呂梁市某焦化廠及周邊土壤重金屬污染狀況與評價

高燕，董苗，張永清

(山西師范大學 地理科學學院，山西 臨汾 041004)

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呂梁市某焦化廠及周邊土壤重金屬污染狀況與評價

高燕，董苗，張永清*

(山西師范大學 地理科學學院，山西 臨汾 041004)

為研究呂梁某焦化廠及周邊土壤重金屬的污染狀況，在焦化廠內(nèi)和周邊農(nóng)田共采集了60個土壤表層(0～20 cm)樣品，檢測分析樣品中重金屬元素的含量，并采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對其污染狀況進行了評價。結(jié)果表明：廠區(qū)內(nèi)土壤重金屬Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、 As的平均含量分別為62.91 mg·kg-1、0.37 mg·kg-1、46.26 mg·kg-1、429.98 mg·kg-1、0.16 mg·kg-1、11.60 mg·kg-1，廠區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬的平均含量分別為53.57 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、37.99 mg·kg-1、362.23 mg·kg-1、0.11 mg·kg-1、11.74 mg·kg-1，廠區(qū)周邊農(nóng)田土壤中各重金屬含量均小于廠區(qū)內(nèi)土壤。除Zn和Mn外焦化廠內(nèi)和周邊農(nóng)田土壤中的Cd、Cu、Hg、As平均含量均高于山西省土壤環(huán)境背景值。單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價結(jié)果表明，除5%的樣品中土壤Cd含量超過了國家二級標準，屬輕微污染，其余為未污染，土壤都屬清潔水平；以山西背景值為評價標準各重金屬都有不同程度的污染，說明該研究區(qū)土壤有重金屬污染風險。

焦化廠；土壤；重金屬；污染評價

土壤是一種重要的自然資源，也是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，土壤利用程度增強，工業(yè)廢物排放增多，導致土壤污染越來越嚴重[1]。眾多研究表明，在工礦業(yè)集中的地區(qū)，工業(yè)三廢是土壤污染物的主要來源[2]。因此研究工業(yè)區(qū)周邊土壤重金屬污染狀況及其修復途徑已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點問題[3～6]。

山西是一個煤炭大省，煤炭焦化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅速[7]。煉焦是山西煤炭行業(yè)增值與再加工的重要手段，同時也是污染周邊土壤最重要的隱患之一。有資料報道，煉焦有可能增加周邊土壤中多環(huán)芳烴等有機污染物和重金屬污染物的含量，進而通過食物鏈直接影響人體健康[8～10]。焦化廠廠區(qū)土壤中超標的污染物主要有苯并[a]芘、熒蒽、芘、總氰化物、汞、石油烴、重金屬等，較嚴重的區(qū)域主要分布在推焦路線、焦油回收點和瀝青傳送帶附近[11]。焦化廠周邊的粉塵中含有大量的重金屬元素，一旦吸入人體后會造成很大的危害[12]。焦化產(chǎn)業(yè)是以煤為原料，在高溫、干餾煉焦的同時，會有重金屬污染物隨荒煤氣發(fā)散而進入到環(huán)境中，造成污染[13]。前人的研究主要集中在焦化廠有機污染物的研究，對焦化廠及周邊農(nóng)田土壤重金屬污染的研究尚不多見，因此，本文以呂梁市某焦化廠及其周邊農(nóng)田土壤為研究對象，對焦化廠以及周邊農(nóng)田土壤中的Zn、Cd、Cu、Mn、Hg和 As 6種重金屬元素進行了調(diào)查研究，并采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對其進行了污染評價，進而研究影響重金屬含量的各種因素，旨在為焦化廠及其周邊農(nóng)田土壤的保護與治理，以及保障廠區(qū)工人和周邊村民的身體健康提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于呂梁山脈中段某焦化廠及其周邊地區(qū)，該焦化廠始建于1992年，1993年10月22孔75型改良焦正式投產(chǎn)，占地面積14.67 hm2。該焦化廠是集選煤廠、煉焦廠、余熱電廠一體化的現(xiàn)代煉焦產(chǎn)業(yè)。文中的研究區(qū)包括焦化廠主廠區(qū)及廠區(qū)外圍周邊農(nóng)田土壤，焦化廠周邊地區(qū)有部分為農(nóng)田，主要種植作物有玉米和高粱。

該區(qū)地處半干旱半濕潤季風氣候區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，全年主導風向為西北風，土壤類型為栗褐土。廠址位置所處區(qū)域?qū)儆诘湫偷膬缮綂A一川地形，呈西北東南走向，在一定程度上影響污染物的擴散。

1.2 樣品采集與處理

依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T166—2004)，在焦化廠區(qū)內(nèi)部綠化區(qū)及草坪地采集土樣16個。焦化廠周邊農(nóng)田土壤，受該區(qū)地形影響并結(jié)合該區(qū)主導風向，以焦化廠為中心正西、東南及東北方向上，以50 m為變程布設(shè)樣點，共采集44個土樣。(采樣深度0～20 cm)。

1.3 分析項目與方法

土壤重金屬含量的測定：用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法測定土壤樣品中Zn、Cd、Cu、Mn的含量，雙道原子熒光光度計測土壤樣品中As、Hg的含量[14]。

1.4 評價方法

1.4.1 單因子污染指數(shù)法

計算公式為：

Pi=Ci/Si

其中，Pi為土壤污染物i的單因子指數(shù)，Ci為樣品檢測濃度/mg·kg-1，Si為污染物i的評價標準/mg·kg-1。評價標準參照表1[15,16]。計算得出的數(shù)值越大，說明土壤污染越嚴重。(Pi≤1未污染，15重度污染)

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量評價標準Table 1 Evaluation of soil environmental quality standard

注：二級標準值出自國家環(huán)境質(zhì)量二級標準(GB15618-1995)[15]；山西背景值出自山西土壤元素背景值及其特征[16]

Note：The secondary standard value from the national average leverals of soil environmental quality standard(GB15618-1995)[15];background value in Shanxi province from background value in soil environment in Shanxi province and its characteristics[16].

1.4.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

計算公式為:

其中，Pn為綜合污染指數(shù)，Pimax為污染指數(shù)最大值，Piave為各污染指數(shù)的平均值。土壤綜合污染指數(shù)評價標準見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重金屬元素含量數(shù)值統(tǒng)計

2.1.1 焦化廠廠區(qū)內(nèi)土壤重金屬元素含量數(shù)值統(tǒng)計

焦化廠區(qū)內(nèi)土壤6種重金屬含量結(jié)果見表3。

表2 土壤重金屬污染等級評價標準Table 2 The criterion of pollution grade of soil heavy metals

表3 廠區(qū)內(nèi)表層土壤重金屬元素含量數(shù)值統(tǒng)計/mg·kg-1Table 3 Descriptive statistics of heavy mental concentration in the steel factory/mg·kg-1

由表3可見，焦化廠區(qū)內(nèi)表層土壤樣品中的重金屬Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的平均值分別為62.91 mg·kg-1、0.37 mg·kg-1、46.26 mg·kg-1、429.98 mg·kg-1、0.16 mg·kg-1、11.60 mg·kg-1。其中，Zn含量范圍值為52.88～84.36 mg·kg-1，Mn含量范圍值為178.46～585.42 mg·kg-1，兩種元素的均值都低于山西土壤背景值，Zn的超標率為31.25%,Mn的超標率為12.5%,As含量范圍值為8.87～20.5 mg·kg-1，均值高于山西背景值，超標率為87.5%,Cd含量范圍值在0.31～0.4 mg·kg-1之間，Cu含量范圍值為33.37～53.94 mg·kg-1，Hg含量范圍值為0.12～0.21 mg·kg-1，超標率都為100%,最小值也都大于背景值。變異系數(shù)是反映每個采樣點的變異程度，其中As的變異系數(shù)相對較大，為25.95%，說明焦化廠區(qū)內(nèi)不同采樣點的As含量有較大差異；Cd 的變異系數(shù)相對較小,為8.10%，說明焦化廠廠區(qū)內(nèi)不同采樣點的Cd含量差異較小，分布相對均勻。

2.1.2 焦化廠周邊土壤重金屬元素含量數(shù)值統(tǒng)計

廠區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬含量，結(jié)果見表4。

表4 廠區(qū)周邊表層土壤重金屬元素含量數(shù)值統(tǒng)計/mg·kg-1Table 4 Descriptive statistics of heavy mental concentration around the steel factory/mg·kg-1

由表4可知，焦化廠周邊表層土壤樣品中的重金屬Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As 的平均值分別為53.57 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、37.99 mg·kg-1、362.23 mg·kg-1、0.11 mg·kg-1、11.74 mg·kg-1。Zn含量范圍值為17.62～190.62 mg·kg-1，Cd含量范圍值為0.17～0.32 mg·kg-1，Cu含量范圍值為21.51～55.50 mg·kg-1，Mn含量范圍值為177.32～633.53 mg·kg-1，Hg含量范圍值為0.05～0.24 mg·kg-1,As含量范圍值為3.89～20.16 mg·kg-1。以山西背景值作比值，重金屬Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的超標率分別為31.82%、100%、97.73%、11.36%、100%、81.82%,Zn和Mn的超標率較低，Cu和As的超標率都較高,Cd和Hg的含量全部超過山西背景值。Zn的變異系數(shù)較大，為66.83%，說明焦化廠周邊農(nóng)田土壤中Zn的空間差異相對較大，累積程度比較明顯,其余元素的變異程度都屬中度變異。

2.2 土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數(shù)法評價

表5為焦化廠內(nèi)16個表層土壤重金屬污染單因子評價。以國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準為參比值，結(jié)果表明，Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的單因子指數(shù)分別為0.21、0.74、0.46、0.29、0.18、0.46，均小于1，土壤都屬清潔水平。只有少數(shù)Cd樣品受到輕微污染，污染比值為18.75%。

表5 廠區(qū)內(nèi)土壤重金屬單因子污染評價結(jié)果Table 5 Single-factor evaluation of heavy metals in topsoil within the factory

由表6可見，焦化廠內(nèi)土壤中各重金屬元素均有不同程度的積累。Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的單因子指數(shù)分別為0.99、3.63、2.02、0.81、6.95、1.27。15%的Zn樣品為未污染，75%為輕微污染；100%的Cd樣品為中度污染；38%的Cu樣品為輕微污染，62%為輕度污染；88%的Mn樣品為未污染，12%為輕微污染；100%的Hg樣品為重度污染，說明Hg含量富集程度高；13%的As樣品為無污染，81%為輕微污染，6%為輕度污染。

表6 廠區(qū)內(nèi)土壤重金屬單因子污染評價結(jié)果Table 6 Single-factor evaluation of heavy metals in topsoil within the factory

表7為焦化廠周邊44個表層土壤重金屬元素單因子污染評價結(jié)果。以國家二級標準為參比值，Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的單因子指數(shù)分別為0.18、0.60、0.38、0.24、0.13、0.47，數(shù)值均小于1，焦化廠周邊土壤都屬于清潔水平，沒有受到污染。2.27%的Cd樣品為輕微污染。

表7 周邊土壤重金屬單因子污染評價結(jié)果Table 7 Single-factor evaluation of heavy metals in topsoil surround the factory

由表8可見，焦化廠周邊農(nóng)田土壤中各重金屬元素均有不同程度的積累。Zn和Mn的平均污染指數(shù)分別為0.84和0.68，均屬未污染； Cd的平均污染指數(shù)為2.35，屬輕度污染，其中樣品的18%受到輕微污染，77%受到輕度污染，5%受到中度污染；Cu的平均污染指數(shù)為1.66，屬輕微污染，其中樣品 2%無污染，89%受到輕微污染，9%受到輕度污染；Hg的平均污染指數(shù)為4.7，屬中度污染，其中樣品的21%受到輕度污染，38%受到中度污染，41%受到了重度污染，說明在廠區(qū)周邊的農(nóng)田土壤中Hg的積累程度也較高，應引起關(guān)注；As的平均污染指數(shù)為1.29，屬輕微污染，其中18%的樣品未污染，77%受到輕微污染，只有5%受到輕度污染。

表8 周邊土壤重金屬單因子污染評價結(jié)果Table 8 Single-factor evaluation of heavy metals in topsoil surround the factory

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價

由表9可見，以國家二級標準作為參比值，焦化廠區(qū)內(nèi)部及周邊土壤的綜合污染指數(shù)分別為0.59、 0.48，都小于0.7，是清潔土壤。廠區(qū)內(nèi)部污染指數(shù)大于廠區(qū)周邊污染指數(shù)。

表9 土壤重金屬環(huán)境綜合污染評價結(jié)果Table 9 Evaluation of soil heavy metal pollution

以山西省土壤背景值做參比值的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價結(jié)果見表10。

表10中以山西省土壤背景值作為參比值，焦化廠廠區(qū)內(nèi)和周邊表層土壤的綜合污染指數(shù)分別為5.25和3.59，數(shù)值都大于3，達到重度污染水平。廠區(qū)內(nèi)部污染指數(shù)大于廠區(qū)周邊污染指數(shù)，說明該廠區(qū)內(nèi)部的土壤重金屬污染風險高于廠區(qū)周邊土壤。

表10 土壤重金屬環(huán)境綜合污染評價結(jié)果Table 10 Evaluation of soil heavy metal pollution

3 討論與結(jié)論

綜上所述，以山西省土壤背景值為評價標準，焦化廠區(qū)內(nèi)部和周邊農(nóng)田重金屬單因子污染程度表現(xiàn)為：Mn

從焦化廠內(nèi)部和周邊農(nóng)田土壤重金屬含量數(shù)值分析來看，除As外，廠區(qū)內(nèi)部土壤重金屬含量均比廠區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬含量高，說明土壤重金屬含量的高低與污染源的距離密切相關(guān)，距離污染源較近的區(qū)域重金屬富集程度高，這與前人研究的結(jié)論相似[10，11]。從外部環(huán)境來看，該焦化廠所處的地理位置比較特殊，南北方向均有以煤焦為主的工業(yè)場地，并且毗鄰國道，周邊農(nóng)田土壤不僅受該廠區(qū)的污染，還受到汽車尾氣和其它工業(yè)場地的影響[17，18]。

總的來說，運用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對土壤的評價結(jié)果表明，焦化廠及其周邊農(nóng)田土壤普遍處于清潔狀態(tài)，個別有輕微污染。但由于焦化廠及其周邊農(nóng)田土壤長期受煉焦排出的廢水、廢氣、廢渣的影響，土壤已經(jīng)受到不同程度的重金屬富集，可能有一定的重金屬污染的風險。

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(編輯：武英耀)

Pollution Status and Assessment on Soil Heavy Metals of a Coking Plant Site and the Surrounding Farmland in LvLiang

Gao Yan,Dong Miao,Zhang Yongqing*

(SchoolofGeographyScience,ShanxiNormalUniversity,LinfenShanxi041004,China)

Sixty surface soil samples(0～20 cm) collected from a coking plant and the surrounding farming to study the pollution of heavy metals and a certain coking plant.The Single-factor pollution index method and Nemerow comprehensive pollution index method were also analyzed.The results showed that the concentrations of Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As of surface soil in site and the surrounding farmland were 62.91 mg·kg-1、0.37 mg·kg-1、46.26 mg·kg-1、429.98 mg·kg-1、0.16 mg·kg-1、11.60 mg·kg-1and 53.57 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、37.99 mg·kg-1、362.23 mg·kg-1、0.11 mg·kg-1、11.74 mg·kg-1respectively.Most of the elements of heavy metals exceed background value in soil environments in Shanxi province except Zn and Mn.The Single-factor pollution index method and Nemerow comprehensive pollution index method demonstrated that it was lightly polluted except 5%Cd element had exceed the national average leverals of soil environmental quality standard；Each heavy metals have different degrees of pollution take the background value in Shanxi province as a standard,show that could have a risk of pollution on heavy metals.

Coking plant；Soil；Heavy metals；Pollution assessment

2014-12-12

2015-01-23

高燕(1989-)，女(漢)，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向：土壤生態(tài)學。

*通訊作者：張永清，教授，博士。Tel：13754964392;E-mail：yqzhang208@163.com

“十一五”國家科技支撐計劃重點項目(2008BADA4B01)

X825

A

1671-8151(2015)03-0318-07