承德市某鐵尾礦庫周邊典型污染源評價

河北工程大學能源與環境工程學院 孫也

一、前言

鐵尾礦庫是在鐵礦石的開采過程中以及對礦石的洗選過程中產生排放的廢水、廢礦渣等逐漸堆積而成的廢渣壩的統稱。這一特殊的礦產產物占地面積相對較大，絕大部分的尾礦渣顆粒直徑相對較小，在大氣環境中的長期暴露，很容易發生氧化分解反應。另外受浮選過程中化學試劑的影響，鐵尾礦庫礦渣內部的重金屬元素含量呈現出一種明顯上升的趨勢。由于長時間的自然降水和風化等對礦渣的淋溶作用，重金屬元素很容易遷移到鐵尾礦庫周邊的土壤，并逐漸累積，從而使得土壤原有的理化性質發生改變，不但會使農作物產品質量遭到重大影響，而且重金屬元素也會通過自然界中的生態食物鏈在人體內逐漸累積，當人體重金屬超標時會出現各種疾病，對人體健康產生危害。本文針對承德市某鐵尾礦庫周圍土壤作為研究對象，檢測尾礦庫周圍的土樣的重金屬含量和pH值，采用四種評價方法對研究周圍土壤重金屬的污染程度進行一系列的評價，以便為當地鐵尾礦庫重金屬污染的有效防治提供參考。

二、研究區自然概況

研究區地處承德市西部的灤平縣，處于溫帶—暖溫帶半濕潤氣候區，是一個四季如春、干旱、夏天多雨的溫暖地區，全年降雨量以6-9月為主，平均降水量為584.2毫米，最大年降水量813.5毫米，最大日降水量142.8毫米。年平均蒸發量為1588.6毫米，最大蒸發量1671.6毫米。年相對濕度52-61%，年平均氣溫6.0℃，最高氣溫38.9℃，最低氣溫-25.4℃/秒。在冬季，多為西北風，夏天多為東南風，每秒平均速度1.4m，最高時速20m。在每年的十二月和三月底，最大的凍層厚度為95cm，每年的平均無霜時間為154.4個小時。

該礦區目前有兩座尾礦庫，尾礦渣中主要含有的金屬礦物為：黃礦石、鈦磁鐵礦、褐鐵礦、鈦鐵礦和微量的黃銅礦，非金屬礦物主要含有橄欖石、黑云母、角閃石、輝石、綠泥石以及微量的石英、楣石磷灰石等物質。兩個尾礦庫運行較久，在灤平縣尾礦庫公示中顯示已經停止運行。

三、研究方法與內容

（一）樣品的采集與檢測

為掌握典型礦產固廢對周邊土壤的影響，本研究采集了尾礦庫周邊100m以內的土壤樣品。根據一系列規范如：《土壤環境監測的技術規范》（HJ/T166-2004）及尾礦庫周圍實際情況，指定一個適宜的土壤布點和采集方案，以兩個尾礦庫的中心放射性布點，在地表水徑流的方向以及當地主導風向的方向上適當地增加采樣點的數量。總計10個表層的土樣，采樣的深度為0厘米到20厘米分別標號為R1-R10。在土壤樣品采集完成之后，需要使用聚乙烯材質的塑膠袋進行密封包裝，隨后使用牛皮紙在實驗室內部進行自然風干、磨碎處理，過100目篩后儲存備用。

采集的土壤樣品中需檢測的重金屬為Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Hg、As以及土壤樣品的pH值。其中 Ni、Cr、Cd、Cu、Zn、Pb 采用電感耦合等離子體質譜法、As和Hg采用原子熒光光譜法、pH值采用上海儀電科學儀器股份有限公司的雷磁pHS-25進行測定。

（二）生態風險評價方法

為了準確地了解尾礦庫周圍土壤重金屬污染情況，有很多種評價方法，本研究選擇了四種常規且簡單的方法對承德市某鐵尾礦庫周圍的土壤中的重金屬污染進行了評價與分析。

1.單項污染指數法

單項污染指數法是國內外最常用的一種方法，也是一種相對于其他評價方法中比較簡單的方法。這個評價方法只能反映出單個重金屬對研究區土壤的污染狀況，如果想要全面地清楚地反映出土壤總體的污染程度，需要與其他評價方法相結合。

其計算公式為：

表1 單因子指數法污染等級

表2 內梅羅指數污染等級

表3 地質累積指數污染等級

表4 潛在生態風險系數和綜合潛在生態風險指數污染等級

其中:Pi—第i種重金屬單項污染指數；Ci—采樣點的真實值；

C0—污染物的背景值

2.內梅羅污染指數法

內梅羅污染指數法起源于數學模型，該方法既有極值，也有突出最大值的權重多因素環境質量的一中評價方法。同時也是國內與國外進行概括評價的方法之一。它的計算公式如下：

其中：Pn—監測點綜合污染指數；Pi—第i種參數的單項污染指數；

maxPi—監測點中所有評價污染物單項指數的最大值

3.地質積累指數法

地質積累法是由德國的Muller提出用來檢測水環境沉積物重金屬元素污染情況的一種評價方法。它的計算公式為：

其中：Igeo—地質累積指數;

Ci—監測點的實測值；

C0—污染物的背景值

4.潛在生態危害指數法

1980年瑞典科學家Hakanson首次提出了潛在生態危害指數法，它是現在最常用的一種評價方法。該方法不僅反映出了單個污染因子對周邊環境的影響，同時也同樣的反映出了多種污染因子對周邊環境的綜合影響效應。其計算公式為：

其中：Ei—重金屬潛在生態危害系數；Ti—重金屬的毒性響應系數；

Ri—多種重金屬生態危害指數；Ci—監測點的實測值；

C0—污染物的背景值

四、結果與討論

（一）供試樣品檢測結果

研究區周圍土壤重金屬的含量和pH值統計結果見如下表5。從表5中不難看出研究區域的pH值的范圍為7.57-7.94，呈現出弱堿性。承德市某鐵尾礦庫周圍土壤重金屬的平均含量從大到小依次是 Cr＞ Zn＞ Ni＞ Cu，Cr、Ni、Cu、Zn含量范圍為170.0-184.0mg/kg、53.20-69.70mg/kg、55.40-60.00mg/kg、80.04-85.5mg/kg，平均值為175.00、82.95、61.45、57.70mg/kg， 分別為河北省土壤背景值的2.56、1.05、1.99和2.65倍，呈現出一定的積累效應。對于其他的重金屬而言，含量均小于河北省土壤背景值。故研究重金屬評價污染時只針對Cr、Ni、Cu、Zn，其它重金屬不存在對尾礦庫周邊土壤的污染情況。

表5 研究區土壤中重金屬含量及pH值的分析結果（單位：mg/kg）

（二）風險評價結果分析

1.單項污染指標評價

通過單項污染指標評價方法對尾礦庫周圍土壤的重金屬的污染情況進行評價分析，用河北省土壤重金屬的背景值為參照依據，計算出每個重金屬的污染級別見表6。四種重金屬的單項污染指數平均值依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，結果顯示重金屬Cu和Cr達到了中度污染，而Ni和Zn達到了輕度污染。其他的重金屬元素未達到河北省土壤的背景值，為清潔或是尚清潔的污染程度不在考慮范圍內。

表6 研究區土壤中重金屬單項污染指標評價指數（Pi值）

2.內梅羅污染指數評價

根據內梅羅污染指數的評價方法對尾礦庫周圍土壤的重金屬進行評價分析見表7。四種重金屬的內梅羅污染指數大小依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，結果顯示Cu、Cr、Ni達到了中度污染，而Zn達到了輕度污染，這與單項污染指標評價方法基本保持一致。根據內梅羅污染指數顯示，土壤樣品中的重金屬含量只有極少部分出現了中度污染，其他重金屬的污染程度為輕度污染局部清潔或清潔，表明研究區域的重金屬污染情況較好。

表7 研究區土壤中重金屬內梅羅污染指數（Pn值）

3.地質積累指數評價

根據地質累積指數方法對承德市某鐵尾礦庫周圍土壤的重金屬污染程度進行分析，計算出每個重金屬元素樣品的地累積指數如表8。四種重金屬元素的地累積指數平均值大小依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，結果顯示Cr和Cu達到了1級輕度污染，Ni和Zn以及其他未計算的重金屬元素達到了0級未污染。由地質累積指數評價看出，尾礦庫周圍土壤中的重金屬并未受到嚴重的污染，只有Cr和Cu達到了輕度污染。

表8 研究區土壤中重金屬地質累積指數（Igeo值）

4.潛在生態危害指數評價

潛在生態危害指數Ri值是所有單個重金屬潛在生態系數Ei值的總和，所以在運用潛在生態危害指數法對該尾礦庫周圍土壤的重金屬進行評價與分析時，需要考慮包括Cr、Ni、Cu和Zn在內的所有被檢測出重金屬元素（Cd、Pb、Hg、As）。所有檢測出單個重金屬的潛在生態危害系數Ei如下表9所示。

通過表9不難看出八種重金屬元素的潛在生態危害系數的大小依次是Cd＞Cu＞Ni＞Cr＞As＞Pb＞Zn＞Hg，八種重金屬的污染程度均為輕微生態危害。土壤中多種重金屬生態危害指數Ri為56.90，遠遠小于輕微生態危害的上限值。該尾礦庫周圍土壤重金屬污染情況為輕微生態危害，污染情況較好。

表9 研究區土壤中重金屬潛在生態風險系數（Ei值）

五、結論

（1）承德市某鐵尾礦庫周圍土壤重金屬的平均含量的排序為Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞ Cd＞ Hg， 其 中 Cr、Zn、Ni、Cu平均含量超出了河北省土壤背景值，分別是河北省土壤背景值的2.56、1.05、1.99和2.65倍，呈現一定的累積效應。

（2）單項污染指標和內梅羅污染指數評價分析表明：四種超標重金屬污染指數平均值依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn。結果顯示Cu、Cr、Ni達到了中度污染，而Zn達到了輕度污染，單項污染指標評價方法和內梅羅污染指數評價結果基本保持一致。

（3）地質積累指數評價分析表明：四種重金屬元素的地累積指數平均值大小依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，結果顯示Cr和Cu達到了1級輕度污染，Ni和Zn以及其他未計算的重金屬元素達到了0級未污染。

（4）潛在生態危害指數評價分析表明：八重金屬元素的潛在生態危害系數的大小依次是Cd＞Cu＞Ni＞Cr＞As＞Pb＞Zn＞Hg，每個重金屬的污染程度均為輕微生態危害。土壤中八種重金屬生態危害指數Ri值為56.90，遠遠小于輕微生態危害的上限值150。每種評價方法都有各自的特點以及評價的側重點，評價結果所強調的內容也必然存在著差異性。通過對四種評價方法進行比較分析，地質累積指數法更適合該研究的土壤的污染評價，因為其運算較為簡單，并且考慮因素較多，更適合對土壤重金屬進行評價。綜合四種評價方法的結果來看，Cu和Cr污染較為嚴重，Ni和做Zn以及其他的重金屬元素污染較輕甚至無污染。