冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析

宋 尚

（中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，吉林 长春 130000）

冶炼厂周边土壤经常会由于污染物的排放造成重金属污染。重金属污染物作为当今污染面积广、污染程度严重的土壤环境问题，必须给予足够的重视[1]。冶炼厂周边土壤中所受到的重金属污染物主要包括：铜、锌、镉、铅、汞、铬、砷以及镍等，在冶炼厂周边土壤中比重超过4所形成的重金属污染[2]。由于冶炼厂周边土壤中重金属污染中包含对人类健康危害极大的化学元素，也就是所谓的“五毒”，分别为：汞、镉、砷、铅以及铬，这些化学元素一旦通过食物链进入人体，会引发多种疾病，常见的有我国的“大脖子病”、泰国的“黑脚病”、日本的“骨痛病”以及粤北的“癌症村”。为有效解决冶炼厂周边土壤中重金属污染问题，需要采用化学的方式分析冶炼厂周边土壤中重金属形态，致力于通过冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析，从而总结出冶炼厂周边土壤中重金属的形态特征，为冶炼厂周边土壤中重金属综合治理提供关键数据。

1 冶炼厂周边土壤中重金属形态特征

在化学分析冶炼厂周边土壤中重金属形态前，必须明确冶炼厂周边土壤中重金属形态特征。冶炼厂周边土壤中重金属形态特征，如表1所示。

表1 冶炼厂周边土壤中重金属形态特征总述表

根据表1所示，冶炼厂周边土壤中重金属形态包含：隐蔽性、长期性以及表聚性等特征。隐蔽性意味着冶炼厂周边土壤中的重金属分布一般不宜被发现，需要一定的累计量，才能发现其危害的严重性；长期性指的是重金属污染物在复垦区域土壤的滞留时间长，因此重金属污染物会形成垂直分布特征，这也是冶炼厂周边土壤中重金属污染的一个重要特性；表聚性指的是重金属污染物主要分布在冶炼厂周边土壤表层，极少数的情况下会向冶炼厂周边土壤下层移动，这就意味着，随土层深度的增加，冶炼厂周边土壤中重金属污染的含量整体呈下降分布特征。考虑到冶炼厂周边土壤中重金属污染，大多数集中在冶炼厂周边土壤下游区域。通过分析冶炼厂周边土壤中重金属形态特征，为冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析奠定扎实的基础。

2 冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析

通过冶炼厂周边土壤中重金属形态特征研究，本文基于化学手段分析冶炼厂周边土壤中重金属形态。冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析具体流程，如图1所示。

图1 冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析流程

结合图1所示，下文将针对图中4步主要分析流程加以详细分析，具体研究内容，如下文所示。

2.1 计算冶炼厂周边土壤中重金属地累积指数

为实现针对冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析，本文通过地累积指数法，计算冶炼厂周边土壤中重金属地累积指数，以此判断冶炼厂周边土壤中重金属污染现状。地累积指数作为冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析的主要参数，运用德国科学家 Müller提出的地累积指数计算公式，进行计算。设冶炼厂周边土壤中重金属地累积指数为I，则有公式（1）。

公式（1）中，C i指的是冶炼厂周边土壤中重金属质量分数；k指的是不同岩石引起的背景值变化系数，一般情况下取值为2.0；Si指的是冶炼厂周边土壤中重金属地累积时长。为保证求得冶炼厂周边土壤中重金属地累积指数的准确性，可以将冶炼厂周边土壤中重金属Cd地累积指数导入数值组。在此过程中，不难发现重金属Cd地累积数值组的网格数会非常多。这就意味着，在计算地累积指数的实际操作过程中可能需要用并行机计算。

2.2 模拟冶炼厂周边土壤中重金属形态

考虑到计算冶炼厂周边土壤中重金属地累积指数的局限性，本文通过模拟冶炼厂周边土壤中重金属形态，为冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析提供基础数据。为了确保冶炼厂周边土壤中重金属形态模拟历史拟合的非均质性，根据不同的重金属污染化学元素以及土体性质。在模拟冶炼厂周边土壤中重金属形态的实际操作中，重金属污染的强度数值组越大，证明重冶炼厂周边土壤中重金属形态存在的潜在生态风险越大。必须严格按照地质沉积物修复功能材料研发及应用研讨会重要内容，评价冶炼厂周边土壤中重金属性质、变形特性以及渗透特性等复杂冶炼厂周边土壤中重金属形态数据。综上所述，冶炼厂周边土壤中重金属形态模拟历史拟合的储量取决于孔隙体积和饱和度。冶炼厂周边土壤中重金属形态模拟历史拟合孔隙体积与重金属污染地质沉积物监测分区的构造和孔隙度有关，饱和度则与数据初始化相关。所以，在冶炼厂周边土壤中重金属形态模拟历史拟合时可以根据重金属污染地质沉积物监测分区的实际情况对以下参数做出相应的调整，分别为：冶炼厂周边土壤中重金属污染监测分区的孔隙度、NTG、地质沉积物的油水界面以及地质沉积物的毛管压力。通过对每个网格的冶炼厂周边土壤中重金属形态模拟历史拟合储量，可以有效提高对冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析的精准度，为下文判断冶炼厂周边土壤中重金属单因子污染等级奠定扎实的基础。

2.3 判断冶炼厂周边土壤中重金属单因子污染等级

本文采用中国土壤环境质量标准一级标准(背景值)为参比值，通过计算冶炼厂周边土壤中重金属单因子污染指数，判断冶炼厂周边土壤中重金属单因子污染等级。设冶炼厂周边土壤中重金属单因子污染指数的表达式为P，则有公式（2）。

通过公式（2），可以得出冶炼厂周边土壤中重金属单因子污染指数，以此为标准，判断冶炼厂周边土壤中重金属单因子污染等级，如表2所示。

表2 冶炼厂周边土壤中重金属单因子污染等级

结合表2所示，为冶炼厂周边土壤中重金属单因子污染等级判断结果。

2.4 得出冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析结果

根据上述对土壤重金属形态的综合分析，可显著的看出在研究中的多个采样点内，呈现酸溶性状态的液态Cd含量差异性较为显著。在采样点中，酸溶性状态的液态Cd含量最大的样本中，Cd的浓度可超过80.0%，而酸溶性状态的液态Cd含量最小的样本中，Cd的浓度不足10.0%，但在此样本中，液态金属残渣（/F4）的含量较高，比例形态相对较大。对于所有土壤中重金属样本而言，正二价氧化铁与正三价氧化铁在样本中的浓度总量可占到约20.0%，但其中重金属元素以独立形态呈现的物质浓度仅占到2.0%～5.0%左右。在对土壤介质中重金属浓度含量的研究中，正二价Cd元素与此金属物质的络合物呈现状态，可直接决定冶炼厂周边土壤的形态。尽管在相关研究中发现，正二价氧化铁与正三价氧化铁、Mn氧化物等均可以呈现络合转改，但由于其中氧化物质形态的可还原能力相对较强，因此造成了氧化物络合物的形态呈现一种特殊的形态。而此种形态的发生，受到地区环境污染、地质环境的理化性能、区域地下水流向、气象条件等多种综合性因素的影响，而综合本次研究的整体结果，可知Cd金属的形态，与重金属物质的总量来两者之间具备一定关系，包括与土壤PH值相关、与土壤赋存形态相关、与地质土壤参数相关、与土壤还原形态相关、与独立金属可氧化性能相关、与金属超标率相关等。考虑到相关影响因素，下述将对Cd元素在土壤中的常见形态进行深入分析。具体内容如下。

通常情况下，Cd元素的常见形态有很多种，但在土壤中，Cd元素只能正二价的形式存在，此外，也有极少的正二价Cd元素在土壤中以游离离子的方式存在，但由于此种形态表达方式与土壤中有机物质的融合能力交叉和，因此此种形式的Cd元素也极难与Mn金属氧化物呈现络合状态。

除上述提出的相关研究成果，还发现，正二价Cd元素在样本中的比例与其总量存在直接关系，产生此种现象的原因主要是由于外部污染物排放所导致的，当周边金属冶炼厂或工业厂址排放废气与废水后，Cd污染物以更加容易融合的方式进入土壤中。并且，Cd污染物在土壤中长期滞留，其中活性物质呈现一种固定状态，即分子的活性降低，Cd金属元素在此时呈现还原状态。而本文研究样本选择的土壤属于冶炼厂周边土壤，因此本文此次的研究结果明显受到工厂排放污染物的影响。并且，本次研究结果中，Cd金属的酸性状态呈现的较为显著，为此研究的结果中Cd的融合性应表现为显著增强的趋势。

3 结语

本文通过冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析，得出结论为冶炼厂周边土壤中重金属形态与单因子污染等级具有直接相关关系，以此为依据，证明此次研究的必要性。因此，有理由相信通过本文分析，能够解决传统冶炼厂周边土壤中重金属形态的化学分析不明的问题。但本文同样存在不足之处，主要表现为未通过实例分析的方式，证明此次化学分析得出冶炼厂周边土壤中重金属形态结果的精确性，进一步提高冶炼厂周边土壤中重金属形态化学分析结果的可信度。这一点，在未来针对此方面的研究中可以加以补足。与此同时，还需要对冶炼厂周边土壤中重金属治理方法的优化设计提出深入研究，以此为解决冶炼厂周边土壤中重金属污染的问题提供建议。