陳潤甲 田艷梅 張鈞 陳星 曹素珍

摘 ? ?要：為評估焦化廠表層土壤重金屬污染的風險，以山西省某焦化廠為研究對象，分析了廠區(qū)周圍13個點位土壤樣品中7 種重金屬元素（Cd、Zn、Pb、Cu、As、Cr、Ni）含量。依據(jù)有關標準，利用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風險評價指數(shù)法對土壤污染程度進行了評價。結果表明：研究區(qū)域土壤中各重金屬含量均超出山西省土壤背景值，超標率為100%，研究區(qū)域表層土壤中存在重金屬復合污染問題，且As、Cd和Cu污染比較嚴重。利用單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)進行風險分析，結果表明7種重金屬危害程度大小為As>Cu>Cd>Pb>Cr>Zn>Ni。13個采樣點位中As為主要污染因子，As的單因子污染指數(shù)平均值為5.66，土壤污染程度為中重度污染，具有較高的風險性;潛在生態(tài)風險評價結果同樣顯示重金屬Cd和As具有較強的潛在生態(tài)風險。該焦化廠應著重關注As、Cr和Cu三種重金屬的后續(xù)修復問題，進一步采取措施以減少重金屬污染帶來的危害。

關鍵詞：焦化廠;土壤;重金屬污染;風險評價

中圖分類號：X825 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.06.019

Abstract： To evaluate the risk of heavy metals pollution in the surface soil of a coking plant in Shanxi Province， the contents of 7 heavy metal elements （Cd， Zn， Pb， Cu， As， Cr， Ni） in 13 soil samples around the plant were analyzed. According to the relevant standards， three different risk assessment methods， including single factor pollution index， Nemerow comprehensive pollution index and potential ecological risk index were used to investigate the pollution characteristics. ?The results showed that the content of heavy metals in the soil of the study area exceeded the background value of the soil in Shanxi Province， and the rate of exceeding the standard was 100%. There was the problem of compound pollution of heavy metals in the surface soil of the study area， and the pollution of As， Cd and Cu was serious. The single-factor pollution index and Nemero comprehensive pollution index were used for risk analysis， the results showed that the damage degree of seven heavy metals was As>Cu>Cd>Pb>Cr>Zn>Ni. Among the 13 sampling points， As is the main pollution factor， and the average value of single factor pollution index was 5.66. The degree of soil pollution was moderate to severe pollution， which had high risk. Meanwhile， the result of potential ecological risk index demonstrated that Cd and As had strong potential ecological risk. The coking plant should pay more attention to the follow-up remediation of As， Cr and Cu， and take further measures to reduce the harm of heavy metal pollution.

Key words： coking plant; soil; heavy metal pollution; risk assessment

近年來，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，一系列環(huán)境污染問題層出不窮，其中，重金屬污染事件發(fā)生的概率極高。土壤是人類健康和諧繁衍的重要環(huán)境，土壤質(zhì)量的好壞直接關系到各種以土壤為生長基質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人類的生命健康[1-2]。然而，我國土壤狀況令人堪憂，工礦業(yè)廢棄地問題突出[3]，開展典型遺留場地土壤調(diào)查，了解典型企業(yè)周邊土壤污染程度與特征，對土壤污染防治具有重要意義。我國是世界上第一大焦炭生產(chǎn)國，2018 年，全國焦炭產(chǎn)量累計為4.38 億t[4]。焦炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含有重金屬、多環(huán)芳烴、氰化物、總石油烴等污染物的廢水、廢氣、廢渣，大量重金屬可通過干濕沉降或地表徑流等過程進入土壤、水體等環(huán)境介質(zhì)中，最終經(jīng)過食物鏈富集進入人體從而對人體健康帶來危害[4-5]。山西是一個煤炭大省，煤炭焦化產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速[6]，在帶動經(jīng)濟社會發(fā)展的同時，也給周邊生態(tài)環(huán)境帶來嚴重的污染。He Q S等[7]研究發(fā)現(xiàn)山西省焦化企業(yè)的生產(chǎn)排放是華北地區(qū)空氣揮發(fā)性有機污染物污染的重要來源;張榮海等[8]分析了不同功能場地土壤重金屬的垂直分布規(guī)律，研究結果為焦化廠煤場土壤由于長年直接裸露于煤堆下，在雨水淋濾、土壤吸附阻滯等綜合作用下，其表層重金屬As、Cr、Cd和Pb 等含量均高于底層土壤。然而，當前針對焦化廠污染物的研究多集中于多環(huán)芳烴、總石油烴等有機污染物[9-11]，鮮有針對焦化廠重金屬的污染特征及程度進行系統(tǒng)分析。因此，本研究以山西省某焦化廠為代表性研究區(qū)域，采集焦化廠土壤樣品，研究了7種重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As在土壤中的含量和污染程度，并應用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)風險評價法對重金屬的污染情況進行風險評價，以期為類似土壤污染風險、修復治理及再利用提供前期參考和依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究所選焦化企業(yè)位于山西省某鎮(zhèn)，是中國最大的焦化廠之一，主要產(chǎn)品為焦炭、煤氣和煤焦油等。焦化廠周圍有住宅區(qū)、小學和農(nóng)田。研究區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L氣候，冬夏長、春秋短、雨熱同步、光照充足、南北氣候差異顯著。年平均氣溫介于4.2～14.2 ℃之間，年平均降水量介于358～621 mm之間。除該焦化廠外，該地區(qū)無其他大型企業(yè)，無高速公路且車流量較少。

1.2 樣品采集

根據(jù)焦化廠污染特征，按照網(wǎng)格布點法和分區(qū)布點法結合采樣，在煤場、硫酸罐區(qū)、綜合罐區(qū)、焦爐區(qū)等各功能分區(qū)設置采樣單元，每個采樣單元200 m×200 m范圍內(nèi)，按“梅花形”布設采樣點，采集（0～20 cm）表層土壤1 kg，共分布13個點，采樣過程按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》（ HJ /T 166—2004）[12]等要求進行。樣品裝入聚乙烯自封袋中帶回實驗室備用。

1.3 樣品處理與重金屬含量分析

土壤樣品置于陰涼、通風處完全風干，去除石子、砂礫等雜質(zhì)后經(jīng)瑪瑙研缽研磨過2 mm尼龍篩，之后取少量土樣研磨通過100目尼龍篩，用于土壤樣品重金屬的分析。土壤樣品的消解按照《土壤和沉積物金屬元素總量的消解微波消解法》[13]中的要求進行。重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（CP-MS，Agilent， 7500a）測定，As利原子熒光分光光度計（吉天，AFS-8230）測定。每個土壤樣品重復3次，全程做空白試驗，并通過土壤標準物質(zhì)進行質(zhì)量控制。

1.4 土壤評價標準與方法

根據(jù)焦化廠所在地周邊土地所屬類型，此次評價標準采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）。分別采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價各樣點土壤中不同重金屬及各個監(jiān)測點位的污染程度。

單因子污染指數(shù)[14]是重金屬污染物的實測濃度與該污染物的評價標準的比值，用于確定單個重金屬的污染情況。單項污染指數(shù)可以直觀的反映環(huán)境介質(zhì)中各個重金屬的污染水平，公式見1：

式中，Ci r —重金屬i的富集系數(shù);Ci實 ? 測—重金屬i的實測含量（mg·kg-1）;Ci n —重金屬i的評價參考值（mg·kg-1），Ei r —重金屬i的潛在生態(tài)風險指數(shù);T ? i ?r ?—毒性系數(shù)，反映重金屬i的毒性水平以及生物對其污染的敏感程度，RI—綜合生態(tài)風險指數(shù)。重金屬毒性系數(shù)值見表3，潛在生態(tài)風險評價指標見表4。

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤重金屬含量分析與統(tǒng)計采用軟件Excel 2016、SPSS 22.0處理。

2 結果與分析

2.1 焦化廠土壤重金屬含量情況

研究區(qū)土壤重金屬含量如表5所示。7種重金屬含量大小為：Cr>Cu>Zn>As>Ni>Pb>Cd，7種重金屬的平均值均超過山西省土壤背景值，且分別超標1.64，1.47，3.21，1.09，2.97，1.05，5.66倍，超標率達100%。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），Cr，Cd、As最大值含量均超過篩選值標準，分別達到標準值的1.4、2和14.4倍，其中As的平均值含量超過篩選值標準1.7倍，因此，研究區(qū)域表層土壤中存在重金屬復合污染問題，其中As、Cd和Cr污染比較嚴重。

2.2 土壤重金屬污染程度評價

2.2.1 單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價 本研究采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對研究區(qū)土壤重金屬污染程度進行評價，具體結果見表6，根據(jù)單因子污染指數(shù)法評級標準，7種重金屬中，Cu、Cd和As的污染程度為重度污染，Pb、Cr、Zn、Ni四種重金屬的污染程度為輕度污染，在13個采樣點位中，Cu無安全點位，重度和中度污染點位分別占69.2%和30.7%，Cd的重度污染點位占30.7%，As的安全點位占比23.1%，輕度、中度和重度污染點位分別占15.4%，38.5%和23%。7種重金屬中Zn和Ni的單因子污染指數(shù)平均值分別為1.09和1.05，相比其他重金屬來說，污染程度較低。而從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)PN可以看出，綜合污染指數(shù)在研究區(qū)域內(nèi)1～13號點位的變化范圍為2.01～34.18，重度污染率為38.5%，表明本研究區(qū)域污染程度較為嚴重，且為復合型污染，應著重關注As、Cd和Cu三種重金屬的復合污染。

2.2.2 潛在生態(tài)風險指數(shù)評價 以山西省土壤背景值為評價參考值，得出焦化廠7種重金屬的潛在生態(tài)評價指數(shù)和綜合生態(tài)風險指數(shù)如表7所示。從表中Ei r 值可知，單個重金屬中，各個點位的Cd生態(tài)風險指數(shù)均在40以上，存在較高的潛在生態(tài)風險;其中1、2、3、4、6、7、10七個點位生態(tài)風險指數(shù)超過80，具有較強的潛在生態(tài)風險;第3個點位中As的Ei r 值為476.23，存在極強的生態(tài)風險，除此之外其他點位As潛在風險都較低。而Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 5種重金屬在各點位的生態(tài)風險指數(shù)均未超過40，污染程度為輕微。根據(jù)綜合污染生態(tài)風險指數(shù)RI值得結果來看，13個點位中3號點位綜合污染指數(shù)為583.75，污染程度較強，而1號和4號點位存在較強的生態(tài)風險。從平均單一潛在生態(tài)風險指數(shù)來看，7種重金屬大小順序為：Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，相對來說，重金屬Cd和As危害較大，這與單因子污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法評價結果相一致，這2種重金屬應放到優(yōu)先修復位置上。

3 討論與結論

3.1 焦化廠土壤污染特征

根據(jù)焦化廠內(nèi)重金屬含量分析結果，采用變異系數(shù)確定研究區(qū)內(nèi)各重金屬元素的分布和污染程度的差異。變異系數(shù)可以反映總體樣本中各采樣點的平均變異程度和重金屬含量的變異大小[20]。根據(jù)相關文獻[21]，變異系數(shù)0～0.1之間屬于弱變異，0.1～1.0之間屬于中等變異，高于1.0以上屬于強變異。7種重金屬中Ni屬于弱變異，Pb、Cu、Zn、Cd屬于中等變異，Cr和As屬于強變異，各金屬元素含量的變異系數(shù)由大到小為As>Cr>Cd>Zn>Pb>Cu>Ni，表明不同采樣點之間Cr和As的含量差異較大，可能受到較多人為活動的影響，在馮依濤等[18]、王星星和王海芳[22]的研究中有類似結果。

3.2 土壤重金屬污染評價與風險評估

根據(jù)2.1中對重金屬含量的分析結果，Cr污染程度較為嚴重，但單因子污染指數(shù)評價法結果顯示Cr元素的污染程度風險等級為輕度污染，這可能是由于Cr元素含量受人為活動影響較大，但針對整體研究區(qū)域來看，風險程度相對較輕。而土壤重金屬潛在生態(tài)危害評價結果顯示，13個采樣點位的污染程度不盡相同，每種重金屬元素的單一潛在生態(tài)風險也不相同，這是由于13個采樣點位分布在焦化廠不同區(qū)域，部分土壤樣品中重金屬污染濃度相對比較高，因此導致Ei r 與RI值的幅度范圍變化較廣，董志詢等[23]也認為重金屬的潛在生態(tài)風險評價結果與研究區(qū)域的實際生產(chǎn)過程管理密切相關。焦化廠在煉焦過程中包括焦油、瀝青、焦炭的回收各個環(huán)節(jié)，在此期間產(chǎn)生的污染物質(zhì)會直接進入到土壤環(huán)境中造成污染[24-25]。綜合以上結果分析與討論，本研究得到以下結論。

（1）與山西省土壤背景值和農(nóng)用地土壤污染風險管控標準值相比，本文研究區(qū)域某焦化廠土壤中各重金屬含量均超出山西省土壤背景值，超標率為100%，且Cr，Cd、As最大值含量均超過農(nóng)用地土壤污染風險管控標準的1.4，2和14.4倍，研究區(qū)域表層土壤中存在重金屬復合污染問題，且As、Cd污染比較嚴重。

（2）從單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分析，7種重金屬危害程度大小為As>Cu>Cd>Pb>Cr>Zn>Ni。13個采樣點位中As為主要污染因子，As的單因子污染指數(shù)平均值為5.66，Cu、Cd的單因子污染指數(shù)平均值分別為3.21和3.03，土壤污染程度為中重度污染，具有較高的風險性;而潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價結果顯示13個點位中個別點位具有極強的潛在生態(tài)風險，7種重金屬中Cd和As的污染風險較大。

（3）該焦化廠土壤為復合型污染，應著重關注As、Cd和Cu三種重金屬的后續(xù)修復問題，進一步采取措施減少重金屬污染帶來的危害。

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