河南陜縣赤泥庫周邊土壤重金屬污染評價

孫 鑫，寧 平，唐曉龍，易紅宏，周連碧，李 凱

(1 昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明650093；2 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；3 北京礦冶研究總院，北京100160)

河南陜縣赤泥庫周邊土壤重金屬污染評價

孫 鑫1，寧 平1，唐曉龍2，易紅宏2，周連碧3，李 凱1

(1 昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明650093；2 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；3 北京礦冶研究總院，北京100160)

【目的】 對河南陜縣赤泥庫周邊土壤重金屬污染特性和現(xiàn)狀進行調(diào)查和評價。【方法】 在陜縣紅旗溝、大坪赤泥庫周邊設(shè)置11個采樣點，采集0～20 cm土層土樣，測定土壤中重金屬Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr、Ni、Zn含量，并用污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對重金屬污染現(xiàn)狀進行評價?！窘Y(jié)果】 與河南省土壤背景值相比，河南陜縣赤泥庫周邊土壤重金屬Zn、Cu、Cr、Hg、Ni的含量均較高，但低于我國土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn)；Pb、Cd、As 含量均明顯低于河南土壤背景值和我國土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn)。單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤污染最小的為Pb，污染最嚴(yán)重的為Cr，污染程度由高到低依次為Cr>As>Ni>Zn>Hg>Cu>Cd>Pb；赤泥庫周邊11個采樣點土壤中各重金屬元素污染程度屬于安全范疇，污染水平為清潔。潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果顯示，Hg屬于很強生態(tài)危害水平，其他重金屬屬于輕微生態(tài)危害水平；該地區(qū)總的潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)值為238.22，達到中等生態(tài)危害，其中3號采樣點污染最為嚴(yán)重，RI值達到536.65，為強生態(tài)危害?！窘Y(jié)論】 河南陜縣赤泥庫周邊土壤保護良好，重金屬污染狀況屬于輕度污染，與河南省土壤背景值相比，土壤中重金屬Zn、Cu、Cr、Hg、Ni的含量有累積，雖遠遠低于我國土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn)，但其RI值達到中等生態(tài)危害水平，個別采樣點甚至更為突出，因此建議相關(guān)部門進一步加強監(jiān)測防治工作。

赤泥庫；土壤重金屬；污染指數(shù)法；潛在生態(tài)危害指數(shù)法；污染評價；河南陜縣

在過去的30多年中，我國經(jīng)濟發(fā)展模式屬于粗獷型，工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展主要依靠物質(zhì)、資源的投入。為獲取物質(zhì)、原料和資源，在開采、洗選(分選)和冶煉過程中產(chǎn)生了大量的工業(yè)固體廢物[1]。第一次污染源普查結(jié)果表明，2007年我國工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量達38.52億t，貯存量為15.99億t，貯存率為41.5%，工業(yè)固體廢物的大量產(chǎn)生與堆放，造成土地浪費、資源浪費并帶來了潛在的環(huán)境風(fēng)險[2]。因此，在國家“十二五”規(guī)劃綱要中將大宗工業(yè)固體廢物的防治、管理、利用列為重中之重。

大坪溝赤泥庫和紅旗溝赤泥庫位于河南省三門峽市陜縣境內(nèi)，近幾年來陜縣進一步突出和強化工業(yè)的核心與主導(dǎo)作用，充分利用鋁資源優(yōu)勢，大力發(fā)展礦產(chǎn)品開采及產(chǎn)品系列開發(fā)，但同時也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題[3-4]。鋁業(yè)是金屬冶煉行業(yè)中僅次于鋼鐵的第二大產(chǎn)業(yè)，我國是氧化鋁生產(chǎn)大國，2010年我國氧化鋁產(chǎn)量為2 995萬t，其廢棄物赤泥的產(chǎn)生量約3 000萬t，氧化鋁產(chǎn)量和赤泥產(chǎn)生量均約占全球的1/3以上。赤泥的產(chǎn)出量因礦石品位、生產(chǎn)方法、技術(shù)水平而不同，目前每生產(chǎn)1 t氧化鋁會附帶產(chǎn)生0.8～1.5 t赤泥。中國作為世界第4大氧化鋁生產(chǎn)國，每年排放的赤泥高達數(shù)百萬t[5-9]，其堆場占據(jù)大量土地并給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的危害。因此，赤泥的處理處置與綜合利用已成為社會關(guān)注的重大環(huán)境問題。赤泥的主要污染物為堿、氟化物、鋁及鈉等[10-12]，堿對人體的危害雖然不直接，但水體pH值的變化常常影響到水中化合物的毒性進而危害環(huán)境。同時，堆場表面干結(jié)的赤泥由于含有大量鈉離子而發(fā)生板結(jié)形成致密的土塊，pH 極高(>12)，寸草不生，風(fēng)吹易龜裂產(chǎn)生揚塵污染大氣。因此，大宗工業(yè)固體廢物環(huán)境監(jiān)管責(zé)任重大，對尾礦庫周邊土壤重金屬污染現(xiàn)狀進行評價是建立固體廢物管理技術(shù)體系的重要內(nèi)容之一。全面提升大宗工業(yè)固體廢物環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)管水平，對實現(xiàn)資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

本研究對河南陜縣赤泥庫周邊土壤重金屬含量進行測定，利用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法對該地區(qū)重金屬污染現(xiàn)狀進行評價，旨在為大宗工業(yè)固體廢物的環(huán)境監(jiān)管提供支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在對河南陜縣紅旗溝和大坪赤泥庫及周邊情況進行調(diào)查的基礎(chǔ)上，分別在赤泥庫及滲濾液池周邊共布設(shè)11個樣地，每個樣地設(shè)置5個采樣點，每一采樣點在直徑100 m 范圍內(nèi)采取“S”形或梅花形采樣法，選擇3～5個0～20 cm耕層土樣混合,按四分法取分析樣品1.5 kg。采樣時間為2011年11月中旬，共采集土壤樣品55個。將每個土壤樣品充分混合后，采用四分法留取1 kg，帶回實驗室備測。

土樣經(jīng)風(fēng)干后過孔徑0.149 mm篩，稱取土樣0.2～1.0 g(精確至0.002 g)于50 mL具塞比色管中，加入10 mL王水，加塞搖勻于沸水浴中消解2 h。吸取一定量的消解試液于50 mL比色管中，依次加3 mL鹽酸、5 mL硫脲溶液和5 mL抗壞血酸溶液，用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，取上清液用原子熒光分光光度法(雙道原子熒光光度計，AFS-3100)對As和Hg進行測定；土壤全量Cu、Zn、Ni、Cr、Pb和Cd采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸全分解的方法測定；Cu、Zn、Ni和Cr采用原子吸收分光光度法(原子吸收分光光度計，AA7000F/AAC)測定；Pb和Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法(原子吸收分光光度計，TAS-990AFG)測定。

1.2 評價方法

1.2.1 單因子污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法[13-14]適用于單一因子污染的特定區(qū)域的評價，可以反映單一污染物的污染程度，是其他環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量分級和綜合評價的基礎(chǔ)，其表達式為：

Pi=Ci/Si。

(1)

式中：Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，Ci為污染物i的實測含量，Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)。

若Pi≤1.0，表示土壤未受到人為污染，否則表示土壤已受到人為污染，Pi越大則表明農(nóng)產(chǎn)品污染物累積污染程度越高，其分級標(biāo)準(zhǔn)為：Pi≤1，非污染；1≤Pi≤2，輕污染；2

1.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 當(dāng)以評定區(qū)域內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量作為一個整體與外區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量進行比較，或土壤同時被多種污染物污染時，需將單因子污染指數(shù)按一定方法綜合起來應(yīng)用綜合污染指數(shù)法進行評價。采用兼顧單因子污染指數(shù)平均值和最大值的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[15-17]進行評價，該方法的計算公式為：

(2)

式中：P綜為土壤綜合污染指數(shù)，Pi(max)為土壤中單項污染物i的最大污染指數(shù),n為污染物的個數(shù)。P綜的分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

但是由于不同重金屬對土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的影響存在差異，因此可以采用加權(quán)計算法求取各污染物綜合污染指數(shù)的平均值，則改進的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法的計算公式為：

(3)

式中：wi為權(quán)重。

對于權(quán)重wi的確立，Swaine按照重金屬對環(huán)境的影響程度，將環(huán)境研究中人們比較關(guān)注的重金屬元素分成了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3類，因Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類重金屬元素對環(huán)境污染的重要性逐漸下降，分別將其權(quán)重賦值為3，2，1[18]。本研究涉及的8種重金屬的類別及其權(quán)重如表2所示。

1.2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法[19-20]是瑞典科學(xué)家Hakanson 提出的沉積物中重金屬危害性的評價方法，可使區(qū)域質(zhì)量評價更具代表性和可比性。根據(jù)這一方法，某區(qū)域土壤中單一重金屬i的潛在生態(tài)危害系數(shù)Ei可表示為:

Ei=Ti×Fi。

(4)

式中：Ti為重金屬i的毒性系數(shù)，F(xiàn)i為重金屬i的污染因子。

土壤中多種重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)是各單一重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)Ei之和，其表達式為：

(5)

本研究涉及的Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr、Ni、Zn等8種重金屬的毒性系數(shù)[21]分別為40，30，10，5，5，2，2和1，各種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和指數(shù)與污染程度的關(guān)系如表3所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤泥庫周邊土壤的重金屬含量

從表4可以看出，河南陜縣赤泥庫周邊土壤表面重金屬Zn、Cu、Cr、Hg、Ni含量高于河南省土壤背景值，但低于我國土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)參考值。說明研究區(qū)土壤重金屬含量符合國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但是與河南省背景值相比，重金屬元素Cu、Zn、Cr、Hg、Ni在土壤中有一定累積。

2.2 赤泥庫周邊土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價

2.2.1 單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及河南省土壤背景值，采用單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對陜縣紅旗溝、大坪赤泥庫周邊土壤重金屬污染現(xiàn)狀進行評價。結(jié)果(表5)表明，該地區(qū)污染最小的為Pb，其Pi平均值為0.03；污染最嚴(yán)重的為Cr，其Pi平均值為0.40，污染程度由高到低依次為Cr>As>Ni>Zn>Hg>Cu>Cd>Pb。11個采樣地P綜的平均值為0.30，可知赤泥庫周邊土壤中各種重金屬元素均值的污染程度屬于安全范疇，污染水平為清潔。

2.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 由表6可知，從單個重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)來看，河南陜縣赤泥庫周邊土壤中Hg元素的Ei值為193.90，達到很強生態(tài)危害水平。對于各采樣點而言，除6，9號采樣點為輕微生態(tài)危害及3號采樣點為強生態(tài)危害外，其余各采樣點的重金屬污染均為中等生態(tài)危害。大部分采樣點土壤中重金屬Hg元素屬于很強生態(tài)危害水平，其中3號采樣點Hg元素Ei值為492.94，達到極強生態(tài)危害水平，可能是由于3號采樣點位于大坪村附近，村民的生產(chǎn)生活污染地對其產(chǎn)生了一定影響所致。除了Hg元素之外，大部分采樣點其他重金屬的Ei值均遠遠小于40，屬于輕微生態(tài)危害水平。

由表6還可知，研究區(qū)土壤重金屬RI的平均值為238.22，達到中等生態(tài)危害水平。其中3號采樣點重金屬的RI值最高，為536.65，達到強生態(tài)危害水平。

比較不同重金屬污染評價方法，可以發(fā)現(xiàn)用污染指數(shù)法表征土壤受污染程度時，大部分采樣點中的Hg污染程度屬于安全水平。但是如果用潛在生態(tài)危害指數(shù)評價法分析時，Hg的生態(tài)危害程度較為嚴(yán)重，大部分采樣點Hg的生態(tài)危害程度甚至達到很強生態(tài)危害水平，其原因是重金屬Hg元素在土壤中的移動性很小，不易隨水淋濾，不能被微生物降解，且對農(nóng)作物、農(nóng)產(chǎn)品和地下水等產(chǎn)生了重大影響，并通過食物鏈危害人體健康。所以只有將重金屬在土壤環(huán)境中的富積程度與其對生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)危害程度相結(jié)合，才能全面反映土壤重金屬的污染狀況[14]。

3 結(jié) 論

1)與河南省土壤背景值相比，河南陜縣赤泥庫周邊土壤重金屬Zn、Cu、Cr、Hg、Ni含量較高，但低于我國土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn)；Pb、Cd、As 含量均明顯低于河南土壤背景值和我國土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn)。

2)運用污染指數(shù)法對陜縣赤泥庫周邊土壤重金屬污染現(xiàn)狀進行評價，結(jié)果顯示該地區(qū)污染最小的為Pb，其Pi平均值為0.03；污染最嚴(yán)重的為Cr，其Pi平均值為0.40。8種重金屬的污染程度由高到低依次為Cr>As>Ni>Zn>Hg>Cu>Cd>Pb。赤泥庫周邊土壤各重金屬元素的污染程度屬于安全范疇，污染水平為清潔。

3)采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對陜縣赤泥庫周邊土壤重金屬污染現(xiàn)狀進行評價，可知其中Hg元素屬于很強生態(tài)危害水平，其他重金屬屬于輕微生態(tài)危害水平。11個采樣點中，除6號和9號采樣點為重金屬輕微生態(tài)危害水平及3號為強生態(tài)危害水平外，其余采樣點均為重金屬中等生態(tài)危害水平。

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Heavy metals pollution assessment in soil surrounding Red Mud Ponds in Shaanxian,Henan

SUN Xin1,NING Ping1,TANG Xiao-long2,YI Hong-hong2,ZHOU Lian-bi3,LI Kai1

(1FacultyofEnvironmentalScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China;2DepartmentofEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;3BeijingGeneralResearchInstituteofMiningandMetallurgy,Beijing100160,China)

【Objective】 This study focused on the investigation and evaluation for heavy metals pollution in soils surrounding Red Mud Ponds (RMP) in Shaanxian,Henan.【Method】 Eleven sampling sites were selected in surrounding area of RMP in Hongqigou and Daping of Shaanxian and the contents of heavy metals (Cd,As,Zn,Pb,Cu,Hg,Cr,and Ni) in soil depth of 0-20 cm were measured and evaluated using single factor index,Nemerow integrated index and potential ecological risk index.【Result】 Compared to the background values in Henan,the contents of Zn,Cu,Cr,Hg,and Ni in soil surrounding RMP were higher but still lower than their third standards of national soil environmental quality.Contents of Pb,Cd,and As were significantly lower.Single factor index and Nemerow integrated index indicated that the pollution levels of heavy metals were in the order of Cr>As>Ni>Zn>Hg>Cu>Cd>Pb.The pollution levels of all the monitoring sites were safe.Based on potential ecological risk index method,theRIvalue of this area was 238.22,indicating medium ecological damage.In particular,RIvalue of No.3 monitoring site was 536.65 with serious ecological damage.【Conclusion】 The soil in surrounding area of RMP was well protected and the heavy metal pollution level was slight.Compared to the background values in Henan,the contents of Zn,Cu,Cr,Hg,and Ni were lower than their third levels of national standards.ButRIvalue indicated medium ecological damage especially in some sites.It is suggested to enhance the monitoring and take protection measures.

red mud dam;soil heavy metal;pollution index method;potential ecological risk index;pollution evaluation;Shaanxian,Henan

2013-12-17

環(huán)境保護部公益性行業(yè)科研專項“典型大宗工業(yè)固體廢物環(huán)境管理技術(shù)體系研究”(201109034)

孫 鑫(1987-)，男，云南昆明人，博士，主要從事固體廢棄物處理與處置研究。E-mail：sunxin_china@126.com

寧 平(1958-)，男，山西太原人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事固體廢棄物處理與處置及大氣污染控制研究。 E-mail：ningping1958@163.com

時間:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.026

X825

A

1671-9387(2015)05-0122-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.026.html