安徽某燃煤电厂周边土壤汞分布特征及风险评价

单 平，伍震威，黄界颍，唐晓菲，汪家源

1．安徽省环境监测中心站，安徽 合肥 230061

2．安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036

汞是环境中毒性最强的重金属元素之一。由于汞在环境中具有持久性、易迁移性和高度生物蓄积性，汞污染已经成为目前最受关注的全球性环境问题之一。中国大气汞排放占全球人为汞排放的30% ～40%，居世界首位［1］。根据中国能源统计年鉴［2］，煤炭是中国的主要能源，有预测称，2015年煤炭占一次能源消费结构比例的62.6%，2050年煤炭仍占50%以上，发电耗煤一直占煤炭消耗量的40%以上。对中国燃煤电厂汞排放情况的研究表明，1995 年的汞排放量为 63.4t［3］，1999 年 68t［4］，2000 年 76.83t［5］，2003 年100.1t［3］，2007 年 132.4t［6］，燃煤电厂汞排放量年平均增速超过5.9%［3］，燃煤电厂成为中国最主要的大气汞排放源［1］。中国在今后相当长一段时间内仍会以火电为主，而且火电容量还在不断增加，因此中国燃煤电厂总汞排放量还将在一定时期内继续增加［1-7］，其对环境的影响不容忽视。在《重金属污染综合防治“十二五”规划》中，汞被列为重点管控的5种重金属之一，要求重点区域2015年的汞排放比2007年削减15%。近年来，随着中国城市的发展，新建发电厂数量和用电需求量持续上升，因燃煤而排放的汞对周边环境的影响也在不断加剧。因此，对燃煤电厂周围环境中汞的含量进行分析和研究，对于制定相应的汞减排措施具有重要意义。研究对燃煤电厂周边土壤中不同风向、不同距离土壤汞含量的分布特征进行分析，有助于了解电厂汞排放对周边土壤与生态系统造成的潜在生态危害，以期为电厂周边土壤汞污染防治提供科学决策。

1 实验部分

1.1 研究区概况

该燃煤电厂位于安徽某城市东南约9km处。该地区属暖温带半湿润季风气候区，四季分明，春暖秋爽，夏炎冬寒，又有明显的大陆性气候。春季多偏东风，降水较冬季增多;秋季常刮偏东北风;夏季降水多且集中，多偏南风;冬季雨雪稀少，多偏北风。全年主导风向为E，风向频率为12.2%，次主导风向为NE，风向频率为10.30%，静风频率为6.0%。年平均气温为15.5℃，年平均降水量为928.5 mm，年平均日照时数为2 218.7 h，平均相对湿度为72%。

电厂周边地势较平整，基本上为农田和村庄，土壤类型为水稻土。电厂一期有600 MW发电机组2台，2008年8月投产发电，年发电量2.66×109kW·h，年燃煤量为2.78 ×106t，4 个季度煤样含汞量分别为 0.471、0.483、0.508、0.534 mg/kg。周围无其他污染源，电厂为该地区主要的汞污染源。电厂安装了静电除尘器(ESP)和石灰石、石灰－石膏湿法脱硫装置(WFUD)，除尘效率为99.75%。烟气经除尘脱硫后由210 m高的烟囱排入大气，顶部排烟口直径为8.5 m，排放温度为65℃左右，烟气流量为3.80×106m3/h。

1.2 样品的采集分析

1.2.1 样品采集

为了解燃煤电厂周围土壤汞的空间变异特征，根据电厂所在地的地形特征以及气象参数，运用AERMOD模型进行该电厂烟尘地面浓度的预测计算，结合当地的年统计风速风向玫瑰图，在电厂周边不同半径处布置土壤采样点，如图1所示。分别在电厂烟囱N、S、SW、WSW、WNW、NW 方位各选择7个点，距离排放源的半径范围分别是0.6、1.0、1.4、1.6、1.8、2.2、2.4 km;在电厂烟囱E方位选择4个点，距离排放源的半径范围分别是1.0、1.4、1.8、2.4 km;在电厂烟囱W 方位选择11个点，距离排放源的半径范围分别是0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 km。根据当地的主导风向，采集上风向距离电厂10 km处的土样作为当地背景，该采样点位于小型的生态湿地区域内，人为干扰活动较少，地势平坦，采样点处地表植被稀疏。采集土壤表层0～20 cm混合样品，共采集58个样品。采集过程中应用GPS定位，记录样点经纬度。

图1 燃煤电厂及土壤采样点分布示意图

1.2.2 样品处理

将采集到的土壤样品 (约1 kg)风干、混匀后，除去石子、动植物残体，用木棒研压，过2 mm尼龙筛，混匀装袋。用四分法取约50 g，用玛瑙研钵研磨至全部通过0.15 mm尼龙筛，混匀后装袋待分析。

1.2.3 样品分析

所有样品的汞浓度分析均采用利曼Hydra II冷原子吸收全自动测汞仪完成;pH用PB-10测定，水土比为2.5∶1;土壤有机质(OM)采用K2Cr2O7外加热法测定;土壤颗粒组成采用比重计法测定;分析过程中使用去离子水，并进行空白实验的同步测定，测定汞所需玻璃器皿均用稀硝酸浸泡36 h以上，所用试剂均为优级纯，在实验过程中用国家标准物质GSS-4标样进行质控。

1.3 土壤汞污染评价方法

单因子污染指数通常用来评价重金属的污染程度，计算公式为

式中:P为汞的单因子污染指数，C为土壤汞的实测值，S为汞评价标准的临界值(研究选取当地土壤汞背景值0.015 mg/kg)。

根据P值变幅，将土壤质量划分为不同的等级(表1)。

表1 基于单因子污染指数的土壤质量分级标准

目前，国内外学者多采用地累积指数(Igeo)来评价重金属的污染现状，其计算方法为

式中:Igeo为汞的地累积指数，Ci为土壤中汞的实测值，k为考虑各地岩石差异可能会引起背景值变动而取的系数(一般取 1.5)［8-10］，Bi为土壤中汞的地球化学背景值，研究选取当地土壤汞背景值(0.015 mg/kg)作为汞的地球化学背景值。地累积指数规定了相应的污染级别划分标准，见表2所列。

表2 基于地累积指数的土壤质量分级标题

潜在生态危害指数法作为国际上土壤或沉积物中重金属研究的先进方法之一，被大多数学者采用，是目前应用很广的一种方法。计算公式为

式中:Ei为汞的潜在生态危害系数，Ti为汞的毒性系数(取 40 带入计算)［8］，Ci为土壤中汞的测定值，C0为汞的参比值(选择当地背景值带入计算)。汞的潜在生态危害系数和污染程度的关系如表3 所示［11］。

表3 基于潜在生态危害指数的土壤质量分级标准

1.4 统计分析

数据采用Origin9.0和 SPSS22.0软件进行统计分析。地统计学理论部分参考文献［12-14］，对数据进行K-S检验，土壤全汞在对数转换后服从正态分布。为了消除特异值的影响，采用域法识别特异值，即样本平均值加减3倍标准差，在此区间以外的数据均定为特异值，分别用正常的最大和最小值代替特异值。空间变化分布图在ArcGIS(10.0)中采用Kriging插值技术完成，半方差分析在ArcGIS下的地统计学模块中计算。

2 结果与讨论

2.1 燃煤电厂周边土壤中汞的含量统计

电厂周围土壤环境汞含量统计结果见表4。

表4 电厂周边表层土中理化性质、汞含量的统计特征(n=60)

由表4可见，电厂周边表层土壤样品的pH为6.27～7.18，土壤(0～20 cm)汞含量范围为0.015 ～0.076 mg/kg，平均值为0.029 mg/kg。低于国内类似装机容量燃煤电厂周边土壤中汞含量，如贵州某燃煤电厂周边土壤中汞含量为0.178 mg/kg(范围为 0.092 ～0.320 mg/kg)［13］，某电厂周边土壤中汞含量为0.180 mg/kg(范围为0.045 ～0.529 mg/kg)［7］，芜湖燃煤电厂周边土壤中汞含量为0.212 mg/kg(范围0.025～1.696 mg/kg)［15］，宝鸡燃煤电厂周边土壤汞含量0.606 mg/kg(范围0.137 ～2.105 mg/kg)［12］。这可能与以上几家电厂运营年限相对较长有关。尽管研究采集的所有土壤样品汞含量均低于《土壤环境质量标准》(GB 15618—2008)中的二级标准值，且大部分土壤样品低于全国土壤背景汞含量(0.065 mg/kg)和世界土壤中汞的平均含量(0.030 mg/kg)，但高于安徽土壤背景汞含量(0.027 mg/kg)［16］，对比当地土壤背景汞含量(0.015 mg/kg)及安徽省土壤汞背景含量，电厂周边平均土壤汞含量增加了93.33% 和7.41%。这应与两淮煤矿煤中汞的含量在全国属于较高水平有关，研究中采集的电厂4个季度煤样汞含量平均达0.499 mg/kg，与陈晶等［17］报道淮南煤样平均汞含量(0.680 mg/kg)和最大汞含量(2.422 mg/kg)数值相近，燃煤排放的汞影响了周边土壤中汞的含量。

2.2 燃煤电厂周边土壤中汞的空间变异特征

土壤汞含量箱式图见图2。

图2 燃煤电厂周围土壤中汞的含量变化特征

图2清晰地反映了电厂周边不同取样半径处的土壤汞含量变化情况:除距离排放源1～2 km的环形区域内出现平均汞含量最大值外，土壤平均汞含量随着与污染源距离的增大而减小。说明在采样区域内，距离电厂烟囱1～2 km的土壤受电厂汞排放的影响最大，随着与污染源距离的增大，土壤汞含量受污染源的影响逐渐减小。与Zheng等［18-21］报道的燃煤汞排放是电厂周围土壤汞含量增加的主要成因，且在电厂附近及主导风向上含量较高的结论一致。

对所有土壤样本进行半方差分析，拟合土壤汞含量的半方差模型，以决定系数最大和残差(RSS)最小为原则选取最优模型(球状模型)，其数学表达式为

式中:γ(h)为半方差;c0为块金值;c为结构方差;h为采样间隔，m;a为变程，m。

表5给出了所选取的模型及其参数。如表5所示，土壤汞含量的c0较小，为0.005 8，说明研究中由实验误差和小于实验抽样尺度引起的汞含量变异比较小。块金值/基台值［c0/(c0+c)］可以定量描述土壤中汞含量空间分布的不规则性和相关性，模型中该值为0.670 1，说明该地区汞含量具有中等的空间自相关性，土壤中汞含量的空间异质性一般是内在因子和外在因子共同作用的结果［12］。内因主要有成土过程中的母质、地形、水文特征及形成的土壤类型等。除内因之外，电厂周围的土壤受人为活动的影响较大(如燃煤排放、肥料与农药施用、作物布局、耕作管理措施等)。

表5 土壤汞含量的最优半方差模型及参数

根据上述半方差函数模型及其参数，采用Kriging方法进行插值，得到研究区内土壤汞含量的空间分布图(图3)。

图3 电厂周边土壤中汞含量的空间分布图

由图3可以看出，地表土壤汞含量在电厂W、WNW、WSW方向上较大且有极大值(此次采样土壤汞含量极大值出现在距烟囱1～2 km的年主导风向的下风向区域内)，而其他方位上的土壤汞浓度较低。由风速风向玫瑰图可以看出，该地区的全年主导风向为E，次主导风向为NE。根据大气扩散模型，烟囱排出的汞应在W、SW方向上有较大沉降量，这与图3所示实测汞含量的空间分布基本一致。燃煤排放的汞主要包括气态单质汞、活性气态汞和颗粒汞，气态单质汞的干沉降速率远小于活性气态汞和颗粒汞，所以在距离电厂较近的范围内，表层土的汞主要来自活性气态汞和颗粒汞沉降，在较远处则来自三者的沉降。出现图中所示规律，应该是由于研究区年平均降水量不多，汞沉降应以干沉降为主，在当地的气象条件下，烟气汞扩散使得这些区域有较高的地表空气汞浓度，地表空气与土壤的汞交换是大气汞沉降的一个主要方式，因此对土壤表层汞含量影响较大，导致这些区域表层土壤中汞含量变化规律符合烟气点源扩散模式，出现在主导风向下风向的先增大后减少的变化趋势［7，20-21］。

2.3 土壤理化性质与汞含量之间的相关性

电厂周边土壤的主要理化性质与汞含量之间的相关性统计结果见表6。总体上，土壤汞含量与理化性质之间存在不同程度的相关性，与方凤满等［15］报道的结论一致。

表6 土壤理化性质与汞之间的相关性

由表6可见，土壤pH与汞含量成显著正相关，因为在酸性甚至中性条件下，燃煤飞灰和渣中的汞与周围的土壤、水等介质可以部分发生交换而进入环境，具有一定的潜在危害［15］;土壤汞含量和土壤有机质含量显著正相关，随土壤有机质含量的增高而增加;徽县铅锌冶炼区土壤重金属元素的分布与土壤有机碳含量及pH相关，说明受人类活动和自然成土因素影响，土壤重金属时空属性数据复杂化［22］。一般认为，土壤中汞等微量元素的含量随土壤粘粒含量增加而增加，这是由于粘粒可以富集微量元素并阻止它们的淋失，但在研究中相关性不显著，可能是汞来源不同和受人类活动的干扰强度不同导致。

2.4 燃煤电厂周围土壤汞污染的评价

燃煤电厂周围土壤汞污染的3种评价方法结果(以当地背景值0.015 mg/kg为临界值)见表7。

表7 燃煤电厂周围土壤汞污染评价结果

从表7可看出，汞的单因子污染指数为1～5.007，约有56.90%的采样点为轻度污染，31.03%的采样点为中度污染，10.34%的采样点为重度污染;各样品的Igeo为 －0.585～1.739，只有34.48%的采样点Igeo小于0，没有污染，有55.17%的采样点为无－中度污染，10.34%的采样点为中度污染;以汞的潜在生态危害指数来评价，已有58.62%的采样点处于中度潜在危害，37.93%的采样点处于较重潜在危害，3.45%的采样点处于重度潜在危害。以不同采样半径内平均值统计分析，发现3种评价方法的污染指数在电厂周围1～2 km内都有所升高，2 km以外随距电厂的距离增加而降低。土壤环境质量评价的结果显示，与当地背景值相比，电厂周围土壤环境中汞污染严重，具有很强的潜在生态危害。

为了更直观反映土壤的实际污染程度，采用安徽土壤汞的平均含量(0.027 mg/kg)作为临界值，以Kriging插值方法对研究区域内汞含量超过此值的概率分布分别进行基于地累积指数法、潜在生态危害指数法和单因子污染指数法的分析，详见图4。基于3种评价方法的插图结果均显示，研究区域内主导风向下风向处土壤中汞含量明显超过临界值，燃煤电厂附近土壤环境中汞含量已经出现一定程度异常。地累积指数法和潜在生态危害指数评价方法指示的污染特征与汞含量分布(图3)高度吻合，而基于单因子污染指数评价法显示的污染特征不能准确反映实际情况。污染程度分级上，对比于安徽省土壤汞的平均水平，该电厂周围土壤以地累积指数法评价有84.48%的采样点没有污染，有15.52%的采样点为无－中度污染;以单因子污染指数法评价的结果为约55.17%的采样点为非污染，39.66%的采样点为轻度污染，5.17%的采样点为中度污染;潜在生态危害指数评价结果为53.45%的采样点为低污染，41.38%的采样点为中度污染，5.17%的采样点为较重污染;3种评价方法中，地累积指数法评价结果随Bi值的增加而明显变小，当选取Bi值较高时，电厂周围土壤中汞的污染频率显著变化，对其生态风险的评价分级降低一级。单因子污染指数法和潜在生态危害指数的评价结果相对稳定，没有因参比值的变化而明显变化。因此，相比于单因子污染指数法和地累积指数法，潜在生态危害指数评价法能更好地反映该燃煤电厂周围土壤中汞的污染水平和生态风险程度。

图4 电厂周边土壤中汞风险评估图

3 结论

1)电厂周边表层土壤汞含量范围为0.015～0.076 mg/kg，平均值为0.029 mg/kg。尽管研究采集的所有土壤样品汞含量均低于《土壤环境质量标准》(GB 15618—2008)中的二级标准值，但对比当地土壤背景汞含量(0.015 mg/kg)及安徽省土壤汞背景含量(0.027 mg/kg)，电厂周边平均土壤汞含量增加了93.33%和7.41%。

2)燃煤电厂周边土壤汞含量的总体分布特征为距离排放源1～2 km的环形区域内最大，距离排放源1 km内次之，距离排放源2 km外土壤平均汞含量随着与污染源距离的增大呈减小的趋势。Kriging插值结果显示燃煤电厂周边土壤汞含量受主导风向影响呈现明显的条带分布。燃煤汞的干、湿沉降是表层土壤汞增加的重要原因，而土壤的形成特性、施肥、耕作等人为活动的影响共同导致了现有的分布格局。

3)运用SPSS软件进行Pearson相关性分析，燃煤电厂周边土壤汞含量与土壤pH、土壤有机质含量显著正相关，而与粘粒、粉砂粒、砂粒间不存在明显相关性。

4)3种评价方法中，基于单因子污染指数评价法显示的污染特征不能准确反映实际情况。地累积指数法的污染频率随Bi值的增加而显著减小，评价结果明显偏移。因此，相比于单因子污染指数法和地累积指数法，潜在生态危害指数评价法能更好地反映燃煤电厂周围土壤中汞的污染水平和生态风险程度。

致谢:感谢安徽农业大学资源与环境学院马友华教授及张勤才为论文图件绘制提供的大力帮助。

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