某鋼管廠退役場地土壤重金屬污染特征分析

羅澤嬌，李 冉,Mohammed A.S.Abdalla,2

(1.中國地質大學生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室，湖北 武漢 430074; 2.巴赫立大學農學院土壤與水科學系，北蘇丹 喀土穆)

某鋼管廠退役場地土壤重金屬污染特征分析

羅澤嬌1，李 冉1,Mohammed A.S.Abdalla1,2

(1.中國地質大學生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室，湖北 武漢 430074; 2.巴赫立大學農學院土壤與水科學系，北蘇丹 喀土穆)

選擇武漢某鋼管廠退役場地土壤為研究對象，通過采集場地土壤樣品，測試了樣品的pH值以及鋅、銅、鉛和鎳等重金屬元素含量，分析了重金屬污染物在該區(qū)域土壤中的水平與垂直分布特征，查明了土壤受重金屬污染的現(xiàn)狀，并揭示了生產布局等污染源、地表特征和土層分布特征對土壤重金屬污染的影響。結果表明：研究區(qū)域土壤主要受到鉻、銅、鉛、鎳、鋅的污染，但以電鍍生產所產生的重金屬污染最為嚴重，電鍍鋅引起的污染最為突出；重金屬污染嚴重區(qū)域主要集中在鍍鋅爐煙囪、三廢利用車間及廢水處理車間，土壤中鋅的最高濃度達23 700 mg/kg，超出湖北省土壤背景值最大值的83%；其他車間除靠近電鍍區(qū)域的花壇內表層土壤受到一定程度的鋅污染外，其余部位土壤受污染較少；土壤鉻、銅、鉛、鎳的污染深度一般為0.2～0.4 m,污染的最大深度達到1.2 m；鋅在大部分點位污染深度達到0.8 m，有的甚至達到1.4 m，主要局限在回填土層和原始沉積土層的表層，其污染物遷移到原始黏土層后，高濃度污染區(qū)域在黏土內垂向上迅速衰減，鋅平均衰減量為14 000 mg/(kg·m)。該研究可為同類型場地土壤金屬污染調查、修復提供參考依據(jù)。

土壤；重金屬污染；鋅污染；某鋼管廠退役場地

近些年來，隨著城市化進程的發(fā)展、產業(yè)結構布局的調整以及城市環(huán)境保護的需要，大量污染較嚴重的工廠和企業(yè)逐步從一些城市的中心城區(qū)撤離，以便在保護城市環(huán)境的同時，為城市的發(fā)展提供寶貴的土地資源。但是，城市中心大量工業(yè)企業(yè)退役場地的土壤環(huán)境質量問題突顯，很多退役場地土壤污染問題突出且形勢嚴峻，如2006年湖北某房地產建設工地(原武漢市農藥廠)和2004年北京市地鐵工程宋家莊建筑工地(原北京市紅獅涂料廠)等[1]，這些退役場地土壤污染問題使得土地資源的再利用受到嚴重影響。因此，城市工業(yè)場地的土壤污染程度的調查與修復已成為當前土壤環(huán)境污染與防治的重要內容之一，工業(yè)企業(yè)退役場地環(huán)境污染問題得到高度重視，國家環(huán)境保護部因此而頒發(fā)了“關于加強工業(yè)企業(yè)關停、搬遷及原址場地再開發(fā)利用過程中污染防治工作的通知”(環(huán)發(fā)[2014]66號文件)。

機械加工廠是土壤重金屬污染的重要來源，機械加工過程中的焊接、電鍍、熱處理、涂漆等工藝會產生很多含有重金屬的污染物，如電鍍工藝產生的典型金屬銅(Cu)、鎳(Ni)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、鋅(Zn)等[2-5]，除了工藝過程中的跑、冒、滴、漏外，其余約有4%的重金屬污染是以污泥和廢水的方式排放到環(huán)境中而造成的[6]。由于工廠的地面條件與農田土壤不同，工廠地面為了保證交通運輸和機械制造設備的承載需求，布設了一定厚度的混凝土層，該土層對污染物具有相對的阻隔作用，但重金屬粉塵、含重金屬的廢水會以其獨特的方式進入土壤層中，造成土壤重金屬污染。本文將通過對某機械加工廠退役場地土壤環(huán)境污染的詳細調查，分析其土壤的重金屬污染程度、類型及其分布特征，以為同類型污染場地的污染調查與修復和土地資源持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域原為某鋼管生產廠，該廠成立于1980年，于2012年4月關閉，服役歷時30年，占地面積124 200 m2(約62畝)。鋼管廠主要產品為高頻焊接鋼管、熱鍍鋅鋼管及精密冷彎型鋼系列等。工廠的熱鍍鋅車間投產于1980年，運行十多年后因設備及環(huán)保設施損壞而停產；1996年，引進半機械化熱鍍鋅生產線。本次調查時，場地已被夷為平地，在原工廠地面上覆蓋著建筑拆除后的建筑垃圾。

研究區(qū)域地理位置為東經114°15′16″、北緯30°32′12″，屬亞熱帶濕潤氣候地區(qū)，年平均氣溫約17℃，年平均降雨量為1 465.9 mm，但年降雨量分配不均，春季占全年降雨量的39.4%,夏季占全年的26.2%，多年平均蒸發(fā)量為1 326 mm,年平均相對濕度為77%。場地分布的地下水主要為賦存于上部填土層中的上層滯水以及下部砂層中的承壓水和基巖裂隙水，兩者之間以黏土作為隔水層，無水力聯(lián)系，其中上層滯水受地表水、大氣降水補給，其穩(wěn)定水位埋深約為0.5～1.0 m。通過原工廠的車間布局與工藝比對，初步確定主要污染區(qū)域在電鍍生產線、三廢回收車間，其中切割、酸洗、水洗、熱鍍鋅、鈍化工序為主要產污環(huán)節(jié)。切割會產生鐵屑和切割液的排放，酸洗會產生大量廢酸液的排放，水洗會產生大量水洗廢液，熱鍍鋅過程會因鍍鋅液的泄漏而污染環(huán)境。通過對上述生產工藝的分析，確定該場地的主要特征污染物是銅、鋅、鉛、鉻、鎳、砷等重金屬類物質。

2 土壤樣品采集與分析方法

2.1 采樣點布局

為查明土壤重金屬的遷移擴散規(guī)律，在電鍍區(qū)域沿重點污染源向外呈輻射狀設置采樣點，其他車間則在車間外的花壇、綠地上布設采樣點位；采樣點垂直方向上的取樣深度則根據(jù)污染源的位置、可能遷移的方向、土層結構和水文地質條件等來確定，以原始地面或構筑物底板為基準，取樣深度設定為0～0.2 m、0.2～0.4 m、0.4～0.6 m、0.6～0.8 m、0.8～1.0 m、1.0～1.2 m、1.2～1.4 m。基于上述原則，在該調查區(qū)域設置了31個土壤采樣點,采樣點位置及相關說明見圖1和表1。

采樣點編號位置取樣深度/m采樣點編號位置取樣深度/m10.0～0.617焊管車間0.2～1.020.0～1.418鍍鋅車間0.1～1.63三廢綜合利用車間0.0～1.019鍍鋅爐0.8～2.040.0～0.420焊—機加工0.0～0.250.0～1.221焊管車間0.2～1.660～0.422鍍鋅車間0.6～1.27廢水治理車間0.0～1.423煤場、焊管車間0.0～1.080.0～0.624機修廠0.2～1.090.0～0.825原料車間0.2～0.810排水溝0.0～0.626倉庫0.6～1.2110.0～1.227原料車間0.2～1.2120.2～1.228倉庫0.0～1.213鍍鋅爐煙囪0.0～1.029配電房、原料車間0.0～1.0140.0～1.0300.0～1.4150.0～0.631原料車間0.2～1.516溶劑池、清洗池0.0～0.4

2.2 現(xiàn)場采樣方法

在現(xiàn)場采集土壤樣品時，第一步是利用推土機將地面上堆積的建筑垃圾推開，以露出原始地面；第二步是將圖上設計的采樣點位利用科利達雙頻雙星GPS接收機，并采用當?shù)谻OPS參考站進行精確定位；第三步是利用挖機、手鉆等方式采集土壤樣品。采樣過程參考《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 166—2004)進行[7]。將土壤樣品按照樣品特征、分布深度分為回填土層、原始沉積土層的表層和原始非擾動黏土層。土壤樣品采集按照回填土層垂直深度多點混合、原始地層原狀土取樣的思路進行，并將采集的土壤樣品儲存于封裝袋后貼好標簽，并做好記錄送至實驗室分析。

2.3 樣品分析方法與質量控制

將采集的土壤樣品充分風干和碾磨，后過孔徑0.85 mm(20目)的尼龍篩；過篩后的土壤樣品全部置于無色聚乙烯薄膜上，并充分攪拌混勻，粗磨樣直接用于土壤pH值等項目的分析，樣品粒徑研磨至0.15 mm(100目)后用于重金屬含量測定。

土壤樣品測試指標及分析方法見表2。土壤樣品測試過程中均做全程空白，以消除在消解[8]和測試過程中可能帶入的污染；每批樣品做了20%的平行樣，并同步分析了國家標準土壤樣品(地球物理地球化學勘察研究所IGGE，GSS-13、GSD-5a、GSD-7a)，所占比例為10%，并控制樣品分析的精密度和準確度。重金屬元素平行樣的相對偏差，鋅在±5%以內，鉻、銅、鉛、砷在±10%以內，鎳在±20%以內，均在允許的最大相對偏差范圍內；標準土壤樣品的相對誤差在±15%范圍內。

表2 土壤樣品測試指標及分析方法

3 場地土壤重金屬污染特征分析

3.1 場地土壤重金屬污染狀況分析

表3為場地土壤重金屬元素含量的分析結果。

表3 場地土壤污染物分析及評價標準參考值

注：整個調查區(qū)域設置31個采樣點，取樣104個；超標樣品數(shù)指超過《展覽會用地環(huán)境質量評價標準》A級的樣品個數(shù)；“N.A.”表示無參考數(shù)據(jù)。

由表3可以看出：場地土壤重金屬元素砷、鉻、銅、鎳、鋅均有超過國家標準(《展覽會用地環(huán)境質量評價標準》(HJ 350—2007)(以下簡稱《展》)的現(xiàn)象，其中鋅超標樣品數(shù)達到82個，涉及點位28個；場地土壤重金屬元素鉻、銅、鉛、鎳、鋅還超過了湖北省土壤重金屬元素含量背景值，這說明工廠在鋼管生產過程中，金屬的切割、電鍍等造成了場地土壤重金屬的污染；場地土壤重金屬的污染深度一般為0.2～0.4 m，污染的最大深度達到1.2 m；場地土壤重金屬元素銅含量檢測值在9.6～293 mg/kg之間，鎳含量在7.0～159 mg/kg之間，砷含量在0.8～31.6 mg/kg，鉻含量在40.4～478 mg/kg之間，鉛含量在29.1～138 mg/kg之間，均在測量誤差的允許范圍內，可見取樣與測試過程沒有造成樣品的污染。另外，通過比較場地土壤各種重金屬的污染程度可以看出，鉻、銅、鉛、鎳都遠遠低于鋅的污染程度，對該退役場地來說，鋅污染問題最為突出。因此，本文以鋅的污染為代表進行詳細分析，以揭示全廠區(qū)土壤重金屬污染特征。

3.2 場地土壤鋅污染分析

場地土壤各監(jiān)測點鋅含量在46.6～23 700 mg/kg之間，監(jiān)測的104個土壤樣品中有49個樣品檢測值超過《展》A級標準限值(200 mg/kg)，但小于B級標準限值(1 500 mg/kg)；有31個樣品的監(jiān)測值超過《展》B級標準限值，且涉及有17個點位，分別是2、3、5、6、7、8、9、11、12、13、14、15、16、17、21、25、31，這些點位主要在電鍍生產線和三廢回收車間。

3.2.1 場地土壤鋅污染的平面分布特征

場地土壤鋅污染的平面分布主要集中在三廢綜合利用車間、廢水處理車間、洗滌車間、鍍鋅爐煙囪附近以及車間周圍的綠地上。在這些區(qū)域，鋅污染平面分布特征普遍表現(xiàn)為隨著遠離污染源，土壤鋅含量迅速降低，但各區(qū)域污染物遷移擴散的機制不同。在鍍鋅爐煙囪附近，鋅污染來自于煙囪鋅除塵器中逃逸的鋅塵，它們在煙囪附近以干、濕沉降形式沉降，距離煙囪不同距離，鋅沉降量不同(見圖2)，且表現(xiàn)為隨距離的增加鋅沉降量迅速降低，土壤鋅最高濃度可達到23 700 mg/kg，為本次調查中土壤鋅最高含量。這是因為該煙囪附近地表是廣場磚，磚底部為煤渣層，這樣的地表條件有利于雨水下滲，而不是在地表徑流的驅動下向下游集中，也難以在清潔工人的清掃下人為集中，這就造成鋅就地沉降后并隨雨水下滲進入土壤，而在水平方向上擴散有限，主要集中在污染源附近。在三廢綜合利用車間和污水管道附近，鋅污染擴散也表現(xiàn)出類似規(guī)律，但是污染物以廢水等形式在填土層中橫向擴散，如2號點位靠近三廢綜合利用車間，土壤鋅最高濃度為4 270 mg/kg(地面下0.6～0.8 m)，距離2號點位3 m的1號點位土壤鋅最高濃度為1 290 mg/kg(地面下0.2～0.4 m)；污水管道附近的9號點位，土壤鋅最高濃度達到3 450 mg/kg(地面下0.6～0.8 m)，遠離管道的10號點位，土壤鋅最高濃度為1 070 mg/kg(0.0～0.2 m)。含鋅的廢水在填土層中橫向擴散時，由于受到填土層中黏性土的吸附、攔截，使得土壤中鋅含量隨著距離污染源增大而降低。

靠近電鍍環(huán)節(jié)的車間外綠化帶上如17號和21號點位，表層土壤鋅含量普遍高(如17號點位土壤鋅最高濃度為1 740 mg/kg、21號點位土壤鋅最高濃度為1 590 mg/kg)，而其他金屬沒有表現(xiàn)出異常，說明了鋅塵通過干、濕沉降而直接進入裸露的土壤中，或由工人鞋底攜帶鋅塵到車間周圍路面上，在這些地面上、屋頂上降落的鋅塵隨地表徑流排泄到綠化帶中，使得鋅的擴散集中在綠化帶的表層或次表層，或者鋅塵沖刷到下水道中沉積下來，工人在清掃下水道淤泥時往往就地堆置在綠化帶中，從而造成綠化帶成為工廠重金屬污染的主要區(qū)域。但遠離污染源的綠化帶則不具備這些規(guī)律。

3.2.2 場土土壤鋅污染的垂直分布特征

含鋅廢水在回填土的多孔介質中也可隨淺層地下水的水平運動而發(fā)生遷移，但受水力梯度的影響較大。進入土壤的鋅塵最先被回填土層中夾雜的黏性土所攔截，余下往深部滲透，滲透的深度與回填物厚度及黏性土埋深有關，在黏土層中鋅含量迅速降低，若以單位距離內土壤鋅濃度的衰減量[mg/(kg·m)]來表征[(C1-C0)/l]，如13號取樣點位，在0.6～0.8 m的黏土層中鋅濃度為5 470 mg/kg，在0.8～1.0 m的黏土層中鋅濃度為2 060 mg/kg，其衰減量為17 000 mg/(kg·m)；14號取樣點位，在0.6～0.8 m的黏土層中鋅濃度為3 250 mg/kg，在0.8～1.0 m的黏土層中鋅濃度為860 mg/kg，其衰減量為12 000 mg/(kg·m)。由此可見，鋅在黏土層的衰減量很大，平均衰減量為14 000 mg/(kg·m)。

但是，場地有些部位鋅在垂直深度的分布特征則與鋅的遷移擴散無關，而是受人為活動如設備的改造等干擾影響，表現(xiàn)為無明顯的垂直分布規(guī)律。

4 結 論

(1) 該機械加工廠在鋼管生產過程中，金屬的切割、電鍍等造成場地區(qū)域土壤重金屬鉻、銅、鉛、鎳、鋅的污染，但以電鍍生產所產生的重金屬污染最為嚴重，電鍍鋅引起的污染最為突出。

(2) 土壤重金屬污染嚴重區(qū)域主要集中在鍍鋅爐煙囪、三廢利用車間及廢水處理車間，其中13號點位的鋅濃度高達23 700 mg/kg，超出湖北省土壤重金屬元素背景值最大值的83%，其他車間除靠近電鍍區(qū)域的花壇內表層土壤受到一定程度的鋅污染外，其余部位土壤受污染較少。

(3) 土壤鉻、銅、鉛、鎳的污染深度一般為0.2～0.4 m，污染的最大深度達到1.2 m。鋅在大部分點位污染深度達到0.8 m，有的甚至達到1.4 m，但主要局限在回填土層和原始沉積土層的表層，其污染物遷移到原始黏土層后在垂向上迅速衰減，鋅平均衰減量為14 000 mg/(kg·m)。

Characteristics of Heavy Metal Pollution Soil in the Retired Field of a Mechanical Processing Factory

LUO Zejiao1,LI Ran1,Mohammed A.S.Abdalla1,2

(1.StateKeyLaboratoryofBiogeologyandEnvironmentalGeology,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.DepartmentofSoilandWater;CollegeofAgriculture,UniversityofBahri,Khartoum，North-Sudan)

Using surface features and the soil layer distribution as indicators to examine the current situation of the polluted soil by heavy metals and to provide a scientific reference for the same field with the objective of suggesting a remedial technique,this paper selects a retired machinery factory at Wuhan City as an investigation site to study its impact on the surrounding soil.The paper collects soil samples and determines pH and the concentrations of the heavy metals (Zn,Cu,Pb and Ni,etc.) in soil,and then analyzes the horizontal and vertical distribution of pollutants and reveals the influence of pollution sources such as the production layout,surface characteristics and the distribution characteristics of soil layers on soil heavy metal pollution.The results show that the site is mainly polluted by Cr,Cu,Pb,Ni and Zn;the most serious pollution is produced by electroplating production and the most prominent pollution caused by electric galvanized.The most polluted areas are mainly concentrated in the galvanizing furnace chimney,waste utilization company and wastewater treatment factory.The highest concentration of Zn in soil reaches 23 700 mg/kg which is beyond the maximum value of the reference of Hubei province at the rate of 83%.In other workshops,except the surface soil near the plating areas polluted to a certain degree by Zn,the rest parts are less polluted.The depth of the pollutants Cr,Cu,Pb and Ni is generally between 0.2 and 0.4 m,and the maximum depth is 1.2 m.The pollution by Zn observed in many locations reached to the depth of 0.8 m to up to 1.4 m,and is mainly limited to the surface layer of backfill soil and the top of original sedimentary soil.When the pollutants migrate to the original clay layer, the polluted area of high concentration of reveals a rapid vertical decrease of Zn within the clayey soil,with an average decrease of 14 000 mg/(kg·m).

soil;heavy metal pollution;zinc pollution;retired field of a mechanical processing plant

1671-1556(2015)04-0075-07

2015-01-23

2015-03-28

武漢市高新技術成果轉化及產業(yè)化專項項目(2013060803010403)

羅澤嬌(1970—)，女，博士，教授，主要從事土壤與地下水污染的調查、風險評價與修復等方面的研究。E-mail：zjluo@cug.edu.cn

X53

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.013