，2 6 4 3 7 0 一 3 7 9 ． [ 2 ] 裘娜．不同粒径城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属形态 分析[ J ] ．广州化工，2 0 1 2 ，4 0 8 1 4 3 1 4 5 ． [ 3 ] 梁俊宁，李文慧，葛毅，等。铅锌冶炼厂不同工艺铅元素 粒径分布特征[ J ] ．环境科学，2 0 1 4 ，3 5 8 2 8 8 3 2 8 8 9 ． [ 4 ] 刘勇，王成军，刘华，等．铅锌冶炼厂周边重金属的空间 分布及生态风险评价[ J ] ．环境工程学报，2 0 1 5 ，9 1 4 7 7 4 8 4 ． [ 5 ] 刘勇，王成军，冯涛，等．重金属在铅锌冶炼厂内的空间 分布及污染评价口] ．西北大学学报自然科学版，2 0 1 4 ， 4 4 1 1 3 3 1 4 0 ． [ 6 ] 韩明霞，孙启宏．中国火法铜冶炼污染物排放情景分析 [ J ] ．环境科学与管理，2 0 0 9 ，3 4 1 2 4 0 一4 4 ． [ 7 ] 马倩玲，郭泉．铜冶炼企业的环境影响评价[ J ] ．有色金 属，2 0 0 9 ，6 1 1 1 2 5 1 2 8 ． [ 8 ] 李韧，陈谦，汪靖．高斯反推模式在铜冶炼企业无组织 大气污染源重金属排放量估算中的应用[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 1 9 1 1 ． 万方数据