某钢铁企业周边土壤重金属污染状况调查与评价

陈 锋,刘红瑛,曹 阳

(黄石环境监测站,湖北黄石 435000)

土壤重金属污染是由重金属引起的土壤污染。污染土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的铜、锌、镍等元素。土壤中重金属元素主要有自然来源和人为干扰输入两种途径。在自然因素中,成土母质和成土过程对土壤重金属含量的影响很大,此为土壤重金属本底含量;在各种人为因素中,工业废渣、废气中重金属的扩散、沉降、累积,含重金属废水浇灌农田,以及含重金属农药、磷肥的大量施用是土壤重金属污染的主要途径[1]。

黄石市位于湖北省东南部,长江中游南岸,地区主导风向为东南风。由于历史原因先有工矿企业后有城市,因此辖区内企业众多。经过多年的生产,企业周边土壤受工业污染较严重,重金属进入土壤 -植物系统后,通过食物链的富集、传递,危害人体健康[2]。本次调查主要对某钢铁企业周边土壤进行取样并分析其中重金属含量,了解其重金属污染的状况;为弄清土壤中重金属来源,对此钢铁企业生产时产生的除尘灰进行了同步取样。

1 调查方案

1.1 样品采集

外来重金属多富集在土壤的表层,本次调查主要对耕作层 (0～20cm)土壤进行取样分析,按照《土壤环境监测技术规范》[3](HJ/T166-2004)要求,根据现场情况及黄石市的主导风向 (东南风)在下风向设置 4个监测区,每个监测区大小为 200 ×200m,按对角线法分 5等份等量采样,将 5等份样混合后作为一个监测样品进行制样分析。对此钢铁企业生产时产生的除尘灰进行了同步取样。具体监测点位示意图见下图。

图 监测点位示意图Fig. Schematic diagram ofmonitoring sites

1.2 样品制备

1.2.1 将采集回来的样品放置于风干盘中,拣出碎石、砂砾、植物残体后压碎摊成 2～3cm的薄层,并适时翻动以尽快风干样品。

1.2.2 将风干后的样品倒入有机玻璃用木锤敲碎,混匀后用四分法取一份样,过孔径 0.25mm (20目)尼龙筛。用木棒将过筛后的样品进一步磨细,用四分法取一份混匀后的细磨样过 0.15mm(100目)尼龙筛,过筛后的样品用于分析[3]。

1.2.3 根据现场调查情况及《土壤环境质量标准》[4](GB15618-1995)确定本次调查分析项目为pH、铜、镍、镉、铅、汞、砷共 7个项目。

2 样品分析

2.1 样品前处理

取每个风干后样品均分成 5份,一份做含湿量测定[5],一份按土水比为 1.0∶2.5进行 pH值测定[4],一份用王水-HF-HClO4分解法消解样品用于铜、铅、镉、镍,一份用硫硝混酸-K MnO4消解后用于测定汞,一份用硫硝混酸-KClO4消解后用于测定砷[5]。

2.2 各监测项目的分析方法及使用仪器 (见表 1)

表1 监测项目、分析方法及主要仪器Tab.1 List of the monitoring items,analysismethods and instruments (mg/kg)

2.3 监测结果

按 2.2要求的分析方法进行实验分析,并将样品按含湿量折算成干重后计算的结果见表 2和表 3 (表中L代表未检出)。

表2 某钢铁企业除尘灰中重金属含量监测结果Tab.2 Monitoring results of heavymetals in dust of a steel enterprise (mg/kg)

表3 某钢铁企业周边土壤中重金属含量监测结果Tab.3 Monitoring results of heavymetals in the soil around a steel enterprise (mg/kg)

3 监测结果评价

3.1 土壤环境质量评价

土壤环境质量以单项污染指数、污染超标倍数、污染物分担率及内梅罗污染指数[3]进行评价。

根据调查该处土壤为农田或蔬菜用地,确定该处土壤属Ⅱ类[4],从表 3知土壤 pH均大于 7.5,确定各项目执行二级 pH＞7.5标准[4]。

根据表 3监测结果及各项目标准值计算评价数据于表4。

表4 土壤各分析项目评价数据Tab.4 Evaluation data of analyzed elements in soil mg/kg

从表 3知土壤样品中汞、镍均未检出,因此不参与表 4中的评价。

单项污染指数进行土壤评价时,指数小表示污染轻,指数大污染则重[3]。根据表 4中的数据知,四处土壤样品中铜、砷、铅单项污染指数均小于1,三种元素含量均未超标,说明土壤未受到这三种元素污染。镉元素在上畈西北方向 1.5km处土壤中单项污染指数为 4.0,超标 3.0倍;上畈菜地土壤单项污染指数为 3.0,超标 2.0倍;肖铺蔬菜基地土壤单项污染指数为 2.1,超标 1.1倍;下畈菜地土壤单项污染指数为 1.8,超标 0.8倍。根据镉在四处土壤的单项污染指数及超标倍数数据,可知土壤污染程度为上畈西北方向 1.5km处 ＞上畈菜地 ＞肖铺蔬菜基地 ＞下畈菜地。

污染分担率可确定土壤的主要污染项目[3],项目的污染分担率越大,则主要污染物为该项目。从表 4知,上畈西北方向 1.5km处土壤中污染分担率次序为镉 ＞铜 ＞砷 ＞铅;上畈菜地土壤污染分担率次序为镉 ＞铜 ＞铅;肖铺蔬菜基地土壤污染分担率次序为镉 ＞铜 ＞砷 ＞铅;下畈菜地土壤污染分担率次序为镉 ＞铜 ＞铅。土壤中镉的污染分担率在65.5%～86.6%之间,说明土壤中主要污染物为镉。

内梅罗污染指数反映了各污染物对土壤的作用,同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响[3]。从内梅罗污染指数来看,上畈西北方向1.5km处土壤 ＞上畈菜地土壤 ＞肖铺蔬菜基地土壤＞下畈菜地土壤。四处土壤内梅罗指数在 1.4和2.9之间,根据土壤内梅罗污染指数评价标准[3],该企业周边土壤处于Ⅲ级 (轻度污染)和 Ⅳ级(中度污染)之间,说明土壤已受到污染。

3.2 土壤污染原因分析

从表 2及表 3中数据知,汞、镍、砷在该企业除尘灰中未检出或少量检出,这三种元素在土壤样品也均未检出或少量检出;铜、镉在该企业除尘灰中含量较大,铅在高炉和电炉除尘灰中含量较大,仅在球团竖炉除尘灰中未检出。这说明该企业除尘灰中重金属以含铜、镉、铅为主。与除尘灰成份相同的烟尘通过有组织或无组织排放,经大气扩散作用后沉积在企业周边土壤中,经过长时间的累积作用形成了对土壤的污染[6]。

将该企业周边土壤中这三种主要金属的监测结果和 1999年黄石地区土壤环境质量监测结果[7]列于表5。

表5 土壤中铜、镉、铅监测结果Tab.5 Monitoring results of Cu, Cd and Pb in soil (mg/kg)

1999年黄石地区土壤环境质量监测结果是对全市27个乡(镇)及2个农场共95个土壤监测点的分析结果,此为黄石市土壤重金属本底含量。从表5知,该企业周边土壤中铜、铅含量与黄石市土壤重金属本底含量接近,而镉含量 (最低 1.06mg/kg)大幅超过本底含量 (最高 0.10mg/kg)。污染累积指数反映土壤人为污染的程度[3],该企业周边土壤中镉污染累积指数为 25,说明该企业烟尘中重金属镉对其周边土壤产生了严重的污染。

3.3 镉污染分析

土壤中的重金属镉可通过陆生食物链富集而引起镉中毒[8],弄清镉的污染来源及污染状况对于控制镉污染具有重要作用。从表 2知,镉最主要的污染来源为该企业高炉和电炉,镉含量分别为34.23mg/kg和 19.40mg/kg,含镉烟尘经烟囱有组织排放后有一最大落地浓度及距离[9],受主导风向东南风的影响,处于污染源下风向 (厂界西北方向)的土壤受到的污染最严重。根据上图及表 3知,镉的最大污染出现在污染源下风向的厂界西北方向 1.5km的上畈菜地处,含量为 2.41 mg/kg;距厂界 50m的上畈菜地污染其次,含量为 1.80 mg/kg;而逐渐偏离污染源及主导风向的肖铺蔬菜基地土壤和下畈菜地土壤镉含量依次为 1.26mg/kg和 1.06mg/kg,受到的污染依次减小,说明镉污染分布是有一定规律性的,要了解其具体的规律性需做进一步的研究工作。

4 结 论

根据监测结果及及土壤环境质量的评价,可以得出以下结论：

4.1 该企业周边土壤已受到重金属镉的污染,超标倍数处于 0.8～3.0之间,根据土壤内梅罗污染指数评价标准,该企业周边土壤处于Ⅲ级(轻度污染)和Ⅳ级(中度污染)之间。

4.2 该企业除尘灰和周边土壤中镉含量较高,根据 1999年黄石地区土壤重金属本底含量调查结果,黄石地区土壤中镉本底含量低,说明该企业周边土壤中的镉主要来源于该企业排放的烟尘。

4.3 受主导风向的影响,经烟囱排放的烟尘有一最大落地浓度及距离,因而该企业周边土壤镉污染分布是有一定规律性的,其具体的规律性需做进一步的研究。

[1] 郑喜珅,鲁安怀,高 翔.土壤中重金属污染现状与防治方法[J].土壤与环境,2002,11(1)：7984.

[2] 王学锋,朱桂芬.重金属污染研究新进展[J].环境科学与技术,2003,26(1)：54-56.

[3] HJ/T166-2004,土壤环境监测技术规范[S].

[4] GB15618-1995,土壤环境质量标准[S].

[5] 水和废水监测分析方法(第四版)[M].北京：中国环境科学出版社,2002.435-438.

[6] 董 榕,付嘉媛.电厂烟气对土壤环境和农作物影响的研究[J].中国生态农业学报,2007,15(5)：151.

[7] 湖北省黄石市环境质量报告书 (一九九六-二 000年度). [R].湖北省黄石市环境保护局,2001.160-163.

[8] 环保工作者实用手册 [M].北京：冶金工业出版社,1984.5.

[9] HJ2.2-2008,环境影响评价技术导则大气环境[S].