鉛鋅冶煉廠渣堆場周邊土壤鉛污染特征

袁藝寧，楊志輝，柴立元*，周穎新

1. 中南大學冶金與環(huán)境學院，湖南 長沙 410083；2. 長沙航空職業(yè)技術學院航空機械制造工程學院，湖南 長沙 410014；3. 國家重金屬污染防治工程技術中心，湖南 長沙 410083

土壤是人類不可或缺的生產(chǎn)資料，也是各種污染最終受納體。金屬冶煉過程留下的廢渣經(jīng)過雨水淋濾，會釋放重金屬造成周邊區(qū)域土壤中重金屬的累積，以及冶煉廢水所含有毒有害重金屬對土壤、地表水、地下水等都會造成嚴重的污染，導致周圍生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞（林文杰，2009；杜平，2007；LIAO Guo-li，2008）。有毒有害重金屬進入土壤環(huán)境后不能被生物降解，而且會通過吞食、吸入和皮膚吸收等主要途徑進入人體，直接對人體特別是兒童的健康造成危害，還可通過污染食物、大氣和水環(huán)境間接危害人體健康（李繼寧等，2013；徐冬寅，2011；LIAO，2011）。金屬冶煉區(qū)渣堆場直接或間接地成為了一個重大污染源，渣堆場周邊土壤重金屬污染及治理已成為了廣泛關注的環(huán)境問題（徐玉霞等，2013；雷鳴等，2012；YUAN，2013）。近年來，國內(nèi)外不少學者對礦冶區(qū)土壤重金屬污染狀況進行了研究，如吳燦輝等對湖南某鉛鋅冶煉廠地區(qū)重金屬污染情況進行了調查（吳燦輝，2007），包丹丹等調查了蘇南某冶煉廠周邊農(nóng)田土壤重金屬分布及風險評價（包丹丹等，2011），胡寧靜等調查了江西貴溪冶煉廠重金屬環(huán)境污染特征及生態(tài)風險評價（胡寧靜等，2004），項萌等調查了廣西鉛銻礦冶煉區(qū)土壤剖面及孔隙水中重金屬污染分布規(guī)律（項萌等，2011）。大量的調查研究結果表明，冶煉廠周邊土壤均受到了重金屬污染。然而，絕大部分調查研究只是針對冶煉廠周邊的土壤，而對冶煉廠渣堆填埋場地污染下滲引起的土壤污染問題及污染隨水平距離及土壤深度變化的規(guī)律卻很少研究。隨著技術的提高，許多廢渣被重新利用，或隨著城市的發(fā)展冶煉廠出現(xiàn)搬遷現(xiàn)象，這都將涉及污染場地治理及重新規(guī)劃利用，了解污染場地的污染狀況對場地修復及土地利用都具有重大意義。

湖南某鉛鋅冶煉廠始建于20世紀50年代，是我國“一五”期間重點建設工程之一，工廠以生產(chǎn)鉛、鋅系列產(chǎn)品為主，是我國主要鉛鋅生產(chǎn)和出口基地之一，同時綜合回收銅、金、銀、銦、鎘、鉍等10余種稀貴有色金屬?，F(xiàn)鉛鋅年產(chǎn)量可達50～60萬噸左右，其中鉛的年產(chǎn)量 10萬噸左右。從建廠開始公司在生產(chǎn)過程中積累了約 200多萬立方米的廢渣，由于受技術資金等限制，未進行合理處置利用，混合堆放在廠里的露天渣堆場。渣堆場未進行防滲處理，導致渣場下及周圍土壤逐漸受到污染。然而，隨著技術的提高，該冶煉廠原來的廢渣現(xiàn)又被挖出當作原料進行綜合利用，渣堆場及周圍場地將重新被規(guī)劃利用。因此，對該污染場地進行污染監(jiān)測評價及治理修復是非常有必要的。本文研究了鉛鋅冶煉廠渣堆場廢渣被挖掘移出后場地及周邊土壤的鉛污染特征，以期為該地場地污染修復及重新規(guī)劃利用提供重要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤樣品采集

供試土壤采自湖南某鉛鋅冶煉廠渣場堆放點以及其周圍1 km范圍內(nèi)的土壤。該廠周邊居民用地、農(nóng)田和菜地混雜。農(nóng)田以種植水稻為主，冬天閑置或輪作油菜、草籽等，菜地以種植與當?shù)貧夂颦h(huán)境相適應的蔬菜為主。采樣區(qū)處于該地區(qū)的主風方向上，設置3 塊采樣區(qū)：渣堆場下，渣堆場旁，廠外無污染對照區(qū)。設置土壤剖面 12個，其中渣堆場下設置土壤剖面3個；距渣堆場10米處設置土壤剖面3個，距渣堆場1000 m處設置土壤剖面3個，對照區(qū)設置土壤剖面3個。對照區(qū)距渣場4000 m，土壤性質與渣堆場周邊土壤性質相似。土壤剖面采樣深度為100 cm，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm分5個剖面層次，棄去土壤表面的石頭和枯枝敗葉后，用塑料鏟子從下往上收集土壤剖面樣品。共采集土壤樣品 60個，每個樣品采集量約1kg。

1.2 土壤樣品預處理及測定方法

將采集的土壤樣品置于陰涼處風干，然后除去夾雜其中的石頭、根及枝葉等，用研磨機研磨后過60目篩。采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸全分解的方法進行消解后，再用直接吸入火焰原子吸收分光光度法測定土壤中的鉛含量。

1.3 鉛污染及評價方法

以渣堆場為點源，采用距渣場0～1 km范圍內(nèi)不同距離表層0～20 cm的土壤及0～100 cm不同深度土壤 Pb的質量分數(shù)作為指標來表征該區(qū)域內(nèi)鉛污染特征。

采用單因子污染指數(shù)法對區(qū)域內(nèi)土壤重金屬鉛的污染現(xiàn)狀進行評價，方法如下：先計算 Pb的單項污染指數(shù)Pi，

Pi=Ci/Si

式中：

Pi——鉛的單項污染指數(shù)

Ci——鉛的實測質量分數(shù)

Si——鉛的評價標準

鉛的評價標準根據(jù)土壤功能分類，采用國家《GB15618-1995土壤環(huán)境質量標準》作為評價標準閾值。

再根據(jù)Pi值判斷土壤鉛污染程度及分級：Pi≤1時，為I級，未污染；1

2 結果與討論

2.1 渣堆場下及周邊土壤表層鉛污染狀況及評價

說明：（1）鉛的平均質量分數(shù)計算方法如下：分別計算該冶煉廠渣堆場下、距渣堆場10 m處及1 km處3個采樣區(qū)中3個0～20 cm表層土壤樣品中Pb的平均質量分數(shù)。（2）鉛的超標量以國家《GB15618-1995土壤環(huán)境質量標準》中的二級標準值 Pb≤300 mg·kg-1為閾值進行計算。根據(jù)《GB15618-1995土壤環(huán)境質量標準》的規(guī)定，土壤pH<6.5 時，Pb≤250 mg·kg-1；土壤 pH6.5～7.5 時，Pb≤300 mg·kg-1；土壤 pH>7.5 時，Pb≤350 mg·kg-1。此區(qū)域土壤pH為6.5～7.5。根據(jù)土壤質量標準分類該地屬Ⅱ類土壤，主要適用于一般農(nóng)田蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤，土壤質量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染。Ⅱ類土壤環(huán)境質量執(zhí)行《GB15618-1995土壤環(huán)境質量標準》中的二級標準，二級標準為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護身體健康的土壤限制值。（3）單因子污染指數(shù)法計算公式中鉛的評價標準Si采用國家《土壤環(huán)境質量標準》中的二級標準，即 Pb≤300 mg·kg-1。

從表1可知，渣堆場下、距渣堆場10 m處及1 km處表層土壤中重金屬鉛的質量分數(shù)分別可達775.25、645.33和 309.80 mg·kg-1，均超過了當?shù)赝寥繮b的背景值（用對照土壤樣品中Pb的質量分數(shù)作為當?shù)赝寥?Pb的背景值），也超過了土壤二級質量標準。調查的9個獨立土壤樣品中有6個樣品超標，均大大高于背景值。這說明該鉛鋅冶煉廠及其附近的土壤環(huán)境中鉛污染較為普遍。從表2可知，冶煉廠渣堆場下及距渣堆場10 m和1 km處，重金屬鉛污染指數(shù)Pi分別為2.6、2.1和1.03，污染等級為Ⅱ級，屬于輕度污染。將該調查結果與其他研究者對其他鉛鋅冶煉廠周邊土壤鉛污染的調查結果進行對比，發(fā)現(xiàn)我國許多鉛鋅冶煉廠周邊土壤普遍受到了鉛污染，只是受冶煉技術、廢渣堆放和利用情況及當?shù)丨h(huán)境條件影響，污染程度有所差異。如王利軍等的研究結果表明寶雞長青鎮(zhèn)鉛鋅冶煉廠周邊土壤受到了鉛的輕度污染（王利軍，2012）。包丹丹等的研究結果表明江蘇南部冶煉廠周邊水稻田耕層土壤受到了輕度鉛污染（包丹丹等，2011）。何佳芳等對貴州省六盤水市某鉛鋅冶煉廠廢棄地復墾整理區(qū)的鉛污染進行調查，結果表明周邊土壤受到輕度鉛污染（何佳芳，2006）。許中堅等的研究結果表明湖南某典型鉛鋅冶煉廠周邊土壤受到了中度鉛污染（許中堅，2007）。張麗慧等的研究結果表明寶雞市東嶺鉛鋅冶煉廠周邊土壤受到了中度鉛污染（張麗慧，2007）。張素娟等的研究結果表明陜西西安藍田冶煉廠周邊農(nóng)田土壤受到了鉛的中度污染（張素娟，2009）。李貴等的研究結果表明，衡陽水口山鉛鋅礦區(qū)土壤受到了鉛的重度污染污染，尤其是在嚴重污染區(qū)域，鉛污染可達2691.88 mg·kg-1（李貴，2012）。由此可見，我國各地的鉛鋅冶煉區(qū)都存在不同程度的土壤鉛污染問題。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于我國各鉛鋅冶煉廠所排出的廢渣中重金屬鉛的含量較高，而廢渣沒有經(jīng)過妥善處理及處置并露天堆放，隨著時間的推移，經(jīng)過雨水沖刷及滲濾液的作用，渣堆底層及其附近的土壤也遭受到了重金屬鉛的污染。

表1 各采樣區(qū)表層0～20 cm土壤中的鉛污染狀況Table 1 The Lead Pollution Characteristics of The 0～20 cm Depth Topsoil

表2 各采樣區(qū)表層0～20 cm土壤中的鉛污染單項污染指數(shù)法評價Table 2 Assessment of Lead Pollution in the 0～20 cm to soil Depth by Single Pollution Index

2.2 土壤中Pb縱向遷移隨深度變化的分布特征

從圖1可知，渣堆場下0～20 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)很高，可達775.25 mg·kg-1，但20～100 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)下降較快，均在 80～120 mg·kg-1之間，這表明鉛在渣堆場下土壤中主要集中于0～20 cm土壤層中，20～100 cm土壤層中鉛污染較少。在距渣堆場10 m處及1 km處土壤中鉛污染也集中于0～20 cm土壤層中，兩個采樣區(qū)20～100 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)均低于0～20 cm土壤層的。但與渣堆場下土壤0～20 cm到20～100 cm土壤層鉛的質量分數(shù)變化相比，距渣堆場10 m處及1 km處從0～20 cm土壤層到20～100 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)下降較小。距渣堆場10 m處及1 km處0～20 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)為分別為645.33 mg·kg-1和309.80 mg·kg-1，低于渣堆場下0～20 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)，但距渣堆場10 m處及1 km處20～100 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)分別處于235.01～380.16 mg·kg-1及 309.80～59.32 mg·kg-1之間，比渣堆下20～100 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)要高許多。這可能是渣堆場堆放廢渣可形成廢渣層雨水或滲濾液的沖刷滲濾主要作用于廢渣層及土壤表層，而對20～100 cm層的滲濾作用較小。在距渣堆場10 m處，由于沒有廢渣層的影響，雨水等的沖刷滲濾作用對表層及20～100 cm土壤層的影響較大，因此鉛往下遷移作用較為明顯。距渣堆場1 km處，由于距離污染源較遠，鉛污染減少，0～20 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)比渣堆場下及距渣堆場10 m處要低得多，Pb質量分數(shù)為309.80 mg·kg-1左右，但此處鉛污染往20～40 cm土壤層下滲明顯。這可能是該處為農(nóng)田菜地，經(jīng)常翻耕導致鉛的垂直遷移。從圖1可知，渣堆場下、距渣堆場10 m處及1 km處土壤中鉛的質量分數(shù)并不完全隨土壤深度增加而降低，渣堆場下、距渣堆場10 m處及1 km處40～60 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)高于20～40 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)，渣堆場下80～100 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)高于60～80 cm中鉛的質量分數(shù)。這可能是不同土壤層中所含的物質成分含量不一樣，如有機質、陽離子交換量、pH值等差異較大，導致不同土壤層與鉛結合能力的差異較大。對比研究者對其他鉛鋅冶煉廠周邊土壤鉛污染的研究，總體趨勢都呈現(xiàn)出鉛污染隨土壤深度加深而下降，鉛污染集中于表層土壤。張素娟等調查藍田冶煉廠周邊農(nóng)田土壤鉛污染，結果顯示土壤中鉛的質量分數(shù)隨著深度的增加呈現(xiàn)出先緩慢下降再快速下降最后趨于穩(wěn)定的分布趨勢（張素娟，2009）。楊斐等調查了東嶺冶煉廠周邊土壤鉛污染，結果顯示重金屬主要富集于土壤表層，其含量向深層遞減（楊斐，2011）。由此可見，三個采樣區(qū)土壤中鉛污染主要集中于 0～20 cm土壤層中，20～100 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)低于0～20 cm的，渣堆場下土壤中的鉛從0～20 cm土壤層往下至20～100 cm土壤層遷移量要遠小于距渣場10 m處及1 km處的。

2.3 土壤中Pb橫向遷移隨距離變化的分布特征

從圖2可以看出，三個采樣區(qū)表層0～20 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)變化規(guī)律為距渣堆場0 m（渣堆場下）>距渣堆場10 m >距渣堆場1 km >距渣堆場4 km，即隨距離增加而降低。20～40 cm及40～60 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)變化規(guī)律為距渣堆場10 m >距渣堆場1 km >距渣堆場0 m處（渣堆場下）>距渣堆場4 km，隨距離的增加先升高后降低。60～80 cm及80～100 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)變化規(guī)律為距渣堆場10 m >距渣堆場0 m處（渣堆場下）> 距渣堆場1 km >距渣堆場4 km，隨距離的增加先升高后降低。這種水平變化可能是受渣堆場堆放的廢渣層厚度的影響，同時由于鉛的污染來源可能不僅僅是渣堆場，還可能存在大氣鉛污染源等。包丹丹等對蘇南某冶煉廠鉛污染的調查結果與之相似，表層土壤鉛污染隨水平距離的增加而降低。但楊斐等對東嶺冶煉廠周邊農(nóng)田土壤的鉛污染調查結果與該結果不同，在水平方向上隨著距冶煉廠距離的增大，重金屬含量大體都呈現(xiàn)出先上升（0～400 m）、后下降（400 ～700 m）最后趨于穩(wěn)定（700 ～1500 m）的分布狀況（楊斐，2011），但總體趨勢是隨水平距離的增加而降低，這可能是由于采樣距離不同引起的。

3 結論

圖2 土壤中鉛隨距離變化的分布特征Fig. 2 The Distribution Characteristics of Lead Mass Fractions in the Soil Changing with the Distance from the Slag Yard

本研究調查了湖南某鉛鋅冶煉廠渣堆場 0～4 km內(nèi)三個采樣區(qū)0～20 cm表層土壤及0～100 cm深度土壤中鉛的污染狀況，采用單項污染指數(shù)法進行鉛污染評價，并分析了鉛縱向遷移隨深度變化和橫向遷移隨距離變化的分布特征，得出以下結論：

（1）鉛鋅冶煉廠渣堆場下及周邊0～1 km范圍內(nèi)土壤受到了鉛污染，渣堆場下、距渣堆場 10 m處及1 km處表層土壤中重金屬鉛的質量分數(shù)分別可達 775.25、645.33 和 309.80 mg·kg-1，超過了當?shù)赝寥乐秀U的背景值，也超過了土壤二級質量標準甚至三級質量標準。

（2）三個采樣區(qū)的鉛污染指數(shù)分別為2.6、2.1及 1.03，污染等級均為Ⅱ級，污染程度為輕度污染。三個采樣區(qū)土壤中鉛污染主要集中于0～20 cm土壤層中，鉛的質量分數(shù)分別達 775.25，645.33和309.80 mg·kg-1，20～100 cm土壤層中鉛的質量分數(shù)低于 0～20 cm的，分別在 88.48～120.96 mg·kg-1、235.01～380.16 mg·kg-1及 309.80～59.32 mg·kg-1之間。

（3）渣堆場下土壤中的鉛從0～20 cm土壤層往下至20～100 cm土壤層遷移量遠小于距渣場10 m處及1 km處的。三個采樣區(qū)表層0～20 cm土壤層中鉛的變化規(guī)律為距渣堆場0 m（渣堆場下）>距渣堆場10 m >距渣堆場1 km >距渣堆場4 km，質量分數(shù)隨距離增加而降低。20～40 cm及40～60 cm土壤層中鉛的變化規(guī)律為距渣堆場10 m >距渣堆場1 km >距渣堆場0 m處（渣堆場下）>距渣堆場4 km，60～80 cm及80～100 cm土壤層的變化規(guī)律為距渣堆場10 m >距渣堆場0 m處（渣堆場下）> 距渣堆場1 km > 距渣堆場4 km，鉛的質量分數(shù)隨距離的增加先升高后降低。

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