冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析

宋 尚

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊(duì)，吉林 長春 130000）

冶煉廠周邊土壤經(jīng)常會(huì)由于污染物的排放造成重金屬污染。重金屬污染物作為當(dāng)今污染面積廣、污染程度嚴(yán)重的土壤環(huán)境問題，必須給予足夠的重視[1]。冶煉廠周邊土壤中所受到的重金屬污染物主要包括：銅、鋅、鎘、鉛、汞、鉻、砷以及鎳等，在冶煉廠周邊土壤中比重超過4所形成的重金屬污染[2]。由于冶煉廠周邊土壤中重金屬污染中包含對人類健康危害極大的化學(xué)元素，也就是所謂的“五毒”，分別為：汞、鎘、砷、鉛以及鉻，這些化學(xué)元素一旦通過食物鏈進(jìn)入人體，會(huì)引發(fā)多種疾病，常見的有我國的“大脖子病”、泰國的“黑腳病”、日本的“骨痛病”以及粵北的“癌癥村”。為有效解決冶煉廠周邊土壤中重金屬污染問題，需要采用化學(xué)的方式分析冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)，致力于通過冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析，從而總結(jié)出冶煉廠周邊土壤中重金屬的形態(tài)特征，為冶煉廠周邊土壤中重金屬綜合治理提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

1 冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)特征

在化學(xué)分析冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)前，必須明確冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)特征。冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)特征，如表1所示。

表1 冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)特征總述表

根據(jù)表1所示，冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)包含：隱蔽性、長期性以及表聚性等特征。隱蔽性意味著冶煉廠周邊土壤中的重金屬分布一般不宜被發(fā)現(xiàn)，需要一定的累計(jì)量，才能發(fā)現(xiàn)其危害的嚴(yán)重性；長期性指的是重金屬污染物在復(fù)墾區(qū)域土壤的滯留時(shí)間長，因此重金屬污染物會(huì)形成垂直分布特征，這也是冶煉廠周邊土壤中重金屬污染的一個(gè)重要特性；表聚性指的是重金屬污染物主要分布在冶煉廠周邊土壤表層，極少數(shù)的情況下會(huì)向冶煉廠周邊土壤下層移動(dòng)，這就意味著，隨土層深度的增加，冶煉廠周邊土壤中重金屬污染的含量整體呈下降分布特征。考慮到冶煉廠周邊土壤中重金屬污染，大多數(shù)集中在冶煉廠周邊土壤下游區(qū)域。通過分析冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)特征，為冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2 冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析

通過冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)特征研究，本文基于化學(xué)手段分析冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)。冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析具體流程，如圖1所示。

圖1 冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析流程

結(jié)合圖1所示，下文將針對圖中4步主要分析流程加以詳細(xì)分析，具體研究內(nèi)容，如下文所示。

2.1 計(jì)算冶煉廠周邊土壤中重金屬地累積指數(shù)

為實(shí)現(xiàn)針對冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析，本文通過地累積指數(shù)法，計(jì)算冶煉廠周邊土壤中重金屬地累積指數(shù)，以此判斷冶煉廠周邊土壤中重金屬污染現(xiàn)狀。地累積指數(shù)作為冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析的主要參數(shù)，運(yùn)用德國科學(xué)家 Müller提出的地累積指數(shù)計(jì)算公式，進(jìn)行計(jì)算。設(shè)冶煉廠周邊土壤中重金屬地累積指數(shù)為I，則有公式（1）。

公式（1）中，C i指的是冶煉廠周邊土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)；k指的是不同巖石引起的背景值變化系數(shù)，一般情況下取值為2.0；Si指的是冶煉廠周邊土壤中重金屬地累積時(shí)長。為保證求得冶煉廠周邊土壤中重金屬地累積指數(shù)的準(zhǔn)確性，可以將冶煉廠周邊土壤中重金屬Cd地累積指數(shù)導(dǎo)入數(shù)值組。在此過程中，不難發(fā)現(xiàn)重金屬Cd地累積數(shù)值組的網(wǎng)格數(shù)會(huì)非常多。這就意味著，在計(jì)算地累積指數(shù)的實(shí)際操作過程中可能需要用并行機(jī)計(jì)算。

2.2 模擬冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)

考慮到計(jì)算冶煉廠周邊土壤中重金屬地累積指數(shù)的局限性，本文通過模擬冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)，為冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了確保冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)模擬歷史擬合的非均質(zhì)性，根據(jù)不同的重金屬污染化學(xué)元素以及土體性質(zhì)。在模擬冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的實(shí)際操作中，重金屬污染的強(qiáng)度數(shù)值組越大，證明重冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)存在的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越大。必須嚴(yán)格按照地質(zhì)沉積物修復(fù)功能材料研發(fā)及應(yīng)用研討會(huì)重要內(nèi)容，評(píng)價(jià)冶煉廠周邊土壤中重金屬性質(zhì)、變形特性以及滲透特性等復(fù)雜冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)數(shù)據(jù)。綜上所述，冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)模擬歷史擬合的儲(chǔ)量取決于孔隙體積和飽和度。冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)模擬歷史擬合孔隙體積與重金屬污染地質(zhì)沉積物監(jiān)測分區(qū)的構(gòu)造和孔隙度有關(guān)，飽和度則與數(shù)據(jù)初始化相關(guān)。所以，在冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)模擬歷史擬合時(shí)可以根據(jù)重金屬污染地質(zhì)沉積物監(jiān)測分區(qū)的實(shí)際情況對以下參數(shù)做出相應(yīng)的調(diào)整，分別為：冶煉廠周邊土壤中重金屬污染監(jiān)測分區(qū)的孔隙度、NTG、地質(zhì)沉積物的油水界面以及地質(zhì)沉積物的毛管壓力。通過對每個(gè)網(wǎng)格的冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)模擬歷史擬合儲(chǔ)量，可以有效提高對冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析的精準(zhǔn)度，為下文判斷冶煉廠周邊土壤中重金屬單因子污染等級(jí)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 判斷冶煉廠周邊土壤中重金屬單因子污染等級(jí)

本文采用中國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(背景值)為參比值，通過計(jì)算冶煉廠周邊土壤中重金屬單因子污染指數(shù)，判斷冶煉廠周邊土壤中重金屬單因子污染等級(jí)。設(shè)冶煉廠周邊土壤中重金屬單因子污染指數(shù)的表達(dá)式為P，則有公式（2）。

通過公式（2），可以得出冶煉廠周邊土壤中重金屬單因子污染指數(shù)，以此為標(biāo)準(zhǔn)，判斷冶煉廠周邊土壤中重金屬單因子污染等級(jí)，如表2所示。

表2 冶煉廠周邊土壤中重金屬單因子污染等級(jí)

結(jié)合表2所示，為冶煉廠周邊土壤中重金屬單因子污染等級(jí)判斷結(jié)果。

2.4 得出冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)上述對土壤重金屬形態(tài)的綜合分析，可顯著的看出在研究中的多個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)，呈現(xiàn)酸溶性狀態(tài)的液態(tài)Cd含量差異性較為顯著。在采樣點(diǎn)中，酸溶性狀態(tài)的液態(tài)Cd含量最大的樣本中，Cd的濃度可超過80.0%，而酸溶性狀態(tài)的液態(tài)Cd含量最小的樣本中，Cd的濃度不足10.0%，但在此樣本中，液態(tài)金屬殘?jiān)?F4）的含量較高，比例形態(tài)相對較大。對于所有土壤中重金屬樣本而言，正二價(jià)氧化鐵與正三價(jià)氧化鐵在樣本中的濃度總量可占到約20.0%，但其中重金屬元素以獨(dú)立形態(tài)呈現(xiàn)的物質(zhì)濃度僅占到2.0%～5.0%左右。在對土壤介質(zhì)中重金屬濃度含量的研究中，正二價(jià)Cd元素與此金屬物質(zhì)的絡(luò)合物呈現(xiàn)狀態(tài)，可直接決定冶煉廠周邊土壤的形態(tài)。盡管在相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，正二價(jià)氧化鐵與正三價(jià)氧化鐵、Mn氧化物等均可以呈現(xiàn)絡(luò)合轉(zhuǎn)改，但由于其中氧化物質(zhì)形態(tài)的可還原能力相對較強(qiáng)，因此造成了氧化物絡(luò)合物的形態(tài)呈現(xiàn)一種特殊的形態(tài)。而此種形態(tài)的發(fā)生，受到地區(qū)環(huán)境污染、地質(zhì)環(huán)境的理化性能、區(qū)域地下水流向、氣象條件等多種綜合性因素的影響，而綜合本次研究的整體結(jié)果，可知Cd金屬的形態(tài)，與重金屬物質(zhì)的總量來兩者之間具備一定關(guān)系，包括與土壤PH值相關(guān)、與土壤賦存形態(tài)相關(guān)、與地質(zhì)土壤參數(shù)相關(guān)、與土壤還原形態(tài)相關(guān)、與獨(dú)立金屬可氧化性能相關(guān)、與金屬超標(biāo)率相關(guān)等。考慮到相關(guān)影響因素，下述將對Cd元素在土壤中的常見形態(tài)進(jìn)行深入分析。具體內(nèi)容如下。

通常情況下，Cd元素的常見形態(tài)有很多種，但在土壤中，Cd元素只能正二價(jià)的形式存在，此外，也有極少的正二價(jià)Cd元素在土壤中以游離離子的方式存在，但由于此種形態(tài)表達(dá)方式與土壤中有機(jī)物質(zhì)的融合能力交叉和，因此此種形式的Cd元素也極難與Mn金屬氧化物呈現(xiàn)絡(luò)合狀態(tài)。

除上述提出的相關(guān)研究成果，還發(fā)現(xiàn)，正二價(jià)Cd元素在樣本中的比例與其總量存在直接關(guān)系，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因主要是由于外部污染物排放所導(dǎo)致的，當(dāng)周邊金屬冶煉廠或工業(yè)廠址排放廢氣與廢水后，Cd污染物以更加容易融合的方式進(jìn)入土壤中。并且，Cd污染物在土壤中長期滯留，其中活性物質(zhì)呈現(xiàn)一種固定狀態(tài)，即分子的活性降低，Cd金屬元素在此時(shí)呈現(xiàn)還原狀態(tài)。而本文研究樣本選擇的土壤屬于冶煉廠周邊土壤，因此本文此次的研究結(jié)果明顯受到工廠排放污染物的影響。并且，本次研究結(jié)果中，Cd金屬的酸性狀態(tài)呈現(xiàn)的較為顯著，為此研究的結(jié)果中Cd的融合性應(yīng)表現(xiàn)為顯著增強(qiáng)的趨勢。

3 結(jié)語

本文通過冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析，得出結(jié)論為冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)與單因子污染等級(jí)具有直接相關(guān)關(guān)系，以此為依據(jù)，證明此次研究的必要性。因此，有理由相信通過本文分析，能夠解決傳統(tǒng)冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析不明的問題。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未通過實(shí)例分析的方式，證明此次化學(xué)分析得出冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)結(jié)果的精確性，進(jìn)一步提高冶煉廠周邊土壤中重金屬形態(tài)化學(xué)分析結(jié)果的可信度。這一點(diǎn)，在未來針對此方面的研究中可以加以補(bǔ)足。與此同時(shí)，還需要對冶煉廠周邊土壤中重金屬治理方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，以此為解決冶煉廠周邊土壤中重金屬污染的問題提供建議。