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江西某废弃钨冶炼厂场地土壤重金属污染特征与风险评价

董志询 陈素华 李中浤

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江西某废弃钨冶炼厂场地土壤重金属污染特征与风险评价

    通讯作者: 陈素华; 
  • 中图分类号: U458

In-situ Soil Pollution by Heavy Metal in an abandoned Tungsten Smelting Plant

    Corresponding author: Su-hua CHEN
  • CLC number: U458

  • 摘要: 为防止场地土壤重金属污染对环境质量和人体健康造成损害,采用ICP-MS分析了江西某废弃钨冶炼厂场地土壤样品中的Cu、Zn、Pb、Cd、As等5种重金属含量,并分别采用单项污染指数法、综合指数法和潜在生态风险评价法对重金属污染进行评价。结果表明,场地土壤重金属分布具有明显的空间分异特征,污染程度排序为:废料堆放场>生产车间排水口>水塘旁>菜地>生产车间>养殖生活区。污染指数与生态风险评价结果均表明该场地土壤受重金属污染严重,尤其是钨矿伴生的Cd、Cu、Pb污染,在未来的土壤修复工作中应因地制宜地优先治理重污染的地块与重金属。
  • 图 1  采样点的布置

    图 2  厂区内土壤样品pH分布

    表 1  土壤重金属污染分级标准[8]

    分级Pij分级标准 P分级标准
    Pij污染等级 P污染等级
    1 Pij < 1 清洁 P ≤ 0.7 安全
    2 1 ≤ Pij < 2 轻污染 0.7 < P ≤ 1 警戒值
    3 2 ≤ Pij < 3 中污染 1 > P < 2 轻污染
    4 3 ≤ Pij < 5 重污染 2 < P ≤ 3 中污染
    5 5 ≥ Pijj 严重污染 P > 3 重污染
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    表 2  重金属毒性响应系数

    采样点CuZnPbCdAs
    Tir5153010
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    表 3  潜在生态风险的评价指标和等级划分[8]

    Eir单种重金属生态风险程度RI重金属综合污染潜在生态风险程度
    Eir < 40轻微RI < 150轻微
    40 ≤ Eir < 80中等150 ≤ RI < 300中等
    80 ≤ Eir < 160300 ≤ RI < 600
    160 ≤ Eir < 320很强600 ≤ RI < 1 200很强
    320 > Eir极强RI ≥ 1 200极强
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    表 4  场地土壤重金属全量分析 mg•kg−1

    采样点CuZnPbCdAs
    1 145.250 ± 20.234 143.802 ± 11.898 301.513 ± 18.576 3.673 ± 0.815 58.165 ± 8.247
    2 48.493 ± 6.012 120.567 ± 23.433 215.800 ± 21.687 2.125 ± 0.782 36.782 ± 6.105
    3 171.050 ± 5.125 247.000 ± 33.484 231.982 ± 14.872 1.843 ± 0.730 30.120 ± 6.913
    4 92.990 ± 1.820 123.867 ± 14.446 324.137 ± 26.743 2.173 ± 0.714 46.643 ± 4.120
    5 119.380 ± 12.055 118.120 ± 26.318 301.328 ± 21.225 2.198 ± 0.716 49.279 ± 5.583
    6 102.200 ± 10.554 147.300 ± 17.852 342.680 ± 24.014 2.264 ± 0.590 50.528 ± 8.193
    7 617.650 ± 26.285 177.450 ± 8.258 492.756 ± 32.193 5.480 ± 1.189 95.580 ± 6.726
    8(厂区外山脚对照) 33.690 ± 5.153 115.950 ± 6.142 104,872 ± 11.210 0.314 ± 0.435 12.310 ± 2.105
    厂区内平均值 185.288 154.015 315.742 2.821 54.442
    江西省土壤环境背景值 20.4 69 32.1 0.1 10.4
    GB 15618—2018标准 50 200 70 0.3 40
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    表 5  单因子和综合污染指数评价结果

    采样点PijP综合污染等级
    CuZnPbCdAs
    1 2.90 0.72 4.31 12.24 1.45 9.18 重污染
    2 0.97 0.60 3.08 7.08 0.92 5.32 重污染
    3 3.42 1.24 3.31 6.14 0.75 4.82 重污染
    4 1.86 0.62 4.63 7.24 1.17 5.57 重污染
    5 2.39 0.59 4.30 7.33 1.23 5.65 重污染
    6 2.04 0.74 4.90 7.55 1.26 5.83 重污染
    7 12.35 0.89 7.04 18.27 2.39 14.16 重污染
    8(厂区外山脚对照) 0.67 0.58 1.50 1.05 0.31 1.21 轻污染
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    表 6  潜在生态风险评价结果

    采样点EirRI潜在生态污染程度
    CuZnPbCdAs
    1 14.5 0.72 21.55 367.2 14.5 418.47
    2 4.85 0.60 15.4 212.4 9.2 242.45 中等
    3 17.15 1.24 15.65 184.2 7.5 225.74 中等
    4 9.3 0.62 23.15 217.2 11.7 261.97 中等
    5 11.95 0.59 21.5 219.9 12.3 266.24 中等
    6 10.2 0.74 24.5 226.5 12.6 274.54 中等
    7 61.75 0.89 35.2 548.1 23.9 669.84 很强
    8(厂区外山脚对照) 3.35 0.58 7.5 31.5 3.1 46.03 轻微
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-05
  • 录用日期:  2019-08-02
  • 刊出日期:  2019-09-01

江西某废弃钨冶炼厂场地土壤重金属污染特征与风险评价

    通讯作者: 陈素华; 
  • 南昌航空大学 环境与化学工程学院,南昌 330063

摘要: 为防止场地土壤重金属污染对环境质量和人体健康造成损害,采用ICP-MS分析了江西某废弃钨冶炼厂场地土壤样品中的Cu、Zn、Pb、Cd、As等5种重金属含量,并分别采用单项污染指数法、综合指数法和潜在生态风险评价法对重金属污染进行评价。结果表明,场地土壤重金属分布具有明显的空间分异特征,污染程度排序为:废料堆放场>生产车间排水口>水塘旁>菜地>生产车间>养殖生活区。污染指数与生态风险评价结果均表明该场地土壤受重金属污染严重,尤其是钨矿伴生的Cd、Cu、Pb污染,在未来的土壤修复工作中应因地制宜地优先治理重污染的地块与重金属。

English Abstract

    • 江西悠久的钨矿采冶历史遗留了大量未经妥善处理的废钨矿石和冶炼矿渣,在自然力作用下随意堆置的废弃物持续释放其中的重金属并不断累积于土壤中,造成场地土壤污染。对受重金属污染的场地进行修复,是恢复场地土壤生态功能、保障环境质量安全与人体健康的必要手段[1-2]。而研究土壤重金属的分布特征及其污染风险评价是开展土壤修复工作的前提和基础。因此,本文研究了江西某废弃钨矿冶炼场地土壤Cu、Zn、Pb、Cd、As的分布特征,并运用单因子指数、Nemerow综合指数和潜在生态危害指数等[3-5]多种方法进行污染风险评价,以期为受污染场地的土壤修复提供科学依据。

    • 该废弃钨冶炼厂位于江西乐安县,是20世纪50年代国家著名721矿的矿石冶炼厂之一,因污染控制达不到要求而于2017年被当地政府关停。由于长期的开采冶炼,造成潜在的土壤环境污染已经十分严重。

    • 在冶炼厂厂区采用对角线布点法布设7个采样点(1~7号点),另在厂区外山脚下设1个采样点(8号点),具体采样位置图如图1所示。用土壤采样器采集各样点0~20 m新鲜表层土样1 kg,装袋密封带至实验室。

      图  1  采样点的布置

    • 土壤样品风干过100目筛后,采用四分法转移至棕色玻璃瓶中,密封备用。

      实验过程所用分析仪器与试剂主要有:电感耦合等离子体质谱仪(Agilent Technologies 7700)、防腐电热板(DBF-I)、pH计(PHS-25)、电子分析天平(BS124S)以及盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸(阿拉丁)。每个土壤样品重复3次,全程做空白实验,测试分析中,每一批样品做一组标准曲线(r ≥ 0.999)。

    • 根据当地规划,冶炼厂所在地周边土地属于农业用地,故此次评价标准采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[6] 。采用该标准中的风险筛选值为参照,如果土壤中重金属含量高于风险筛选值,则可能存在土壤污染风险。

      分别采用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险评价法评价厂区内各样点土壤中不同重金属及各个监测点位的污染程度。

      1)单项污染指数:Pij = Ci/SiPij为第j个监测点i污染物的污染指数;Ci为第j个监测i污染的实测值;Si指污染物i的评价标准(mg/kg)[7]

      2)Nemerow综合指数法:P综 = {[(Ci/Si)max2 +(Ci/Si)ave2]/2}1/2(其中(Ci/Si)max2为土壤重金属元素中污染指数最大值;(Ci/Si)ave2为土壤各单项污染指数的平均值[7]

      根据单项污染指数和综合污染指数值划分的土壤重金属污染程度见表1

      表 1  土壤重金属污染分级标准[8]

      分级Pij分级标准 P分级标准
      Pij污染等级 P污染等级
      1 Pij < 1 清洁 P ≤ 0.7 安全
      2 1 ≤ Pij < 2 轻污染 0.7 < P ≤ 1 警戒值
      3 2 ≤ Pij < 3 中污染 1 > P < 2 轻污染
      4 3 ≤ Pij < 5 重污染 2 < P ≤ 3 中污染
      5 5 ≥ Pijj 严重污染 P > 3 重污染

      3)潜在生态风险评价法:以土壤污染风险管控标准为参比值,进行潜在生态风险评价。

      单种重金属污染富集系数(Cfi)= Ci/Coi。式中:CiCoi分别为污染物i的实测值(mg·kg−1)和参比值(mg·kg−1)。

      单种重金属污染潜在生态危害系数(Eir)= Tir × Cfi。式中,Tir为Hakanson制定的标准化重金属毒性响应系数[7](见表2)。

      表 2  重金属毒性响应系数

      采样点CuZnPbCdAs
      Tir5153010

      进一步计算重金属综合污染潜在生态风险指数(RI)= ΣEir。采用Hakanson制定的潜在生态危害评价指标(见表3)对生态危害进行分级[9-13]

      表 3  潜在生态风险的评价指标和等级划分[8]

      Eir单种重金属生态风险程度RI重金属综合污染潜在生态风险程度
      Eir < 40轻微RI < 150轻微
      40 ≤ Eir < 80中等150 ≤ RI < 300中等
      80 ≤ Eir < 160300 ≤ RI < 600
      160 ≤ Eir < 320很强600 ≤ RI < 1 200很强
      320 > Eir极强RI ≥ 1 200极强
    • 废弃冶炼厂不同点位土壤的pH值如图2所示。从中可以看出,厂区内土壤pH范围为4.31~5.75之间,其中7号点的pH最低,为4.31,这与冶炼厂将废弃物暂时堆放于此有关,废渣中的酸和重金属可能随雨水冲刷到厂区各地。

      图  2  厂区内土壤样品pH分布

    • 土壤样品中的重金属含量见表4。从中可看出,该场地土壤Cu、Zn、Pb、Cd、As含量均高于江西省土壤环境背景值,超标率100%,平均分别超标9.1倍、2.2倍、9.8倍、28.2倍和5.2倍。另外,除Zn外,其他4种重金属含量平均值均高于 《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》,超标率80%。由此可见,该场地受到严重的重金属污染,受污染严重程度Cd > Pb > Cu > As > Zn,所以,对该场地进行修复时要特别关注Cd与Pb去除或稳定化处置。所有采样点中7号点位超标程度最高,因为此处曾是废弃物暂时堆放的场所。1号点位也受到了较严重的污染,因为此处是车间出水口,废水中的重金属迁移进入土壤所致。在修复费用受限的情况下,应根据污染程度进行优先修复点位选择。

      表 4  场地土壤重金属全量分析 mg•kg−1

      采样点CuZnPbCdAs
      1 145.250 ± 20.234 143.802 ± 11.898 301.513 ± 18.576 3.673 ± 0.815 58.165 ± 8.247
      2 48.493 ± 6.012 120.567 ± 23.433 215.800 ± 21.687 2.125 ± 0.782 36.782 ± 6.105
      3 171.050 ± 5.125 247.000 ± 33.484 231.982 ± 14.872 1.843 ± 0.730 30.120 ± 6.913
      4 92.990 ± 1.820 123.867 ± 14.446 324.137 ± 26.743 2.173 ± 0.714 46.643 ± 4.120
      5 119.380 ± 12.055 118.120 ± 26.318 301.328 ± 21.225 2.198 ± 0.716 49.279 ± 5.583
      6 102.200 ± 10.554 147.300 ± 17.852 342.680 ± 24.014 2.264 ± 0.590 50.528 ± 8.193
      7 617.650 ± 26.285 177.450 ± 8.258 492.756 ± 32.193 5.480 ± 1.189 95.580 ± 6.726
      8(厂区外山脚对照) 33.690 ± 5.153 115.950 ± 6.142 104,872 ± 11.210 0.314 ± 0.435 12.310 ± 2.105
      厂区内平均值 185.288 154.015 315.742 2.821 54.442
      江西省土壤环境背景值 20.4 69 32.1 0.1 10.4
      GB 15618—2018标准 50 200 70 0.3 40
    • 单因子污染指数和综合污染指数评价结果见表5。因场地土壤的pH值均小于5.5,故采用文献[6]中pH < 5.5的值(Cu:50 mg/kg;Zn:200 mg/kg;Pb:70 mg/kg;Cd:0.3 mg/kg;As:40 mg/kg)为参照值进行评价。

      表 5  单因子和综合污染指数评价结果

      采样点PijP综合污染等级
      CuZnPbCdAs
      1 2.90 0.72 4.31 12.24 1.45 9.18 重污染
      2 0.97 0.60 3.08 7.08 0.92 5.32 重污染
      3 3.42 1.24 3.31 6.14 0.75 4.82 重污染
      4 1.86 0.62 4.63 7.24 1.17 5.57 重污染
      5 2.39 0.59 4.30 7.33 1.23 5.65 重污染
      6 2.04 0.74 4.90 7.55 1.26 5.83 重污染
      7 12.35 0.89 7.04 18.27 2.39 14.16 重污染
      8(厂区外山脚对照) 0.67 0.58 1.50 1.05 0.31 1.21 轻污染

      表5中的单项污染指数可知,冶炼厂区内有Cd、Cu、Pb元素达到严重污染程度,比例分别高达100%、14%、14%。Cu无安全点位,重、中、轻度污染率分别占14%、43%和14%。对Pb元素而言,除如前所述14%的严重污染点位外,其它86%全为重污染。As元素有14%的中污染率、57%的轻污染率和29%的清洁,无严重污染、重污染和安全点位。Zn的污染程度相对最轻,只有14%的轻污染率,安全点位率达86%。

      表5还可知,综合污染指数在厂区内1~7号点位的变化范围为4.82~14.16,重污染率为100%,因此,该厂区土壤重金属污染程度严重。

    • 表6所示为以 《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[6]中pH < 5.5的值为标准的厂区土壤重金属污染的潜在生态风险评价值。从中可以看出,对单种重金属而言,Cu的潜在生态污染程度为轻微,仅有7号点为中等,Zn、Pb、As的程度全部为轻微,Cd的污染程度为强、很强和极强。因此,整个冶炼厂潜在生态危害最大的元素是Cd,在土壤修复中一定要重视Cd的治理。

      表 6  潜在生态风险评价结果

      采样点EirRI潜在生态污染程度
      CuZnPbCdAs
      1 14.5 0.72 21.55 367.2 14.5 418.47
      2 4.85 0.60 15.4 212.4 9.2 242.45 中等
      3 17.15 1.24 15.65 184.2 7.5 225.74 中等
      4 9.3 0.62 23.15 217.2 11.7 261.97 中等
      5 11.95 0.59 21.5 219.9 12.3 266.24 中等
      6 10.2 0.74 24.5 226.5 12.6 274.54 中等
      7 61.75 0.89 35.2 548.1 23.9 669.84 很强
      8(厂区外山脚对照) 3.35 0.58 7.5 31.5 3.1 46.03 轻微

      重金属综合污染潜在生态风险指数RI值只有7号点位为很强,其余点位为中等或强,潜在生态污染程度7 > 1 > 6 > 5 > 4 > 2 > 3,该结果与实际生产过程管理密切相关,因为7和1点位为冶炼废渣堆放点和车间废水排放口,其富集的重金属含量高,污染最为严重。而6号点在水池旁,位于7号点的下游,由于雨水冲刷会将7号点的重金属随水流渗透流向下游水池,导致6号点的潜在生态污染也很强。4、5号点分别为不同的菜地,可能是使用水池中的水灌溉引起土壤重金属累积,导致很强的潜在生态污染程度。

    • 1)厂区内的土壤重金属累积具有明显的区域分异特征,与以废渣堆放场的土壤污染最为严重,同时,受污染水体灌溉的影响,重金属在厂区内产生了明显的迁移行为,导致了菜地累积了大量重金属,可能通过食物链的途径对人体健康造成危害,应引起警戒。

      2)由于废弃厂区土壤重金属污染形势堪忧,尤其是Cd、Cu和Pb的污染,相关部门应尽快开展土壤重金属污染控制与修复工作,可根据本文的研究结果制定切实可行的修复方案。

参考文献 (13)

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