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(xiǎn)評(píng)價(jià)。[方法]對(duì)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(duì)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(xiǎn)評(píng)價(jià),并根據(jù)各重金屬毒性系數(shù),對(duì)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(chǎng)、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(xiǎn)大部分處于嚴(yán)重污染狀態(tài),土壤中 Zn、Cd、Pb等3個(gè)元素最為嚴(yán)重。[結(jié)論]該研究為土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(xiǎn)評(píng)價(jià)
中圖分類號(hào)X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)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(shí)碼(OSID):
改革開放以來,我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅猛,形成了大量以資源開采、冶煉和簡(jiǎn)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(shí)企業(yè)環(huán)保技術(shù)水平有限、環(huán)保投資動(dòng)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(zhǎng)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(bào)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(zhǎng)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(xiǎn)評(píng)估問題已得到政府和學(xué)者的關(guān)注,成為社會(huì)熱點(diǎn)[4]。
現(xiàn)有學(xué)者主要針對(duì)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法進(jìn)行大量研究[5-14]。對(duì)土壤重金屬評(píng)價(jià)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(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(jiǎn)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?,Swaine[15]根據(jù)重金屬元素對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)賦權(quán)的評(píng)價(jià)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(shí)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(huì)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(xiǎn)評(píng)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(cè)因子通過對(duì)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(cè)因子。
此次監(jiān)測(cè)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(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè),共布設(shè)采樣點(diǎn)8 個(gè),每個(gè)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(chǎng)(WS)、鉛冶煉車間(QY)、渣山場(chǎng)(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(gè)重點(diǎn)區(qū)域(圖1)。采集土樣時(shí),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(gè)采樣點(diǎn)處按照梅花布點(diǎn)法(半徑為 20 m),采集 5 個(gè)土壤土樣制成一個(gè)混合土樣。每個(gè)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(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)進(jìn)行樣品制備、分析檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理等。整個(gè)分析測(cè)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(jí)純?cè)噭?,所用玻璃器皿均?0%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(guó)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(píng)價(jià)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(duì)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(gè)區(qū)域雙層16個(gè)采樣點(diǎn),有針對(duì)性地選擇重要監(jiān)測(cè)因子,主要有As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Sb、V和Zn。利用 ICP-MS 對(duì)采樣點(diǎn)的土壤樣品進(jìn)行檢測(cè),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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)重金屬元素的累積污染程度,其計(jì)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(cè)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(chǎng)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(píng)價(jià)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(gè)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(píng)價(jià)。
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(duì)土壤的不同作用,突出高濃度重金屬對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響。單因子指數(shù)只能反映各個(gè)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(jì)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(píng)價(jià)等級(jí)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(píng)價(jià)方法。由于不同重金屬對(duì)土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的影響不同,采用加權(quán)計(jì)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(duì)于權(quán)重w的確立,可依據(jù)重金屬對(duì)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(píng)價(jià)結(jié)果
采用單因子指數(shù)法對(duì)該冶煉制造企業(yè)廠區(qū)內(nèi)土壤重金屬進(jìn)行污染評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)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(gè)污染指數(shù)來看,其余6個(gè)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(duì)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(gè)采樣區(qū)的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值高,最高達(dá)417.14。
2.2綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果
利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)該冶煉制造企業(yè)廠區(qū)內(nèi)土壤進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。從8個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)5~10、10~15 cm兩層土壤重金屬的綜合污染評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果
在式(2)中,采用簡(jiǎn)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(duì)土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的影響不同,采用加權(quán)計(jì)算法來求平均值比較合適,改進(jìn)如式(3)。據(jù)此計(jì)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(jì)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(xiǎn)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(duì)小,其他元素鋅的含量相對(duì)大,但其毒性系數(shù)?。?quán)重小),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(píng)價(jià)方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)。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(gè)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(píng)價(jià)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(zhǎng)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(píng)價(jià)結(jié)果也印證了其重金屬污染的嚴(yán)重程度。
根據(jù)評(píng)價(jià)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(duì)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(jià)值,創(chuàng)建良好的生態(tài)環(huán)境。
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