冶煉制造企業土壤重金屬含量變化及其污染風險評價

周向紅 王平山 王定華

摘要[目的]研究冶煉制造企業土壤重金屬含量變化及其污染風險評價。[方法]對湖南一冶煉制造企業廠區內土壤中的As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Sb、V、Zn等共9種重金屬含量進行調查。以湖南地方性土壤修復標準為背景值，運用單因子指數法、內梅羅綜合指數法對該冶煉制造企業生產區內深度為5～10、10～15? cm的土壤進行污染風險評價，并根據各重金屬毒性系數，對內梅羅綜合指數法進行改進。[結果]企業周邊均存在不同程度的綜合污染，并以污酸場、鋅1車間的土壤重金屬污染最為嚴重。被調查的土壤重金屬生態風險大部分處于嚴重污染狀態，土壤中 Zn、Cd、Pb等3個元素最為嚴重。[結論]該研究為土壤重金屬污染風險評價提供決策參考。

關鍵詞冶煉制造企業;重金屬;含量;污染;單因子指數法;內梅羅綜合指數法;風險評價

中圖分類號X53文獻標識碼A文章編號0517-6611（2019）01-0060-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

改革開放以來，我國工業發展迅猛，形成了大量以資源開采、冶煉和簡單加工等環節上的制造企業。由于過去偏重于發展規模和速度，質量不高、監管不嚴，同時企業環保技術水平有限、環保投資動力不足等情況下導致環境遭受重創。在資源的開采和冶煉制造過程中，粗放式的增長導致嚴重的生態環境問題，尾礦、廢渣、廢氣、廢水，使土壤、大氣、水體環境遭受污染[1-2]，如冶煉制造企業周邊的血鉛事件、鎘污染事件頻發等，過度采礦導致礦區周邊的地質地貌遭到破壞。環境中突出問題已得到黨和政府的重視，十九大報告明確提出，綠水青山就是金山銀山的理念，環境保護與治理提到更加重要的位置[3]。由于土壤重金屬的毒性、長期性、生物累積性，礦山、冶煉企業土壤重金屬污染及其風險評估問題已得到政府和學者的關注，成為社會熱點[4]。

現有學者主要針對土壤重金屬污染評價方法進行大量研究[5-14]。對土壤重金屬評價的基本方法有單因子指數法[5]、內梅羅綜合污染指數法[6];對生態風險評價主要有潛在生態危害指數法[1]。在內梅羅綜合指數法應用當中，通常采用簡單算術平均法，即考慮各重金屬元素的權重相同;而現實中，各重金屬元素的危害和影響程度不同，其權重應該具有差異性。基于此，Swaine[15]根據重金屬元素對環境的影響程度，將重金屬元素分成3類，即1類、2類、3類，并分別賦值為3、2、1作為權重，而其他賦權方法相對較少。因此，有必要根據重金屬元素的特點和性質構建綜合評價賦權的評價方法，以更好地反映土壤重金屬污染的實際情況。

湖南是有色金屬之鄉，大量礦山、冶煉制造企業的建設，是當地經濟發展的主要力量，但由于當時環保技術發展水平的局限性，導致許多重金屬無序外排，嚴重破壞了人們生存環境，產生了不良的社會影響[11-12]。筆者選擇湖南一大型冶煉制造企業廠區內土壤進行重金屬污染風險評估研究，為微觀區域重金屬治理提供科學的決策依據。

1資料與方法

1.1采樣點及監測因子通過對冶煉制造企業區域內土壤污染情況進行調研，結合研究需要，選取重金屬As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Sb、V和Zn作為監測因子。

此次監測以冶煉廠煙囪為中心，在其兩側平行線上每500 m布設一個采樣點進行采樣監測，共布設采樣點8 個，每個采樣點分2層，上層5～10? cm（采用-1表示），下層10～15? cm（采用-2表示）。該研究選擇污酸場（WS）、鉛冶煉車間（QY）、渣山場（ZS）、鉛原料區（QL）、鋅合金車間 （XH）、鋅電解-稀貴車間（XX）、鋅 Ⅰ 沸車間（XY）、鋅 Ⅱ 沸車間（XE）等8個重點區域（圖1）。采集土樣時，用鐵鍬將采樣點表層土挖開，用木片去除與鐵鍬接觸的部分土壤后，取5 cm 范圍內約 1 kg 土樣至自封袋。每個采樣點處按照梅花布點法（半徑為 20 m），采集 5 個土壤土樣制成一個混合土樣。每個混合樣品約取1 kg，多余部分四分法棄去。

《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166—2004）進行樣品制備、分析檢測、數據處理等。整個分析測定過程試驗中所用水均為去離子水，所采用的試劑均為優級純試劑，所用玻璃器皿均在10%硝酸中浸泡24 h以上。分析過程中采用試劑空白、平行雙樣、國家標準樣品進行質量保證和質量控制，且加標回收率為95%～105%。

1.3土壤重金屬污染評價方法

1.3.1冶煉制造企業土壤中的重金屬含量水平。

為了對該冶煉制造企業廠區內土壤中的重金屬含量水平進行分析，共設8個區域雙層16個采樣點，有針對性地選擇重要監測因子，主要有As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Sb、V和Zn。利用 ICP-MS 對采樣點的土壤樣品進行檢測，各采樣點重金屬的含量如表1所示。

1.3.2單因子污染指數法。單因子污染指數法是以土壤元素背景值為評價標準來評價重金屬元素的累積污染程度，其計算公式見式（1）：

Pi=Ci/SI（1）

式（1）中，Pi為i重金屬元素的污染指數;Ci為重金屬含量實測值;SI為土壤環境質量標準值。土壤重金屬背景值選用湖南省地方性標準《重金屬污染場地土壤修復標準》（DB43/T1125—2016）中的商業用地作為土壤污染的評價標準，具體數據見表2。

若Pi ≤1.0，則重金屬含量在土壤背景值含量之內，土壤未受到人為污染;若Pi>1.0，則重金屬含量已超過土壤背景值，土壤已受到人為污染，指數越大則表明土壤重金屬累積污染程度越高，具體見表3。單因子污染指數模型只能分別反映各個污染物的污染程度，不能全面、綜合地反映土壤的污染程度，因此這種方法僅適用于單一因子污染特定區域的評價。

1.3.3綜合污染指數法。內梅羅綜合污染指數法全面反映各種重金屬對土壤的不同作用，突出高濃度重金屬對土壤環境質量的影響。單因子指數只能反映各個重金屬元素的污染程度，不能全面地反映土壤的污染狀況，而綜合污染指數兼顧了單因子污染指數平均值和最高值，可以突出污染較重的重金屬污染物的作用。綜合污染指數計算方法如式（2）：

Pz=2（）2+Pimax22（2）

式（2）中，Pz是采樣點的綜合污染指數;Pimax為i采樣點重金屬污染物單項污染指數中的最大值;=1nni=1Pi為單因子指數平均值，n為重金屬種類數。綜合污染指數評價等級標準見表3。

1.3.4基于重金屬毒性系數改進的綜合污染評價方法。由于不同重金屬對土壤環境、生態環境的影響不同，采用加權計算法來求平均值比較合適，改進后公式如式（3）：

=ni=1wiPi/ni=1wi（3）

對于權重w的確立，可依據重金屬對環境的影響程度。該研究主要采用各重金屬的毒性系數來確定各重金屬元素的權重[16]，則As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Sb、V、Zn的權重分別為10、30、2、5、1、5、5、2、1。

2結果與分析

2.1單因子指數法評價結果

采用單因子指數法對該冶煉制造企業廠區內土壤重金屬進行污染評價，評價結果如表4所示。由表4可知，該企業土壤中重金屬Cr、V、Mn等的污染指數均值都低于0.7，屬于清潔水平。其余指標的污染指數均大于3，達到了重污染程度，屬于嚴重污染水平。從單個污染指數來看，其余6個重金屬元素的污染指數均值從大到小依次為Zn、Cd、Pb、As、Cu、Sb。

表4中數據結果顯示，重金屬As的Pi值為0.71～65.71，均值為11.91，XH-1輕度污染、QY較清潔，XE中度污染，其他各點的Pi值大部分大于3，屬于嚴重污染。Cd的Pi值為1.00～125.00，跨度大，均值為20.32，大于3.00，屬于嚴重污染水平。QY采樣點Pi值相對較小，屬于輕度污染。Cr的 Pi值為0.08～0.30，均值為0.17，小于0.70，屬于清潔水平，無此重金屬污染。Cu的Pi值為0.08～19.40，跨度較大，均值為3.12，大于3.00，屬于嚴重污染。Mn的Pi值為0.05～4.94，均值為0.63，小于0.70，屬于清潔水平，主要WS采樣點的Pi值大于3.00，屬于嚴重污染，其余采樣點均低于0.70。Pb的Pi值為0.23～67.83，跨度較大，均值為14.20，大于3.00，屬于嚴重污染;QL、XH、XX和XE的Pi都小于2.00，均在輕度污染以下。Sb的Pi值為0.10～18.33，均值為3.11，略大于3.00，屬于嚴重污染;只有WS、XY的Pi值大于3.00外，其余均小于2.00，在輕度污染以下。V的Pi值為0.16～0.76，均值為0.43，小于0.70，屬于清潔水平。Zn的Pi值為0.81～417.14，均值為75.25，遠大于3.00，屬于嚴重污染水平，只有QL采樣點Pi值小于2.00，屬于輕度污染。

從各重金屬污染值的分布情況來看，重金屬元素Zn在2個采樣區的污染風險評價值高，最高達417.14。

2.2綜合污染指數評價結果

利用內梅羅綜合污染指數法對該冶煉制造企業廠區內土壤進行評價，評價結果如表5所示。從8個采樣點，每個采樣點5～10、10～15 cm兩層土壤重金屬的綜合污染評價指數（Pz）來看，QY上下兩層Pz值分別小于1.00和2.00，在輕度污染以下;XH的下層土壤Pz小于2.00，屬于輕度污染;其余各點Pz在4.11～297.76。從整體采樣點來看，綜合污染指數均值為54.78，遠大于重污染程度污染指數3.00，屬于嚴重污染水平。

2.3基于重金屬毒性系數改進的綜合污染指數評價結果

在式（2）中，采用簡單算術平均，其前提是假設各重金屬元素的權重是一樣的，而沒有考慮重金屬元素的差異。由于不同重金屬對土壤環境、生態環境的影響不同，采用加權計算法來求平均值比較合適，改進如式（3）。據此計算得到各采樣點的綜合污染指數Pz，如表6 所示。從表中數據看，與“2.2”的計算值相近。

從圖2可直觀看出，重金屬毒性系數改進前后2種結果具有一致性，且WS和XY是污染風險高的區域。這是由于毒性系數大（權重大）的鎘與砷的含量相對小，其他元素鋅的含量相對大，但其毒性系數小（權重小），從而導致結果未有明顯差異。

3結論

該研究選取湖南省一典型冶煉制造企業為研究區域，調查了該廠區內土壤重金屬的污染狀況，并采用不同污染評價方法進行了評價。結果表明，該區域大部分采樣點的土壤已經受到重金屬嚴重污染，污染的重點區域是污酸廠、鋅 Ⅰ 車間等2個區域，廠內污染嚴重的是Zn、Cd和Pb等3種重金屬元素。從綜合污染指數評價方法來看，該研究2種平均方

法具有一致性，采用毒性系數來反映重金屬污染權重更加科學合理。

結合該制造企業歷史來看，由于制造企業從事鉛鋅冶煉長達數十年，在多年生產中，土壤中重金屬元素不斷累積，已造成當前嚴重污染局面，評價結果也印證了其重金屬污染的嚴重程度。

根據評價結果，因地制宜，采用高分子材料吸附固定或重新收集再制造等不同治理路線，有針對性地開展重金屬土壤治理，以達到環境標準要求，提升土地利用價值，創建良好的生態環境。

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