皖北某电厂周边土壤重金属污染现状及评价分析

张喜亮 闵 宁 程 成 陈 超 李田田 蒋家沁

（宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000）

0 引言

土壤环境是人类生存和发展的重要环境基础。生活垃圾焚烧产生的重金属颗粒是土壤污染来源之一。我国城市生活垃圾年处理量从2017年的2.15亿t增 长 至2020年 的2.82亿t，年 增 率 为10%［1］。电厂焚烧生活垃圾产生的热能发电，既可以有效缓解城市垃圾体积的增加，又为能源的开发利用提供新的途径。目前，国内外对于电厂周边土壤重金属污染状况的研究主要集中围绕燃煤发电厂展开，如杨皓等［2］研究发现不同元素在黔北电厂周边土壤中的分布特征不尽相同；Akin［3］对土耳其某电厂周边土壤污染研究发现，Cu、Cr和Ni含量均高于当地土壤背景值。而对于环保电厂周边土壤重金属污染状况和评价分析的研究相对较少。为完善环保电厂的土壤重金属污染状况和评价的体系，本次研究选取皖北某电厂为研究对象，对电厂周边表层土壤中Cr、Mn、Ni、Pb、Cu、Zn等重金属元素含量确定污染情况及污染来源，为该地土壤重金属污染评价及治理提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于安徽省东北部，总面积2 868 km2，地处华北平原，地势相对较为平坦，全年主导风向为东北风。皖北某电厂从2013年投产至今，以生活垃圾为原料进行焚烧发电为主。

2 样品采集及分析测试

沿常年主导风方向，在电厂周边呈放射状布点，选取四个方向，分别为常年主导风下风向（西南)、主导风下风向45°夹角方向（正南)、主导风上风向（东北)和次主导风下风向（正西)，在各方向上每隔500 m采集土壤样品，共采集16个样品。皖北某电厂周边及对照点土壤样品采样示意图如图1所示。为与电厂周边土壤对比，距电厂2 km东北向以上的区域采集8个样品，通过梅花状采样法，采集0～20 cm的土壤，后经四分法缩分至1 kg左右，装袋并带回实验室。样品经室内风干后，挑除其中的残植烂叶、石块等杂物，经碎样机粗磨至60目左右，再用玛瑙研钵细磨成200目以上。粉末样经高温高压封闭消解至溶液态，利用ICP-MS测量重金属含量，测试误差在10%以内。

图1 皖北某电厂周边及对照点土壤样品采样示意图

3 结果与讨论

3.1 重金属元素含量特征

该电厂土壤重金属含量见表1。由表1知，所有样品重金属元素含量关系为Mn>Zn>Ni>Pb>Cu。通过对比发现，沿主导风下风向45°夹角方向、主导风下风向、主导风上风向和次主导风下风向，Ni、Zn和Cu含量逐渐减少，说明风向对重金属元素在空间分布特征上有着重要影响。主导风下风向45°夹角方向重金属含量最高的原因与车流量较多有关。在各个方向上的不同元素的大小都为：Mn>Zn>Ni>Cu>Pb。Mn的含量变化范围相对较大，而Pb的含量变化范围相对较小，说明Mn受外部干扰影响较大，而Pb较小。

表1 电厂周边土壤重金属含量特征

与安徽省土壤背景值［4］相比，Mn、Cu、Ni含量较高，而Pb和Zn含量略低，说明研究区已经产生了不同程度的污染。与《土壤环境质量标准》二级标准［5］相比，研究区内重金属元素含量均未超过国家二级标准。

变异系数直接反映数据的离散程度，间接反映出外部条件对重金属含量的影响［6］。Ni和Zn的变异系数最大值达22%和21%，Ni和Zn受到集中降水和受人为因素影响是导致两者变异系数偏大的主要原因。通过综上对比分析，该研究区土壤重金属含量具有明显的空间分布特征且含量变化较小。

3.2 土壤重金属污染评价

为综合反映出采样区的污染状况，根据Hakanson［7］提出的潜在生态危害指数法对研究区域的重金属污染进行潜在性的污染程度划分。公式如式（1)和式（2)所示。

式中：Cf为重金属元素的富集系数；Tr为元素的毒性系数；RI为元素的潜在生态危害指数。重金属毒性响应系数［8］分别为：Ni=Cr=2、Zn=Mn=1、Pb=Cu=5和Cd=30。

电厂周边和厂区内土壤中重金属元素污染的潜在风险为轻微（见表2至表5)，从Er看，在各个方向上的各个重金属元素Er值大小都不超过40，该研究区样品元素在不同方向的不同距离均只达到轻微生态危害。从RI看，重金属污染所有方向上都处于轻微生态危害，危害程度分布均匀。各方向距离电厂最近的500 m处RI值相对较高，说明距离该电厂较近的区域污染程度相对较大。研究区受污染对比程度为主导风下风向45°夹角方向>主导风上风向>主导风下风向>次主导风下风向。顺着主导风方向大致呈现出主导风上风向的污染程度略高于主导风下风向。主导风下风向45°夹角方向污染程度偏高的原因可能与该路线上车流量较多有关。对于电厂长期堆放的工业废料渣经过一系列转换和迁移，会对周边土壤造成重金属污染，从而导致潜在生态风险的加剧。

表2 电厂周边厂区主导风下风向45°夹角（正南)土壤潜在生态风险指数

表3 电厂周边厂区主导风上风向（东北)土壤潜在生态风险指数

表4 电厂周边厂区主导风下风向（西南)土壤潜在生态风险指数

表5 电厂周边厂区次主导风下风向（正西)土壤潜在生态风险指数

4 结论

①重金属元素含量特征结果表明，元素含量大小关系为：Mn>Zn>Ni>Pb>Cu，沿主导风下风向45°夹角方向、主导风下风向、主导风上风向和次主导风下风向，Ni、Zn和Cu含量逐渐减少，风向对重金属元素在空间分布特征上有着重要影响。在各个方向上的不同元素的含量大小都为Mn>Zn>Ni>Cu>Pb。与安徽省土壤背景值相比，Mn、Cu和Ni略高。与《土壤环境质量标准》二级标准相比，研究区内重金属元素含量均未超过国家二级标准。

②重金属污染评价结果显示，采样区受污染对比程度为主导风下风向45°夹角方向>主导风上风向>主导风下风向>次主导风下风向。所有方向上都处于轻微生态危害，危害程度分布均匀。电厂长期堆放的工业废料渣，会对周边土壤造成重金属污染，加剧潜在生态风险。