危险废物填埋土壤中的重金属污染扩散特征分析

王文琦，丁艳华，李 芬

(中南安全环境技术研究院股份有限公司，湖北 武汉 430071)

土壤污染日益严重，对人们身心健康容易造成较大危害[1]。目前，重金属污染元素主要是通过生活垃圾、化工厂的污染排放产生，它们一旦进入土壤，打破了原始土壤酸碱平衡，使土质发生改变，导致土壤极速恶化，对农业生产造成严重影响。特别是对一些难以自动降解的污染物，一旦在土壤中长期积聚，及时人工清理也很难彻底清除，破坏整个土壤生态系统的结构和功能[2]。人若长期食用含有重金属污染的作物，会对人体造成一定危害。因此，必须加强土壤重金属污染调查，确保土壤质量。针对危险废物填埋土壤中的重金属污染特征分析主要有2种方法：①基于Calpuff模型；②主成分分析法[3]。其中使用的基于Calpuff模型的重金属污染扩散特征分析方法，融合观测数据与模拟数据，采用整体模拟数据的方式对重金属污染扩散特征进行模拟，并对重金属污染排放进行评价；使用主成分分析法，可对填埋危险废物土壤中重金属污染扩散指标信息进行综合分析，同时，通过确定第一主成分与污染扩散指标的相关性，用主元聚类分析方法对不同的重金属进行了分类。但是，这2种方法都是在危险废物填埋土壤中的重金属污染扩散模型中进行的，并未考虑危险废物填埋场的气候条件和特定条件下的空间污染特征，导致特征分析结果不准确。针对这一问题，提出了危险废物填埋土壤中的重金属污染扩散特征分析方法。

1 研究区域概况

选择建于2005年的一座废弃铅冶炼场，其场地平面如图1所示。

图1 废弃铅冶炼场地平面Fig.1 Plan of abandoned lead smelting site

由图1可知，这座废弃工厂南面为推平天然沟槽，东、北为陡坡及山体，西面略高，呈拐角形，宽50 m，长约300 m。厂区地面平整，所有生产设施已全部拆除，也对冶炼废渣进行了清理[4]。工厂内4块水泥硬化地均为污染场地，受特殊地形和东北风气候环境的影响，无法及时处理重金属污染物，这就加快了废弃铅冶炼场地以及周围场地的污染速度，加重土地恶化[5]。

2 危险废物填埋场气候条件分析

2.1 风速与风向

山区风场受山面走向、山势、山高及来风风速风向变化影响，表现形式复杂，以该区W1—W6这6个位置为例，6个位置年风向频率如图2所示。

图2 年风向频率Fig.2 Annual wind direction frequency

由图2可知，W2风向以西北风为主，其次是南风；W3西南侧的固废处理场以西南风为主，其次是东风；W4风向是以偏东风为主，并逐渐向东南风转变；W1以东北风为主，与W4风向明显不一致，具有明显地区特色[16]。

2.2 气温

危险废物填埋场月平均温度变化见表1。

表1 危险废物填埋场月平均温度变化Tab.1 Monthly average temperature change of hazardous waste landfill

由表1可知，在1月份时温度最低，7月份时温度最高，温差变化最大的月份为3月和4月，2个月温差为8 ℃[7]。

3 重金属污染扩散特征分析

3.1 重金属污染扩散数学模型构建

3.1.1 重金属污染分布

(1)求取某一重金属污染元素的污染系数，公式为：

Fi=Ci/C0i

(1)

式中，Ci为元素的实际测量的数据；C0i为元素的评价标准数据。

(2)求取某一样本点的污染负荷指数，公式为：

(2)

式中，n为危险废物填埋土壤中的重金属污染元素数量；ai为各个元素对于重金属污染负荷指数的权重[8-10]。

(3)求取某一区域的重金属污染负荷指数，公式为：

(3)

式中，k为样本数。

3.1.2 重金属污染主要原因

通过对数据的分析，求出各元素在各区域的平均污染指数：

(4)

根据上述求取的平均污染指数，确定各元素在各功能各区的污染指数，见表2。

表2 各元素功能区污染指数Tab.2 Pollution index of each element functional area

由表2可知，8种主要重金属元素在各功能区均有污染，且均在交通区域内达到最大[12]。但在某一功能区中，某些元素的污染指数明显高于其他元素，说明与其他元素相比，该功能区中的重金属元素污染源范围更为广泛[13]。

(1)生活区。对生活区内使用过的电池、坏灯、废弃化妆品以及上釉餐具等进行对比发现，平均污染指数较高。在人们的生活中，这些微量重金属元素普遍存在，其中以Cu含量最高，在仪器、化妆品、照明灯具、煤等方面均有[14]。

(2)工业区。由于工业生产的特殊性，目前工业区中不仅Cu、Hg、Zn平均污染指数较大，Pb、Cd含量也相对较高。当工业废水排入河道后，含有重金属污染的水流就会慢慢地渗入土壤[15-16]。废弃堆中的各类重金属废物由污染中心向周围扩散，其重金属含量高于元素评价标准值。

(3)山区。山区内的重金属污染程度较低，整个山体是呈现自然状态的，该地区的重金属污染可能是游客生活垃圾所致。

(4)交通区。在运输领域，由于采样点几乎涵盖了整个研究领域，无法单独显示交通区域的分散点。其中重金属污染指数最高。

(5)公园区。园林绿区受工业污染影响较小，绿化效果较好，相对重金属污染不很严重。

3.1.3 模型构建

利用数学模型，分析了重金属污染物的传播特性。一般来说，污染物的分布特征是根据污染源的位置来预测的，即对这种逆过程进行反向思考。从重金属在土壤中的扩散特性出发，确定土壤中重金属污染具有扩散正态分布模式，并据此建立了一个扩散模型，具体如下：

(5)

式中，C为某个采样点土壤被污染程度；C0为某个元素污染浓度值；σ为浓度变化参数；x、y、z为空间坐标。

通过上述构建的模型，能够求取采样点到污染源之间的距离，依据该距离可精准求取采样点土壤被污染程度。

3.2 重金属污染扩散特征分析

评价重金属富集程度时，通过对比分析被检测出来的元素浓度和某个元素评价标准数据，来判断该元素在土壤中的污染程度。

通常将化学性质稳定的元素作为参考标准，其公式为：

(6)

式中，[Ci/Cn]sediment为危险废物填埋土壤中某个重金属元素与标准化元素的测定含量比值；[Ci/Cn]background为危险废物填埋土壤中某个重金属元素与标准化元素的背景含量比值。

将式(6)作为判断依据，根据富集系数大小，将污染程度划分为6个等级(表3)。

表3 富集系数评价指标Tab.3 Enrichment coefficient evaluation index

以表3中的富集系数作为评价指标，确定8种元素的富集系数，见表4。依据表4评价指标，排列8种元素富集(污染)程度：Hg>Cd>As>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni。

表4 重金属富集系数评价指标Tab.4 Evaluation index of heavy metal enrichment coefficient

通过上述排列结果，可确定：被Hg、Cd、As、Zn、Cu重金属元素污染的土壤区域，富集污染等级为2级，属于轻微污染，不会对土壤造成危害；被Pb、Cr、Ni重金属元素污染的土壤区域，富集污染等级为1级，属于无污染不会对土壤造成危害。

4 扩散模拟试验材料与方法

4.1 样品的采集及处理

采集样品时，应均匀搅拌样品，并直接装入布袋中进行筛滤处理，再快速放到试验平台上铺平放置。

(1)样品经过风干处理后，取出固体杂质，将其放在9.5目尼龙筛上对样品进行粉碎。并将样品放入棕色的玻璃瓶中，在这一过程中可用于测定硫酸和硝酸的浸出。

(2)每个步骤剩下的样品用10目尼龙筛研磨，放入棕色玻璃瓶中，并用纯水滤过试样和酸碱。

(3)将第(2)步获得的样品研磨至能通过100目尼龙筛，此时检测出样品的所有重金属含量，并储存在棕色玻璃瓶中。

4.2 扩散模拟结果与分析

以重金属Ni为例，通过模拟分析危险废物填埋场地重金属扩散及可能存在的超标情况。

4.2.1 重金属年、季平均浓度分布

假设浓度为100 (为无量纲值)的危险废物填埋地点，在东北部地势较高的危险废物填埋点，重金属污染程度较低，西南方向地势平坦，重金属污染扩散较远。依据该特点，重金属Ni年、季平均浓度分布情况，如图3所示。

图3 模拟区域年平均污染物扩散浓度Fig.3 Annual average pollutant diffusion concentration in simulated area

由图3可知，重金属分布范围主要是横向[-300 m，300 m]、纵向[-200 m，200 m]，重金属污染范围为整个危险废物填埋场地的10%左右。污染物的平均分布趋势在不同季节与年均污染物的分布趋势是一致的，但在同一距离下，夏季重金属浓度比其他季节要高，秋季最小。

4.2.2 最大1 h重金属污染分布

模拟最大1 h重金属污染分布情况，如图4所示。从图4可以看出，一年内模拟区重金属污染浓度最大的为西南方向，东北方向较小。按平均重金属污染 浓度的分布，在同一距离的最大1 h内，浓度比例较大，如果在1 000 m左右，其臭气浓度在最大小时内可达浓度为30%左右，在不同季节的最大时间值分布趋势基本一致。

图4 最大1 h重金属污染分布Fig.4 Maximum 1 hour heavy metal pollution distribution

4.2.3 超标率

试验采用重金属Ni稀释法，依据重金属Ni年和季节平均浓度分布，并按照国家规定的重金属Ni污染物排放标准，选取稀释浓度200%的区域，选取离固体废物处理场地约1 km处作为重金属Ni超标临界值。区域全年重金属Ni超标率如图5所示。

图5 区域全年重金属超标率Fig.5 Over-standard rate of heavy metals in the region throughout the year

由图5可知，在填埋场1 km范围内，年重金属污染超标率达到5%以上，500 m范围内，除了因山体挡住以外，年重金属污染超标率达到15%以上。

针对观测场的地理位置和气候特征，对污染源周围设置了25个分立关系进行分析，见表5。

表5 重金属Ni年、季超标率Tab.5 Heavy metal Ni year and season exceeding rate %

由表5可知，在距离危险废物填埋场西北200 m方向，重金属Ni污染超标率最高，全年超过了50%；其次是西南200 m方向，重金属Ni污染全年超标率为32.4%；第3是西北500 m方向，重金属Ni污染全年超标率为18.5%；第4是东北200 m方向，重金属Ni污染全年超标率为16.9；第5是西南500 m方向，重金属Ni污染全年超标率为15.6；第6是东南200 m方向，重金属Ni污染全年超标率为12.5；第7是西南800 m方向，重金属Ni污染全年超标率为10.5，其余超标率均在10%以下。

以东北1 500 m方向、西南800 m方向和西北500 m方向3个超标率为标准，对比Calpuff模型、主成分分析法和富集系数法超标率模拟分析结果，见表6。

表6 3种方法污染全年超标率模拟结果对比分析Tab.6 Comparison and analysis of the simulation results of three methods of pollution annual exceeding standard rate %

由表6可知，使用Calpuff模型与实际超标率相差较大，最大误差为5.0%；使用主成分分析法与实际超标率不一致，最大误差为9.9%；使用富集系数法与实际超标率基本一致，最大误差为0.1%。

5 结语

将每一采样点污染的可能性考虑在内，保证其变化趋势与实际一致，不能忽视任何可能的污染源。建立的垃圾填埋场土壤中重金属污染扩散模型对扩散特性进行了精确、有效的分析，使结果更加客观、准确。应用富集系数法的重金属污染扩散特征分析方法，客观地模拟了重金属污染的特征。但现有的土壤重金属污染评价方法多以总浓度或总量为依据，很少考虑重金属形态对生态环境的危害及危害，缺乏对重金属存在污染行为的深入调查。因此，今后应重视这方面的研究工作，应深入研究危险废物填埋场中重金属污染物转化规律，为该区域土壤土质修复提供数据支持。