葫蘆島鋅廠周邊土壤重金屬污染狀況及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

常 沙, 徐文迪, 黃殿男, 傅金祥

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 遼河流域水污染防治研究院,遼陽(yáng) 沈陽(yáng) 110000)

葫蘆島鋅廠周邊土壤重金屬污染狀況及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

常 沙, 徐文迪*, 黃殿男, 傅金祥

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 遼河流域水污染防治研究院,遼陽(yáng) 沈陽(yáng) 110000)

以葫蘆島鋅廠周邊地區(qū)土壤為研究對(duì)象,通過對(duì)重點(diǎn)區(qū)域土壤的取樣分析,得到葫蘆島鋅廠周邊土壤中主要重金屬污染物的種類和污染程度,及重金屬污染物的水平、垂直分布規(guī)律圖,并采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和地積累指數(shù)法對(duì)其污染情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,結(jié)果表明,葫蘆島鋅廠周邊土壤中主要的重金屬污染物為:Cd、Hg、Zn、Cu、Ni、As,其中Zn的污染最嚴(yán)重;水平分布規(guī)律顯示重金屬污染物主要集中在鋅廠四周,距離鋅廠越遠(yuǎn)重金屬污染程度越輕;垂直分布規(guī)律表現(xiàn)為表層土壤重金屬含量高于下層土壤;運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),6種重金屬的潛在生態(tài)危害由強(qiáng)至弱依次為:Cd>Hg>As>Cu>Zn>Ni,葫蘆島鋅廠周邊土壤總體處于很強(qiáng)生態(tài)危害;運(yùn)用地積累指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),葫蘆島鋅廠周邊土壤中各種重金屬的污染程度由強(qiáng)至弱依次為:Hg>Cd>Zn>Cu>As>Ni,土壤環(huán)境總體處于中度污染.圖2,表7,參14.

葫蘆島鋅廠;重金屬污染;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

葫蘆島鋅廠位于遼寧省葫蘆島市龍港區(qū),始建于1937 年,是集有色金屬冶煉和化工產(chǎn)品生產(chǎn)于一體,并綜合回收其他有價(jià)值金屬的國(guó)家特大型有色冶金企業(yè).作為葫蘆島市經(jīng)濟(jì)的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一,葫蘆島鋅廠在給葫蘆島地區(qū)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),也使得當(dāng)?shù)氐闹亟饘傥廴救遮厙?yán)重.廢水、廢氣、廢渣的排放嚴(yán)重威脅了人們的生命安全.

葫蘆島鋅廠在生產(chǎn)過程中排放二氧化硫濃度較高的煙囪有18根,在礦石焙燒過程中,由于設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,沸騰爐、余熱鍋爐、吸收塔等許多設(shè)備都存在二氧化硫泄漏現(xiàn)象[1].街道中As、Pb污染主要以葫蘆島鋅廠周圍為中心向四周輻射狀擴(kuò)散,重金屬在鋅廠附近表現(xiàn)出很強(qiáng)的危害性,嚴(yán)重影響了周邊居民的健康水平[2].葫蘆島鋅廠周邊的茨山河受鋅冶煉廠廢水污染,沉積物中Hg,Pb,Zn含量平均值超過區(qū)域沉積物背景值的1 888.00、63.89、123.60倍[3].葫蘆島地區(qū)大部分土壤己受到Cd、Cu、Zn污染的影響,很大一部分地區(qū)還出現(xiàn)嚴(yán)重的污染超標(biāo),鋅廠、楊杖子地區(qū)均有極嚴(yán)重的重金屬污染[4].由于葫蘆島鋅廠污染嚴(yán)重,離場(chǎng)區(qū)最近的一個(gè)村子——稻池村,被中央電視臺(tái)、東方衛(wèi)視等多個(gè)媒體稱為“癌癥村”.葫蘆島鋅廠重金屬污染的問題亟待解決.

不同于其他有機(jī)化合物的污染,重金屬不能被微生物降解,具有長(zhǎng)期性、累積性、隱蔽性、潛伏性和不可逆性等性質(zhì),同時(shí)土壤具有受體面積大、吸附性強(qiáng)、處理起來較為困難等特點(diǎn),因此,土壤重金屬的治理成為修復(fù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[5].為了進(jìn)一步探討葫蘆島地區(qū)土壤重金屬污染狀況,作者通過對(duì)葫蘆島鋅廠周邊土壤取樣分析,得到以葫蘆島鋅廠為中心的周邊土壤中重金屬污染物類型、以及重金屬污染物的水平分布規(guī)律和污染物的垂直分布規(guī)律.并在明晰重金屬污染狀況的基礎(chǔ)上對(duì)重金屬污染情況進(jìn)行初步的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),為科學(xué)的治理葫蘆島地區(qū)環(huán)境污染問題提供基礎(chǔ).目前國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)家從沉積學(xué)角度提出了多種重金屬污染評(píng)價(jià)方法,主要有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、地積累指數(shù)法、污染指數(shù)法等,也有不少國(guó)內(nèi)工作者對(duì)重金屬污染的危害進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究,但對(duì)于葫蘆島鋅廠周邊土壤重金屬的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)尚未見報(bào)道.

1 材料和方法

1.1 土壤樣品的采集與測(cè)定

供試土樣采自葫蘆島市龍港區(qū).在污染較嚴(yán)重的稻池村南側(cè)布置剖面點(diǎn),采取連續(xù)采樣法,將土層深度分為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70 cm,采用土壤采樣器進(jìn)行連續(xù)采樣.樣品采集后密封帶回實(shí)驗(yàn)室,挑出植物殘茬、石塊、磚塊等非土樣的組成部分;自然風(fēng)干后研磨混勻;實(shí)驗(yàn)時(shí)稱取少量樣品,過1 mm篩.采用濕法消解法進(jìn)行土壤樣品的消化,利用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定土壤中重金屬Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni含量.

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法利用沉積物中重金屬相對(duì)于工業(yè)化以前沉積物的最高背景值的比值及金屬的生物毒性系數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和得到生態(tài)危害指數(shù).地積累指數(shù)法比較直觀地反映了外源重金屬在沉積物中的富集程度,還可以判別人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響,是區(qū)分人為活動(dòng)影響的重要參數(shù)數(shù)據(jù).本文中的研究區(qū)域主要集中在葫蘆島鋅廠,土壤中重金屬污染物受葫蘆島鋅廠和人為活動(dòng)影響較大,因此采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和地積累指數(shù)法的結(jié)合應(yīng)用可以較為合理地對(duì)葫蘆島鋅廠周邊土壤中重金屬污染狀況進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià).

潛在生態(tài)危害指數(shù)RI[6]的計(jì)算方法如公式：

表1 遼寧省土壤重金屬元素背景值(mg·kg-1)Tab.1 Background value of heavy metal elements in soil of Liaoning Province (mg·kg-1)

表2 生態(tài)危害系數(shù)、指數(shù)與危害程度分級(jí)Tab.2 Ecological risk coefficient,index and damage degree

地積累指數(shù)Igeo[8-9]的計(jì)算方法如公式.

Igeo=log2[Ci/(k×Bi)]

式中,Ci為沉積物中某一重金屬的實(shí)測(cè)含量(mg·kg-1);常數(shù)k是考慮到造巖運(yùn)動(dòng)可能引起的背景值變動(dòng)而取的系數(shù),此處取1.5;Bi為參比值,即當(dāng)?shù)啬纲|(zhì)母巖中該元素的地球化學(xué)背景值(mg·kg-1).參比值的選擇是計(jì)算Igeo值的關(guān)鍵,不同的參比體系會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成較大的差異,采用遼寧省土壤重金屬元素背景值(表1)作為參比值.根據(jù)Igeo值的計(jì)算結(jié)果,重金屬的污染程度共分為7級(jí)(0～6級(jí)),具體如表3所示.

表3 地積累指數(shù)與污染程度分級(jí)Tab.3 Land accumulation index and damage degree

1.3 數(shù)據(jù)處理及圖件處理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù),利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理;利用Sigmaplot繪制重金屬水平分布的三維網(wǎng)線圖;利用Excel繪制重金屬垂直分布的折線圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬污染物種類及污染程度

葫蘆島鋅廠及周邊土壤中重金屬含量見表4.重金屬污染物主要有Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni 6種,其平均含量分別是3.46、0.74、22.38、87.11、570.00、19.33 mg·kg-1,最大值分別達(dá)到10.50、3.13、91.15、232.6、1423.1、28.8 mg·kg-1,分別超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的35.0、10.4、2.3、2.3、7.1、0倍,這說明葫蘆島鋅廠及周邊土壤中重金屬有明顯的累積效應(yīng),受污染嚴(yán)重.

污染程度較大的重金屬污染物主要有Cd、Hg、Zn、Cu,其中Cd的超標(biāo)率達(dá)66.7%,其中33.7%達(dá)到重度污染,污染范圍也比較大;Zn的超標(biāo)率達(dá)78.6%,主要集中在鋅廠四周,離鋅廠越遠(yuǎn)污染程度越輕;Cu、Hg的超標(biāo)率分別為55.6%、53.1%;Ni與As受污染濃度較輕,沒有明顯超標(biāo)地區(qū).

表4 葫蘆島鋅廠及周邊土壤重金屬含量(mg·kg-1)Tab.4 Heavy metal content of Huludao Zinc Smelter and the surrounding areas (mg/kg)

2.2 土壤重金屬分布狀況

2.2.1 土壤重金屬水平分布狀況

根據(jù)葫蘆島鋅廠周邊土壤中重金屬水平分布規(guī)律,對(duì)距離葫蘆島鋅廠不同遠(yuǎn)近采樣點(diǎn)的重金屬含量擬合成三維網(wǎng)線圖(圖1).

葫蘆島市表層土壤中重金屬Zn的分布具有明顯的規(guī)律性,主要呈現(xiàn)以鋅廠為中心,向外圍輻散降低的規(guī)律.圍繞葫蘆島鋅廠周圍的Zn濃度均處于1 000 mg·kg-1以上,遠(yuǎn)高于其他非鋅廠區(qū)域土壤Zn的含量;Cd含量最高的地方主要集中在鋅廠附近,其最高點(diǎn)達(dá)到10.5 mg·kg-1;Cu與Hg的分布規(guī)律比較相似,濃度較高地區(qū)主要位于葫蘆島鋅廠東北側(cè);Ni與As的分布基本保持平穩(wěn),各點(diǎn)濃度相差不大,沒有明顯超標(biāo)地區(qū).

顯然,葫蘆島鋅廠無(wú)疑是一個(gè)重大的污染源.Cd與Zn是伴生的2種元素,鋅礦石中含有大量的鎘,在鋅冶煉的過程中會(huì)釋放出大量的鎘[10],由于葫蘆島鋅廠的長(zhǎng)期污染導(dǎo)致葫蘆島鋅廠周邊土壤中Zn、Cd含量嚴(yán)重超標(biāo).Cu、Hg濃度較高的地區(qū)位于葫蘆島鋅廠的下風(fēng)向,該點(diǎn)處Cu、Hg的污染主要來自于葫蘆島鋅廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵.Ni、As受到鋅廠的影響較小,污染濃度較輕,其濃度可能由自然因素造成而不是人為因素.

2.2.2 土壤重金屬垂直分布狀況

根據(jù)土壤取樣分析得到的數(shù)據(jù)繪制稻池村南這一點(diǎn)的重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb的垂直濃度分布圖,見圖2.

圖2 重金屬垂直濃度分布圖Fig.2 Vertical distribution of heavy mental pollution

圖1 重金屬水平濃度分布圖Fig.1 Horizontal distribution of heavy mental pollution

由于該點(diǎn)距離鋅廠較近,該處土壤受到嚴(yán)重的Zn污染,土壤中Zn含量達(dá)到110 mg·kg-1,表層土壤中Zn含量明顯高于30 cm以下土樣,超過30 cm以下土層中Zn濃度的6倍,在30 cm土層深度時(shí)Zn含量與下層土壤相近,并隨著土層深度增加而緩慢下降.

土壤中Pb也具有強(qiáng)烈的表聚性,表層土壤中Pb濃度達(dá)55 mg·kg-1,30 cm以下土層中Pb濃度基本相同.重金屬Pb進(jìn)入土壤時(shí)多以鹵化物的形式存在,然后在土壤中很快轉(zhuǎn)化為難溶性化合物,移動(dòng)性和生物可利用性都大大降低[11,12],說明該點(diǎn)受到了外源Pb污染.

土壤中Cu含量較高,變化最大,且表層土壤中Cu的含量為60 mg·kg-1,超標(biāo)倍數(shù)達(dá)1.3倍,已經(jīng)達(dá)到了污染的程度,30～40 cm土層中Cu的含量略有降低,40 cm以下土層中Cu含量基本不變,Cu和Pb的具有相似的分布規(guī)律,這說明Cu、Pb有著共同來源,均受到外源污染[13].

土壤中Cr的表層土壤濃度與下層土壤濃度差異不明顯,表層土壤濃度較高,達(dá)到50 mg·kg-1,隨土層深度增加稍有降低,60 cm土層處達(dá)38 mg·kg-1,污染程度較輕.

土壤中Cd、Ni的含量在剖面分布上顯示出相同的規(guī)律,隨土層深度增加基本保持不變,且污染程度較輕,受外源污染影響較小.

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.3.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

土壤中6種重金屬在不同取樣點(diǎn)的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Er)如表5所示.Zn、Ni元素所有樣點(diǎn)均處于輕微生態(tài)危害;Cu元素主要處于輕微生態(tài)危害,少部分處于中等生態(tài)危害;As元素有個(gè)別樣點(diǎn)處于中等生態(tài)危害,大部分樣點(diǎn)處于輕微生態(tài)危害;Hg 元素主要處于強(qiáng)生態(tài)危害,少部分處于中等生態(tài)危害和很強(qiáng)生態(tài)危害;Cd元素大部分處于輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害和強(qiáng)生態(tài)危害,少部分處于極強(qiáng)生態(tài)危害.綜合考慮各種重金屬的潛在生態(tài)危害性,其輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害、強(qiáng)生態(tài)危害、很強(qiáng)生態(tài)危害、極強(qiáng)生態(tài)危害的百分比分別是62.97%、9.26%、7.41%、3.7%、16.67%,大部分為輕微等潛在生態(tài)危害,極強(qiáng)生態(tài)危害由重金屬Cd、Hg造成.該6種重金屬的潛在生態(tài)危害由強(qiáng)至弱依次為:Cd>Hg>As>Cu>Zn>Ni.

表5 土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)與生態(tài)危害程度Tab.5 Potential ecological risk coefficients and damage degree of heavy metals in soil

各點(diǎn)處的潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)值與生態(tài)危害程度見表6.計(jì)算各樣點(diǎn)的RI值表明,有55.56%的樣點(diǎn)處于很強(qiáng)生態(tài)危害,33.33%的樣點(diǎn)處于強(qiáng)生態(tài)危害,11.11%的樣點(diǎn)處于輕微生態(tài)危害,生態(tài)危害指數(shù)最高點(diǎn)達(dá)到4 925.43.其中,Cd對(duì)RI值的貢獻(xiàn)最突出,其次是Hg.基于各元素平均含量計(jì)算的葫蘆島鋅廠周邊土壤的生態(tài)危害指數(shù)值為1 824.62,表明葫蘆島鋅廠周邊土壤總體處于很強(qiáng)生態(tài)危害程度.

生態(tài)危害最嚴(yán)重的樣點(diǎn)位于稻池村北部,其主要原因可能是:(1)稻池村位于鋅廠北側(cè),這與葫蘆島市盛行風(fēng)向基本保持一致,由于風(fēng)向的原因可能造成重金屬元素在此處富集;(2)五里河和茨山河流經(jīng)葫蘆島鋅廠和稻池村間,由于河水流經(jīng)使得河流中重金屬元素由鋅廠流致稻池村并在此處土壤中富集.綜上所述,極強(qiáng)生態(tài)危害區(qū)域的形成不僅與鋅廠的工業(yè)生產(chǎn)有關(guān),還與氣候河流等條件有關(guān).

表6 潛在生態(tài)危害指數(shù)與生態(tài)危害程度Tab.6 Potential ecological risk index and damage degree

2.3.2 地理累積指數(shù)法

地積累指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表7所示.分析表中數(shù)據(jù)可以得到,Cd元素大部分樣點(diǎn)受到無(wú)-中度污染,個(gè)別樣點(diǎn)受到極強(qiáng)污染;Hg元素大部分受到中度-強(qiáng)度污染,個(gè)別樣點(diǎn)受到極強(qiáng)污染;As元素大部分無(wú)污染,少部分受到無(wú)-中度污染,個(gè)別樣點(diǎn)受到中度、中度-強(qiáng)度污染;Cu元素大部分受到無(wú)-中度污染,少部分受到中度污染和無(wú)污染;Zn元素大部分受到中度、中度-強(qiáng)度、強(qiáng)度污染;Ni元素全部樣點(diǎn)無(wú)污染.各采樣點(diǎn)只有Cd、Hg達(dá)到極強(qiáng)污染.葫蘆島鋅廠周邊土壤中各種重金屬的污染程度由強(qiáng)至弱依次為: Hg>Cd>Zn>Cu>As>Ni.各元素的平均Igeo值為1.20,土壤環(huán)境總體處于中度污染.

表7 地積累指數(shù)分級(jí)Tab.7 Geo accumulation index grade

地積累指數(shù)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)在As和Zn之間的差異可能是由重金屬毒性系數(shù)的影響引起的.因?yàn)榫哂懈叩纳锒拘?Ti = 10),因此其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也增加,相反,Zn生物毒性系數(shù)最低(Ti = 1),因此其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也降低.地質(zhì)累積指數(shù)集中于重金屬含量和背景值的比較評(píng)價(jià),主要反映了外源重金屬富集程度[7,14].除考慮重金屬含量外,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法考慮了不同重金屬的生物毒性.相比之下,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的方法更準(zhǔn)確.

3 結(jié) 論

(1)葫蘆島鋅廠周邊土壤污染十分嚴(yán)重,重金屬污染物主要有Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni 6種,Zn的污染程度最嚴(yán)重,超標(biāo)率達(dá)78.6%.

(2)土壤中重金屬污染物的水平分布規(guī)律呈現(xiàn)出以鋅廠為中心,向四周輔散降低的趨勢(shì).表層土壤中Zn的超標(biāo)率最高,其次是Cd、Cu、Hg.土壤中重金屬污染物的垂直分布規(guī)律表明,Cu、Zn、Cd、Pb在表層土壤與亞表層土壤中差距很大,Ni、Cr在表層土壤與亞表層土壤中含量差異不明顯.這表明鋅廠對(duì)Zn、Cd、Cu、Hg的影響較為嚴(yán)重,且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),污染程度還會(huì)不斷加劇,葫蘆島鋅廠重金屬污染問題亟待解決.

(3)葫蘆島鋅廠及周邊土壤中6種重金屬的輕微生態(tài)危害最多,其次是極強(qiáng)生態(tài)危害,很強(qiáng)生態(tài)危害比例最少;6種重金屬的潛在生態(tài)危害由強(qiáng)至弱依次為:Cd>Hg>As>Cu>Zn>Ni;葫蘆島鋅廠及周邊土壤生態(tài)危害指數(shù)最高點(diǎn)達(dá)到4 925.43,總體處于很強(qiáng)生態(tài)危害程度.運(yùn)用地積累指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),各采樣點(diǎn)只有Cd、Hg達(dá)到極強(qiáng)污染;葫蘆島鋅廠周邊土壤中各種重金屬的污染程度由強(qiáng)至弱依次為:Hg>Cd>Zn>Cu>As>Ni;各元素的平均Igeo值為1.20,土壤環(huán)境總體處于中度污染.

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Abstract：The surrounding soil of Huludao Zinc Smelter taken as the object,the types and pollution degree of heavy metal pollutants as well as the horizontal and vertical rule,were analyzed by sampling from the key areas.Furthermore,the risk assessment of these pollutants was taken by the potential ecological risk index and geo-accumulation index.The result showed that: Cd,Hg,Zn,Cu,Ni and As were the main heavy metal pollutants in the soils.The horizontal distribution showed that the farther the heavy pollution area is from the Zinc Smelter and the lower the pollution level is.The vertical distribution indicated that content of heavy metal in topsoil was higher than that in the subsoil.The method of potential ecological risk index was shown the order of six heavy metals from strong to weak as follows: CD > Hg > As > Cu > Zn > Ni.Consequently,the soil around Huludao Zinc Smelter was in a strong ecological hazard.The method of geo accumulation index evaluation was shown the order of six heavy metals from strong to weak as follows: Hg > CD > Zn > Cu > As > Ni,and the soil environment at the moderate pollution.2figs.,7tabs.,14refs.

Keywords：Huludao Zinc Smelter; heavy mental pollution; risk assessment

Biography：CHANG Sha,female,born in 1994,master,major research:Environmental pollution and research.

HeavyMetalPollutionandEcologicalRiskAssessmentofSoilaroundHuludaoZincSmelter

CHANGSha,XUWen-di*,HUANGDian-nan,FUJin-xiang

(Liao River Basin Water Pollution Control Research Institute of Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110000,China)

X502

A

2017-04-19

國(guó)家水體污染控制重大專項(xiàng)(編號(hào):2014ZX07202-011);沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)科涵育項(xiàng)目(編號(hào):XKHY2-117)

常 沙(1994-),女,河北秦皇島人,碩士研究生,研究方向:環(huán)境污染與防治.

*通信作者,E-mail:xwd8964571@126.com

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.03-008