山西省某焦化廠周邊土壤中重金屬污染評(píng)價(jià)及特征分析

陳潤甲 田艷梅 張鈞 陳星 曹素珍

摘 ? ?要：為評(píng)估焦化廠表層土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，以山西省某焦化廠為研究對(duì)象，分析了廠區(qū)周圍13個(gè)點(diǎn)位土壤樣品中7 種重金屬元素（Cd、Zn、Pb、Cu、As、Cr、Ni）含量。依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)土壤污染程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：研究區(qū)域土壤中各重金屬含量均超出山西省土壤背景值，超標(biāo)率為100%，研究區(qū)域表層土壤中存在重金屬復(fù)合污染問題，且As、Cd和Cu污染比較嚴(yán)重。利用單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)果表明7種重金屬危害程度大小為As>Cu>Cd>Pb>Cr>Zn>Ni。13個(gè)采樣點(diǎn)位中As為主要污染因子，As的單因子污染指數(shù)平均值為5.66，土壤污染程度為中重度污染，具有較高的風(fēng)險(xiǎn)性;潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果同樣顯示重金屬Cd和As具有較強(qiáng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。該焦化廠應(yīng)著重關(guān)注As、Cr和Cu三種重金屬的后續(xù)修復(fù)問題，進(jìn)一步采取措施以減少重金屬污染帶來的危害。

關(guān)鍵詞：焦化廠;土壤;重金屬污染;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：X825 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.06.019

Abstract： To evaluate the risk of heavy metals pollution in the surface soil of a coking plant in Shanxi Province， the contents of 7 heavy metal elements （Cd， Zn， Pb， Cu， As， Cr， Ni） in 13 soil samples around the plant were analyzed. According to the relevant standards， three different risk assessment methods， including single factor pollution index， Nemerow comprehensive pollution index and potential ecological risk index were used to investigate the pollution characteristics. ?The results showed that the content of heavy metals in the soil of the study area exceeded the background value of the soil in Shanxi Province， and the rate of exceeding the standard was 100%. There was the problem of compound pollution of heavy metals in the surface soil of the study area， and the pollution of As， Cd and Cu was serious. The single-factor pollution index and Nemero comprehensive pollution index were used for risk analysis， the results showed that the damage degree of seven heavy metals was As>Cu>Cd>Pb>Cr>Zn>Ni. Among the 13 sampling points， As is the main pollution factor， and the average value of single factor pollution index was 5.66. The degree of soil pollution was moderate to severe pollution， which had high risk. Meanwhile， the result of potential ecological risk index demonstrated that Cd and As had strong potential ecological risk. The coking plant should pay more attention to the follow-up remediation of As， Cr and Cu， and take further measures to reduce the harm of heavy metal pollution.

Key words： coking plant; soil; heavy metal pollution; risk assessment

近年來，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，一系列環(huán)境污染問題層出不窮，其中，重金屬污染事件發(fā)生的概率極高。土壤是人類健康和諧繁衍的重要環(huán)境，土壤質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到各種以土壤為生長基質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人類的生命健康[1-2]。然而，我國土壤狀況令人堪憂，工礦業(yè)廢棄地問題突出[3]，開展典型遺留場地土壤調(diào)查，了解典型企業(yè)周邊土壤污染程度與特征，對(duì)土壤污染防治具有重要意義。我國是世界上第一大焦炭生產(chǎn)國，2018 年，全國焦炭產(chǎn)量累計(jì)為4.38 億t[4]。焦炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含有重金屬、多環(huán)芳烴、氰化物、總石油烴等污染物的廢水、廢氣、廢渣，大量重金屬可通過干濕沉降或地表徑流等過程進(jìn)入土壤、水體等環(huán)境介質(zhì)中，最終經(jīng)過食物鏈富集進(jìn)入人體從而對(duì)人體健康帶來危害[4-5]。山西是一個(gè)煤炭大省，煤炭焦化產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速[6]，在帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也給周邊生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染。He Q S等[7]研究發(fā)現(xiàn)山西省焦化企業(yè)的生產(chǎn)排放是華北地區(qū)空氣揮發(fā)性有機(jī)污染物污染的重要來源;張榮海等[8]分析了不同功能場地土壤重金屬的垂直分布規(guī)律，研究結(jié)果為焦化廠煤場土壤由于長年直接裸露于煤堆下，在雨水淋濾、土壤吸附阻滯等綜合作用下，其表層重金屬As、Cr、Cd和Pb 等含量均高于底層土壤。然而，當(dāng)前針對(duì)焦化廠污染物的研究多集中于多環(huán)芳烴、總石油烴等有機(jī)污染物[9-11]，鮮有針對(duì)焦化廠重金屬的污染特征及程度進(jìn)行系統(tǒng)分析。因此，本研究以山西省某焦化廠為代表性研究區(qū)域，采集焦化廠土壤樣品，研究了7種重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As在土壤中的含量和污染程度，并應(yīng)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(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)重金屬的污染情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以期為類似土壤污染風(fēng)險(xiǎn)、修復(fù)治理及再利用提供前期參考和依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究所選焦化企業(yè)位于山西省某鎮(zhèn)，是中國最大的焦化廠之一，主要產(chǎn)品為焦炭、煤氣和煤焦油等。焦化廠周圍有住宅區(qū)、小學(xué)和農(nóng)田。研究區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬夏長、春秋短、雨熱同步、光照充足、南北氣候差異顯著。年平均氣溫介于4.2～14.2 ℃之間，年平均降水量介于358～621 mm之間。除該焦化廠外，該地區(qū)無其他大型企業(yè)，無高速公路且車流量較少。

1.2 樣品采集

根據(jù)焦化廠污染特征，按照網(wǎng)格布點(diǎn)法和分區(qū)布點(diǎn)法結(jié)合采樣，在煤場、硫酸罐區(qū)、綜合罐區(qū)、焦?fàn)t區(qū)等各功能分區(qū)設(shè)置采樣單元，每個(gè)采樣單元200 m×200 m范圍內(nèi)，按“梅花形”布設(shè)采樣點(diǎn)，采集（0～20 cm）表層土壤1 kg，共分布13個(gè)點(diǎn)，采樣過程按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（ HJ /T 166—2004）[12]等要求進(jìn)行。樣品裝入聚乙烯自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

1.3 樣品處理與重金屬含量分析

土壤樣品置于陰涼、通風(fēng)處完全風(fēng)干，去除石子、砂礫等雜質(zhì)后經(jīng)瑪瑙研缽研磨過2 mm尼龍篩，之后取少量土樣研磨通過100目尼龍篩，用于土壤樣品重金屬的分析。土壤樣品的消解按照《土壤和沉積物金屬元素總量的消解微波消解法》[13]中的要求進(jìn)行。重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（CP-MS，Agilent， 7500a）測定，As利原子熒光分光光度計(jì)（吉天，AFS-8230）測定。每個(gè)土壤樣品重復(fù)3次，全程做空白試驗(yàn)，并通過土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.4 土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)焦化廠所在地周邊土地所屬類型，此次評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）。分別采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)各樣點(diǎn)土壤中不同重金屬及各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位的污染程度。

單因子污染指數(shù)[14]是重金屬污染物的實(shí)測濃度與該污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比值，用于確定單個(gè)重金屬的污染情況。單項(xiàng)污染指數(shù)可以直觀的反映環(huán)境介質(zhì)中各個(gè)重金屬的污染水平，公式見1：

式中，Ci r —重金屬i的富集系數(shù);Ci實(shí) ? 測—重金屬i的實(shí)測含量（mg·kg-1）;Ci n —重金屬i的評(píng)價(jià)參考值（mg·kg-1），Ei r —重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);T ? i ?r ?—毒性系數(shù)，反映重金屬i的毒性水平以及生物對(duì)其污染的敏感程度，RI—綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。重金屬毒性系數(shù)值見表3，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)見表4。

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤重金屬含量分析與統(tǒng)計(jì)采用軟件Excel 2016、SPSS 22.0處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 焦化廠土壤重金屬含量情況

研究區(qū)土壤重金屬含量如表5所示。7種重金屬含量大小為：Cr>Cu>Zn>As>Ni>Pb>Cd，7種重金屬的平均值均超過山西省土壤背景值，且分別超標(biāo)1.64，1.47，3.21，1.09，2.97，1.05，5.66倍，超標(biāo)率達(dá)100%。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018），Cr，Cd、As最大值含量均超過篩選值標(biāo)準(zhǔn)，分別達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的1.4、2和14.4倍，其中As的平均值含量超過篩選值標(biāo)準(zhǔn)1.7倍，因此，研究區(qū)域表層土壤中存在重金屬復(fù)合污染問題，其中As、Cd和Cr污染比較嚴(yán)重。

2.2 土壤重金屬污染程度評(píng)價(jià)

2.2.1 單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià) 本研究采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)研究區(qū)土壤重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體結(jié)果見表6，根據(jù)單因子污染指數(shù)法評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，7種重金屬中，Cu、Cd和As的污染程度為重度污染，Pb、Cr、Zn、Ni四種重金屬的污染程度為輕度污染，在13個(gè)采樣點(diǎn)位中，Cu無安全點(diǎn)位，重度和中度污染點(diǎn)位分別占69.2%和30.7%，Cd的重度污染點(diǎn)位占30.7%，As的安全點(diǎn)位占比23.1%，輕度、中度和重度污染點(diǎn)位分別占15.4%，38.5%和23%。7種重金屬中Zn和Ni的單因子污染指數(shù)平均值分別為1.09和1.05，相比其他重金屬來說，污染程度較低。而從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)PN可以看出，綜合污染指數(shù)在研究區(qū)域內(nèi)1～13號(hào)點(diǎn)位的變化范圍為2.01～34.18，重度污染率為38.5%，表明本研究區(qū)域污染程度較為嚴(yán)重，且為復(fù)合型污染，應(yīng)著重關(guān)注As、Cd和Cu三種重金屬的復(fù)合污染。

2.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià) 以山西省土壤背景值為評(píng)價(jià)參考值，得出焦化廠7種重金屬的潛在生態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)和綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)如表7所示。從表中Ei r 值可知，單個(gè)重金屬中，各個(gè)點(diǎn)位的Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均在40以上，存在較高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);其中1、2、3、4、6、7、10七個(gè)點(diǎn)位生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)超過80，具有較強(qiáng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);第3個(gè)點(diǎn)位中As的Ei r 值為476.23，存在極強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，除此之外其他點(diǎn)位As潛在風(fēng)險(xiǎn)都較低。而Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 5種重金屬在各點(diǎn)位的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均未超過40，污染程度為輕微。根據(jù)綜合污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI值得結(jié)果來看，13個(gè)點(diǎn)位中3號(hào)點(diǎn)位綜合污染指數(shù)為583.75，污染程度較強(qiáng)，而1號(hào)和4號(hào)點(diǎn)位存在較強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。從平均單一潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來看，7種重金屬大小順序?yàn)椋篊d>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，相對(duì)來說，重金屬Cd和As危害較大，這與單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果相一致，這2種重金屬應(yīng)放到優(yōu)先修復(fù)位置上。

3 討論與結(jié)論

3.1 焦化廠土壤污染特征

根據(jù)焦化廠內(nèi)重金屬含量分析結(jié)果，采用變異系數(shù)確定研究區(qū)內(nèi)各重金屬元素的分布和污染程度的差異。變異系數(shù)可以反映總體樣本中各采樣點(diǎn)的平均變異程度和重金屬含量的變異大小[20]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[21]，變異系數(shù)0～0.1之間屬于弱變異，0.1～1.0之間屬于中等變異，高于1.0以上屬于強(qiáng)變異。7種重金屬中Ni屬于弱變異，Pb、Cu、Zn、Cd屬于中等變異，Cr和As屬于強(qiáng)變異，各金屬元素含量的變異系數(shù)由大到小為As>Cr>Cd>Zn>Pb>Cu>Ni，表明不同采樣點(diǎn)之間Cr和As的含量差異較大，可能受到較多人為活動(dòng)的影響，在馮依濤等[18]、王星星和王海芳[22]的研究中有類似結(jié)果。

3.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)2.1中對(duì)重金屬含量的分析結(jié)果，Cr污染程度較為嚴(yán)重，但單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)法結(jié)果顯示Cr元素的污染程度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為輕度污染，這可能是由于Cr元素含量受人為活動(dòng)影響較大，但針對(duì)整體研究區(qū)域來看，風(fēng)險(xiǎn)程度相對(duì)較輕。而土壤重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，13個(gè)采樣點(diǎn)位的污染程度不盡相同，每種重金屬元素的單一潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也不相同，這是由于13個(gè)采樣點(diǎn)位分布在焦化廠不同區(qū)域，部分土壤樣品中重金屬污染濃度相對(duì)比較高，因此導(dǎo)致Ei r 與RI值的幅度范圍變化較廣，董志詢等[23]也認(rèn)為重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與研究區(qū)域的實(shí)際生產(chǎn)過程管理密切相關(guān)。焦化廠在煉焦過程中包括焦油、瀝青、焦炭的回收各個(gè)環(huán)節(jié)，在此期間產(chǎn)生的污染物質(zhì)會(huì)直接進(jìn)入到土壤環(huán)境中造成污染[24-25]。綜合以上結(jié)果分析與討論，本研究得到以下結(jié)論。

（1）與山西省土壤背景值和農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)值相比，本文研究區(qū)域某焦化廠土壤中各重金屬含量均超出山西省土壤背景值，超標(biāo)率為100%，且Cr，Cd、As最大值含量均超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)的1.4，2和14.4倍，研究區(qū)域表層土壤中存在重金屬復(fù)合污染問題，且As、Cd污染比較嚴(yán)重。

（2）從單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分析，7種重金屬危害程度大小為As>Cu>Cd>Pb>Cr>Zn>Ni。13個(gè)采樣點(diǎn)位中As為主要污染因子，As的單因子污染指數(shù)平均值為5.66，Cu、Cd的單因子污染指數(shù)平均值分別為3.21和3.03，土壤污染程度為中重度污染，具有較高的風(fēng)險(xiǎn)性;而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示13個(gè)點(diǎn)位中個(gè)別點(diǎn)位具有極強(qiáng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，7種重金屬中Cd和As的污染風(fēng)險(xiǎn)較大。

（3）該焦化廠土壤為復(fù)合型污染，應(yīng)著重關(guān)注As、Cd和Cu三種重金屬的后續(xù)修復(fù)問題，進(jìn)一步采取措施減少重金屬污染帶來的危害。

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