王文琦，丁艷華，李 芬

(中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司，湖北 武漢 430071)

土壤污染日益嚴(yán)重，對人們身心健康容易造成較大危害[1]。目前，重金屬污染元素主要是通過生活垃圾、化工廠的污染排放產(chǎn)生，它們一旦進(jìn)入土壤，打破了原始土壤酸堿平衡，使土質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致土壤極速惡化，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。特別是對一些難以自動降解的污染物，一旦在土壤中長期積聚，及時人工清理也很難徹底清除，破壞整個土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[2]。人若長期食用含有重金屬污染的作物，會對人體造成一定危害。因此，必須加強(qiáng)土壤重金屬污染調(diào)查，確保土壤質(zhì)量。針對危險廢物填埋土壤中的重金屬污染特征分析主要有2種方法：①基于Calpuff模型；②主成分分析法[3]。其中使用的基于Calpuff模型的重金屬污染擴(kuò)散特征分析方法，融合觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)，采用整體模擬數(shù)據(jù)的方式對重金屬污染擴(kuò)散特征進(jìn)行模擬，并對重金屬污染排放進(jìn)行評價；使用主成分分析法，可對填埋危險廢物土壤中重金屬污染擴(kuò)散指標(biāo)信息進(jìn)行綜合分析，同時，通過確定第一主成分與污染擴(kuò)散指標(biāo)的相關(guān)性，用主元聚類分析方法對不同的重金屬進(jìn)行了分類。但是，這2種方法都是在危險廢物填埋土壤中的重金屬污染擴(kuò)散模型中進(jìn)行的，并未考慮危險廢物填埋場的氣候條件和特定條件下的空間污染特征，導(dǎo)致特征分析結(jié)果不準(zhǔn)確。針對這一問題，提出了危險廢物填埋土壤中的重金屬污染擴(kuò)散特征分析方法。

1 研究區(qū)域概況

選擇建于2005年的一座廢棄鉛冶煉場，其場地平面如圖1所示。

圖1 廢棄鉛冶煉場地平面Fig.1 Plan of abandoned lead smelting site

由圖1可知，這座廢棄工廠南面為推平天然溝槽，東、北為陡坡及山體，西面略高，呈拐角形，寬50 m，長約300 m。廠區(qū)地面平整，所有生產(chǎn)設(shè)施已全部拆除，也對冶煉廢渣進(jìn)行了清理[4]。工廠內(nèi)4塊水泥硬化地均為污染場地，受特殊地形和東北風(fēng)氣候環(huán)境的影響，無法及時處理重金屬污染物，這就加快了廢棄鉛冶煉場地以及周圍場地的污染速度，加重土地惡化[5]。

2 危險廢物填埋場氣候條件分析

2.1 風(fēng)速與風(fēng)向

山區(qū)風(fēng)場受山面走向、山勢、山高及來風(fēng)風(fēng)速風(fēng)向變化影響，表現(xiàn)形式復(fù)雜，以該區(qū)W1—W6這6個位置為例，6個位置年風(fēng)向頻率如圖2所示。

圖2 年風(fēng)向頻率Fig.2 Annual wind direction frequency

由圖2可知，W2風(fēng)向以西北風(fēng)為主，其次是南風(fēng)；W3西南側(cè)的固廢處理場以西南風(fēng)為主，其次是東風(fēng)；W4風(fēng)向是以偏東風(fēng)為主，并逐漸向東南風(fēng)轉(zhuǎn)變；W1以東北風(fēng)為主，與W4風(fēng)向明顯不一致，具有明顯地區(qū)特色[16]。

2.2 氣溫

危險廢物填埋場月平均溫度變化見表1。

表1 危險廢物填埋場月平均溫度變化Tab.1 Monthly average temperature change of hazardous waste landfill

由表1可知，在1月份時溫度最低，7月份時溫度最高，溫差變化最大的月份為3月和4月，2個月溫差為8 ℃[7]。

3 重金屬污染擴(kuò)散特征分析

3.1 重金屬污染擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

3.1.1 重金屬污染分布

(1)求取某一重金屬污染元素的污染系數(shù)，公式為：

Fi=Ci/C0i

(1)

式中，Ci為元素的實(shí)際測量的數(shù)據(jù)；C0i為元素的評價標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

(2)求取某一樣本點(diǎn)的污染負(fù)荷指數(shù)，公式為：

(2)

式中，n為危險廢物填埋土壤中的重金屬污染元素?cái)?shù)量；ai為各個元素對于重金屬污染負(fù)荷指數(shù)的權(quán)重[8-10]。

(3)求取某一區(qū)域的重金屬污染負(fù)荷指數(shù)，公式為：

(3)

式中，k為樣本數(shù)。

3.1.2 重金屬污染主要原因

通過對數(shù)據(jù)的分析，求出各元素在各區(qū)域的平均污染指數(shù)：

(4)

根據(jù)上述求取的平均污染指數(shù)，確定各元素在各功能各區(qū)的污染指數(shù)，見表2。

表2 各元素功能區(qū)污染指數(shù)Tab.2 Pollution index of each element functional area

由表2可知，8種主要重金屬元素在各功能區(qū)均有污染，且均在交通區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大[12]。但在某一功能區(qū)中，某些元素的污染指數(shù)明顯高于其他元素，說明與其他元素相比，該功能區(qū)中的重金屬元素污染源范圍更為廣泛[13]。

(1)生活區(qū)。對生活區(qū)內(nèi)使用過的電池、壞燈、廢棄化妝品以及上釉餐具等進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，平均污染指數(shù)較高。在人們的生活中，這些微量重金屬元素普遍存在，其中以Cu含量最高，在儀器、化妝品、照明燈具、煤等方面均有[14]。

(2)工業(yè)區(qū)。由于工業(yè)生產(chǎn)的特殊性，目前工業(yè)區(qū)中不僅Cu、Hg、Zn平均污染指數(shù)較大，Pb、Cd含量也相對較高。當(dāng)工業(yè)廢水排入河道后，含有重金屬污染的水流就會慢慢地滲入土壤[15-16]。廢棄堆中的各類重金屬廢物由污染中心向周圍擴(kuò)散，其重金屬含量高于元素評價標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)山區(qū)。山區(qū)內(nèi)的重金屬污染程度較低，整個山體是呈現(xiàn)自然狀態(tài)的，該地區(qū)的重金屬污染可能是游客生活垃圾所致。

(4)交通區(qū)。在運(yùn)輸領(lǐng)域，由于采樣點(diǎn)幾乎涵蓋了整個研究領(lǐng)域，無法單獨(dú)顯示交通區(qū)域的分散點(diǎn)。其中重金屬污染指數(shù)最高。

(5)公園區(qū)。園林綠區(qū)受工業(yè)污染影響較小，綠化效果較好，相對重金屬污染不很嚴(yán)重。

3.1.3 模型構(gòu)建

利用數(shù)學(xué)模型，分析了重金屬污染物的傳播特性。一般來說，污染物的分布特征是根據(jù)污染源的位置來預(yù)測的，即對這種逆過程進(jìn)行反向思考。從重金屬在土壤中的擴(kuò)散特性出發(fā)，確定土壤中重金屬污染具有擴(kuò)散正態(tài)分布模式，并據(jù)此建立了一個擴(kuò)散模型，具體如下：

(5)

式中，C為某個采樣點(diǎn)土壤被污染程度；C0為某個元素污染濃度值；σ為濃度變化參數(shù)；x、y、z為空間坐標(biāo)。

通過上述構(gòu)建的模型，能夠求取采樣點(diǎn)到污染源之間的距離，依據(jù)該距離可精準(zhǔn)求取采樣點(diǎn)土壤被污染程度。

3.2 重金屬污染擴(kuò)散特征分析

評價重金屬富集程度時，通過對比分析被檢測出來的元素濃度和某個元素評價標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，來判斷該元素在土壤中的污染程度。

通常將化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的元素作為參考標(biāo)準(zhǔn)，其公式為：

(6)

式中，[Ci/Cn]sediment為危險廢物填埋土壤中某個重金屬元素與標(biāo)準(zhǔn)化元素的測定含量比值；[Ci/Cn]background為危險廢物填埋土壤中某個重金屬元素與標(biāo)準(zhǔn)化元素的背景含量比值。

將式(6)作為判斷依據(jù)，根據(jù)富集系數(shù)大小，將污染程度劃分為6個等級(表3)。

表3 富集系數(shù)評價指標(biāo)Tab.3 Enrichment coefficient evaluation index

以表3中的富集系數(shù)作為評價指標(biāo)，確定8種元素的富集系數(shù)，見表4。依據(jù)表4評價指標(biāo)，排列8種元素富集(污染)程度：Hg>Cd>As>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni。

表4 重金屬富集系數(shù)評價指標(biāo)Tab.4 Evaluation index of heavy metal enrichment coefficient

通過上述排列結(jié)果，可確定：被Hg、Cd、As、Zn、Cu重金屬元素污染的土壤區(qū)域，富集污染等級為2級，屬于輕微污染，不會對土壤造成危害；被Pb、Cr、Ni重金屬元素污染的土壤區(qū)域，富集污染等級為1級，屬于無污染不會對土壤造成危害。

4 擴(kuò)散模擬試驗(yàn)材料與方法

4.1 樣品的采集及處理

采集樣品時，應(yīng)均勻攪拌樣品，并直接裝入布袋中進(jìn)行篩濾處理，再快速放到試驗(yàn)平臺上鋪平放置。

(1)樣品經(jīng)過風(fēng)干處理后，取出固體雜質(zhì)，將其放在9.5目尼龍篩上對樣品進(jìn)行粉碎。并將樣品放入棕色的玻璃瓶中，在這一過程中可用于測定硫酸和硝酸的浸出。

(2)每個步驟剩下的樣品用10目尼龍篩研磨，放入棕色玻璃瓶中，并用純水濾過試樣和酸堿。

(3)將第(2)步獲得的樣品研磨至能通過100目尼龍篩，此時檢測出樣品的所有重金屬含量，并儲存在棕色玻璃瓶中。

4.2 擴(kuò)散模擬結(jié)果與分析

以重金屬Ni為例，通過模擬分析危險廢物填埋場地重金屬擴(kuò)散及可能存在的超標(biāo)情況。

4.2.1 重金屬年、季平均濃度分布

假設(shè)濃度為100 (為無量綱值)的危險廢物填埋地點(diǎn)，在東北部地勢較高的危險廢物填埋點(diǎn)，重金屬污染程度較低，西南方向地勢平坦，重金屬污染擴(kuò)散較遠(yuǎn)。依據(jù)該特點(diǎn)，重金屬Ni年、季平均濃度分布情況，如圖3所示。

圖3 模擬區(qū)域年平均污染物擴(kuò)散濃度Fig.3 Annual average pollutant diffusion concentration in simulated area

由圖3可知，重金屬分布范圍主要是橫向[-300 m，300 m]、縱向[-200 m，200 m]，重金屬污染范圍為整個危險廢物填埋場地的10%左右。污染物的平均分布趨勢在不同季節(jié)與年均污染物的分布趨勢是一致的，但在同一距離下，夏季重金屬濃度比其他季節(jié)要高，秋季最小。

4.2.2 最大1 h重金屬污染分布

模擬最大1 h重金屬污染分布情況，如圖4所示。從圖4可以看出，一年內(nèi)模擬區(qū)重金屬污染濃度最大的為西南方向，東北方向較小。按平均重金屬污染 濃度的分布，在同一距離的最大1 h內(nèi)，濃度比例較大，如果在1 000 m左右，其臭氣濃度在最大小時內(nèi)可達(dá)濃度為30%左右，在不同季節(jié)的最大時間值分布趨勢基本一致。

圖4 最大1 h重金屬污染分布Fig.4 Maximum 1 hour heavy metal pollution distribution

4.2.3 超標(biāo)率

試驗(yàn)采用重金屬Ni稀釋法，依據(jù)重金屬Ni年和季節(jié)平均濃度分布，并按照國家規(guī)定的重金屬Ni污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，選取稀釋濃度200%的區(qū)域，選取離固體廢物處理場地約1 km處作為重金屬Ni超標(biāo)臨界值。區(qū)域全年重金屬Ni超標(biāo)率如圖5所示。

圖5 區(qū)域全年重金屬超標(biāo)率Fig.5 Over-standard rate of heavy metals in the region throughout the year

由圖5可知，在填埋場1 km范圍內(nèi)，年重金屬污染超標(biāo)率達(dá)到5%以上，500 m范圍內(nèi)，除了因山體擋住以外，年重金屬污染超標(biāo)率達(dá)到15%以上。

針對觀測場的地理位置和氣候特征，對污染源周圍設(shè)置了25個分立關(guān)系進(jìn)行分析，見表5。

表5 重金屬Ni年、季超標(biāo)率Tab.5 Heavy metal Ni year and season exceeding rate %

由表5可知，在距離危險廢物填埋場西北200 m方向，重金屬Ni污染超標(biāo)率最高，全年超過了50%；其次是西南200 m方向，重金屬Ni污染全年超標(biāo)率為32.4%；第3是西北500 m方向，重金屬Ni污染全年超標(biāo)率為18.5%；第4是東北200 m方向，重金屬Ni污染全年超標(biāo)率為16.9；第5是西南500 m方向，重金屬Ni污染全年超標(biāo)率為15.6；第6是東南200 m方向，重金屬Ni污染全年超標(biāo)率為12.5；第7是西南800 m方向，重金屬Ni污染全年超標(biāo)率為10.5，其余超標(biāo)率均在10%以下。

以東北1 500 m方向、西南800 m方向和西北500 m方向3個超標(biāo)率為標(biāo)準(zhǔn)，對比Calpuff模型、主成分分析法和富集系數(shù)法超標(biāo)率模擬分析結(jié)果，見表6。

表6 3種方法污染全年超標(biāo)率模擬結(jié)果對比分析Tab.6 Comparison and analysis of the simulation results of three methods of pollution annual exceeding standard rate %

由表6可知，使用Calpuff模型與實(shí)際超標(biāo)率相差較大，最大誤差為5.0%；使用主成分分析法與實(shí)際超標(biāo)率不一致，最大誤差為9.9%；使用富集系數(shù)法與實(shí)際超標(biāo)率基本一致，最大誤差為0.1%。

5 結(jié)語

將每一采樣點(diǎn)污染的可能性考慮在內(nèi)，保證其變化趨勢與實(shí)際一致，不能忽視任何可能的污染源。建立的垃圾填埋場土壤中重金屬污染擴(kuò)散模型對擴(kuò)散特性進(jìn)行了精確、有效的分析，使結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。應(yīng)用富集系數(shù)法的重金屬污染擴(kuò)散特征分析方法，客觀地模擬了重金屬污染的特征。但現(xiàn)有的土壤重金屬污染評價方法多以總濃度或總量為依據(jù)，很少考慮重金屬形態(tài)對生態(tài)環(huán)境的危害及危害，缺乏對重金屬存在污染行為的深入調(diào)查。因此，今后應(yīng)重視這方面的研究工作，應(yīng)深入研究危險廢物填埋場中重金屬污染物轉(zhuǎn)化規(guī)律，為該區(qū)域土壤土質(zhì)修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。