河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院 孫也

一、前言

鐵尾礦庫是在鐵礦石的開采過程中以及對礦石的洗選過程中產(chǎn)生排放的廢水、廢礦渣等逐漸堆積而成的廢渣壩的統(tǒng)稱。這一特殊的礦產(chǎn)產(chǎn)物占地面積相對較大，絕大部分的尾礦渣顆粒直徑相對較小，在大氣環(huán)境中的長期暴露，很容易發(fā)生氧化分解反應(yīng)。另外受浮選過程中化學(xué)試劑的影響，鐵尾礦庫礦渣內(nèi)部的重金屬元素含量呈現(xiàn)出一種明顯上升的趨勢。由于長時(shí)間的自然降水和風(fēng)化等對礦渣的淋溶作用，重金屬元素很容易遷移到鐵尾礦庫周邊的土壤，并逐漸累積，從而使得土壤原有的理化性質(zhì)發(fā)生改變，不但會使農(nóng)作物產(chǎn)品質(zhì)量遭到重大影響，而且重金屬元素也會通過自然界中的生態(tài)食物鏈在人體內(nèi)逐漸累積，當(dāng)人體重金屬超標(biāo)時(shí)會出現(xiàn)各種疾病，對人體健康產(chǎn)生危害。本文針對承德市某鐵尾礦庫周圍土壤作為研究對象，檢測尾礦庫周圍的土樣的重金屬含量和pH值，采用四種評價(jià)方法對研究周圍土壤重金屬的污染程度進(jìn)行一系列的評價(jià)，以便為當(dāng)?shù)罔F尾礦庫重金屬污染的有效防治提供參考。

二、研究區(qū)自然概況

研究區(qū)地處承德市西部的灤平縣，處于溫帶—暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，是一個(gè)四季如春、干旱、夏天多雨的溫暖地區(qū)，全年降雨量以6-9月為主，平均降水量為584.2毫米，最大年降水量813.5毫米，最大日降水量142.8毫米。年平均蒸發(fā)量為1588.6毫米，最大蒸發(fā)量1671.6毫米。年相對濕度52-61%，年平均氣溫6.0℃，最高氣溫38.9℃，最低氣溫-25.4℃/秒。在冬季，多為西北風(fēng)，夏天多為東南風(fēng)，每秒平均速度1.4m，最高時(shí)速20m。在每年的十二月和三月底，最大的凍層厚度為95cm，每年的平均無霜時(shí)間為154.4個(gè)小時(shí)。

該礦區(qū)目前有兩座尾礦庫，尾礦渣中主要含有的金屬礦物為：黃礦石、鈦磁鐵礦、褐鐵礦、鈦鐵礦和微量的黃銅礦，非金屬礦物主要含有橄欖石、黑云母、角閃石、輝石、綠泥石以及微量的石英、楣石磷灰石等物質(zhì)。兩個(gè)尾礦庫運(yùn)行較久，在灤平縣尾礦庫公示中顯示已經(jīng)停止運(yùn)行。

三、研究方法與內(nèi)容

（一）樣品的采集與檢測

為掌握典型礦產(chǎn)固廢對周邊土壤的影響，本研究采集了尾礦庫周邊100m以內(nèi)的土壤樣品。根據(jù)一系列規(guī)范如：《土壤環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)規(guī)范》（HJ/T166-2004）及尾礦庫周圍實(shí)際情況，指定一個(gè)適宜的土壤布點(diǎn)和采集方案，以兩個(gè)尾礦庫的中心放射性布點(diǎn)，在地表水徑流的方向以及當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向的方向上適當(dāng)?shù)卦黾硬蓸狱c(diǎn)的數(shù)量?？傆?jì)10個(gè)表層的土樣，采樣的深度為0厘米到20厘米分別標(biāo)號為R1-R10。在土壤樣品采集完成之后，需要使用聚乙烯材質(zhì)的塑膠袋進(jìn)行密封包裝，隨后使用牛皮紙?jiān)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)部進(jìn)行自然風(fēng)干、磨碎處理，過100目篩后儲存?zhèn)溆谩?/p>

采集的土壤樣品中需檢測的重金屬為Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Hg、As以及土壤樣品的pH值。其中 Ni、Cr、Cd、Cu、Zn、Pb 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法、As和Hg采用原子熒光光譜法、pH值采用上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司的雷磁pHS-25進(jìn)行測定。

（二）生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

為了準(zhǔn)確地了解尾礦庫周圍土壤重金屬污染情況，有很多種評價(jià)方法，本研究選擇了四種常規(guī)且簡單的方法對承德市某鐵尾礦庫周圍的土壤中的重金屬污染進(jìn)行了評價(jià)與分析。

1.單項(xiàng)污染指數(shù)法

單項(xiàng)污染指數(shù)法是國內(nèi)外最常用的一種方法，也是一種相對于其他評價(jià)方法中比較簡單的方法。這個(gè)評價(jià)方法只能反映出單個(gè)重金屬對研究區(qū)土壤的污染狀況，如果想要全面地清楚地反映出土壤總體的污染程度，需要與其他評價(jià)方法相結(jié)合。

其計(jì)算公式為：

表1 單因子指數(shù)法污染等級

表2 內(nèi)梅羅指數(shù)污染等級

表3 地質(zhì)累積指數(shù)污染等級

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)污染等級

其中:Pi—第i種重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci—采樣點(diǎn)的真實(shí)值；

C0—污染物的背景值

2.內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法起源于數(shù)學(xué)模型，該方法既有極值，也有突出最大值的權(quán)重多因素環(huán)境質(zhì)量的一中評價(jià)方法。同時(shí)也是國內(nèi)與國外進(jìn)行概括評價(jià)的方法之一。它的計(jì)算公式如下：

其中：Pn—監(jiān)測點(diǎn)綜合污染指數(shù)；Pi—第i種參數(shù)的單項(xiàng)污染指數(shù)；

maxPi—監(jiān)測點(diǎn)中所有評價(jià)污染物單項(xiàng)指數(shù)的最大值

3.地質(zhì)積累指數(shù)法

地質(zhì)積累法是由德國的Muller提出用來檢測水環(huán)境沉積物重金屬元素污染情況的一種評價(jià)方法。它的計(jì)算公式為：

其中：Igeo—地質(zhì)累積指數(shù);

Ci—監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測值；

C0—污染物的背景值

4.潛在生態(tài)危害指數(shù)法

1980年瑞典科學(xué)家Hakanson首次提出了潛在生態(tài)危害指數(shù)法，它是現(xiàn)在最常用的一種評價(jià)方法。該方法不僅反映出了單個(gè)污染因子對周邊環(huán)境的影響，同時(shí)也同樣的反映出了多種污染因子對周邊環(huán)境的綜合影響效應(yīng)。其計(jì)算公式為：

其中：Ei—重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)；Ti—重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)；

Ri—多種重金屬生態(tài)危害指數(shù)；Ci—監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測值；

C0—污染物的背景值

四、結(jié)果與討論

（一）供試樣品檢測結(jié)果

研究區(qū)周圍土壤重金屬的含量和pH值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見如下表5。從表5中不難看出研究區(qū)域的pH值的范圍為7.57-7.94，呈現(xiàn)出弱堿性。承德市某鐵尾礦庫周圍土壤重金屬的平均含量從大到小依次是 Cr＞ Zn＞ Ni＞ Cu，Cr、Ni、Cu、Zn含量范圍為170.0-184.0mg/kg、53.20-69.70mg/kg、55.40-60.00mg/kg、80.04-85.5mg/kg，平均值為175.00、82.95、61.45、57.70mg/kg， 分別為河北省土壤背景值的2.56、1.05、1.99和2.65倍，呈現(xiàn)出一定的積累效應(yīng)。對于其他的重金屬而言，含量均小于河北省土壤背景值。故研究重金屬評價(jià)污染時(shí)只針對Cr、Ni、Cu、Zn，其它重金屬不存在對尾礦庫周邊土壤的污染情況。

表5 研究區(qū)土壤中重金屬含量及pH值的分析結(jié)果（單位：mg/kg）

（二）風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果分析

1.單項(xiàng)污染指標(biāo)評價(jià)

通過單項(xiàng)污染指標(biāo)評價(jià)方法對尾礦庫周圍土壤的重金屬的污染情況進(jìn)行評價(jià)分析，用河北省土壤重金屬的背景值為參照依據(jù)，計(jì)算出每個(gè)重金屬的污染級別見表6。四種重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)平均值依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，結(jié)果顯示重金屬Cu和Cr達(dá)到了中度污染，而Ni和Zn達(dá)到了輕度污染。其他的重金屬元素未達(dá)到河北省土壤的背景值，為清潔或是尚清潔的污染程度不在考慮范圍內(nèi)。

表6 研究區(qū)土壤中重金屬單項(xiàng)污染指標(biāo)評價(jià)指數(shù)（Pi值）

2.內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)

根據(jù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)的評價(jià)方法對尾礦庫周圍土壤的重金屬進(jìn)行評價(jià)分析見表7。四種重金屬的內(nèi)梅羅污染指數(shù)大小依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，結(jié)果顯示Cu、Cr、Ni達(dá)到了中度污染，而Zn達(dá)到了輕度污染，這與單項(xiàng)污染指標(biāo)評價(jià)方法基本保持一致。根據(jù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)顯示，土壤樣品中的重金屬含量只有極少部分出現(xiàn)了中度污染，其他重金屬的污染程度為輕度污染局部清潔或清潔，表明研究區(qū)域的重金屬污染情況較好。

表7 研究區(qū)土壤中重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)（Pn值）

3.地質(zhì)積累指數(shù)評價(jià)

根據(jù)地質(zhì)累積指數(shù)方法對承德市某鐵尾礦庫周圍土壤的重金屬污染程度進(jìn)行分析，計(jì)算出每個(gè)重金屬元素樣品的地累積指數(shù)如表8。四種重金屬元素的地累積指數(shù)平均值大小依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，結(jié)果顯示Cr和Cu達(dá)到了1級輕度污染，Ni和Zn以及其他未計(jì)算的重金屬元素達(dá)到了0級未污染。由地質(zhì)累積指數(shù)評價(jià)看出，尾礦庫周圍土壤中的重金屬并未受到嚴(yán)重的污染，只有Cr和Cu達(dá)到了輕度污染。

表8 研究區(qū)土壤中重金屬地質(zhì)累積指數(shù)（Igeo值）

4.潛在生態(tài)危害指數(shù)評價(jià)

潛在生態(tài)危害指數(shù)Ri值是所有單個(gè)重金屬潛在生態(tài)系數(shù)Ei值的總和，所以在運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對該尾礦庫周圍土壤的重金屬進(jìn)行評價(jià)與分析時(shí)，需要考慮包括Cr、Ni、Cu和Zn在內(nèi)的所有被檢測出重金屬元素（Cd、Pb、Hg、As）。所有檢測出單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Ei如下表9所示。

通過表9不難看出八種重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)的大小依次是Cd＞Cu＞Ni＞Cr＞As＞Pb＞Zn＞Hg，八種重金屬的污染程度均為輕微生態(tài)危害。土壤中多種重金屬生態(tài)危害指數(shù)Ri為56.90，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輕微生態(tài)危害的上限值。該尾礦庫周圍土壤重金屬污染情況為輕微生態(tài)危害，污染情況較好。

表9 研究區(qū)土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（Ei值）

五、結(jié)論

（1）承德市某鐵尾礦庫周圍土壤重金屬的平均含量的排序?yàn)镃r＞Zn＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞ Cd＞ Hg， 其 中 Cr、Zn、Ni、Cu平均含量超出了河北省土壤背景值，分別是河北省土壤背景值的2.56、1.05、1.99和2.65倍，呈現(xiàn)一定的累積效應(yīng)。

（2）單項(xiàng)污染指標(biāo)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)分析表明：四種超標(biāo)重金屬污染指數(shù)平均值依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn。結(jié)果顯示Cu、Cr、Ni達(dá)到了中度污染，而Zn達(dá)到了輕度污染，單項(xiàng)污染指標(biāo)評價(jià)方法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果基本保持一致。

（3）地質(zhì)積累指數(shù)評價(jià)分析表明：四種重金屬元素的地累積指數(shù)平均值大小依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，結(jié)果顯示Cr和Cu達(dá)到了1級輕度污染，Ni和Zn以及其他未計(jì)算的重金屬元素達(dá)到了0級未污染。

（4）潛在生態(tài)危害指數(shù)評價(jià)分析表明：八重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)的大小依次是Cd＞Cu＞Ni＞Cr＞As＞Pb＞Zn＞Hg，每個(gè)重金屬的污染程度均為輕微生態(tài)危害。土壤中八種重金屬生態(tài)危害指數(shù)Ri值為56.90，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輕微生態(tài)危害的上限值150。每種評價(jià)方法都有各自的特點(diǎn)以及評價(jià)的側(cè)重點(diǎn)，評價(jià)結(jié)果所強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容也必然存在著差異性。通過對四種評價(jià)方法進(jìn)行比較分析，地質(zhì)累積指數(shù)法更適合該研究的土壤的污染評價(jià)，因?yàn)槠溥\(yùn)算較為簡單，并且考慮因素較多，更適合對土壤重金屬進(jìn)行評價(jià)。綜合四種評價(jià)方法的結(jié)果來看，Cu和Cr污染較為嚴(yán)重，Ni和做Zn以及其他的重金屬元素污染較輕甚至無污染。