某废弃化工厂场地土壤重金属污染评价

任文会, 吴文涛, 陈 玉, 文国涛, 潘成荣, 刘桂建

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国科学技术大学 地球和空间科学学院,安徽 合肥 230026; 3.安徽省环境科学研究院,安徽 合肥 230071)

某废弃化工厂场地土壤重金属污染评价

任文会1, 吴文涛1, 陈 玉2, 文国涛3, 潘成荣3, 刘桂建2

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国科学技术大学 地球和空间科学学院,安徽 合肥 230026; 3.安徽省环境科学研究院,安徽 合肥 230071)

文章以某市废弃化工厂为例,采用地累积指数法和潜在生态危害指数法对化工厂遗留场地土壤重金属潜在生态风险进行了定量评价。结果表明:厂区土壤环境敏感重金属元素,例如，Pb、Cu、Zn、Cr和As，其质量比普遍高于土壤背景值;重金属在厂区不同功能用地土壤中的分布存在较大差异,在生产功能区土壤显著富集;在土壤垂直剖面上(20、35、50、65、80 cm),重金属的质量比随深度增加呈下降趋势,并在土壤深度20 cm处显著富集；不同监测点土壤重金属的潜在生态危害呈现明显的差异性,这可能与工厂不同功能用地有密切关联；As的土壤污染贡献率高达74%,明显高于其他重金属,在土壤治理和修复过程中应优先治理。

化工厂;土壤;重金属;生态评价

污染企业的搬迁、停产和关闭已成为快速改善城市环境和督促企业升级改造的有效手段,近年来,随着工业企业的搬迁、关闭,其遗留场地已成为我国污染场地中的重要类型。一些位于城市中心、生产历史长、生产工艺变革多的污染企业的遗留场地可能严重危害人体和周边的生态环境[1-2]。场地中的污染物容易在土壤中滞留并累积,造成土壤中污染物的浓度过高或超标,使得土壤的理化性质发生改变,从而破坏了土壤环境原有的生态功能与系统平衡[3-5]。土壤中迁移性和挥发性较强的污染元素能直接渗入地下水或挥发至空气中造成水体和大气的污染。土壤和地下水中积累的污染物质还能够通过食物链传递和富集,从而对更高营养级的生物乃至人类的健康产生危害[5-6]。

本文以某市废弃化工厂场地作为研究对象,对厂区土壤重金属质量比分布进行采样、分析,定量评价化工厂废弃场地土壤重金属污染状况,为化工厂遗留场地的土地利用与规划以及城市生态环境的可持续发展提供理论依据。

1 实验部分

1.1 样品的采集及处理

为了确保土壤样品的代表性,本研究采用网格式布点法进行采样,同时考虑到研究区域不同功能区的分布。采样共设18个采样点,其位置分布如图1所示。

图1 研究区域采样点分布图

采样过程中,用铲子去除土壤上层的石块、杂草等杂物,采样深度为距离地面20 cm。得到的样品,去除其中较大的植物根系和石块,按照四分法保留1 kg左右的土壤样品,密闭于聚乙烯塑料袋中以防污染。另外,在采样点15#(靠近厂界处、人为活动不密集的区域),距地面20、35、50、65、80 cm处采集土壤剖面样品(自下而上,避免上层对下层土壤的污染)。

1.2 样品的分析与质量控制

采集的土壤样品置于实验室洁净通风橱内干燥至恒质量(即土壤水分与周围大气水分平衡状态),去除石块等杂质,用瓷质研钵将样品磨成粉末,过100目尼龙筛,充分混合均匀,装于聚乙烯塑料袋中备用。

采用混酸HNO3-HF-HClO4对土壤样品进行消解,消解后的样品溶液,经电感耦合等离子体原子发射光谱仪 (inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry,ICP-AES)对重金属元素Pb、Cu、Zn、Cr、As和Ni进行测试。每个样品消解液测试3次,结果用均值表示。样品测试过程中采用标准样品(GSS-1)进行质量控制。实验所用试剂均为优级纯,实验用水为18.2 MΩ超纯水。

1.3 评价方法和评价标准

分别采用地累积指数法[7-9]和潜在生态危害指数评价方法[10-17]对废弃厂区土壤环境进行生态评价,采用当地土壤重金属元素背景值[18]作为评价标准。土壤重金属元素背景值见表1所列。

表1 土壤重金属元素背景值 mg/kg

1.3.1 地累积污染指数

地累积污染指数由德国学者Muler于1969年提出,被广泛应用于对沉积物、土壤中重金属污染的评价，其计算公式为:

Igeo=lb[wi/(kBi)]，

其中,wi为沉积物或土壤中某一重金属元素的实测质量比;k取1;Bi为元素背景值(表1)。

文献[9]提出的重金属Igeo值与污染程度的对应关系见表2所列。

表2 地累积指数与污染程度分级

1.3.2 潜在生态风险评价

对于单个重金属,其潜在生态危害系数Ei的计算公式为:

Ei=Tiwi/w0,

其中,wi、w0、Ti分别为第i种重金属的实测质量比、参比值、毒性响应系数。各个重金属的Ti值分别为:Hg,40;Cd,30;As,10;Pb,5;Cu,5;Cr,2;Ni,2;Zn,1。

对于多个重金属,它们共同的潜在生态危害指数RI为:

RI=∑Ei。

土壤中重金属潜在生态危害分级[10]见表3所列。

表3 潜在生态风险评价指标与危害程度分级

2 结果与讨论

2.1 研究区土壤重金属分布特征

2.1.1 土壤中重金属质量比与空间分布特征

研究区域所有监测点土壤中重金属的质量比见表4所列。土壤中Pb、Cu、Zn、Cr和As的空间等值线分布图如图2所示。

表4 土壤重金属质量比 mg/kg

图2 研究区域土壤重金属空间分布

从表4可知:Pb质量比变化范围为10.01～251.35mg/kg,平均为58.77mg/kg,其中12个监测点土壤中Pb的质量比超过了其背景值;Cu质量比变化范围为26.97 ～139.24mg/kg,平均为70.94mg/kg,其中15个监测点土壤中的Cu质量比超过其背景值;Zn质量比变化范围为96.43～1 039.35mg/kg,平均为288.47mg/kg,所有监测点土壤中Zn的质量比均超过其土壤背景值;Cr质量比变化范围为25.48～265.26mg/kg,平均为89.16mg/kg,其中10个监测点土壤中Cr的质量比超过其背景值;As的质量比变化范围为16.27～102.20mg/kg,平均为40.10mg/kg,所有监测点土壤中As质量比均超过土壤背景;Ni的质量比变化范围为9.66～42.60mg/kg,平均为25.50mg/kg,仅有5个监测点土壤中的Ni质量比略高于其背景值。综合分析上述结果,除Ni外,Pb、Cu、Zn、Cr和As等与工业活动密切相关的环境敏感重金属元素的质量比均有较大变化,说明工业废弃厂区以前的生产活动对土壤造成了较大的污染。

由图2可知,5种重金属的质量比表现出较大的空间差异性,可能与化工厂的不同功能用地有一定的关联。相比于其他位置,Pb和As主要富集在厂区2个合成车间(C)区域的土壤中,该区域主要用于农药的生产,而农药中的Pb和As质量比一般较高[19]。Cu主要富集在2个合成车间(C)之间区域以及仓库(D、E)附近,2个合成车间之间的区域一直用来作为工厂日常排放的固体废弃物的存放区域,固体废弃物的风化与淋滤可能造成土壤中Cu质量比的升高[20];仓库区域土壤中Cu质量比高可能是与化工厂功能用地更换有关,在该区域作为仓库使用之前曾作为废弃物的堆放之地。在合成车间附近区域(C),土壤中Cr质量比相对较高,可能与化工厂农药生产中使用含有Cr的物质有关[21]。

2.1.2 重金属在土壤剖面中的分布

重金属元素Pb、Cu、Zn、Cr、As和Ni在研究区15#采样点土壤上的垂直剖面分布如图3所示。

图3 重金属垂直分布规律

由图3可知,除Ni以外,其余5种重金属在土壤80cm剖面上,随着深度的增加逐渐下降,说明重金属主要吸附在表层土壤中,重金属污染主要来自地面的工厂活动。对于底部土壤,表层土壤有机质质量比较高,与重金属的结合力较强,受到土壤淋滤的影响不大。

土壤中Ni的质量比在剖面上整体呈现稳定的趋势,说明工厂的生产活动并没有产生明显的Ni污染,土壤中的Ni主要来源于土壤母质。

Pb、Cu和Zn在土壤深度20～50cm范围内呈现明显的下降趋势,其中20～35cm内下降趋势最为显著。 另外,Zn的质量比随深度的增加下降速度最快,表明其迁移能力较弱。

2.2 土壤重金属地累积指数评价法

各个重金属的地累积指数见表5所列。其中,Pb和Zn在部分土壤采样点中达到“强度”污染,且Zn在所有土壤采样点中均已受到污染。Cu和Cr在所有土壤采样点中均未达到“强度”以上污染。

土壤采样点中As主要集中在“中度—强度”到“强度”污染;而Ni在所有采样点中均未超过“中度”以上污染,大部分采样点都未受到污染。研究区内土壤中重金属的污染程度由强至弱依次为As>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni。土壤整体处于“中度—强度”污染水平。

表5 土壤重金属地累积指数

2.3 土壤重金属潜在生态危害指数法评价

研究区域土壤各重金属潜在危害系数Ei见表6所列,各监测点潜在危害指数RI如图4所示。

从反映单个重金属的生态危害系数Ei来看, Cu、Zn、Cr和Ni为“轻度”潜在生态危害,Pb主要为“轻度”生态危害,部分土壤监测点出现“中等”程度的生态危害。As的潜在生态危害系数最大,为109.80,达到“较重”生态危害程度。比较发现,6种重金属的潜在生态危害程度从强至弱依次为As>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr。

表6 土壤重金属潜在危害系数(Ei)

图4 潜在生态危害指数

由图4可以看出,从反映总潜在生态危害程度指数RI来看,除10#采样点(处于合成车间)的RI大于300,达到“强度”生态危害外,其余位置均在“强度”生态危害以下,RI普遍低于150,处于“轻度”生态危害。采样点土壤中重金属的RI值主要贡献因子为As,其余重金属的贡献率很低。该化工厂主要生产除草剂,原料和产品中含有重金属As,这是造成土壤中As质量比富集的主要原因。

各土壤采样点的潜在生态危害程度不尽相同,存在较大差异,说明点源污染是企业土壤比较普遍的污染方式,土壤环境质量普遍受到工厂活动的影响。

针对该研究区域重金属污染情况,在后续工作中应积极开展治理和修复。土壤重金属修复方法主要有客土、换土、植物修复,动物修复、淋滤法和电动修复法等[19]。这些方法各有其优缺点和适用范围。通过比较国内应用的各种土壤修复方法,建议采用土壤淋洗法进行该厂区土壤的重金属修复工作。土壤淋洗法使用淋洗剂对土壤进行清洗,使污染物随淋洗剂流出,然后对淋洗液进行后续处理。该方法是一种工艺简单、修复效率较高的土壤修复技术,可以永久地解决重金属污染的问题,更适用于解决工业场地的重金属污染问题[22-23]。

3 结 论

(1) 研究区域各监测点土壤中Pb、Cu、Zn、Cr、As和Ni的质量比呈现较大的差异;与其背景值相比,大部分监测点土壤中各类重金属的质量比高于其背景值。

(2) 重金属质量比在研究厂区不同功能区的土壤中存在较大的差异,其中在化工厂生产活动密集的合成车间区域土壤重金属的质量比较高;在土壤剖面垂直方向上,随着深度的增加,大部分重金属呈现不同速率的下降,其中Zn的下降速度最快,表明其迁移能力较弱。

(3) 地累积指数和潜在生态危害指数结果表明,研究区域内土壤的污染程度存在空间差异性,污染最严重的区域位于厂区的合成车间。研究区域重金属对土壤潜在危害程度贡献不一,其中As是最主要的贡献因子,也是研究区域土壤中最主要的污染物,在土壤修复中应作为首要污染物对待。

[1] 孙俊,陈晓东,常文越,等.搬迁企业环境遗留问题分析及修复对策研究[J].环境保护科学,2003,29(4):40-42.

[2] 张军.某污染企业搬迁替代方案的优化选择[J].中国公共卫生,2005,21(5):600-601.

[3] FENT K.Ecotoxicological effects at contaminated sites[J].Toxicology,2004,205(3):223-240.

[4] MARKUS J,MCBRATNEY A B.A review of the contamination of soil with lead：Ⅱ.spatial distribution and risk assessment of soil lead[J].Environment International,2001,27(5)：399-411.

[5] CHEN C M,LIU M C.Ecological risk assessment on a cadmium contaminated soil landfill:a preliminary evaluation based on toxicity tests on local species and site-specific information[J].Science of the Total Environment,2006,359(1/2/3)：120-129.

[6] MANUEL A E,EUGENIO L P,ELENA M C.The mobility and degradation of pesticides in soils and the pollution of groundwater resources[J].Agriculture,Ecosystems & Environment,2008,123(4)：247-260.

[7] 许振成,杨晓云,温勇,等.北江中上游底泥重金属污染及其潜在生态危害评价[J].环境科学,2009,30(11)：3262-3268.

[8] 刘勇,岳玲玲,李晋昌.太原市土壤重金属污染及其潜在生态风险评价[J].环境科学学报,2011,31(6)：1285-1293.

[10] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control:a sedimentological approach[J].Water Research,1980,14(8)：975-1001.

[11] 毛志刚,谷孝鸿,陆小明,等.太湖东部不同类型湖区疏浚后沉积物重金属污染及潜在生态风险评价[J].环境科学,2014,35(1)：186-193.

[12] 王大洲,胡艳,李鱼.某陆地石油开采区土壤重金属潜在生态风险评价[J].环境化学,2013,32(9)：1723-1729.

[13] 韩君,徐应明,温兆飞,等.重庆某废弃电镀工业园农田土壤重金属污染调查与生态风险评价[J].环境化学,2014,33(3)：432-439.

[14] 孙敏华,姜翠玲,张鹏,等.太湖流域梁塘河沉积物重金属生态风险评价[J].环境工程,2015,33(8)：118-122.

[15] 甘国娟,刘伟,邱亚群,等.湘中某冶炼厂农田土壤重金属污染及生态风险评价[J].环境化学,2013,32(1)：132-138.

[16] 徐晓春,牛杏杏,王美琴,等.铜陵相思河重金属污染的潜在生态危害评价[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2011,34(1)：128-131,136.

[17] 熊鸿斌,胡海文,王振祥,等.淮南煤矿区土壤重金属污染分布特征及污染溯源研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2015,38(5)：686-693.

[18] 项艳.皖江城市带土壤重金属质量比变化特征及其环境容量研究[D].合肥:安徽农业大学,2011.

[19] 崔德杰,张玉龙.土壤重金属污染现状与修复技术研究进展[J].土壤通报,2004,35(3)：366-370.

[20] 郭观林,周启星,李秀颖.重金属污染土壤原位化学固定修复研究进展[J].应用生态学报,2005,16(10)：1990-1996.

[21] 郑袁明,陈煌,陈同斌.北京市土壤中Cr、Ni质量比的空间结构与分布特征[J].第四纪研究,2003,23(4)：436-445.

[22] MANN M J.Full-scale and pilot-scale soil washing[J].Journal of Hazardous Materials,1999,66(1/2)：119-136.

[23] 刘磊,胡少平,陈英旭,等.淋洗法修复化工厂遗留地重金属污染土壤的可行性[J].应用生态学报,2010,21(6)：1537-1541.

(责任编辑 张淑艳)

Assessment of heavy metal pollution in soil from an abandoned chemical plant

REN Wenhui1, WU Wentao1, CHEN Yu2, WEN Guotao3, PAN Chengrong3, LIU Guijian2

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 3.Anhui Research Academy of Environmental Sciences, Hefei 230071, China)

In this paper, the methods of geo-accumulation index and potential ecological risk index are used to quantitatively evaluate the potentially ecological risks of heavy metals in the soil from an abandoned chemical plant. The results show that the contents of environment-sensitive heavy metals such as Pb, Cu, Zn, Cr and As in most of the soil samples of the studied chemical plant are higher than background soil values. There is a large spatial variation in heavy metals for soil samples from different functional zones of the plant, with the production functional zone having the highest heavy metal concentrations. Along the soil sampling profile downward(20, 35, 50, 65, 80 cm), the heavy metals exhibit decreasing trends except soil samples taken at 20 cm below soil surface where heavy metals are highly enriched. The ecological risks of heavy metals in different soil sampling points are quite different, which possibly relates to the soil properties in different functional zones. The contribution ratio of As to the total soil pollution reaches 74%, which is higher than those of other heavy metals. Thus, the restoration and remediation of the studied soil should treat As as the priority.

chemical plant; soil; heavy metal; ecological assessment

2015-10-20；

2016-03-07

安徽省省级环保科研课题资助项目(2014-008)

任文会(1991-),女,安徽阜阳人,合肥工业大学硕士生; 吴文涛(1972-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师; 潘成荣(1966-),男,安徽合肥人,博士,安徽省环境科学研究院正高工; 刘桂建(1966-),男,安徽涡阳人,博士,中国科学技术大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.020

X53

A

1003-5060(2017)04-0533-06