山西省某焦化厂土壤重金属污染状况分析与评价

2020-06-04王星星王海芳

应用化工 2020年4期

王星星，王海芳

(中北大学环境与安全工程学院，山西太原 030051)

土壤是人类健康和谐繁衍的重要环境，然而，我国土壤状况令人堪忧，工矿业废弃地问题突出[1]。开展典型遗留场地土壤调查，对土壤污染防治具有重要意义[2],且我国亟需修复重污染、高风险的污染场地众多[3]。山西煤焦化企业众多，炼焦过程中土壤污染严重[4-5]，精确识别遗留场地的污染特征是评价土壤风险及制定相关修复治理决策的基础[6]。

本文以山西省南部某焦化厂土壤为对象(建于20世纪70年代，生产焦炭、煤气、煤焦油等产品,2007年停止生产)，运用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险指数法，分析土壤中4种重金属(Hg、As、Cu、Zn)的含量、污染程度及环境风险，为类似土壤污染风险、修复治理及再利用提供依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸均为分析纯。

雷磁PHZ-3C pH计；赛默飞ICE-3500火焰原子吸收光谱仪；AFS-8200原子荧光光度计。

1.2 样品采集与处理

结合原场地功能与污染分布特点，按照网格布点法和分区布点法结合，对生产场地(熄焦池)、污染物排放较严重场地(化产车间)及疑似为危险废物的残余废弃物(焦油存储)等功能区域，采集0～20 cm表层土壤样品，共布22个点，采集后的土壤样品通过自然风干、除杂过筛后封存，以备分析用。

1.3 样品测定

Hg、As含量采用原子荧光光谱法测定，Cu、Zn含量采用原子吸收光谱法测定。样品在测试过程中通过平行双样分析、空白样品分析、加标样分析等方式进行质量控制。

1.4 数据分析与统计

土壤重金属含量统计与分析运用Excel 2010软件进行处理。

1.5 评价标准与方法

土壤样品选取山西省土壤环境背景值为标准，分别用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法评价土壤重金属污染状况。

1.5.1 单因子污染指数法单因子污染指数法依据土壤元素背景值为评价标准，甄选出影响环境变化的主要污染因子，揭示某个污染物的污染程度[7-8]。土壤污染指数污染程度见表1。公式如下：

Pi=Ci/S

式中Pi——污染物单因子指数；

Ci——实测浓度，mg/kg;

S——土壤环境质量标准(山西省土壤环境背景值)，mg/kg。

表1 土壤污染指数污染程度Table 1 Soil pollution index pollution degree

1.5.2 内梅罗综合污染指数法当前，内梅罗综合污染指数法是一种可反映多因子环境质量指标且兼顾单元素极值或突出最大值的指数方法[9]，可用于评价整个区域被多种重金属污染的土壤，突出污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用[10]。土壤综合污染指数污染程度见表2，公式如下：

表2 土壤综合污染指数污染程度Table 2 Soil comprehensive pollution index pollution degree

Pi=Ci/S

式中Pi——土壤中i元素污染指数;

Ci——实测浓度，mg/kg；

S——土壤环境质量标准，mg/kg；

I——内梅罗综合污染指数；

Pi最大——研究对象污染指数中的最大值；

Pi平均——研究对象污染指数的平均值。

1.5.3 潜在生态风险指数法潜在生态危害指数法由瑞典科学家于1980年建立，将不同重金属之间的毒性差异和环境对重金属污染的敏感程度反应作为考虑因素[11],其优点在于引入重金属毒性系数确定土壤重金属潜在危害程度[12]。潜在生态风险评价等级划分标准见表3，公式如下：

RI——综合生态风险指数。

表3 潜在生态风险评价等级划分标准Table 3 Classification criteria for potential ecological risk assessment

2 结果与讨论

2.1 土壤pH值

土壤酸碱度和土壤理化性质与pH值都有关系。采集的22个土壤样品pH值均在7.31～8.71，该工业遗留场地土壤整体呈碱性。

2.2 土壤重金属含量状况

研究区土壤重金属浓度见表4。

由表4可知，表层土壤样品中的重金属Zn、Cu、As、Hg的平均值分别为99.80，24.51，11.29，0.24 mg/kg。重金属平均值为Zn>Cu>As >Hg。Zn浓度的最大值为303.4 mg/kg，是全国土壤背景值的4.48倍，山西省土壤背景值的4.77倍。4种重金属浓度平均值均高于全国和山西省土壤背景值。Zn 、Cu 、As 、Hg浓度平均值分别是山西省土壤元素背景值的1.57,1.07,1.23和10.6倍，呈强富集和富集状态。变异系数反映各个样点的变异程度的变化[13]，变异系数在10%～30%之间属于中等变异，>30%属于强变异[14]。其中，变异系数最大的是Hg，为186%；变异系数最小的是As，为13.05%，各金属元素含量的变异系数由大到小为Hg>Zn>Cu>As，表明不同位置的采样点之间Hg、Zn的含量差异较大，但是Cu 、As含量分布相对比较集中。

表4 研究区土壤重金属含量统计Table 4 Soil heavy metal content statistics in the study area

2.3 土壤重金属污染程度评价

2.3.1 单因子污染指数评价以山西省土壤背景值为标准，4种重金属的单因子污染指数值见表5，各布点重金属单因子污染指数分布情况见表6。

表5 重金属单因子污染指数Table 5 Single factor pollution index of heavy metals

由表5可知，该废弃焦化厂遗留土壤重金属的单项污染指数平均值均>1，表明该区域土壤受到了Hg、As、Cu和Zn 4种重金属的污染。并且，重金属元素Hg的单项污染指数平均值最高，为11.5，说明Hg污染最严重，As、Cu和Zn污染水平近乎一样，处于轻污染。重金属元素变异系数可知，系数最大是元素Hg，Zn次之，As和Cu接近一样，且最小。表明在该遗留场地污染分布特别不均匀的是重金属Hg。

表6 污染指数分布表Table 6 Pollution index distribution table

由表6可知，重金属As污染频率约90%处于轻污染状态，剩余部分则是未污染状态；重金属Zn污染频率约90%,同As一样，处于轻污染状态，但剩余部分却是处于重污染状态；重金属Cu污染频率处于未污染状态和轻污染状态约各占一半的比例，污染最轻；Hg的污染最严重，约45%的样本处于重污染状态，约36%的样本处于轻污染状态，约18%的样本处于中污染状态。遗留场地土壤中重金属Hg污染最严重，Zn次之，Cu最轻。

2.3.2 内梅罗综合污染指数评价内梅罗综合污染指数评价见表7。

表7 内梅罗综合污染指数情况Table 7 Nemerow composite pollution index

由表7可知，遗留场地土壤重金属Hg 和Zn都处于重度污染等级，元素Hg的内梅罗综合污染指数是元素Zn指数的14倍，反映土壤中重金属Hg污染最严重，Zn次之；As处于中度污染，Cu污染最轻，处于轻度污染，这与单因子污染指数评价结果相吻合。

2.3.3 潜在生态风险指数评价土壤重金属潜在生态危害评价情况见表8。

表8 土壤重金属生态危害评价指数Table 8 Soil heavy metal ecological hazard evaluation index

由表8可知，因为一部分土样中重金属污染浓度相对比较高，且样品在原功能场地的不同区域位置进行取样，所以，Er与RI值的幅度范围变化较广。分析EHg、EAs、ECu、EZn的平均值可得:除了EHg，其余数值均<40，处于轻微危害。而EHg的平均值为460.14，处于极强生态危害。从平均单一潜在生态风险指数来看，4种重金属大小顺序为：Hg>As>Cu>Zn，元素Hg危害最大。从重金属RI的均值1 318.4，可知元素Hg对总生态风险指数(RI)的贡献值最大，重金属Hg的污染修复应该放在首要位置上。焦化厂废弃地土壤重金属污染程度与炼焦过程中的生产路线、焦油、沥青、焦炭回收过程有很大关系，污染物与此同时进入到环境中，造成污染[15-16]。