山西省某焦化廠土壤重金屬污染狀況分析與評價

王星星，王海芳

(中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051)

土壤是人類健康和諧繁衍的重要環(huán)境，然而，我國土壤狀況令人堪憂，工礦業(yè)廢棄地問題突出[1]。開展典型遺留場地土壤調(diào)查，對土壤污染防治具有重要意義[2],且我國亟需修復(fù)重污染、高風(fēng)險的污染場地眾多[3]。山西煤焦化企業(yè)眾多，煉焦過程中土壤污染嚴(yán)重[4-5]，精確識別遺留場地的污染特征是評價土壤風(fēng)險及制定相關(guān)修復(fù)治理決策的基礎(chǔ)[6]。

本文以山西省南部某焦化廠土壤為對象(建于20世紀(jì)70年代，生產(chǎn)焦炭、煤氣、煤焦油等產(chǎn)品,2007年停止生產(chǎn))，運(yùn)用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法，分析土壤中4種重金屬(Hg、As、Cu、Zn)的含量、污染程度及環(huán)境風(fēng)險，為類似土壤污染風(fēng)險、修復(fù)治理及再利用提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸均為分析純。

雷磁PHZ-3C pH計；賽默飛ICE-3500火焰原子吸收光譜儀；AFS-8200原子熒光光度計。

1.2 樣品采集與處理

結(jié)合原場地功能與污染分布特點，按照網(wǎng)格布點法和分區(qū)布點法結(jié)合，對生產(chǎn)場地(熄焦池)、污染物排放較嚴(yán)重場地(化產(chǎn)車間)及疑似為危險廢物的殘余廢棄物(焦油存儲)等功能區(qū)域，采集0～20 cm表層土壤樣品，共布22個點，采集后的土壤樣品通過自然風(fēng)干、除雜過篩后封存，以備分析用。

1.3 樣品測定

Hg、As含量采用原子熒光光譜法測定，Cu、Zn含量采用原子吸收光譜法測定。樣品在測試過程中通過平行雙樣分析、空白樣品分析、加標(biāo)樣分析等方式進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

土壤重金屬含量統(tǒng)計與分析運(yùn)用Excel 2010軟件進(jìn)行處理。

1.5 評價標(biāo)準(zhǔn)與方法

土壤樣品選取山西省土壤環(huán)境背景值為標(biāo)準(zhǔn)，分別用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價土壤重金屬污染狀況。

1.5.1 單因子污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法依據(jù)土壤元素背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)，甄選出影響環(huán)境變化的主要污染因子，揭示某個污染物的污染程度[7-8]。土壤污染指數(shù)污染程度見表1。公式如下：

Pi=Ci/S

式中Pi——污染物單因子指數(shù)；

Ci——實測濃度，mg/kg;

S——土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(山西省土壤環(huán)境背景值)，mg/kg。

表1 土壤污染指數(shù)污染程度Table 1 Soil pollution index pollution degree

1.5.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 當(dāng)前，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是一種可反映多因子環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)且兼顧單元素極值或突出最大值的指數(shù)方法[9]，可用于評價整個區(qū)域被多種重金屬污染的土壤，突出污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響和作用[10]。 土壤綜合污染指數(shù)污染程度見表2，公式如下：

表2 土壤綜合污染指數(shù)污染程度Table 2 Soil comprehensive pollution index pollution degree

Pi=Ci/S

式中Pi——土壤中i元素污染指數(shù);

Ci——實測濃度，mg/kg；

S——土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，mg/kg；

I——內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；

Pi最大——研究對象污染指數(shù)中的最大值；

Pi平均——研究對象污染指數(shù)的平均值。

1.5.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法由瑞典科學(xué)家于1980年建立，將不同重金屬之間的毒性差異和環(huán)境對重金屬污染的敏感程度反應(yīng)作為考慮因素[11],其優(yōu)點在于引入重金屬毒性系數(shù)確定土壤重金屬潛在危害程度[12]。潛在生態(tài)風(fēng)險評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3，公式如下：

RI——綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification criteria for potential ecological risk assessment

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤pH值

土壤酸堿度和土壤理化性質(zhì)與pH值都有關(guān)系。采集的22個土壤樣品pH值均在7.31～8.71，該工業(yè)遺留場地土壤整體呈堿性。

2.2 土壤重金屬含量狀況

研究區(qū)土壤重金屬濃度見表4。

由表4可知，表層土壤樣品中的重金屬Zn、Cu、As、Hg的平均值分別為99.80，24.51，11.29，0.24 mg/kg。重金屬平均值為Zn>Cu>As >Hg。Zn濃度的最大值為303.4 mg/kg，是全國土壤背景值的4.48倍，山西省土壤背景值的4.77倍。4種重金屬濃度平均值均高于全國和山西省土壤背景值。Zn 、Cu 、As 、Hg濃度平均值分別是山西省土壤元素背景值的1.57,1.07,1.23和10.6倍，呈強(qiáng)富集和富集狀態(tài)。變異系數(shù)反映各個樣點的變異程度的變化[13]，變異系數(shù)在10%～30%之間屬于中等變異，>30%屬于強(qiáng)變異[14]。其中，變異系數(shù)最大的是Hg，為186%；變異系數(shù)最小的是As，為13.05%，各金屬元素含量的變異系數(shù)由大到小為Hg>Zn>Cu>As，表明不同位置的采樣點之間Hg、Zn的含量差異較大，但是Cu 、As含量分布相對比較集中。

表4 研究區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計Table 4 Soil heavy metal content statistics in the study area

2.3 土壤重金屬污染程度評價

2.3.1 單因子污染指數(shù)評價 以山西省土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)，4種重金屬的單因子污染指數(shù)值見表5，各布點重金屬單因子污染指數(shù)分布情況見表6。

表5 重金屬單因子污染指數(shù)Table 5 Single factor pollution index of heavy metals

由表5可知，該廢棄焦化廠遺留土壤重金屬的單項污染指數(shù)平均值均>1，表明該區(qū)域土壤受到了Hg、As、Cu和Zn 4種重金屬的污染。并且，重金屬元素Hg的單項污染指數(shù)平均值最高，為11.5，說明Hg污染最嚴(yán)重，As、Cu和Zn污染水平近乎一樣，處于輕污染。重金屬元素變異系數(shù)可知，系數(shù)最大是元素Hg，Zn次之，As和Cu接近一樣，且最小。表明在該遺留場地污染分布特別不均勻的是重金屬Hg。

表6 污染指數(shù)分布表Table 6 Pollution index distribution table

由表6可知，重金屬As污染頻率約90%處于輕污染狀態(tài)，剩余部分則是未污染狀態(tài)；重金屬Zn污染頻率約90%,同As一樣，處于輕污染狀態(tài)，但剩余部分卻是處于重污染狀態(tài)；重金屬Cu污染頻率處于未污染狀態(tài)和輕污染狀態(tài)約各占一半的比例，污染最輕；Hg的污染最嚴(yán)重，約45%的樣本處于重污染狀態(tài)，約36%的樣本處于輕污染狀態(tài)，約18%的樣本處于中污染狀態(tài)。遺留場地土壤中重金屬Hg污染最嚴(yán)重，Zn次之，Cu最輕。

2.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價見表7。

表7 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)情況Table 7 Nemerow composite pollution index

由表7可知，遺留場地土壤重金屬Hg 和Zn都處于重度污染等級，元素Hg的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)是元素Zn指數(shù)的14倍，反映土壤中重金屬Hg污染最嚴(yán)重，Zn次之；As處于中度污染，Cu污染最輕，處于輕度污染，這與單因子污染指數(shù)評價結(jié)果相吻合。

2.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價 土壤重金屬潛在生態(tài)危害評價情況見表8。

表8 土壤重金屬生態(tài)危害評價指數(shù)Table 8 Soil heavy metal ecological hazard evaluation index

由表8可知，因為一部分土樣中重金屬污染濃度相對比較高，且樣品在原功能場地的不同區(qū)域位置進(jìn)行取樣，所以，Er與RI值的幅度范圍變化較廣。分析EHg、EAs、ECu、EZn的平均值可得:除了EHg，其余數(shù)值均<40，處于輕微危害。 而EHg的平均值為460.14，處于極強(qiáng)生態(tài)危害。從平均單一潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)來看，4種重金屬大小順序為：Hg>As>Cu>Zn，元素Hg危害最大。從重金屬RI的均值1 318.4，可知元素Hg對總生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)的貢獻(xiàn)值最大，重金屬Hg的污染修復(fù)應(yīng)該放在首要位置上。焦化廠廢棄地土壤重金屬污染程度與煉焦過程中的生產(chǎn)路線、焦油、瀝青、焦炭回收過程有很大關(guān)系，污染物與此同時進(jìn)入到環(huán)境中，造成污染[15-16]。

3 結(jié)論

(1)從單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)整體分析，以山西省土壤背景值作標(biāo)準(zhǔn)，遺留場地土壤重金屬Hg、 As 、Cu 和Zn都呈富集狀態(tài)，土壤重金屬Hg的污染最嚴(yán)重，危害最強(qiáng)。

(2)從單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)看，4種重金屬危害程度大小為Hg>Zn>As>Cu。從潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)看，4種重金屬危害程度大小為Hg>As>Cu>Zn。

(3)比較3種評價方法的結(jié)果可知，重金屬Hg為該場地主要污染因子，綜合污染指數(shù)為70.5，屬于重度重金屬污染，亟需修復(fù)治理，重金屬As、Cu 和Zn風(fēng)險危害程度略有差別但相差不多，危害都比較輕。但該遺留場地土壤受到中度污染，不適合直接利用，應(yīng)該修復(fù)與治理后再利用。