氣源性重金屬污染物在土壤中的累積效果以及影響預(yù)測分析

郭志明 韓 震 王浩宇 李 揚

(中國輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

1 土壤污染途徑

建設(shè)項目對土壤環(huán)境的影響主要來自工業(yè)“三廢”排放。重金屬元素污染土壤環(huán)境的主要途徑包括:大氣傳播、水體傳播以及固體廢物傳播等方式。

工業(yè)企業(yè)排放氣源性重金屬通過降水、大氣擴散和重力作用降落至地面，進(jìn)而進(jìn)入到土壤中污染土壤環(huán)境;工業(yè)外排廢水中的污染物通過直接灌溉農(nóng)田或排入河流、湖泊后再作為農(nóng)業(yè)灌溉用水，使土壤受到污染;固體廢棄物在堆存、掩埋過程中產(chǎn)生的滲濾液進(jìn)入到土壤，也會導(dǎo)致土質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)的變化，達(dá)到一定程度下會危害土壤環(huán)境。

2 重金屬在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化

重金屬污染物進(jìn)入土壤后較難被土壤微生物所降解，容易被農(nóng)作物及植物吸收，通過食物鏈進(jìn)入人體和動物體內(nèi)，最終影響人體健康，因此重金屬污染具有較大的潛在性危害。

一般情況下重金屬元素在土壤中的形成可分為可溶態(tài)、可交換態(tài)和難溶態(tài)。土壤被污染時對農(nóng)作物和植被的危害主要與可溶態(tài)、可交換態(tài)重金屬有關(guān)。對于我國北方地區(qū)土地偏堿性，進(jìn)入土壤的可溶性重金屬多呈難溶態(tài)的金屬氫氧化物存在，出可以碳酸鹽和磷酸鹽的形態(tài)存在，其溶解度都相對比較小，導(dǎo)致土壤淋濾液中重金屬離子濃度也較低，其在土壤中的遷移速度也較緩慢。因此重金屬污染大部分殘留在土壤耕作層，極少向下層土壤遷移。

3 某建設(shè)項目排放重金屬對土壤環(huán)境的影響及預(yù)測

以某建設(shè)項目為例，利用AERMOD模型對項目排放重金屬元素(以Hg為例)影響區(qū)域為10×10km范圍的土壤進(jìn)行重金屬輸入及累積影響預(yù)測，表1給出重金屬污染物的年平均地面濃度及受影響面積。表2給出項目所在區(qū)域耕作層土壤(30cm)的背景值監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 某項目排氣筒排放重金屬年均預(yù)測濃度

表2 某項目所在區(qū)域不同采樣點的耕作土壤重金屬背景值

3.1 氣源性重金屬的輸入量確定

要分析氣源性重金屬對受影響區(qū)域內(nèi)耕作土壤的影響，首先要給出由于氣源性重金屬在土壤中的輸入量。重金屬在土壤中的輸入量以重金屬年均濃度和受影響面積的相鄰等值線面積的乘積來確定重金屬污染物沉積權(quán)重，根據(jù)廢氣排放量計算區(qū)域內(nèi)重金屬年輸入量。

根據(jù)氣源性重金屬年均地面濃度預(yù)測結(jié)果及受影響區(qū)域不同重金屬的濃度等值線，把區(qū)域內(nèi)受影響的土壤劃分為I-III個小區(qū)(或多個小區(qū))，統(tǒng)計相鄰等值線間的面積，假定每個小區(qū)內(nèi)的重金屬全部沉降在該區(qū)域耕作土壤中，以濃度(取高值)與面積的乘積計算出相應(yīng)區(qū)域內(nèi)重金屬輸入量權(quán)重，后根據(jù)重金屬排放量(Hg: 0.05t/a)計算不同小區(qū)內(nèi)表層土壤的年輸入量。

以上述方法估算重金屬在評價區(qū)范圍土壤中的輸入量，其前提條件為:假定沉降于最低年均濃度等值線范圍以外的重金屬全部沉降在最低年均濃度等值線以內(nèi)，因此采用該方法估算重金屬在土壤中的輸入量是保守估算。

據(jù)調(diào)查取當(dāng)?shù)赝寥辣韺雍穸?0cm，土壤密度取2650kg/m3，由此計算出廢氣排放對土壤重金屬污染物的年輸入量，結(jié)果詳見表3。

表3 某項目排放重金屬年輸入量

3.2 氣源性重金屬的累積量

重金屬在影響范圍內(nèi)土壤中的累積量采用土壤評價學(xué)中通用的預(yù)測公式，如下所述。

如區(qū)域土壤污染物的背景濃度為B(mg/kg)(本項目取三監(jiān)測點現(xiàn)狀監(jiān)測值的平均值)，重金屬的年輸入量為E(mg/kg)，重金屬在土壤中的年殘留率為K，則污染物一年后的累積量W為:W=K(B+E);一般情況下重金屬在土壤中不易淋溶，K值取0.9左右;本次估算取K值為0.95。

表4給出在項目運營1年、5年、10年、20年后，項目所在區(qū)域一定范圍內(nèi)土壤中重金屬的累積量Wn。

表4 項目所在區(qū)域一定時間內(nèi)重金屬累積量

4 預(yù)測過程中存在的不足及解決方案

(1)根據(jù)以上對氣源性重金屬在土壤中的累積量的預(yù)測，得出以下結(jié)果，即:隨著預(yù)測時間的延長，土壤中重金屬累積量呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，并遠(yuǎn)低于土壤背景值。如圖1所示。

(2)產(chǎn)生原因:造成以上結(jié)果的原因，作者認(rèn)為與污染物在土壤中累積量的預(yù)測公式存在不足所致，該預(yù)測公式將土壤重金屬的本底值同樣考慮了殘留率。

圖1 氣源性重金屬在土壤中的累積量隨時間變化曲線

我們知道，土壤中重金屬的來源是由成土母巖中含有的重金屬元素帶入的，而母巖風(fēng)化形成土壤需要幾萬年、幾百萬年的地質(zhì)年代，一般情況下土壤背景值會在一定時期內(nèi)維持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，即土壤中重金屬的輸入、輸出達(dá)到一個相對的平衡。因此該重金屬累積預(yù)測公式中對于背景濃度考慮衰減應(yīng)是一個不足之處。

(3)解決方案:在了解了預(yù)測結(jié)果存在的不足，即可以考慮對氣源性重金屬在土壤中的累積量預(yù)測公式進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)不考慮土壤中重金屬背景濃度的衰減時，原累積公式調(diào)整為:

氣源性重金屬一年后的累積量W為:W=B+KE;

5 調(diào)整公式后預(yù)測結(jié)果

在對氣源性重金屬累積公式進(jìn)行調(diào)整后，重新對某項目排放氣源性重金屬對土壤的影響進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果見表5。即隨著外來氣源性重金屬的輸入時間的延長，重金屬在土壤中的累積量逐步增加。如圖2所示。

表5 項目所在區(qū)域一定時間內(nèi)重金屬累積量(調(diào)整預(yù)測公式后)

圖2 氣源性重金屬在土壤中的累積量隨時間變化曲線(調(diào)整預(yù)測公式)

6 結(jié)論

(1)根據(jù)氣源性重金屬在土壤中的累積效果分析表明，當(dāng)考慮土壤中背景重金屬的衰減時，其預(yù)測結(jié)果往往不能準(zhǔn)確反映氣源性重金屬在土壤中的累積效果;

(2)由于土壤的形成時間與氣源性重金屬的輸入時間差異較大，建議在對土壤進(jìn)行氣源性重金屬輸入影響分析時，可以不考慮土壤背景中重金屬的衰減影響。