某尾矿库泄漏次生突发水环境锑污染事件的应急处置

邴永鑫, 卓琼芳, 黄大伟, 潘超逸, 冯立师, 虢清伟, 常莎. 某尾矿库泄漏次生突发水环境锑污染事件的应急处置[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2889-2895. doi: 10.12030/j.cjee.202009075
引用本文: 邴永鑫, 卓琼芳, 黄大伟, 潘超逸, 冯立师, 虢清伟, 常莎. 某尾矿库泄漏次生突发水环境锑污染事件的应急处置[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2889-2895. doi: 10.12030/j.cjee.202009075
BING Yongxin, ZHUO Qiongfang, HUANG Dawei, PAN Chaoyi, FENG Lishi, GUO Qingwei, CHANG Sha. Emergency disposal of a sudden water environmental accident with antimony pollution caused by leakage of tailings pond[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 2889-2895. doi: 10.12030/j.cjee.202009075
Citation: BING Yongxin, ZHUO Qiongfang, HUANG Dawei, PAN Chaoyi, FENG Lishi, GUO Qingwei, CHANG Sha. Emergency disposal of a sudden water environmental accident with antimony pollution caused by leakage of tailings pond[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 2889-2895. doi: 10.12030/j.cjee.202009075

某尾矿库泄漏次生突发水环境锑污染事件的应急处置

    作者简介: 邴永鑫(1986—),男,硕士,工程师。研究方向:水环境应急处置技术与应用,环境风险评估与管理。E-mail:bingyongxin@scies.org
    通讯作者: 常莎(1986—),女,硕士,高级工程师。研究方向:环境风险防控与应急,工程设计与咨询。E-mail:changsha@scies.org
  • 基金项目:
    广东省应用型科技研发专项(2016B020240007)
  • 中图分类号: X507

Emergency disposal of a sudden water environmental accident with antimony pollution caused by leakage of tailings pond

    Corresponding author: CHANG Sha, changsha@scies.org
  • 摘要: 2015年11月,由于E省某尾矿库2#排水井拱圈盖板破裂,导致大量尾矿浆从涵洞口喷出,进入A河,并沿河顺流进入B河、C江,使得C江沿线部分水厂停水。在此次突发事件中,E、F、G省采用断污染源、截污、清淤、投药降污、水库调蓄、水利稀释、饮水保障等工程手段,经过71 d的应急处置,受污染河道全线达标。通过现场试验,确定了0~2 ℃条件下应对锑污染的河道投药降污技术。在硫化钠、聚合硫酸铁投药技术的基础上,通过硫化钠+聚合硫酸铁(硫化钠法)混凝沉降法,使得锑去除率分别从12.3%、36.8%提高到95.1%。
  • 20世纪90年代初,WILLIAN E.R提出生态足迹的概念,可将人均消耗资源折算为地域面积,为资源合理利用和可持续发展提供指导[1]。生态足迹主题研究中,关于水资源生态足迹的研究自2014年之后有明显增加,逐渐发展为研究热点。近年来越来越多的学者们从水资源生态足迹角度出发,分析水资源利用及其与经济增长之间的关系[2-3]。ALESSANDRO et al[4]以维琴察市为例,提出了评估城市层面直接用水生态足迹核算方法。RATTANAWAN et al[5]研究了泰国水稻种植水足迹清单,以制定用水政策。MUHAMMADJONet al[6]通过计算塔吉克斯坦南部主要作物水足迹,评估气候变化对当前生长期作物需水量的影响,并确定最佳播种日期以减少未来作物需水量。CHANG et al[7]通过灰度关联模型、水资源生态足迹模型和主成分分析法对宁夏回族自治区的5个城市水资源环境承载力进行安全评价。CRUZ et al[8]研究了西班牙加那利群岛码头的碳足迹和水足迹。周悦等[9]运用水资源生态足迹盈亏模型,从时间和空间两个维度对辽宁省水资源生态盈亏和用水效率进行了研究。李宁等[10]利用水生态足迹计算模型,结合协调发展脱钩评价模型对长江中游城市群的水资源利用与经济增长协调关系进行评价。张杏梅等[11]从水量生态足迹和水质生态足迹视角分析了陕西省水资源利用与经济增长之间的关系并对其脱钩状态进行预测。李晓格等[12]以太阳能值转换率为参数,模拟区域水资源开发利用的动态变化趋势,分析了榆林市水资源可持续利用情况。

    为缓解水资源供需矛盾,治理水环境污染和修复生态环境,应当加强水资源循环利用,严格取用水管理,推广污水资源化利用。文献[13]报道,“十三五”时期,全国万元国内生产总值用水量、万元工业增加值用水量分别下降28.0%、39.6%,农田灌溉水有效利用系数显著提升。2021年“中国水周”的主题是“深入贯彻新发展理念,推进水资源集约安全利用”,对提高水资源利用效率提出重点任务。

    江苏省作为我国东南沿海地区经济大省,降雨量相对充足,但节水技术和用水方式与经济发展速度不匹配,万元国内生产总值用水量与周边的上海市、浙江省存在一定差距[14-15]。甘肃省位于西部缺水地区,东西部协作发展、黄河流域生态保护和高质量发展等政策的发布实施,对甘肃省用水结构和水资源利用效率提出更高要求。鉴于以上情况,本研究选取江苏省和甘肃省为主要研究对象,分析其人均用水生态足迹,结合“水源—取水—净水—排水—水处理—回用”环节,构建水资源循环利用体系,探讨再生水回用去向,以期为提高水资源循环利用效率提供参考。

    水资源生态承载力指在可持续发展的前提下,某一具体时期和特定区域的水资源可供量对社会系统和生态系统的支撑能力[16]。水资源生态足迹是在特定人口数量和经济发展水平下,将人们为了维持正常生产生活和良好生态环境消耗的水资源量折算为用地面积。根据水资源生态承载力与水资源生态足迹计算模型[16]得出江苏省和甘肃省2010—2019年水资源生态承载力和各用水方式水资源生态足迹。

    水资源生态承载力计算模型,见式(1):

    ECw=N×ecw=N×γw×ϕw×W÷Pw (1)

    式中:ECw为水资源生态承载力,hm2;N为人口数;ecw为人均水资源生态承载力,hm2/cap;γw为水资源全球均衡因子,此处取值5.19;ϕw为水资源用地的产量因子,江苏省取值1.02,甘肃省取值0.22;W为人均水资源消耗量,m3Pw为水资源世界平均生产能力,此处取3 140 m3/hm2

    水资源生态足迹计算模型,见式(2):

    EFw=N×efw=N×γw×W÷Pw (2)

    式中:EFw为水资源生态足迹,hm2;N为人口数;efw为人均水资源生态足迹,hm2/cap;γw为水资源全球均衡因子,此处取值5.19;W为人均水资源消耗量,m3Pw为水资源世界平均生产能力,此处取3 140 m3/hm2

    本研究将江苏省水资源生态足迹分为生产、生活、城镇环境和农田灌溉4个类别,甘肃省水资源生态足迹分为农业、城镇公共、工业、生活和生态5个类别。采用的年降水量、年水资源总量、全省总用水量、人口数、各行业用水量等数据分别摘自2011—2020年《江苏省水资源公报》《江苏省统计年鉴》和《甘肃省统计年鉴》。

    江苏省地势较低,地形以平原为主,属于温带向亚热带的过渡性气候,雨量适中,四季分明,河湖众多,水系复杂,为东部河网密集地区[17]。2019年江苏省水资源总量231.7亿m3,常住人口密度为753人/km2,城镇常住居民人均可支配收入51056元,农村常住居民人均可支配收入22675元。根据《2019年度江苏省生态环境状况公报》,2019年,全省水环境质量总体有所改善,纳入国家《水污染防治行动计划》和江苏省“十三五”地表水环境质量目标考核的断面中均无劣Ⅴ类。全省开展监测的75个农村饮用水水源地中,水质达到或优于Ⅲ类的有69个,达标率为92.0%;223个县域地表水点位中,水质达到或优于Ⅲ类的有162个,占72.7%。

    甘肃省位于中国西部地区,地处黄河中上游,山脉纵横交错,海拔相差悬殊,气候类型多样,大部分地区气候干燥,干旱、半干旱区占总面积的75%。2019年,甘肃省水资源总量325.9亿m3,城镇居民人均可支配收入32323.4元,农村居民人均可支配收入9628.9元。甘肃省68个地表水省控断面中,2019年无Ⅴ类、劣Ⅴ类水质。2019年甘肃省各城市、县城供水普及率分别达到98.81%和91.44%,城市和县城污水处理率分别为94%和89%,均达到全国平均水平。

    江苏省2010—2019年的人均水资源生态承载力在0.1936~0.6254 hm2/cap之间波动,总体呈下降趋势,见图1。人均承载能力最高的年份为2016年,最低值则出现在2019年,这是由于人均水资源承载能力与年水资源总量呈正相关,江苏省人口数量和用水需求逐年增加,而2019年降雨量较少,水资源压力指数大。

    图 1  2010—2019年江苏省人均水资源生态承载力和生态足迹总量
    Figure 1.  Ecological carrying capacity per capita and ecological footprint of water resources in Jiangsu Province from 2010 to 2019

    近十年来,江苏省优化生产结构和工艺,推动经济发展绿色转型[18]。江苏省人均水资源生态足迹先降后升,2011年达到最高值,为1.1639 hm2/cap,2016年为最低值0.9365 hm2/cap,之后的3年随着总用水量增加,人均水资源生态足迹略有增长。从其构成来看,人均生产用水量生态足迹占比最大,为90.94%~93.26%,其中以人均农田灌溉用水量生态足迹为主,见图2。《江苏省节约用水条例》《江苏省农业灌溉用水定额》等节水文件颁布实施,农田灌排基础设施不断完善,农田灌溉管理水平得到提高,农田灌溉用水量生态足迹逐渐下降。随着经济快速发展和生活水平的提升,用水需求不断增加,人均生活用水量生态足迹稳定增长,2019年达到0.0832 hm2/cap,较2010年增加了16.44%。人均城镇环境用水量生态足迹自2016年起有所回升,充分体现了居民对良好生活环境的追求,以及生态文明建设和绿色宜居在城镇规划中的重要性。

    图 2  2010—2019年江苏省各类别人均水资源生态足迹
    Figure 2.  Ecological footprint of water resources in Jiangsu Province from 2010 to 2019

    2010—2019年,江苏省人均水资源生态承载力均低于同年度人均水资源生态足迹,即呈生态赤字状态。2012年生态赤字达到最大值,为0.8 346 hm2/cap,说明江苏省水资源供需不平衡。江苏省属于河网密集地区,降雨量相对充沛,但其时空分布不均匀,水资源利用效率有待提高,应充分利用降雨,优化水资源利用方式。

    2010—2019年甘肃省人均水资源生态承载力波动上升,最低值为2015年的0.1112 hm2/cap,2018年人均水资源生态承载力明显增加,达到最高值0.1957 hm2/cap,这与年降雨量和年水资源总量增加有关,见图3。人均水资源生态承载力与区域年降水量、水资源用地的产量因子和人口数量直接相关,甘肃省处于西北干旱少雨地区,年水资源总量并不高,因此人均水资源生态承载力也低于江苏省,但二者间的差距逐年缩小。整体来看,近年来甘肃省水资源供需矛盾有所缓解,水资源生态系统与社会经济系统的协调性相对比较稳定。

    图 3  2010—2019年甘肃省人均水资源生态承载力和生态足迹总量
    Figure 3.  Ecological carrying capacity per capita and ecological footprint of water resources in Gansu Province from 2010 to 2019

    甘肃省2010~2019年人均水资源生态足迹持续下降,2019年的0.6868 hm2/cap为最低值,见图4。人均农业用水生态足迹自2014年来逐年降低,但2019年仍在人均水资源生态足迹总量中占据绝对优势,为77.82%,农业用水包括农田灌溉、林果地灌溉、草地灌溉、鱼塘补水和畜禽用水。人均城镇公共用水生态足迹呈增长趋势,2019年较2010年增幅为49.88%。人均生活用水生态足迹在2013年为最低值,随后又缓慢增加,2019年的增长率最大,为8.35%。人均生态用水生态足迹变化趋势与人均生活用水生态足迹相似,但其增长相对迅速,2015年较上一年增加了71.64%,说明随着经济社会发展,居民对环境质量的需求更高、更迫切。

    图 4  2010—2019年甘肃省各类别人均水资源生态足迹
    Figure 4.  Ecological footprint of water resources in Gansu Province from 2010 to 2019

    随着年降雨量增多,甘肃省人均水资源生态赤字状态有所缓解,年均增长率为1.34%。这说明甘肃省生态保护与建设规划、城乡环境卫生整洁行动实施方案以及污染物减排计划、山水林田湖草项目等的实施已取得初步成效,对提高区域水资源利用效率、改善水生态环境和缓解水资源供需矛盾起到了积极作用。

    2019年,全国供水总量6021.2亿m3,较2018年增加5.7亿m3。在总供水量中,再生水利用量占1.42%,集雨工程利用量占0.16%。我国水资源利用与城镇化发展目前逐渐趋于基本协调发展的状态,但水资源整体利用效率还有待提高[19]。尤其村镇供排水设施建设情况与城市的差距已逐年缩小,已初步具备水资源循环利用条件和空间,应因地因时制宜采取适用模式提高水资源利用效率[20]

    水资源循环利用是实现生态文明建设的重要手段之一[21],基本理念是在循环经济的基础上提高水资源利用效率。一是减量化,通过法律政策约束,在各行业采取节水措施、雨污水回用等以减少新鲜水取用量,减轻污水处理负荷。二是再利用,通过改进生产工艺促进工厂内小循环,改进水处理技术使经处理达标的污水或雨水回用于农田灌溉、道路清扫、绿化用水等。污水再生利用既可以缓解水资源短缺现象,又可以及时收集、解决污水排放去向问题,减少水环境污染。传统污水再生利用更多侧重于生产系统内局部循环,并未统筹兼顾生产、生活用水和生态用水[22]。本研究以江苏省和甘肃省为例,结合区域人均水资源生态承载力和人均水资源生态足迹,从“水源—取水—净水—排水—水处理—回用”流程着手,分析现存问题与对应措施,提出水资源循环利用技术体系,见图5

    图 5  水资源循环利用体系框架
    Figure 5.  Technical system framework of water resource recycling

    提高水资源利用效率应从保障饮水安全出发,通过制定法律、标准和监测预警等安全管理手段,以“预防为主,防治结合”的方式预防水源地水质污染,特别是村镇分散饮用水水源地。农村饮用水水源地的水质监测工作虽处于不断完善中,水质达标率也逐年提高。但与城市饮用水水源地相比,农村饮用水水源地水质达标率总体偏低,尤其是农村地下水饮用水水源地近几年呈现水质变差趋势[23]。对水资源需求量大的地区,完善饮用水水源地监测制度,加强饮用水水源地监管力度,是提升水资源循环利用的前提。

    在前端采取节水措施和净水措施是水资源循环利用的基础。例如农业灌溉采取喷灌、滴灌等方式,生活用水端使用节水型器具,优化生产工艺实现车间内水的局部循环利用,净化水质减少无效水排放等。保障污水收集处理率是推动水资源循环利用的重要条件。2019年城市、县城、建制镇和乡污水处理率分别为96.81%、93.55%、54.43%和18.21%,同年城市和县城再生水利用量分别占污水处理总量的21.62%和10.55%。市区在基本实现污水处理的情况下,已开展再生水回用;村镇地区因其污水集中收集处理率整体偏低,可鼓励农户分散或村域集中处理后就地资源化利用。

    江苏省2010—2017年人均农田灌溉用水生态足迹占人均水资源生态足迹总量的48.50%~53.98%。研究表明,农业用水占江苏省南水北调受水区供水量的65%以上[24],贯彻水循环理念,提高灌溉用水效率,可有效减少用水量。对于降雨充沛、经济较为发达、人口分布相对集中的江苏省,建议改进农田灌溉技术,采用喷灌、滴灌等方式;在排水系统设计时可充分考虑雨污分流,把雨水通过收集、处理,应用于家庭冲厕;或处理后流入河流、池塘,作景观用水。污水处理技术的选用则主要考虑污染物处理效果、运行稳定性、环境影响等因素,处理达标后,优先回用于用水量较多的农林牧渔业用水和工业用水。

    甘肃省2010—2019年人均农业用水生态足迹占人均水资源生态足迹总量的77.34%~81.32%。同时甘肃省农田灌溉用水量占农业用水量的绝大部分,2019年其比例为90.11%,农田灌溉用水量是林牧渔畜用水量的9倍。由此可见,可优先考虑将处理达标的再生水回用于农田灌溉,特别是降雨匮乏地区。对于甘肃省,因其经济条件一般、气候干燥,在污水处理达标的前提下,需综合考虑处理效果和经济性,即运行稳定性、基建成本、运行成本等。再生水回用阶段应兼顾城镇公共和生态用水,通过洒水降尘、河湖景观用水,优化生态环境,实现水资源化利用,同时有助于实现生态固碳和绿色宜居。

    东部地区河流水系分布多,工业相对发达,水资源生态承载力较高,但不同年份的年降雨量和人口数量变化大,因此人均水资源生态承载力和人均水资源生态足迹波动明显,而中西部干旱缺水地区相对稳定。东部地区应进一步发展科技,减少工业用水和生活用水压力;中西部地区可通过引水工程等手段干预水资源生态承载力,保障水资源生态系统与社会经济系统的协调发展。处理后的污水、雨水循环利用可有效减少新鲜水取用量,再生水回用去向具体可根据不同地区主要用水行业确定优先级。通过对江苏省、甘肃省的水资源生态足迹分析,可以发现农业用水效率有待提高,传统农业发达地区的生态赤字不容忽视,此类地区可充分考虑将再生水回用于农田灌溉。

    2010—2019年以来,江苏省人均水环境承载能力呈波动下降趋势;人均水资源生态足迹总体来说略有增长,其中以人均农田灌溉用水量生态足迹为主;江苏省人均水资源生态承载力均低于同年度人均水资源生态足迹,呈生态赤字状态。甘肃省人均水资源生态承载力有所上升,人均水资源生态足迹逐年下降,占比最大的仍是人均农业用水生态足迹,人均生态用水生态足迹明显增长,人均水资源生态赤字逐年缓解。

    循环利用是实现水资源可持续发展的必要手段,提高水资源循环利用率可从水源保护、节水净水、污水收集处理后回用、雨水资源化利用等多维度出发,根据区域水资源分布和用水特征因地因时制宜地选择雨污水处理技术、标准和再生水回用去向。再生水应优先回用于生产、生活用水,兼顾生态用水,具体比例可根据各产业人均用水生态足迹确定。通过科学用水、技术节水加强水资源各个环节的循环利用,促进水资源可持续利用。

  • 图 1  尾矿库2#排水井破损现场照片

    Figure 1.  Photo of the damage site of 2# drainage well in tailing pond

    图 2  尾矿库排水系统示意图

    Figure 2.  Highlight of the drainage system of the tailings reservoir

    图 3  F省B河投药降污效果图

    Figure 3.  Pollution reduction effect map of chemical dosing in B River in F Province

    图 4  水厂除锑工艺效果图

    Figure 4.  Effect map of antimony removal in I water plant

    表 3  E、F、G三省锑的迁移过程

    Table 3.  Migration process of antimony in E, F and G provinces

    省份流域断面里程/km污染前锋污染峰团开始持续达标时刻
    到达时刻距事发时间/h到达时刻距事发时间/h峰值质量浓度/(mg·L−1)超标倍数
    E省A河事发点023日21时20分023日21时50分0.52.8559处理后达标
    A河与B河交汇口2324日5时7.524日12时15.523992016年1月25日20时
    B河大桥14324日15时1825日0时27.51.182352016年1月1日0时
    大桥26824日23时2625日7时30分351.16231无监测数据
    大桥38025日10时3726日10时620.9179无监测数据
    出E省断面10725日19时4626日20时720.611212016年1月25日20时
    F省B河E省、F省交界处11726日2时5327日12时880.621232016年1月28日20时
    F1水库坝首13227日4时7929日12时1360.244 347.862016年1月28日20时
    C江B河汇入C江下游1 km处14811月28日12时11211月30日10时1580.23846.62016年1月4日10时
    F2水库库首21212月1日22时19412月3日8时2280.0417.212月24日18时
    出F省断面25212月4日6时25012月5日23时2910.028 54.712月26日12时
    C江F省、E省交界处26212月4日18时26712月12日18时4540.020 93.1812月26日0时
    I水厂上游2公里断面31812月7日2时31712月8日3时3430.02103.212月24日8时
      注:污染前锋是指第一次出现超标的情况;污染峰团是指污染物浓度最高的情况;E省数据为监测与模拟结果,F省、G省数据为应急监测结果。
    省份流域断面里程/km污染前锋污染峰团开始持续达标时刻
    到达时刻距事发时间/h到达时刻距事发时间/h峰值质量浓度/(mg·L−1)超标倍数
    E省A河事发点023日21时20分023日21时50分0.52.8559处理后达标
    A河与B河交汇口2324日5时7.524日12时15.523992016年1月25日20时
    B河大桥14324日15时1825日0时27.51.182352016年1月1日0时
    大桥26824日23时2625日7时30分351.16231无监测数据
    大桥38025日10时3726日10时620.9179无监测数据
    出E省断面10725日19时4626日20时720.611212016年1月25日20时
    F省B河E省、F省交界处11726日2时5327日12时880.621232016年1月28日20时
    F1水库坝首13227日4时7929日12时1360.244 347.862016年1月28日20时
    C江B河汇入C江下游1 km处14811月28日12时11211月30日10时1580.23846.62016年1月4日10时
    F2水库库首21212月1日22时19412月3日8时2280.0417.212月24日18时
    出F省断面25212月4日6时25012月5日23时2910.028 54.712月26日12时
    C江F省、E省交界处26212月4日18时26712月12日18时4540.020 93.1812月26日0时
    I水厂上游2公里断面31812月7日2时31712月8日3时3430.02103.212月24日8时
      注:污染前锋是指第一次出现超标的情况;污染峰团是指污染物浓度最高的情况;E省数据为监测与模拟结果,F省、G省数据为应急监测结果。
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    表 1  3种试验方法及除锑效率

    Table 1.  Three experimental methods and antimony removal efficiency rates

    试验方法试验条件锑质量浓度/(μg·L−1)锑去除率/%
    pH投加方法初始值处理后的值
    投加硫化钠8~9加30倍锑质量含量的硫化钠,充分搅拌60 min1 000876.1612.38
    投加聚合硫酸铁8~9加50倍锑质量含量的三价铁盐混凝剂聚合硫酸铁,充分搅拌40 min1 000631.0836.89
    投加“硫化钠+聚合硫酸铁”8~9加30倍锑质量含量的硫化钠,充分搅拌60 min;加50倍锑质量含量的三价铁盐混凝剂聚合硫酸铁,充分搅拌40 min1 00049.0095.1
    试验方法试验条件锑质量浓度/(μg·L−1)锑去除率/%
    pH投加方法初始值处理后的值
    投加硫化钠8~9加30倍锑质量含量的硫化钠,充分搅拌60 min1 000876.1612.38
    投加聚合硫酸铁8~9加50倍锑质量含量的三价铁盐混凝剂聚合硫酸铁,充分搅拌40 min1 000631.0836.89
    投加“硫化钠+聚合硫酸铁”8~9加30倍锑质量含量的硫化钠,充分搅拌60 min;加50倍锑质量含量的三价铁盐混凝剂聚合硫酸铁,充分搅拌40 min1 00049.0095.1
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    表 2  本次事件主要应急原位除锑工程与技术方法汇总表

    Table 2.  Summary of engineering and technical methods for emergency site in situ antimony removal

    行政区地点时间锑超标倍数流量与水温处理工艺主要参数现场处理效率与效果备注
    E省A河汇入B河前约1 km2015年12月4—12日20~401.8 m3·s−1夜间水温<6 ℃弱酸性铁盐混凝沉淀法加盐酸或硫酸调节pH至6.0,投加聚合硫酸铁180 mg·L−1平均64.6%加温溶药。水温<2 ℃时效果差
    2015年12月12—20日5~201.4 m3·s−1夜间水温<0 ℃硫化钠+聚合硫酸铁硫化钠20 mg·L−1,聚合硫酸铁150 mg·L−1>85%加温溶药。适应低温,产泥量少,淤泥不易复溶
    A河汇入B河前约15 km2015年12月6日—2016年1月31日<51.0 m3·s−1,全天水温<0 ℃硫化钠+聚合硫酸铁硫化钠14 mg·L−1,聚合硫酸铁120 mg·L−1>95%,达标加温溶药,增加沉淀时间。适应低温环境,产泥量少,淤泥不易复溶
    A河汇入B河前约2 km2015年12月20日—2016年1月31日<51.0 m3·s−1,全天水温<0 ℃硫化钠+聚合硫酸铁硫化钠14 mg·L−1,聚合硫酸铁120 mg·L−1>95%,达标加温溶药,增加沉淀时间。适应低温环境,产泥量少,淤泥不易复溶
    尾矿库涵洞下方2016年1月10日之前200200 m3·d−1夜间水温<0 ℃氢氧化钠+聚合硫酸铁加氢氧化钠调节pH9.0~9.5,聚合硫酸铁750 mg·L−1>95%,超标倍数<33~4 d需清理1次污泥,仅可白天高温时运行,不适应低温,淤泥易复溶
    2016年1月10日之后200200 m3·d−1全天水温<0 ℃硫化钠+聚合硫酸铁硫化钠75 mg·L−1,聚合硫酸铁300 mg·L−1>95%,超标倍数<37 d清理1次污泥,可全天运行,适应低温和高浓度处置,淤泥不易复溶
    B河B1水电站2015年12月3—5日5~1515~20 m3·s−1弱酸性铁盐混凝沉淀法加盐酸调整pH到5.0,投加聚合硫酸铁100 mg·L−1,混凝沉淀后加液体烧碱回调pH到7.7沉淀池拦水坝按照流域整体水利调度于12月4日被拆除,未进行对比监测
    F省B河F1水库下游2015年11月30日—12月4日7~5115~20 m3·s−1弱酸性铁盐混凝沉淀法加盐酸调整pH到5.0,投加聚合硫酸铁100 mg·L−1,混凝沉淀后加液体烧碱回调pH到7.7平均50%
    G省(H市)I水厂从12月7日7时开始运行,至12月29日结束2.34平均0.42 m3·s−1弱酸性铁盐混凝沉淀法(1)配水井处投加盐酸,将原水调整为pH 5.0~5.3;(2)絮凝池前端投加聚合硫酸铁,在絮凝池出水端监测pH 5.3~5.8;(3)经过2级沉淀后,在出水端投加食品级碳酸钠(食用纯碱),确保滤池出水端pH 7.8左右。平均80%,达标出厂锑浓度持续<4 µg·L−1
    行政区地点时间锑超标倍数流量与水温处理工艺主要参数现场处理效率与效果备注
    E省A河汇入B河前约1 km2015年12月4—12日20~401.8 m3·s−1夜间水温<6 ℃弱酸性铁盐混凝沉淀法加盐酸或硫酸调节pH至6.0,投加聚合硫酸铁180 mg·L−1平均64.6%加温溶药。水温<2 ℃时效果差
    2015年12月12—20日5~201.4 m3·s−1夜间水温<0 ℃硫化钠+聚合硫酸铁硫化钠20 mg·L−1,聚合硫酸铁150 mg·L−1>85%加温溶药。适应低温,产泥量少,淤泥不易复溶
    A河汇入B河前约15 km2015年12月6日—2016年1月31日<51.0 m3·s−1,全天水温<0 ℃硫化钠+聚合硫酸铁硫化钠14 mg·L−1,聚合硫酸铁120 mg·L−1>95%,达标加温溶药,增加沉淀时间。适应低温环境,产泥量少,淤泥不易复溶
    A河汇入B河前约2 km2015年12月20日—2016年1月31日<51.0 m3·s−1,全天水温<0 ℃硫化钠+聚合硫酸铁硫化钠14 mg·L−1,聚合硫酸铁120 mg·L−1>95%,达标加温溶药,增加沉淀时间。适应低温环境,产泥量少,淤泥不易复溶
    尾矿库涵洞下方2016年1月10日之前200200 m3·d−1夜间水温<0 ℃氢氧化钠+聚合硫酸铁加氢氧化钠调节pH9.0~9.5,聚合硫酸铁750 mg·L−1>95%,超标倍数<33~4 d需清理1次污泥,仅可白天高温时运行,不适应低温,淤泥易复溶
    2016年1月10日之后200200 m3·d−1全天水温<0 ℃硫化钠+聚合硫酸铁硫化钠75 mg·L−1,聚合硫酸铁300 mg·L−1>95%,超标倍数<37 d清理1次污泥,可全天运行,适应低温和高浓度处置,淤泥不易复溶
    B河B1水电站2015年12月3—5日5~1515~20 m3·s−1弱酸性铁盐混凝沉淀法加盐酸调整pH到5.0,投加聚合硫酸铁100 mg·L−1,混凝沉淀后加液体烧碱回调pH到7.7沉淀池拦水坝按照流域整体水利调度于12月4日被拆除,未进行对比监测
    F省B河F1水库下游2015年11月30日—12月4日7~5115~20 m3·s−1弱酸性铁盐混凝沉淀法加盐酸调整pH到5.0,投加聚合硫酸铁100 mg·L−1,混凝沉淀后加液体烧碱回调pH到7.7平均50%
    G省(H市)I水厂从12月7日7时开始运行,至12月29日结束2.34平均0.42 m3·s−1弱酸性铁盐混凝沉淀法(1)配水井处投加盐酸,将原水调整为pH 5.0~5.3;(2)絮凝池前端投加聚合硫酸铁,在絮凝池出水端监测pH 5.3~5.8;(3)经过2级沉淀后,在出水端投加食品级碳酸钠(食用纯碱),确保滤池出水端pH 7.8左右。平均80%,达标出厂锑浓度持续<4 µg·L−1
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  • [1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 地表水环境质量标准: GB 3838-2002[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2012.
    [2] 中华人民共和国卫生部, 中国国家标准化管理委员会. 生活饮用水卫生标准: GB 5749-2006[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007.
    [3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 锡、锑、汞工业污染物排放标准: GB 30770-2014[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2014.
    [4] 世界卫生组织. 饮用水水质准则[M]. 4版. 上海: 上海交通大学出版社, 2014.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-10
  • 录用日期:  2021-04-26
  • 刊出日期:  2021-09-10
邴永鑫, 卓琼芳, 黄大伟, 潘超逸, 冯立师, 虢清伟, 常莎. 某尾矿库泄漏次生突发水环境锑污染事件的应急处置[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2889-2895. doi: 10.12030/j.cjee.202009075
引用本文: 邴永鑫, 卓琼芳, 黄大伟, 潘超逸, 冯立师, 虢清伟, 常莎. 某尾矿库泄漏次生突发水环境锑污染事件的应急处置[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2889-2895. doi: 10.12030/j.cjee.202009075
BING Yongxin, ZHUO Qiongfang, HUANG Dawei, PAN Chaoyi, FENG Lishi, GUO Qingwei, CHANG Sha. Emergency disposal of a sudden water environmental accident with antimony pollution caused by leakage of tailings pond[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 2889-2895. doi: 10.12030/j.cjee.202009075
Citation: BING Yongxin, ZHUO Qiongfang, HUANG Dawei, PAN Chaoyi, FENG Lishi, GUO Qingwei, CHANG Sha. Emergency disposal of a sudden water environmental accident with antimony pollution caused by leakage of tailings pond[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 2889-2895. doi: 10.12030/j.cjee.202009075

某尾矿库泄漏次生突发水环境锑污染事件的应急处置

    通讯作者: 常莎(1986—),女,硕士,高级工程师。研究方向:环境风险防控与应急,工程设计与咨询。E-mail:changsha@scies.org
    作者简介: 邴永鑫(1986—),男,硕士,工程师。研究方向:水环境应急处置技术与应用,环境风险评估与管理。E-mail:bingyongxin@scies.org
  • 生态环境部华南环境科学研究所(生态环境部生态环境应急研究所),广州 510530
基金项目:
广东省应用型科技研发专项(2016B020240007)

摘要: 2015年11月,由于E省某尾矿库2#排水井拱圈盖板破裂,导致大量尾矿浆从涵洞口喷出,进入A河,并沿河顺流进入B河、C江,使得C江沿线部分水厂停水。在此次突发事件中,E、F、G省采用断污染源、截污、清淤、投药降污、水库调蓄、水利稀释、饮水保障等工程手段,经过71 d的应急处置,受污染河道全线达标。通过现场试验,确定了0~2 ℃条件下应对锑污染的河道投药降污技术。在硫化钠、聚合硫酸铁投药技术的基础上,通过硫化钠+聚合硫酸铁(硫化钠法)混凝沉降法,使得锑去除率分别从12.3%、36.8%提高到95.1%。

English Abstract

  • 突发环境污染事件具有发生的时间突然性、污染范围不确定性、负面影响的多重性,涉及社会安定、经济发展、生态环境及人群健康等方面。特别是流域性的突发环境污染事件极易造成跨市、跨省,甚至跨国污染,可能导致影响饮用水源地,造成水厂进水超标,严重时甚至造成停止供水。地方政府及有关部门在应对突发环境事件时,往往缺乏相关理论与实践经验,应急监测能力不足,装备、设备也很难满足应急需求。即使是有经验的专家,也同样会遇到突发环境事件中的特征污染物没有现成的处理工艺,需在短时间内开发研究新的处理工艺,同时还需克服现场各种不利条件。在众多突发环境事件中,污染物的来源是未知的,因此,还需要快速锁定并切断污染源,这是发生突发环境事件应急处置中的另一难点。在时间紧迫的情况下,若应急处理失败,则将可能导致数百上千人的健康受到威胁。

  • 2015年11月23日,E省某尾矿库2#排水井井座上第1层井圈、水面下约6 m处、东北偏北方向的井架两立柱间8块拱板破损脱落(见图1),形成了面积约5.28 m2的缺口,造成排水井周边、缺口以上约25 362 m3尾矿经破损洞口—排水井—排水管—排水涵洞等排水系统(见图2)后,从涵洞口喷涌而出,进入紧邻的A河,污染物顺A河水流扩散迁移,进而污染B河、C江。A河至C江F省段没有饮用水取水点,C江G省设有饮用水取水点。因此,此事件对沿线部分群众生产生活用水造成了一定影响。尾矿砂进入水体后迅速扩散,11月26日20时,B河入F省境内2 km处的锑浓度为0.556 5 mg·L−1,超标110倍。当时预计污染物前锋于12月6日凌晨到达G省H市饮用水水源地。12月7日18时C江F省和G省交界处超标3.2倍,H市I水厂取水口上游2 km的断面超标2.3倍。整个流域污染物逐步向下游扩散,浓度整体上进一步下降。

  • 锑(Sb)是一种有毒的、生物体非必需的化学元素,对人体及生物具有慢性毒性及致癌性,在水环境中主要以五价锑形式存在。国内外尚未出现锑急性或者慢性损伤的案例。

    我国《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[1]表3“集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值”中规定锑浓度限制值为0.005 mg·L−1,对其他功能水体锑浓度未作规定。《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[2]将锑列为非常规指标,其限值为0.005 mg·L−1。在行业标准方面,《锡、锑、汞工业污染物排放标准》(GB 30770-2014)[3]规定现有企业水污染物排放限值为1.0 mg·L−1,新建企业水污染物排放限值为0.3 mg·L−1,特定区域排放限值为0.3 mg·L−1。世界卫生组织规定饮用水标准[4]中锑的浓度限值为0.02 mg·L−1

    G省H市区最主要的集中式饮用水取水口位于C江F省和G省交界下游约60 km处。应急处置专家根据污染形势和水文条件判断,该取水口锑浓度可能超标,如不采取有效措施,将会影响H市区正常供水。鉴于受事件影响的B河汇入C江,故将应急处置工作目标确定为:地表水体中锑浓度达到集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值的0.005 mg·L−1;其他重金属项目评价标准执行《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[1]Ⅲ类标准(按照《甘肃省地表水功能区划2012—2030年》,西汉水属于Ⅲ类功能区)。

  • 事故发生后,11月27日晚,E、F、G三省政府及环保、水利等有关部门联合召开了现场工作会。会上确定本次突发环境事件整体处置思路为:E省要坚决切断污染源,并沿途设置拦截设施;F省要全力以赴做好污染物拦截和处置工作;G省H市水厂在专家指导下储备好应急物资,做好应急准备,全力保障H市饮用水安全。三省建立了联动与信息通报机制,及时向社会发布事件动态信息。

  • 在事件发生的第一时间,E省安监局组织专家按照“应急封堵—临时加固—永久加固”的工作思路,开展了排水井封堵工作。永久加固工程于2016年1月14日完工,避免了尾矿砂再次泄露。其次,为了避免喷涌到A河的尾矿砂被河水携带到下游,自12月13日开始启动了A河永久性改道工作,通过在原河道和新河道之间砌筑河堤的方式,将河道向远离涵洞方向改道80 m,于2016年4月18日竣工。最后,对涵洞口出水,建设加固和防渗的沉淀池,并在沉淀池中通过混凝沉淀技术处理涵洞出水。通过上述措施,在河床存在上游污染、锑污染物持续溶解析出的情况下,自12月20日开始,A河入B河河口处的锑污染物浓度被控制在超标4倍以下,达到了切断污染源头的目标。

  • 此次突发污染事件中,E省承担拦截污染物的主要责任,通过控制B河出E省的流量,可为H市水厂应急处置争取时间。从11月30日起实施的拦截措施包括:1)通过在A河、B河的干流、支流上建设拦水坝198座,共拦截污染水体385×104 m3;2)对B河B1水电站落闸以拦截污染物;3)对B河支流的B2水电站、B3水电站落闸蓄水,减小未污染河水下泄造成下游污染水体量增大。

    通过上述措施,自12月3日13时开始,B河出省流量控制为3~5 m3·s−1(较之前流量平均减少约80%),并持续29 h。根据流量变化推算,相关措施为下游应急处置工作争取了约134 h。由于构筑坝体数量较多并存在一定的安全隐患,自12月4日0时起,按照“先上游后下游,先干流后支流”和“险坝优先、总量控制、兼顾稀释”的原则,对B河流域拦截坝实施泄流放水。

  • 因尾矿砂泄漏量大,为确保C江I市水厂供水安全,在切断污染源并实施截污工程的基础上,采用投药沉淀法将污染河流中的锑沉降,削减受污染河道中的锑浓度。专家组对比了0~2 ℃下,直接投加硫化钠、聚合硫酸铁和“硫化钠+聚合硫酸铁”3种方法对锑的去除效果,发现采用“硫化钠+聚合硫酸铁”法去除效果最好(3种试验方法及处理效率见表1),更能适应低温环境。该法利用废水中重金属离子具有胶体的沉降稳定性和聚合不稳定性,聚合硫酸铁既可破坏胶体的稳定性,又可促进重金属离子与硫化钠生成硫化物沉淀,从而去除水中锑离子。该法在实施过程中产泥量少,淤泥不容易复溶,对锑去除率最高可达到97%,但应特别注意硫化钠的投加量。硫化钠在水中会形成溶解性H2S、HS、S2-以及存在于悬浮物中的可溶性硫化物等物质。若投加过量可能导致水体颜色发黑,产生刺激性臭味。而水中的硫化物容易水解,以H2S形式释放到空气中,被大量吸收后会产生恶心、呕吐,甚至呼吸困难等。因此,在投加前应做好小试试验,摸清最佳投加量,做到精准投加,将硫化钠对河道的影响降至最低。突发环境事件应急处置过程中使用硫化钠时应注意,其水溶液呈碱性,触及皮肤和毛发时会造成灼伤。硫化钠水溶液在空气中会被缓慢氧化成硫代硫酸钠、亚硫酸钠、硫酸钠和多硫化钠。因硫代硫酸钠的生成速度较快,故硫化钠氧化的主要产物是硫代硫酸钠。硫化钠在空气中潮解,并发生碳酸化而变质,不断释放出硫化氢气体,因此,在操作过程中应特别注意个人防护。

    E省投药降污工作的具体运行方式有2类:一类是用于处理高锑浓度水,主要包括事发点围堰区投药点;另一类是用于降低A河入B河锑浓度的投药点,主要包括A1、A2和A3投药点。F省投药点在B河上F1水库下游约3.9 km和9.9 km处分别设置了2个应急投药点。各投药点投药工艺、运行时间以及投药效果等详见表2。F省B河投药降污效果见图3

  • 采用硫化钠法产生的沉淀物,有再次复溶的风险,且对底栖生物具有潜在危害。为此,自12月1日起,对A河、B河沉积物进行清淤。一是清理围堰内的污染底泥,并清运到弃渣场集中堆放;二是利用A河断流时机,集中清理处置污染底泥及岸滩沉积物;三是持续清理各投药点的沉积污染物。截至2016年1月31日,应急处置期间总清污量约13 700 t,其中河道及重点区域清运尾砂约2 600 t,清理河道砂石和淤泥混合物等约11 100 t。受污染河道底泥经脱水至含水率80%后,交由有资质的单位处置。根据《国家危险废物名录(2016版)》中新增“危险废物豁免管理清单”规定,由危险化学品、危险废物造成的突发环境事件及其处理过程中产生的废物,在转移和处置或利用过程中可不按危险废物进行管理。

  • 在F省,通过对F1水库和F2水库的水利调蓄,在拦截污染物、蓄水稀释降低锑浓度峰值等方面发挥了重要作用,亦为下游布设投药点、筑设拦截坝以及H市布设应急输水管道和I水厂工艺改造等争取了宝贵时间。G省H市城区下游5个县区的30个乡镇、266处集中供水工程均在C江沿线取水,涉及供水人口29.6×104人。为保障下游群众供水安全,自12月7日起,3次调度G1水电站增加下泄流量,以稀释污染水体。自12月24日8时起,C江H市I水厂取水点上游断面开始达标,调水稀释处置措施随即停止。

  • E省及F省采取了以下供水保障措施:告知E省及F省沿线群众停止从A河、B河取水,停用A河、B河沿河附近的井水、泉水;对A河、B河流域的集中式饮用水源和居民自备井开展监测,对超标的自备井全部进行了封堵或拆除;针对饮用水不达标的区域,通过引入山泉水或者接城市管网的应急供水管线。

    G省主要从2个方面开展供水保障:一是启用备用水源;二是对开展水厂除锑工艺改造。除锑工艺采用酸性条件下硫酸聚铁沉降法,除锑工艺效果详见图4。I水厂除锑工艺从12月7日7时开始运行,至12月29日结束,共运行22 d,处理的原水锑浓度最高达0.016 7 mg·L−1(超标2.34倍),出厂浓度稳定在0.004 mg·L−1以下。

  • 污染物锑从E省尾矿库喷出后进入A河,然后汇入B河;进入F省并汇入C江后,进入G省H市。在E、F、G三省各断面污染物锑的迁移过程见表3

  • 根据E省环境应急监测数据及模拟计算结果,污染物锑在E省重点断面的迁移过程为:11月24日5时即距事发7.5 h后,污染团前峰到达A河与B河交汇口;11月25日19时即事发46 h后,污染团前峰到达出E省断面;11月26日2时即事发53 h后,污染团前峰到达E、F省交界处。E省境内污染团峰值出现在事发点处,峰值浓度为2.8 mg·L−1,超标倍数为559。2016年1月25日20时即事发63 d后,A河与B河交汇口断面、出E省断面持续稳定达标;1月28日20时即事发67 d后,E、F省交界处断面持续稳定达标。

  • 根据对F省环境应急监测数据的分析,污染物锑在F省重点断面的迁移过程为:11月27日4时即事发79 h后,污染团前峰到达F1水库坝首;11月28日12时即事发112 h后,污染团前峰到达B河汇入C江下游1 km处;12月1日22时即事发194 h后,污染团前峰到达F2水库库首;12月4日6时即事发250 h后,污染团前峰到达出F省断面。F省境内污染团峰值出现在E省入F省2 km监测断面处,峰值浓度为0.614 3 mg·L−1,超标倍数为121.9。

    12月26日12时即事发33 d后,出F省断面持续稳定达标;2016年1月4日10时即事发44 d后,B河汇入C江下游1 km处断面持续稳定达标;1月28日20时即事发67 d后,E省入F省2 km监测断面持续稳定达标。

  • 根据对G省环境应急监测数据的分析,污染物锑在G省重点断面的迁移过程为:12月4日18时即事发267 h后,污染团前峰到达F、G省交界处;12月7日2时即事发317h后,污染团前峰到达H市饮用水源地上游2 km。G省境内污染团峰值出现在F、G省交界处监测断面,峰值浓度为0.028 6 mg·L−1,超标倍数为4.72;H市饮用水源地上游2 km断面处,峰值浓度为0.020 9 mg·L−1,超标倍数为3.2。2015年12月24日8时即距事发31 d后,H市饮用水源地上游2 km断面持续稳定达标;12月26日0时即距事发33 d后,F、G省交界断面持续稳定达标。

  • 根据辖区内锑质量浓度达标情况,E、F、G三省分别解除应急状态:2015年12月31日,H市人民政府宣布解除应急状态,2016年1月29日,E省人民政府宣布解除应急状态,2016年2月1日,F省人民政府宣布解除应急状态。截至2016年2月1日,该事件应急处置工作全线解除。

    此次E省某尾矿库泄漏次生突发环境事件的污染物排放量大、水体污染物浓度高、污染物扩散跨三省、应急处置难度大。本次突发环境事件的处置过程中,采用了断污染源、筑坝拦截、投药降污、河底清淤、饮用水厂应急除锑等应急处置措施,延缓了污染团到H市I水厂的时间、有效降低了河道锑浓度,保障了受影响地区的供水,减小了突发事件的影响程度与范围。通过现场试验,研究确定了低温(0~2 ℃)条件下应对锑污染的河道应急除锑技术,实施了3省11个断面的投药处置。该环境应急技术的开发可为我国冬季河流或湖库水环境突发重金属污染事件提供参考。

参考文献 (4)

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