冶煉制造企業(yè)土壤重金屬含量變化及其污染風(fēng)險評價

周向紅 王平山 王定華

摘要[目的]研究冶煉制造企業(yè)土壤重金屬含量變化及其污染風(fēng)險評價。[方法]對湖南一冶煉制造企業(yè)廠區(qū)內(nèi)土壤中的As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Sb、V、Zn等共9種重金屬含量進(jìn)行調(diào)查。以湖南地方性土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)為背景值，運(yùn)用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對該冶煉制造企業(yè)生產(chǎn)區(qū)內(nèi)深度為5～10、10～15? cm的土壤進(jìn)行污染風(fēng)險評價，并根據(jù)各重金屬毒性系數(shù)，對內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)。[結(jié)果]企業(yè)周邊均存在不同程度的綜合污染，并以污酸場、鋅1車間的土壤重金屬污染最為嚴(yán)重。被調(diào)查的土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險大部分處于嚴(yán)重污染狀態(tài)，土壤中 Zn、Cd、Pb等3個元素最為嚴(yán)重。[結(jié)論]該研究為土壤重金屬污染風(fēng)險評價提供決策參考。

關(guān)鍵詞冶煉制造企業(yè);重金屬;含量;污染;單因子指數(shù)法;內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法;風(fēng)險評價

中圖分類號X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2019）01-0060-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.020

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

改革開放以來，我國工業(yè)發(fā)展迅猛，形成了大量以資源開采、冶煉和簡單加工等環(huán)節(jié)上的制造企業(yè)。由于過去偏重于發(fā)展規(guī)模和速度，質(zhì)量不高、監(jiān)管不嚴(yán)，同時企業(yè)環(huán)保技術(shù)水平有限、環(huán)保投資動力不足等情況下導(dǎo)致環(huán)境遭受重創(chuàng)。在資源的開采和冶煉制造過程中，粗放式的增長導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，尾礦、廢渣、廢氣、廢水，使土壤、大氣、水體環(huán)境遭受污染[1-2]，如冶煉制造企業(yè)周邊的血鉛事件、鎘污染事件頻發(fā)等，過度采礦導(dǎo)致礦區(qū)周邊的地質(zhì)地貌遭到破壞。環(huán)境中突出問題已得到黨和政府的重視，十九大報告明確提出，綠水青山就是金山銀山的理念，環(huán)境保護(hù)與治理提到更加重要的位置[3]。由于土壤重金屬的毒性、長期性、生物累積性，礦山、冶煉企業(yè)土壤重金屬污染及其風(fēng)險評估問題已得到政府和學(xué)者的關(guān)注，成為社會熱點(diǎn)[4]。

現(xiàn)有學(xué)者主要針對土壤重金屬污染評價方法進(jìn)行大量研究[5-14]。對土壤重金屬評價的基本方法有單因子指數(shù)法[5]、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[6];對生態(tài)風(fēng)險評價主要有潛在生態(tài)危害指數(shù)法[1]。在內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法應(yīng)用當(dāng)中，通常采用簡單算術(shù)平均法，即考慮各重金屬元素的權(quán)重相同;而現(xiàn)實(shí)中，各重金屬元素的危害和影響程度不同，其權(quán)重應(yīng)該具有差異性?；诖耍琒waine[15]根據(jù)重金屬元素對環(huán)境的影響程度，將重金屬元素分成3類，即1類、2類、3類，并分別賦值為3、2、1作為權(quán)重，而其他賦權(quán)方法相對較少。因此，有必要根據(jù)重金屬元素的特點(diǎn)和性質(zhì)構(gòu)建綜合評價賦權(quán)的評價方法，以更好地反映土壤重金屬污染的實(shí)際情況。

湖南是有色金屬之鄉(xiāng)，大量礦山、冶煉制造企業(yè)的建設(shè)，是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的主要力量，但由于當(dāng)時環(huán)保技術(shù)發(fā)展水平的局限性，導(dǎo)致許多重金屬無序外排，嚴(yán)重破壞了人們生存環(huán)境，產(chǎn)生了不良的社會影響[11-12]。筆者選擇湖南一大型冶煉制造企業(yè)廠區(qū)內(nèi)土壤進(jìn)行重金屬污染風(fēng)險評估研究，為微觀區(qū)域重金屬治理提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1資料與方法

1.1采樣點(diǎn)及監(jiān)測因子通過對冶煉制造企業(yè)區(qū)域內(nèi)土壤污染情況進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合研究需要，選取重金屬As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Sb、V和Zn作為監(jiān)測因子。

此次監(jiān)測以冶煉廠煙囪為中心，在其兩側(cè)平行線上每500 m布設(shè)一個采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣監(jiān)測，共布設(shè)采樣點(diǎn)8 個，每個采樣點(diǎn)分2層，上層5～10? cm（采用-1表示），下層10～15? cm（采用-2表示）。該研究選擇污酸場（WS）、鉛冶煉車間（QY）、渣山場（ZS）、鉛原料區(qū)（QL）、鋅合金車間 （XH）、鋅電解-稀貴車間（XX）、鋅 Ⅰ 沸車間（XY）、鋅 Ⅱ 沸車間（XE）等8個重點(diǎn)區(qū)域（圖1）。采集土樣時，用鐵鍬將采樣點(diǎn)表層土挖開，用木片去除與鐵鍬接觸的部分土壤后，取5 cm 范圍內(nèi)約 1 kg 土樣至自封袋。每個采樣點(diǎn)處按照梅花布點(diǎn)法（半徑為 20 m），采集 5 個土壤土樣制成一個混合土樣。每個混合樣品約取1 kg，多余部分四分法棄去。

《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）進(jìn)行樣品制備、分析檢測、數(shù)據(jù)處理等。整個分析測定過程試驗(yàn)中所用水均為去離子水，所采用的試劑均為優(yōu)級純試劑，所用玻璃器皿均在10%硝酸中浸泡24 h以上。分析過程中采用試劑空白、平行雙樣、國家標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量保證和質(zhì)量控制，且加標(biāo)回收率為95%～105%。

1.3土壤重金屬污染評價方法

1.3.1冶煉制造企業(yè)土壤中的重金屬含量水平。

為了對該冶煉制造企業(yè)廠區(qū)內(nèi)土壤中的重金屬含量水平進(jìn)行分析，共設(shè)8個區(qū)域雙層16個采樣點(diǎn)，有針對性地選擇重要監(jiān)測因子，主要有As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Sb、V和Zn。利用 ICP-MS 對采樣點(diǎn)的土壤樣品進(jìn)行檢測，各采樣點(diǎn)重金屬的含量如表1所示。

1.3.2單因子污染指數(shù)法。單因子污染指數(shù)法是以土壤元素背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)來評價重金屬元素的累積污染程度，其計算公式見式（1）：

Pi=Ci/SI（1）

式（1）中，Pi為i重金屬元素的污染指數(shù);Ci為重金屬含量實(shí)測值;SI為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值。土壤重金屬背景值選用湖南省地方性標(biāo)準(zhǔn)《重金屬污染場地土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)》（DB43/T1125—2016）中的商業(yè)用地作為土壤污染的評價標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)見表2。

若Pi ≤1.0，則重金屬含量在土壤背景值含量之內(nèi)，土壤未受到人為污染;若Pi>1.0，則重金屬含量已超過土壤背景值，土壤已受到人為污染，指數(shù)越大則表明土壤重金屬累積污染程度越高，具體見表3。單因子污染指數(shù)模型只能分別反映各個污染物的污染程度，不能全面、綜合地反映土壤的污染程度，因此這種方法僅適用于單一因子污染特定區(qū)域的評價。

1.3.3綜合污染指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法全面反映各種重金屬對土壤的不同作用，突出高濃度重金屬對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響。單因子指數(shù)只能反映各個重金屬元素的污染程度，不能全面地反映土壤的污染狀況，而綜合污染指數(shù)兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值，可以突出污染較重的重金屬污染物的作用。綜合污染指數(shù)計算方法如式（2）：

Pz=2（）2+Pimax22（2）

式（2）中，Pz是采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù);Pimax為i采樣點(diǎn)重金屬污染物單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值;=1nni=1Pi為單因子指數(shù)平均值，n為重金屬種類數(shù)。綜合污染指數(shù)評價等級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

1.3.4基于重金屬毒性系數(shù)改進(jìn)的綜合污染評價方法。由于不同重金屬對土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的影響不同，采用加權(quán)計算法來求平均值比較合適，改進(jìn)后公式如式（3）：

=ni=1wiPi/ni=1wi（3）

對于權(quán)重w的確立，可依據(jù)重金屬對環(huán)境的影響程度。該研究主要采用各重金屬的毒性系數(shù)來確定各重金屬元素的權(quán)重[16]，則As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Sb、V、Zn的權(quán)重分別為10、30、2、5、1、5、5、2、1。

2結(jié)果與分析

2.1單因子指數(shù)法評價結(jié)果

采用單因子指數(shù)法對該冶煉制造企業(yè)廠區(qū)內(nèi)土壤重金屬進(jìn)行污染評價，評價結(jié)果如表4所示。由表4可知，該企業(yè)土壤中重金屬Cr、V、Mn等的污染指數(shù)均值都低于0.7，屬于清潔水平。其余指標(biāo)的污染指數(shù)均大于3，達(dá)到了重污染程度，屬于嚴(yán)重污染水平。從單個污染指數(shù)來看，其余6個重金屬元素的污染指數(shù)均值從大到小依次為Zn、Cd、Pb、As、Cu、Sb。

表4中數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，重金屬As的Pi值為0.71～65.71，均值為11.91，XH-1輕度污染、QY較清潔，XE中度污染，其他各點(diǎn)的Pi值大部分大于3，屬于嚴(yán)重污染。Cd的Pi值為1.00～125.00，跨度大，均值為20.32，大于3.00，屬于嚴(yán)重污染水平。QY采樣點(diǎn)Pi值相對較小，屬于輕度污染。Cr的 Pi值為0.08～0.30，均值為0.17，小于0.70，屬于清潔水平，無此重金屬污染。Cu的Pi值為0.08～19.40，跨度較大，均值為3.12，大于3.00，屬于嚴(yán)重污染。Mn的Pi值為0.05～4.94，均值為0.63，小于0.70，屬于清潔水平，主要WS采樣點(diǎn)的Pi值大于3.00，屬于嚴(yán)重污染，其余采樣點(diǎn)均低于0.70。Pb的Pi值為0.23～67.83，跨度較大，均值為14.20，大于3.00，屬于嚴(yán)重污染;QL、XH、XX和XE的Pi都小于2.00，均在輕度污染以下。Sb的Pi值為0.10～18.33，均值為3.11，略大于3.00，屬于嚴(yán)重污染;只有WS、XY的Pi值大于3.00外，其余均小于2.00，在輕度污染以下。V的Pi值為0.16～0.76，均值為0.43，小于0.70，屬于清潔水平。Zn的Pi值為0.81～417.14，均值為75.25，遠(yuǎn)大于3.00，屬于嚴(yán)重污染水平，只有QL采樣點(diǎn)Pi值小于2.00，屬于輕度污染。

從各重金屬污染值的分布情況來看，重金屬元素Zn在2個采樣區(qū)的污染風(fēng)險評價值高，最高達(dá)417.14。

2.2綜合污染指數(shù)評價結(jié)果

利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對該冶煉制造企業(yè)廠區(qū)內(nèi)土壤進(jìn)行評價，評價結(jié)果如表5所示。從8個采樣點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)5～10、10～15 cm兩層土壤重金屬的綜合污染評價指數(shù)（Pz）來看，QY上下兩層Pz值分別小于1.00和2.00，在輕度污染以下;XH的下層土壤Pz小于2.00，屬于輕度污染;其余各點(diǎn)Pz在4.11～297.76。從整體采樣點(diǎn)來看，綜合污染指數(shù)均值為54.78，遠(yuǎn)大于重污染程度污染指數(shù)3.00，屬于嚴(yán)重污染水平。

2.3基于重金屬毒性系數(shù)改進(jìn)的綜合污染指數(shù)評價結(jié)果

在式（2）中，采用簡單算術(shù)平均，其前提是假設(shè)各重金屬元素的權(quán)重是一樣的，而沒有考慮重金屬元素的差異。由于不同重金屬對土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的影響不同，采用加權(quán)計算法來求平均值比較合適，改進(jìn)如式（3）。據(jù)此計算得到各采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)Pz，如表6 所示。從表中數(shù)據(jù)看，與“2.2”的計算值相近。

從圖2可直觀看出，重金屬毒性系數(shù)改進(jìn)前后2種結(jié)果具有一致性，且WS和XY是污染風(fēng)險高的區(qū)域。這是由于毒性系數(shù)大（權(quán)重大）的鎘與砷的含量相對小，其他元素鋅的含量相對大，但其毒性系數(shù)小（權(quán)重?。?，從而導(dǎo)致結(jié)果未有明顯差異。

3結(jié)論

該研究選取湖南省一典型冶煉制造企業(yè)為研究區(qū)域，調(diào)查了該廠區(qū)內(nèi)土壤重金屬的污染狀況，并采用不同污染評價方法進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，該區(qū)域大部分采樣點(diǎn)的土壤已經(jīng)受到重金屬嚴(yán)重污染，污染的重點(diǎn)區(qū)域是污酸廠、鋅 Ⅰ 車間等2個區(qū)域，廠內(nèi)污染嚴(yán)重的是Zn、Cd和Pb等3種重金屬元素。從綜合污染指數(shù)評價方法來看，該研究2種平均方

法具有一致性，采用毒性系數(shù)來反映重金屬污染權(quán)重更加科學(xué)合理。

結(jié)合該制造企業(yè)歷史來看，由于制造企業(yè)從事鉛鋅冶煉長達(dá)數(shù)十年，在多年生產(chǎn)中，土壤中重金屬元素不斷累積，已造成當(dāng)前嚴(yán)重污染局面，評價結(jié)果也印證了其重金屬污染的嚴(yán)重程度。

根據(jù)評價結(jié)果，因地制宜，采用高分子材料吸附固定或重新收集再制造等不同治理路線，有針對性地開展重金屬土壤治理，以達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求，提升土地利用價值，創(chuàng)建良好的生態(tài)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]陳鳳，董澤琴，王程程，等.鋅冶煉區(qū)耕地土壤和農(nóng)作物重金屬污染狀況及風(fēng)險評價[J].環(huán)境科學(xué)，2017，38（10）：4360-4369.

[2] 賀強(qiáng)，李慧媛，張永清.我國近十年來土壤重金屬污染的相關(guān)研究[J].山西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，31（2）：83-87.

[3] 成鵬飛. 踐行綠色發(fā)展理念的五個抓手[N]. 經(jīng)濟(jì)日報，2017-12-10（008）.

[4] 陳潔，施維林，張一梅，等.電鍍廠遺留場地污染分析及健康風(fēng)險空間分布評價[J].環(huán)境工程，2018，36（4）：153-159.

[5] 李秉輝，李海燕.海綿公園土壤重金屬現(xiàn)狀調(diào)查與評價[J].環(huán)境工程，2016，34（S1）：1016-1020.

[6] 郭紹英，林皓，謝妤，等.基于改進(jìn)灰色聚類法的礦區(qū)土壤重金屬污染評價[J].環(huán)境工程，2017，35（10）：146-150.

[7] 齊雁冰，楚萬林，蒲潔，等.陜北某化工企業(yè)周圍污灌區(qū)土壤-作物系統(tǒng)重金屬積累特征及評價[J].環(huán)境科學(xué)，2015，36（4）：1453-1460.

[8] 陸泗進(jìn)，王業(yè)耀，何立環(huán).會澤某鉛鋅礦周邊農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險評價[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2014，23（11）：1832-1838.

[9] 黃哲，曲世華，白嵐，等.包頭城區(qū)土壤重金屬空間分布特征及污染評價[J].環(huán)境工程，2017，35（5）：149-153.

[10] 陜永杰，張磊.塔兒山鐵礦區(qū)土壤重金屬污染評價及來源分析[J].環(huán)境工程，2016，34（11）：141-144.

[11] 匡曉亮，彭渤，張坤，等.湘江下游沉積物重金屬污染模糊評價[J].環(huán)境化學(xué)，2016，35（4）：800-809.

[12] 潘瓊，潘峰.湖南省冶礦城市土壤重金屬污染現(xiàn)狀及評估[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：405-410.

[13] 高瑞英.土壤重金屬污染環(huán)境風(fēng)險評價方法研究進(jìn)展[J].科技管理研究，2012，32（8）：45-50.

[14] FAIRBROTHER A，WENSTEL R，SAPPINGTON K，et al. Framework for metals risk assessment[J]. Ecotoxicology and environmental safety，2007，68（2）：145-227.

[15] SWAINE D J.Why trace elements are important[J].Fuel processing technology， 2000，65/66：21-23.

[16] 徐爭啟，倪師軍，庹先國，等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價中重金屬毒性系數(shù)計算[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（2）：112-115.

[17] 湖南省環(huán)保廳，湖南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.重金屬污染場地土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)：DB43/T 1125—2016[S].湖南省環(huán)保廳，湖南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2016.