粵北某礦區(qū)地表土壤重金屬污染的分布研究

曾懋華，葉志強，郭健豪，吳曉鈴，陶建歡

（韶關學院化學與環(huán)境工程學院，廣東韶關512005）

粵北某礦區(qū)地表土壤重金屬污染的分布研究

曾懋華，葉志強，郭健豪，吳曉鈴，陶建歡

（韶關學院化學與環(huán)境工程學院，廣東韶關512005）

摘要：為了查清粵北某大型鉛鋅礦區(qū)周邊地表土壤重金屬的污染情況，對該地的冶煉、采礦和選礦區(qū)周邊三處地表土壤，13個樣點和39個樣品中的Pb、Zn、Cu、Cd 4種主要重金屬的分布進行了系統(tǒng)的檢測與分析.結果表明：冶煉廠周邊主要是Pb、Cd兩種重金屬超標，分別為國家土壤環(huán)境質量二級標準的1.72和15.3倍；采礦區(qū)周邊重金屬污染較嚴重，Pb、Cu、Cd 3種重金屬依次為國家土壤環(huán)境質量二級標準的3.90、1.17和17.17倍；而選礦區(qū)周邊農(nóng)田的土壤重金屬含量均在國家土壤環(huán)境質量二級標準內(nèi).

關鍵詞：地表土壤；冶煉廠；采礦區(qū)；重金屬污染

隨著工業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的推進，土壤重金屬污染已成為環(huán)境污染熱點問題之一.在人類對礦區(qū)資源開發(fā)和利用的過程中，大量的重金屬元素在土壤中累積，并通過生物物質循環(huán)直接或間接的影響人類身體健康［1］.有調查統(tǒng)計顯示，我國受重金屬污染的耕地面積已達2 000萬ha，占全國總耕地面積的1/6［2］.礦區(qū)土壤重金屬污染已經(jīng)成為國內(nèi)外環(huán)境科學和土壤科學的研究熱點，因此，開展對礦區(qū)土壤重金屬污染研究具有重大的社會意義和環(huán)境意義.

通過對粵北某大型冶煉廠和鉛鋅礦區(qū)周邊地表土壤重金屬污染分布的研究，可以得出該地區(qū)周邊土壤被重金屬污染的程度，幫助當?shù)卣M行有效管理與防治，避免在污染嚴重的地區(qū)種植農(nóng)作物，緩解農(nóng)作物中重金屬超標，掌握該地區(qū)土壤主要重金屬的種類與來源，以改善本地區(qū)土壤污染，減少人體對重金屬的攝入.

1試驗部分

1.1主要儀器和試劑

試劑：氫氟酸，濃硝酸，高氯酸，鉛標準儲備液，鋅鉛標準儲備液，銅標準儲備液，鎘標準儲備液

1.2試驗原料

冶煉廠周邊100~500 m地表土壤，采礦區(qū)周邊100 m地表土壤，選礦區(qū)南面100~500 m地表土壤，合計13個選樣點39個樣本.

1.3礦區(qū)概況及樣品采集

1.3.1礦區(qū)概況

位于粵北境內(nèi)的該礦區(qū)，是中國大型鉛鋅礦床之一［3］.年采礦和選礦量達100多萬t，冶煉鉛鋅等金屬10多萬t.該礦區(qū)日排放采選冶廢水量多達6萬t，其中70%的廢水進行了二次利用，30%的廢水排入尾礦庫后沉降，并進行初步處理后外排，這些外排廢水中含有一定量的Pb、Zn、Cu、Cd等重金屬，加上冶煉廠排出的廢氣和廢渣，都可能污染礦區(qū)周邊的土壤環(huán)境［4］.

1.3.2樣品采集

在采樣區(qū)域調查了解情況后，對冶煉廠、采礦區(qū)、選礦區(qū)周邊三處地表土壤進行采樣，選取13個樣點共39個樣本，每區(qū)采集3個深度為0～20 cm表層土壤樣品作為重復，土壤樣品室溫風干，在110℃烘箱中干燥24 h后用研缽搗碎，取一部分樣品過20目篩，測定其pH值.其余樣品過100目篩，充分混合以四分法取1 kg樣品為1個樣本，測定其重金屬含量.實驗過程中所用容器均用20%的HNO3浸泡24 h以上，以避免樣品遭受污染.

俗話說：“將在外，軍令有所不受”，有些時候“天高皇帝遠”，母公司下達的指令或者人才培養(yǎng)方案以及服務宗旨，子公司都很難達到統(tǒng)一，這給企業(yè)發(fā)展帶來了很大的困難。再者，一個地區(qū)一個風俗，有些方案在這個地區(qū)得以適用，可有些方案則需要我們?nèi)ミM一步地整改，但是對連鎖企業(yè)來說，不能夠同時的推廣公司品牌，那就不叫連鎖經(jīng)營了。

1.4樣品分析測定

土壤樣品按1：2.5的水土比例來測定其酸堿度，稱取過20目尼龍篩的風干土壤樣品10 g于25 mL高型燒杯中，加入去離子水10 mL，攪拌1 min，使土粒充分分散，放置30 min后進行pH值測定［5］.將復合玻璃電極插入標準緩沖溶液進行標定和定位，用濾紙條吸干水分后插入到土壤待測液中，靜止片刻，待讀數(shù)穩(wěn)定時記下pH值.從土壤待測液中取出電極，以水洗凈，用濾紙條吸干水分后即可進行第二個樣品的測定［6］.

稱取過100目尼龍篩的風干土壤樣品0.250 0 g于50 mL聚四氟乙烯塑料坩堝中，采用硝酸-高氯酸-氫氟酸全量消解法，加入少許去離子水潤濕，加入10 mLHCl，在電熱板上低溫加熱，然后加入15 mL HNO3繼續(xù)加熱，至溶解物約5 mL時，加入5 mL HF，并加熱分解Si02及膠態(tài)硅酸鹽，最后加入5 mL HClO4加熱蒸發(fā)至近干.最后去離子洗滌殘渣，用定量濾紙過濾于100 mL容量瓶中，采用火焰原子吸收光譜法測定其重金屬含量［7］.4種重金屬的測定條件如表1所示.

表1　不同重金屬的測定條件

2結果與分析

2.1土壤中pH值分布情況

土壤的酸堿度一般分為5級,即強酸性(pH<5.0)、酸性(pH 5.0～6.5)、中性(pH 6.5～7.5)、堿性(pH 7.5～8.5)和強堿性(pH>8.5)［8］.本次對礦區(qū)周邊地表13個樣點共39個樣本的土壤pH值測定結果見圖1.

圖1　土壤中pH值分布情況

由圖1可知，該地區(qū)全部樣品均為酸性土壤，沒有出現(xiàn)堿性土壤.其中，冶煉廠、采礦區(qū)南面和西面周邊土壤為酸性，采礦區(qū)北面、選礦區(qū)周邊土壤為強酸性，其中礦區(qū)北面100 m處為酸性最強，pH值達到了4.5.由于該礦區(qū)的主要礦石成份為金屬硫化物，這些礦石中的硫元素在空氣中長時間自然氧化成為強酸性的硫酸，從而造成了礦區(qū)周邊土壤呈酸性.

2.2冶煉廠重金屬的分布特征

由表2可知，距冶煉廠500 m～100 m的土壤樣品中Pb、Zn、Cu、Cd重金屬的平均含量變化范圍分別為501.69～861.62 mg/kg、121.19～167.01 mg/kg、20.60～43.61 mg/kg、3.05～6.16 mg/kg.4種重金屬5個樣點的平均含量679.66 mg/kg、144.81 mg/kg、29.69 mg/kg、4.83 mg/kg.重金屬的全量測定結果表明，冶煉廠周邊土壤中Pb、Cd兩種重金屬5個樣點平均含量分別為國家土壤環(huán)境質量二級標準的1.72和15.3倍，這是導致周邊地區(qū)水稻無產(chǎn)和兒童血鉛超標的主要因素之一，而Cu、Zn兩種重金屬含量沒有超標，主要原因可能是Cu、Zn的提煉和回收技術較為成熟，它們的回收利用率較高；由于冶煉廠礦物的總Cd含量不高，容易忽略Cd的提煉與回收技術的改進與提高，對Cd的處理和回收工藝不完善等，是造成金屬Cd超標最嚴重的主要原因.

表2　冶煉廠土壤重金屬含量

2.3采礦區(qū)重金屬的分布特征

由表3可知，采礦區(qū)北面、南面、西面100 m的土壤樣品中Pb、Zn、Cu、Cd 4種重金屬的平均含量分別為679.66 mg/kg、144.81 mg/kg、29.69 mg/kg、4.83 mg/kg.4種重金屬的平均含量分別超過國家二級標準的3.90、0.06、1.17和17.17倍.采礦區(qū)北面Pb、Zn、Cu、Cd重金屬的含量超標最為嚴重，分別超過了國家二級標準的9.62、2.11、3.85和34.83倍，其中Cd的含量嚴重超過國家二級標準.

這與該礦區(qū)以開采鉛鋅礦為主有關，由于開采出的主要礦物為黃鐵礦、閃鋅礦和方鉛礦,還含有少量黃銅礦、輝銻礦、辰砂等.這些礦石從井下提升到地面，在生產(chǎn)過程中，采礦區(qū)周邊的廢石較多，在加工和運輸過程中的礦石和粉塵容易飄落到礦區(qū)周邊的土壤中，經(jīng)過多年的日積月累后，使采礦區(qū)周邊100 m范圍內(nèi)的土壤重金屬超標嚴重.

表3　采礦區(qū)土壤重金屬含量

2.4選礦區(qū)重金屬的分布特征

由表4可知，選礦區(qū)500 m～100 m的土壤樣品中Pb、Zn、Cu、Cd重金屬的平均含量變化范圍分別為103.14～297.20 mg/kg、4.33～46.05 mg/kg、21.87～53.91 mg/kg、0.10～0.15 mg/kg.4種重金屬的平均含量152.64 mg/kg、19.45 mg/kg、30.02 mg/kg、0.13 mg/kg.由重金屬的全量測定結果表明，選礦區(qū)周邊地表土壤Pb、Zn、Cu、Cd 4種重金屬均未超過國家土壤環(huán)境質量二級標準.

該選礦廠每年處理100多萬t鉛鋅礦石，但由于采用了世界先進的細磨高堿度快速分支浮選工藝和混合浮選工藝［9］，科技人員又十分重視對選礦廢水處理與綜合利用技術的研究，他們通過大量的試驗研究，解決了選礦廢水在鉛鋅浮選中的循環(huán)利用和資源化綜合利用技術的難題，廢水利用率達85%以上，極大地減少了選礦廢水中重金屬的排放量，有效保護了周邊的生態(tài)環(huán)境，從而確保選礦廠周邊土壤重金屬含量沒有超標.

表4　選礦廠土壤重金屬含量

由于冶煉廠和采礦區(qū)周邊地表土壤中重金屬超標嚴重，今后該礦區(qū)需要從生產(chǎn)源頭上控制進入周邊土壤環(huán)境中的重金屬，開發(fā)新型的污水和廢氣處理技術，降低廢水和廢氣中的重金屬含量，改善本地區(qū)的土壤質量；同時農(nóng)業(yè)部門應減少采用含有重金屬的污水澆灌農(nóng)田，確保食用的農(nóng)產(chǎn)品安全［10］.該企業(yè)應該加強與科研單位和高校聯(lián)合，研究冶煉廠和采礦區(qū)北面土壤重金屬的治理和去除方案，通過采取有效的殘礦資源回收，提高重金屬資源的回收率［11］.對被重金屬污染的土壤進行植被恢復或化學固定，避免其擴散和流失，并根據(jù)土壤受污染的程度，采用有一定吸收能力的植物對土壤進行修復，同時采用工程物理化學方法、農(nóng)業(yè)化學調控法、生物學修復法等方法進行治理和修復［12］，減輕礦區(qū)周邊土壤的重金屬污染.加強植物對礦區(qū)環(huán)境土壤重金屬污染的修復和治理是我們今后研究的重點.

3結論

通過對冶煉廠、采礦區(qū)和選礦區(qū)周邊地表土壤pH值，以及Pb、Zn、Cu、Cd 4種重金屬總含量的分布情況和污染程度研究，可以為該礦區(qū)周邊土壤的重金屬污染治理提供了參考依據(jù).本文的研究發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)周邊表層土壤以酸性土壤為主，土壤pH值分布在4.5～6之間，冶煉廠、采礦區(qū)南面和西面周邊土壤為酸性，采礦區(qū)北面、選礦區(qū)周邊土壤為強酸性.由于在酸性條件下，重金屬對農(nóng)作物有較大的危害，可以通過施用石灰等堿性物質來提高該礦區(qū)表層土壤pH值，有效緩解重金屬的危害.

本文的實驗結果表明，冶煉廠地表土壤中重金屬Pb、Cd污染較為嚴重,分別為國家土壤環(huán)境質量二級標準的1.72和15.3倍，且隨著距廠區(qū)圍墻距離的增加土壤中重金屬含量呈下降趨勢；采礦區(qū)土壤Pb、Zn、Cu、Cd等重金屬全部超過國家土壤二級標準，分別超過了國家二級標準的9.62、2.11、3.85和34.83倍，其中礦區(qū)北面污染程度最為嚴重；選礦區(qū)周邊土壤Pb、Zn、Cu、Cd等重金屬沒有超過國家土壤環(huán)境質量二級標準.

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（責任編輯：邵曉軍）

中圖分類號：X 53

文獻標識碼：A

文章編號：1007-5348（2016）04-0032-05

［收稿日期］2016-03-20 ［基金項目］2014年廣東省省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201410576050）.

［作者簡介］曾懋華（1965-），男，湖南益陽人，韶關學院化學與環(huán)境工程學院教授，碩士；研究方向：應用化學與化學教學論.

Research on the Distribution of the Heavy Metals Pollution of Surface Soil around a Mining Area in the Northern of GuangDong

ZENG Mao-hua,YE Zhi-qiang,GUOJian-hao,WU Xiao-ling,TAOJian-huan
（CollegeofChemistryandEnvironmental Engineering,ShaoguanUniversity,Shaoguan512005,Guangdong,China）

Abstract:Inordertofindout theheavy metal pollutionsituationinsoil aroundalargelead-zinc miningareainthe Northern of Guangdong,thedistribution of Pb,Zn,Cu and Cd in 13 samples sites and 39 samples fromthe surface soil onthegroundofsmelting,miningandmineral processingareaweredetectedandanalyzed.Theresultsshowthat Pb and Cd on surface soil near the smelter are in excess of the standards,and are 1.72 and 15.3 times of the grade twonational soil environmental quality standard,respectively.The heavy metal pollution surround the mining area more serious.Pb,Cu and Cd are 3.90,1.17 and 17.17 times of the grade two national soil environment quality standard,respectively.However,the heavy metal content surrounding the farmland in mineral processing zone peripheral arewithintherangeofthenational standard.

Key words:surfacesoil;smeltingplant;theareaofmining;heavymetal pollution