吕梁市某焦化厂及周边土壤重金属污染状况与评价

高燕，董苗，张永清

(山西师范大学 地理科学学院，山西 临汾 041004)



吕梁市某焦化厂及周边土壤重金属污染状况与评价

高燕，董苗，张永清*

(山西师范大学 地理科学学院，山西 临汾 041004)

为研究吕梁某焦化厂及周边土壤重金属的污染状况，在焦化厂内和周边农田共采集了60个土壤表层(0～20 cm)样品，检测分析样品中重金属元素的含量，并采用单因子污染指数法和内梅罗污染指数法对其污染状况进行了评价。结果表明：厂区内土壤重金属Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、 As的平均含量分别为62.91 mg·kg-1、0.37 mg·kg-1、46.26 mg·kg-1、429.98 mg·kg-1、0.16 mg·kg-1、11.60 mg·kg-1，厂区周边农田土壤重金属的平均含量分别为53.57 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、37.99 mg·kg-1、362.23 mg·kg-1、0.11 mg·kg-1、11.74 mg·kg-1，厂区周边农田土壤中各重金属含量均小于厂区内土壤。除Zn和Mn外焦化厂内和周边农田土壤中的Cd、Cu、Hg、As平均含量均高于山西省土壤环境背景值。单因子污染指数法和内梅罗污染指数法评价结果表明，除5%的样品中土壤Cd含量超过了国家二级标准，属轻微污染，其余为未污染，土壤都属清洁水平；以山西背景值为评价标准各重金属都有不同程度的污染，说明该研究区土壤有重金属污染风险。

焦化厂；土壤；重金属；污染评价

土壤是一种重要的自然资源，也是人类赖以生存和发展的物质基础。近年来，随着经济的发展，土壤利用程度增强，工业废物排放增多，导致土壤污染越来越严重[1]。众多研究表明，在工矿业集中的地区，工业三废是土壤污染物的主要来源[2]。因此研究工业区周边土壤重金属污染状况及其修复途径已成为国内外关注的热点问题[3～6]。

山西是一个煤炭大省，煤炭焦化产业的发展非常迅速[7]。炼焦是山西煤炭行业增值与再加工的重要手段，同时也是污染周边土壤最重要的隐患之一。有资料报道，炼焦有可能增加周边土壤中多环芳烃等有机污染物和重金属污染物的含量，进而通过食物链直接影响人体健康[8～10]。焦化厂厂区土壤中超标的污染物主要有苯并[a]芘、荧蒽、芘、总氰化物、汞、石油烃、重金属等，较严重的区域主要分布在推焦路线、焦油回收点和沥青传送带附近[11]。焦化厂周边的粉尘中含有大量的重金属元素，一旦吸入人体后会造成很大的危害[12]。焦化产业是以煤为原料，在高温、干馏炼焦的同时，会有重金属污染物随荒煤气发散而进入到环境中，造成污染[13]。前人的研究主要集中在焦化厂有机污染物的研究，对焦化厂及周边农田土壤重金属污染的研究尚不多见，因此，本文以吕梁市某焦化厂及其周边农田土壤为研究对象，对焦化厂以及周边农田土壤中的Zn、Cd、Cu、Mn、Hg和 As 6种重金属元素进行了调查研究，并采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对其进行了污染评价，进而研究影响重金属含量的各种因素，旨在为焦化厂及其周边农田土壤的保护与治理，以及保障厂区工人和周边村民的身体健康提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吕梁山脉中段某焦化厂及其周边地区，该焦化厂始建于1992年，1993年10月22孔75型改良焦正式投产，占地面积14.67 hm2。该焦化厂是集选煤厂、炼焦厂、余热电厂一体化的现代炼焦产业。文中的研究区包括焦化厂主厂区及厂区外围周边农田土壤，焦化厂周边地区有部分为农田，主要种植作物有玉米和高粱。

该区地处半干旱半湿润季风气候区，属温带大陆性气候，全年主导风向为西北风，土壤类型为栗褐土。厂址位置所处区域属于典型的两山夹一川地形，呈西北东南走向，在一定程度上影响污染物的扩散。

1.2 样品采集与处理

依据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T166—2004)，在焦化厂区内部绿化区及草坪地采集土样16个。焦化厂周边农田土壤，受该区地形影响并结合该区主导风向，以焦化厂为中心正西、东南及东北方向上，以50 m为变程布设样点，共采集44个土样。(采样深度0～20 cm)。

1.3 分析项目与方法

土壤重金属含量的测定：用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法测定土壤样品中Zn、Cd、Cu、Mn的含量，双道原子荧光光度计测土壤样品中As、Hg的含量[14]。

1.4 评价方法

1.4.1 单因子污染指数法

计算公式为：

Pi=Ci/Si

其中，Pi为土壤污染物i的单因子指数，Ci为样品检测浓度/mg·kg-1，Si为污染物i的评价标准/mg·kg-1。评价标准参照表1[15,16]。计算得出的数值越大，说明土壤污染越严重。(Pi≤1未污染，15重度污染)

表1 土壤环境质量评价标准Table 1 Evaluation of soil environmental quality standard

注：二级标准值出自国家环境质量二级标准(GB15618-1995)[15]；山西背景值出自山西土壤元素背景值及其特征[16]

Note：The secondary standard value from the national average leverals of soil environmental quality standard(GB15618-1995)[15];background value in Shanxi province from background value in soil environment in Shanxi province and its characteristics[16].

1.4.2 内梅罗综合污染指数法

计算公式为:

其中，Pn为综合污染指数，Pimax为污染指数最大值，Piave为各污染指数的平均值。土壤综合污染指数评价标准见表2。

2 结果与分析

2.1 土壤中重金属元素含量数值统计

2.1.1 焦化厂厂区内土壤重金属元素含量数值统计

焦化厂区内土壤6种重金属含量结果见表3。

表2 土壤重金属污染等级评价标准Table 2 The criterion of pollution grade of soil heavy metals

表3 厂区内表层土壤重金属元素含量数值统计/mg·kg-1Table 3 Descriptive statistics of heavy mental concentration in the steel factory/mg·kg-1

由表3可见，焦化厂区内表层土壤样品中的重金属Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的平均值分别为62.91 mg·kg-1、0.37 mg·kg-1、46.26 mg·kg-1、429.98 mg·kg-1、0.16 mg·kg-1、11.60 mg·kg-1。其中，Zn含量范围值为52.88～84.36 mg·kg-1，Mn含量范围值为178.46～585.42 mg·kg-1，两种元素的均值都低于山西土壤背景值，Zn的超标率为31.25%,Mn的超标率为12.5%,As含量范围值为8.87～20.5 mg·kg-1，均值高于山西背景值，超标率为87.5%,Cd含量范围值在0.31～0.4 mg·kg-1之间，Cu含量范围值为33.37～53.94 mg·kg-1，Hg含量范围值为0.12～0.21 mg·kg-1，超标率都为100%,最小值也都大于背景值。变异系数是反映每个采样点的变异程度，其中As的变异系数相对较大，为25.95%，说明焦化厂区内不同采样点的As含量有较大差异；Cd 的变异系数相对较小,为8.10%，说明焦化厂厂区内不同采样点的Cd含量差异较小，分布相对均匀。

2.1.2 焦化厂周边土壤重金属元素含量数值统计

厂区周边农田土壤重金属含量，结果见表4。

表4 厂区周边表层土壤重金属元素含量数值统计/mg·kg-1Table 4 Descriptive statistics of heavy mental concentration around the steel factory/mg·kg-1

由表4可知，焦化厂周边表层土壤样品中的重金属Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As 的平均值分别为53.57 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、37.99 mg·kg-1、362.23 mg·kg-1、0.11 mg·kg-1、11.74 mg·kg-1。Zn含量范围值为17.62～190.62 mg·kg-1，Cd含量范围值为0.17～0.32 mg·kg-1，Cu含量范围值为21.51～55.50 mg·kg-1，Mn含量范围值为177.32～633.53 mg·kg-1，Hg含量范围值为0.05～0.24 mg·kg-1,As含量范围值为3.89～20.16 mg·kg-1。以山西背景值作比值，重金属Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的超标率分别为31.82%、100%、97.73%、11.36%、100%、81.82%,Zn和Mn的超标率较低，Cu和As的超标率都较高,Cd和Hg的含量全部超过山西背景值。Zn的变异系数较大，为66.83%，说明焦化厂周边农田土壤中Zn的空间差异相对较大，累积程度比较明显,其余元素的变异程度都属中度变异。

2.2 土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子污染指数法评价

表5为焦化厂内16个表层土壤重金属污染单因子评价。以国家土壤环境质量二级标准为参比值，结果表明，Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的单因子指数分别为0.21、0.74、0.46、0.29、0.18、0.46，均小于1，土壤都属清洁水平。只有少数Cd样品受到轻微污染，污染比值为18.75%。

表5 厂区内土壤重金属单因子污染评价结果Table 5 Single-factor evaluation of heavy metals in topsoil within the factory

由表6可见，焦化厂内土壤中各重金属元素均有不同程度的积累。Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的单因子指数分别为0.99、3.63、2.02、0.81、6.95、1.27。15%的Zn样品为未污染，75%为轻微污染；100%的Cd样品为中度污染；38%的Cu样品为轻微污染，62%为轻度污染；88%的Mn样品为未污染，12%为轻微污染；100%的Hg样品为重度污染，说明Hg含量富集程度高；13%的As样品为无污染，81%为轻微污染，6%为轻度污染。

表6 厂区内土壤重金属单因子污染评价结果Table 6 Single-factor evaluation of heavy metals in topsoil within the factory

表7为焦化厂周边44个表层土壤重金属元素单因子污染评价结果。以国家二级标准为参比值，Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As的单因子指数分别为0.18、0.60、0.38、0.24、0.13、0.47，数值均小于1，焦化厂周边土壤都属于清洁水平，没有受到污染。2.27%的Cd样品为轻微污染。

表7 周边土壤重金属单因子污染评价结果Table 7 Single-factor evaluation of heavy metals in topsoil surround the factory

由表8可见，焦化厂周边农田土壤中各重金属元素均有不同程度的积累。Zn和Mn的平均污染指数分别为0.84和0.68，均属未污染； Cd的平均污染指数为2.35，属轻度污染，其中样品的18%受到轻微污染，77%受到轻度污染，5%受到中度污染；Cu的平均污染指数为1.66，属轻微污染，其中样品 2%无污染，89%受到轻微污染，9%受到轻度污染；Hg的平均污染指数为4.7，属中度污染，其中样品的21%受到轻度污染，38%受到中度污染，41%受到了重度污染，说明在厂区周边的农田土壤中Hg的积累程度也较高，应引起关注；As的平均污染指数为1.29，属轻微污染，其中18%的样品未污染，77%受到轻微污染，只有5%受到轻度污染。

表8 周边土壤重金属单因子污染评价结果Table 8 Single-factor evaluation of heavy metals in topsoil surround the factory

2.2.2 内梅罗综合污染指数法评价

由表9可见，以国家二级标准作为参比值，焦化厂区内部及周边土壤的综合污染指数分别为0.59、 0.48，都小于0.7，是清洁土壤。厂区内部污染指数大于厂区周边污染指数。

表9 土壤重金属环境综合污染评价结果Table 9 Evaluation of soil heavy metal pollution

以山西省土壤背景值做参比值的内梅罗综合指数法评价结果见表10。

表10中以山西省土壤背景值作为参比值，焦化厂厂区内和周边表层土壤的综合污染指数分别为5.25和3.59，数值都大于3，达到重度污染水平。厂区内部污染指数大于厂区周边污染指数，说明该厂区内部的土壤重金属污染风险高于厂区周边土壤。

表10 土壤重金属环境综合污染评价结果Table 10 Evaluation of soil heavy metal pollution

3 讨论与结论

综上所述，以山西省土壤背景值为评价标准，焦化厂区内部和周边农田重金属单因子污染程度表现为：Mn

从焦化厂内部和周边农田土壤重金属含量数值分析来看，除As外，厂区内部土壤重金属含量均比厂区周边农田土壤重金属含量高，说明土壤重金属含量的高低与污染源的距离密切相关，距离污染源较近的区域重金属富集程度高，这与前人研究的结论相似[10，11]。从外部环境来看，该焦化厂所处的地理位置比较特殊，南北方向均有以煤焦为主的工业场地，并且毗邻国道，周边农田土壤不仅受该厂区的污染，还受到汽车尾气和其它工业场地的影响[17，18]。

总的来说，运用单因子污染指数法和内梅罗污染指数法对土壤的评价结果表明，焦化厂及其周边农田土壤普遍处于清洁状态，个别有轻微污染。但由于焦化厂及其周边农田土壤长期受炼焦排出的废水、废气、废渣的影响，土壤已经受到不同程度的重金属富集，可能有一定的重金属污染的风险。

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(编辑：武英耀)

Pollution Status and Assessment on Soil Heavy Metals of a Coking Plant Site and the Surrounding Farmland in LvLiang

Gao Yan,Dong Miao,Zhang Yongqing*

(SchoolofGeographyScience,ShanxiNormalUniversity,LinfenShanxi041004,China)

Sixty surface soil samples(0～20 cm) collected from a coking plant and the surrounding farming to study the pollution of heavy metals and a certain coking plant.The Single-factor pollution index method and Nemerow comprehensive pollution index method were also analyzed.The results showed that the concentrations of Zn、Cd、Cu、Mn、Hg、As of surface soil in site and the surrounding farmland were 62.91 mg·kg-1、0.37 mg·kg-1、46.26 mg·kg-1、429.98 mg·kg-1、0.16 mg·kg-1、11.60 mg·kg-1and 53.57 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、37.99 mg·kg-1、362.23 mg·kg-1、0.11 mg·kg-1、11.74 mg·kg-1respectively.Most of the elements of heavy metals exceed background value in soil environments in Shanxi province except Zn and Mn.The Single-factor pollution index method and Nemerow comprehensive pollution index method demonstrated that it was lightly polluted except 5%Cd element had exceed the national average leverals of soil environmental quality standard；Each heavy metals have different degrees of pollution take the background value in Shanxi province as a standard,show that could have a risk of pollution on heavy metals.

Coking plant；Soil；Heavy metals；Pollution assessment

2014-12-12

2015-01-23

高燕(1989-)，女(汉)，山西吕梁人，硕士研究生，研究方向：土壤生态学。

*通讯作者：张永清，教授，博士。Tel：13754964392;E-mail：yqzhang208@163.com

“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2008BADA4B01)

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A

1671-8151(2015)03-0318-07