包头煤制烯烃化工企业固废堆场土壤质量调查研究

赵龙生，王雅静，吉雨宁，宋振宇，张 凯

(1.国家能源集团 煤炭中心，北京 100013；2.中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083)

0 引 言

随着经济社会的快速发展，工业固体废弃物的产量也逐渐增加，导致工业固废贮存及处置量随之增加。大量的固废无序堆存是引起土壤及水体污染的重要原因，由其造成的环境问题日益凸显。国内外研究者在固废堆存方面进行了一系列有意义的相关探索，如程振兴等人针对某工业园区历史堆场的现状进行废弃物的成分分析及排放量统计，对历史堆场的环境现状进行了分析[1]；马保东以美国陆地卫星图像为信息源，选用 1987 年 9 月及 2002 年 5 月的卫星图像，对充州矿区5年间地表水域主要为塌陷区积水和煤堆及固废占地的变化信息进行了研究[2]；詹良通、贾官伟等对湿润气候区固废堆场封场土质覆盖层性状及水分迁移规律进行了研究[3,4]；蒙明富以湿法磷石膏堆场系统为基础，建立堆场水平衡分析模型，围绕堆场渗滤液产生机理、影响因素、产量预测公式、渗滤液处理以及调节池设计等问题开展了研究[5]；国外研究者中，Reymond D 通过水样检测结合地理信息系统技术对城市固体垃圾场周围的 32 个地下水样进行了理化分析[6]；Kim Hyuck-Soo、Seshadri B、Bolan Nanthi等对废渣堆场上开展植物修复进行了大量研究，主要集中在植物修复对废渣中重金属的迁移转化、废渣理化性质及微生物效应的研究[7-9]。但在上述研究中，对工业区固废堆场土地质量的调查研究较少，对土壤污染物尤其是重金属污染的分布特点及富集原因也未进行系统深入的研究。

笔者以遥感监测技术结合实地采样测试分析为主要技术手段，对典型煤化工企业固废堆场及其周边土壤情况进行现状调研，对土壤重金属污染物含量、分布特点及其富集原因进行分析，对及时发现环境风险隐患、实现有效生态治理与土地复垦具有重要参考意义。

1 研究区域及方法

1.1 研究区域概况

笔者以世界首套商业化运营成功的包头煤化工分公司煤制烯烃示范工厂为例展开研究。研究所在地包头市位于内蒙古自治区的西部，其地形北高南低，且由西北向东南倾斜；属北温带大陆性气候，干燥多风；年平均气温 6.8 ℃ ，年平均降雨量 330 mm，日平均风速3 m/s。固废堆场布置在园区北部，贮存量约为400×104t，堆存高度10 m。灰渣场占地面积43.9×104m2，其中贮存区占地面积约33×104m2，而绿化面积达273×104m2。包头煤化工企业固废堆场现状及采样点示意如图1所示。

图1 包头煤化工企业固废堆场现状及采样点示意图Fig.1 Present situation and sampling point diagram of solid waste storage yard in Baotou coal chemical industry

1.2 研究方法

以土壤样品检测为主、遥感技术为辅，利用统计学的方法测算土壤污染物分布，并结合地类分布特征进行分析。遥感影像的数据源为中巴4号及北京2号，利用最新时像数据进行地类划分。采样时对深度为 15 cm 的表层土壤进行采样，并利用全球定位系统GPS精确定位，记录采样点的点位信息，对土壤容重、含水率、pH值、酶活性、微生物数量、碱解氮含量、速效磷含量及有机质含量 8 项土壤质量评价指标及重金属含量进行数据采集。土壤容重测定采用环刀法，含水率使用烘干法测定，有机质的测定主要依据NY/T 1121.6—2006《土壤检测 第6部分:土壤有机质的测定》[10]，碱解氮的测定选择碱解蒸馏法[11-13]，使用分光光度法测定速效磷含量及土壤酶活性[14-16]，土壤 pH值使用 pH 计测定，采用稀释平板法测定微生物数量[17,18]；根据土壤中主要污染物类型，将其中铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、砷(As)、铜(Cu)、镍(Ni)、铬(Cr) 7 项重金属含量设为检测指标。

生态风险指数表示自然生态格局受到自然环境和人类活动干扰造成的区域内生态环境风险变异程度。为建立不同土地利用类型与区域生态风险之间的关系，通过计算各类型的面积比重，构造不同土地利用类型在包头研究区域的生态风险指数ER(Ecological Risk Index)，计算公式[19-21]如下:

(1)

式(1)中，ER为生态风险指数，m为研究区土地利用类型的数量，Ai为第i类土地利用类型面积，A为研究区总面积，LLi为第i类土地利用类型所反映的生态风险强度参数[22]。土地生态风险强度参数参考了臧淑英等[23]学者的研究成果，耕地、林地、草地、水域、建设用地、其它土地的土地生态风险强度参数分别为 0.140 5、0.027 8、0.046 3、0.057 0、0.249 7、0.109 9。

采用内梅罗指数法对土壤中重金属含量污染情况进行综合评价。内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算的常用方法[24,25]。通过单因子评价中污染指数确定主要的重金属污染物及其危害程度，即以重金属含量实测值和评价标准相比除去量纲，以此计算i重金属元素的污染指数(Pi)：

(2)

式(2)中，Ci为重金属含量实测值，SI为土壤环境质量标准值。

单因子指数只能反映各重金属元素的污染程度，不能全面反映土壤的污染状况，而综合污染指数兼顾单因子污染指数平均值和最高值，突出污染较重的重金属污染物作用。采样点的综合污染指数(PZ)计算方法如下:

(3)

(4)

对于权重W的确立，按照重金属对环境的影响程度，将环境研究中较受关注的微量元素分成了三类，因一类、二类、三类微量元素环境重要性逐渐下降，分别赋值为3、2、1作为权重。此研究涉及的几种重金属其类别和权重分配见表1。

表1 重金属污染物对环境的重要性分类和权重值
Table 1 Classification and weighting values of heavy metal pollutants to the environment

项目PbCdAsZnCuCrNi类别IIIIIIIIIII权重3332222

2 结果与讨论

2.1 研究区域地类分布特征

依据遥感数据并参照GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》，结合煤化工企业周边土地利用特点，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、城镇村及工矿用地、水域等七大类，研究区域废堆场、固废堆场周边土地利用具体数据结果如图2、图3所示。

图2 研究区域固废堆场周边土地利用类型分布图Fig.2 Distribution of land use types around solid waste storage yards in the study area

图3 研究区域固废堆场周边土地利用类型分布图Fig.3 Distribution of land use types around solid waste storage yards in the study area

由图2、图3 可知，包头煤化工固废堆场周边土地类型单一，大部分均为草地及其它工矿用地，周边企业类型较复杂故对生态环境产生一定影响。固废堆场面积占比达6.64%，范围处于其它用地类型中间区域，敏感区范围为 500 m。在敏感区域内涉及草地及其他工矿用地，固废堆场所产生的土地污染极有可能影响到该敏感区域，所以有必要对周边的土壤质量及主要污染物含量进行检测。

计算不同土地利用类型在包头煤化工企业研究区域的生态风险指数ER，结果见表2 。

表2 不同土地利用类型在研究区域的生态风险指数ER
Table 2 Ecological risk index ER of different land use types in the study area

土地类型耕地林地草地城镇村固废堆场企业厂区其他工矿用地水域ER值002.654 84200.729 73603.959 6970

由表2 可看出，草地类型、其它工矿用地的ER值最大，说明固废堆场的存在对区域内草地及其它工况用地存在较大的干扰，因为区域内其它用地类型面积为 0，所以固废堆场的干扰度也为 0。

2.2 土壤质量情况

土壤容重与土壤质地、压实状况、土壤颗粒密度、土壤有机质含量及各种土壤管理措施有关[26,27]。土壤水分、pH值、碱解氮含量、速效磷含量、有机质含量是土壤养分的重要特征，对植被生长产生重要的影响[28-30]。土壤酶活性及微生物数量反映了土壤微生物特性，酶活性是度量微生物降解活性的重要指标，微生物数量是土壤污染程度和土壤养分转化过程的重要反映指标[31,32]。

对研究区土壤样品质量的测定分析结果如图4所示。由图4可见，研究区土壤容重均在1.25以上，土壤成熟度较高，不太适宜植被生长。含水率虽较2016年有所提高，但依然处于较低水平，说明土壤保水率差。土壤pH 值相差不大，均呈中性，由总体分析可知，越往土壤下层其pH 值越高，可能因为下层水溶液中离子浓度较高所导致。随着深度的增加，土壤酶活性也随之增大，此与含水率的变化趋势一致，且与2016年差别不大。 1 号点与 2 号点之间微生物差别微弱，上层微生物数量优于下层，说明土壤表层植被促进了微生物的繁殖。样品碱解氮含量向下递减，且较2016年有所降低，说明2017年土壤受污染状况较2016年有所加剧。土壤中有机质的含量极低，同时远离堆场的有机质水平较高，说明固废堆场一定程度抑制了植被的生长。

2.3 土壤重金属污染物含量情况

对研究区土壤样品中主要重金属含量进行测定，测定结果见表3。

图4 研究区土壤质量检测结果Fig.4 Soil quality test results in the study area

表3 研究区土壤样品重金属含量测定结果
Table 3 Determination of heavy metal content in soil samples in the study area

重金属类型最小值/(μg ·g-1)最大值/(μg ·g-1)平均值/(μg ·g-1)复垦工业用地标准值/(μg ·g-1)铅4.1860.616.45600锌36.99365.9982.59700镉0.042.210.7620砷22.1540.9534.0570铜3.1525.977.36500镍3.025.994.18200铬2.092.992.511 000

由表3 可见，区域内重金属铅(Pb)的含量处于较低水平，复垦用地标准值为 600 mg/kg，而区域内铅(Pb)最低含量仅为 4.18 μg/g，而最高含量也仅有 60.6 μg/g，在厂区东南部有富集现象，但靠近固废堆场的位置含量较低，推测环境污染源应为上风向厂区外部因风力作用而产生。重金属锌(Zn)含量变化范围较大，且部分区域富集程度较高，但均未超过工业复垦标准值，推测环境污染源应为固废堆场扬尘扩散导致。土壤中重金属镉(Cd)数值均远低于工业用地标准值，但在固废堆场东南部下风向的重金属含量略高于西南部，可见固废的排放对土壤中镉(Cd)的富集还具有一定的影响。土壤中类重金属砷(As)分布规律不明显，且数值均远低于工业用地标准值。固废堆场东南侧重金属铜的含量还出现明显的富集，其远离固废堆场边缘，主要延进出场区道路分布，但依旧处于较低水平，怀疑灰渣在运输过程中车辆可能产生的遗撒已对土壤产生一定的影响。重金属镍(Ni)处于较低水平，且数据间差值较小，无特别明显的分布特征。土壤重金属铬(Cr)在工业用地复垦后的标准值为 1 000 μg/g，包头煤化工铬(Cr)的含量区间范围仅为 2.09 μg/g～2.99 μg/g，可见所排废弃灰渣中铬(Cr)的含量极小，对土壤没有产生影响。

据式(1)～(4)计算各重金属污染指数，其中重金属含量实测值取平均值，结果见表4。根据单因子污染指数标准，当Pi≤1时，单项重金属污染分级为非污染；当PZ≤0.7时，污染状况为安全清洁水平。据表4 可知，各主要类型重金属污染物指标均处于较低水平，对土壤污染程度极低。综合污染指数也表明重金属污染物的含量水平不高。结果表明，经科学管理后，固废堆场向土壤所释放的重金属污染物处于较低水平，对土壤生态影响较低。

表4 重金属污染物指数计算结果
Table 4 Heavy metal pollutant index calculation result

项目PbZn Cd AsCuNi CrPZPi0.027 40.1180.0380.486 40.014 70.020 90.002 50.353 5污染情况安全安全安全安全安全安全 安全安全

3 结 论

(1)包头煤化工固废堆场周边土地类型单一，大部分均为草地及其他工矿用地，周边企业类型较复杂故对周边生态环境产生一定影响。固废堆场土壤质量较差，土壤成熟度较高，保水率差，氮素、磷供应不足，有机质含量极低，不太适合植被生长。

(2)堆场土壤中重金属含量有所波动，在部分区域有所富集，但均低于工业用地复垦后的标准值。根据内梅罗指数法所计算结果也同样表明固废堆场内土壤中重金属污染程度较低，对生态环境影响较小。

(3)堆场显示出污染物较强的迁移性，且大部分均为风力迁移，在下风向(主风向)呈现出越靠近污染源其污染物含量越高的特征。以土壤中锌和铬2种污染物最为明显，其富集状况也反映出废灰渣中污染物含量的水平对土壤的影响程度。