某廢棄化工廠場地土壤重金屬污染評價

任文會, 吳文濤, 陳 玉, 文國濤, 潘成榮, 劉桂建

(1.合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009; 2.中國科學技術大學 地球和空間科學學院,安徽 合肥 230026; 3.安徽省環境科學研究院,安徽 合肥 230071)

某廢棄化工廠場地土壤重金屬污染評價

任文會1, 吳文濤1, 陳 玉2, 文國濤3, 潘成榮3, 劉桂建2

(1.合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009; 2.中國科學技術大學 地球和空間科學學院,安徽 合肥 230026; 3.安徽省環境科學研究院,安徽 合肥 230071)

文章以某市廢棄化工廠為例,采用地累積指數法和潛在生態危害指數法對化工廠遺留場地土壤重金屬潛在生態風險進行了定量評價。結果表明:廠區土壤環境敏感重金屬元素,例如，Pb、Cu、Zn、Cr和As，其質量比普遍高于土壤背景值;重金屬在廠區不同功能用地土壤中的分布存在較大差異,在生產功能區土壤顯著富集;在土壤垂直剖面上(20、35、50、65、80 cm),重金屬的質量比隨深度增加呈下降趨勢,并在土壤深度20 cm處顯著富集；不同監測點土壤重金屬的潛在生態危害呈現明顯的差異性,這可能與工廠不同功能用地有密切關聯；As的土壤污染貢獻率高達74%,明顯高于其他重金屬,在土壤治理和修復過程中應優先治理。

化工廠;土壤;重金屬;生態評價

污染企業的搬遷、停產和關閉已成為快速改善城市環境和督促企業升級改造的有效手段,近年來,隨著工業企業的搬遷、關閉,其遺留場地已成為我國污染場地中的重要類型。一些位于城市中心、生產歷史長、生產工藝變革多的污染企業的遺留場地可能嚴重危害人體和周邊的生態環境[1-2]。場地中的污染物容易在土壤中滯留并累積,造成土壤中污染物的濃度過高或超標,使得土壤的理化性質發生改變,從而破壞了土壤環境原有的生態功能與系統平衡[3-5]。土壤中遷移性和揮發性較強的污染元素能直接滲入地下水或揮發至空氣中造成水體和大氣的污染。土壤和地下水中積累的污染物質還能夠通過食物鏈傳遞和富集,從而對更高營養級的生物乃至人類的健康產生危害[5-6]。

本文以某市廢棄化工廠場地作為研究對象,對廠區土壤重金屬質量比分布進行采樣、分析,定量評價化工廠廢棄場地土壤重金屬污染狀況,為化工廠遺留場地的土地利用與規劃以及城市生態環境的可持續發展提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 樣品的采集及處理

為了確保土壤樣品的代表性,本研究采用網格式布點法進行采樣,同時考慮到研究區域不同功能區的分布。采樣共設18個采樣點,其位置分布如圖1所示。

圖1 研究區域采樣點分布圖

采樣過程中,用鏟子去除土壤上層的石塊、雜草等雜物,采樣深度為距離地面20 cm。得到的樣品,去除其中較大的植物根系和石塊,按照四分法保留1 kg左右的土壤樣品,密閉于聚乙烯塑料袋中以防污染。另外,在采樣點15#(靠近廠界處、人為活動不密集的區域),距地面20、35、50、65、80 cm處采集土壤剖面樣品(自下而上,避免上層對下層土壤的污染)。

1.2 樣品的分析與質量控制

采集的土壤樣品置于實驗室潔凈通風櫥內干燥至恒質量(即土壤水分與周圍大氣水分平衡狀態),去除石塊等雜質,用瓷質研缽將樣品磨成粉末,過100目尼龍篩,充分混合均勻,裝于聚乙烯塑料袋中備用。

采用混酸HNO3-HF-HClO4對土壤樣品進行消解,消解后的樣品溶液,經電感耦合等離子體原子發射光譜儀 (inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry,ICP-AES)對重金屬元素Pb、Cu、Zn、Cr、As和Ni進行測試。每個樣品消解液測試3次,結果用均值表示。樣品測試過程中采用標準樣品(GSS-1)進行質量控制。實驗所用試劑均為優級純,實驗用水為18.2 MΩ超純水。

1.3 評價方法和評價標準

分別采用地累積指數法[7-9]和潛在生態危害指數評價方法[10-17]對廢棄廠區土壤環境進行生態評價,采用當地土壤重金屬元素背景值[18]作為評價標準。土壤重金屬元素背景值見表1所列。

表1 土壤重金屬元素背景值 mg/kg

1.3.1 地累積污染指數

地累積污染指數由德國學者Muler于1969年提出,被廣泛應用于對沉積物、土壤中重金屬污染的評價，其計算公式為:

Igeo=lb[wi/(kBi)]，

其中,wi為沉積物或土壤中某一重金屬元素的實測質量比;k取1;Bi為元素背景值(表1)。

文獻[9]提出的重金屬Igeo值與污染程度的對應關系見表2所列。

表2 地累積指數與污染程度分級

1.3.2 潛在生態風險評價

對于單個重金屬,其潛在生態危害系數Ei的計算公式為:

Ei=Tiwi/w0,

其中,wi、w0、Ti分別為第i種重金屬的實測質量比、參比值、毒性響應系數。各個重金屬的Ti值分別為:Hg,40;Cd,30;As,10;Pb,5;Cu,5;Cr,2;Ni,2;Zn,1。

對于多個重金屬,它們共同的潛在生態危害指數RI為:

RI=∑Ei。

土壤中重金屬潛在生態危害分級[10]見表3所列。

表3 潛在生態風險評價指標與危害程度分級

2 結果與討論

2.1 研究區土壤重金屬分布特征

2.1.1 土壤中重金屬質量比與空間分布特征

研究區域所有監測點土壤中重金屬的質量比見表4所列。土壤中Pb、Cu、Zn、Cr和As的空間等值線分布圖如圖2所示。

表4 土壤重金屬質量比 mg/kg

圖2 研究區域土壤重金屬空間分布

從表4可知:Pb質量比變化范圍為10.01～251.35mg/kg,平均為58.77mg/kg,其中12個監測點土壤中Pb的質量比超過了其背景值;Cu質量比變化范圍為26.97 ～139.24mg/kg,平均為70.94mg/kg,其中15個監測點土壤中的Cu質量比超過其背景值;Zn質量比變化范圍為96.43～1 039.35mg/kg,平均為288.47mg/kg,所有監測點土壤中Zn的質量比均超過其土壤背景值;Cr質量比變化范圍為25.48～265.26mg/kg,平均為89.16mg/kg,其中10個監測點土壤中Cr的質量比超過其背景值;As的質量比變化范圍為16.27～102.20mg/kg,平均為40.10mg/kg,所有監測點土壤中As質量比均超過土壤背景;Ni的質量比變化范圍為9.66～42.60mg/kg,平均為25.50mg/kg,僅有5個監測點土壤中的Ni質量比略高于其背景值。綜合分析上述結果,除Ni外,Pb、Cu、Zn、Cr和As等與工業活動密切相關的環境敏感重金屬元素的質量比均有較大變化,說明工業廢棄廠區以前的生產活動對土壤造成了較大的污染。

由圖2可知,5種重金屬的質量比表現出較大的空間差異性,可能與化工廠的不同功能用地有一定的關聯。相比于其他位置,Pb和As主要富集在廠區2個合成車間(C)區域的土壤中,該區域主要用于農藥的生產,而農藥中的Pb和As質量比一般較高[19]。Cu主要富集在2個合成車間(C)之間區域以及倉庫(D、E)附近,2個合成車間之間的區域一直用來作為工廠日常排放的固體廢棄物的存放區域,固體廢棄物的風化與淋濾可能造成土壤中Cu質量比的升高[20];倉庫區域土壤中Cu質量比高可能是與化工廠功能用地更換有關,在該區域作為倉庫使用之前曾作為廢棄物的堆放之地。在合成車間附近區域(C),土壤中Cr質量比相對較高,可能與化工廠農藥生產中使用含有Cr的物質有關[21]。

2.1.2 重金屬在土壤剖面中的分布

重金屬元素Pb、Cu、Zn、Cr、As和Ni在研究區15#采樣點土壤上的垂直剖面分布如圖3所示。

圖3 重金屬垂直分布規律

由圖3可知,除Ni以外,其余5種重金屬在土壤80cm剖面上,隨著深度的增加逐漸下降,說明重金屬主要吸附在表層土壤中,重金屬污染主要來自地面的工廠活動。對于底部土壤,表層土壤有機質質量比較高,與重金屬的結合力較強,受到土壤淋濾的影響不大。

土壤中Ni的質量比在剖面上整體呈現穩定的趨勢,說明工廠的生產活動并沒有產生明顯的Ni污染,土壤中的Ni主要來源于土壤母質。

Pb、Cu和Zn在土壤深度20～50cm范圍內呈現明顯的下降趨勢,其中20～35cm內下降趨勢最為顯著。 另外,Zn的質量比隨深度的增加下降速度最快,表明其遷移能力較弱。

2.2 土壤重金屬地累積指數評價法

各個重金屬的地累積指數見表5所列。其中,Pb和Zn在部分土壤采樣點中達到“強度”污染,且Zn在所有土壤采樣點中均已受到污染。Cu和Cr在所有土壤采樣點中均未達到“強度”以上污染。

土壤采樣點中As主要集中在“中度—強度”到“強度”污染;而Ni在所有采樣點中均未超過“中度”以上污染,大部分采樣點都未受到污染。研究區內土壤中重金屬的污染程度由強至弱依次為As>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni。土壤整體處于“中度—強度”污染水平。

表5 土壤重金屬地累積指數

2.3 土壤重金屬潛在生態危害指數法評價

研究區域土壤各重金屬潛在危害系數Ei見表6所列,各監測點潛在危害指數RI如圖4所示。

從反映單個重金屬的生態危害系數Ei來看, Cu、Zn、Cr和Ni為“輕度”潛在生態危害,Pb主要為“輕度”生態危害,部分土壤監測點出現“中等”程度的生態危害。As的潛在生態危害系數最大,為109.80,達到“較重”生態危害程度。比較發現,6種重金屬的潛在生態危害程度從強至弱依次為As>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr。

表6 土壤重金屬潛在危害系數(Ei)

圖4 潛在生態危害指數

由圖4可以看出,從反映總潛在生態危害程度指數RI來看,除10#采樣點(處于合成車間)的RI大于300,達到“強度”生態危害外,其余位置均在“強度”生態危害以下,RI普遍低于150,處于“輕度”生態危害。采樣點土壤中重金屬的RI值主要貢獻因子為As,其余重金屬的貢獻率很低。該化工廠主要生產除草劑,原料和產品中含有重金屬As,這是造成土壤中As質量比富集的主要原因。

各土壤采樣點的潛在生態危害程度不盡相同,存在較大差異,說明點源污染是企業土壤比較普遍的污染方式,土壤環境質量普遍受到工廠活動的影響。

針對該研究區域重金屬污染情況,在后續工作中應積極開展治理和修復。土壤重金屬修復方法主要有客土、換土、植物修復,動物修復、淋濾法和電動修復法等[19]。這些方法各有其優缺點和適用范圍。通過比較國內應用的各種土壤修復方法,建議采用土壤淋洗法進行該廠區土壤的重金屬修復工作。土壤淋洗法使用淋洗劑對土壤進行清洗,使污染物隨淋洗劑流出,然后對淋洗液進行后續處理。該方法是一種工藝簡單、修復效率較高的土壤修復技術,可以永久地解決重金屬污染的問題,更適用于解決工業場地的重金屬污染問題[22-23]。

3 結 論

(1) 研究區域各監測點土壤中Pb、Cu、Zn、Cr、As和Ni的質量比呈現較大的差異;與其背景值相比,大部分監測點土壤中各類重金屬的質量比高于其背景值。

(2) 重金屬質量比在研究廠區不同功能區的土壤中存在較大的差異,其中在化工廠生產活動密集的合成車間區域土壤重金屬的質量比較高;在土壤剖面垂直方向上,隨著深度的增加,大部分重金屬呈現不同速率的下降,其中Zn的下降速度最快,表明其遷移能力較弱。

(3) 地累積指數和潛在生態危害指數結果表明,研究區域內土壤的污染程度存在空間差異性,污染最嚴重的區域位于廠區的合成車間。研究區域重金屬對土壤潛在危害程度貢獻不一,其中As是最主要的貢獻因子,也是研究區域土壤中最主要的污染物,在土壤修復中應作為首要污染物對待。

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(責任編輯 張淑艷)

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

安徽省省級環?？蒲姓n題資助項目(2014-008)

任文會(1991-),女,安徽阜陽人,合肥工業大學碩士生; 吳文濤(1972-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師; 潘成榮(1966-),男,安徽合肥人,博士,安徽省環境科學研究院正高工; 劉桂建(1966-),男,安徽渦陽人,博士,中國科學技術大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.020

X53

A

1003-5060(2017)04-0533-06