承德市某铁尾矿库周边典型污染源评价

河北工程大学能源与环境工程学院 孙也

一、前言

铁尾矿库是在铁矿石的开采过程中以及对矿石的洗选过程中产生排放的废水、废矿渣等逐渐堆积而成的废渣坝的统称。这一特殊的矿产产物占地面积相对较大，绝大部分的尾矿渣颗粒直径相对较小，在大气环境中的长期暴露，很容易发生氧化分解反应。另外受浮选过程中化学试剂的影响，铁尾矿库矿渣内部的重金属元素含量呈现出一种明显上升的趋势。由于长时间的自然降水和风化等对矿渣的淋溶作用，重金属元素很容易迁移到铁尾矿库周边的土壤，并逐渐累积，从而使得土壤原有的理化性质发生改变，不但会使农作物产品质量遭到重大影响，而且重金属元素也会通过自然界中的生态食物链在人体内逐渐累积，当人体重金属超标时会出现各种疾病，对人体健康产生危害。本文针对承德市某铁尾矿库周围土壤作为研究对象，检测尾矿库周围的土样的重金属含量和pH值，采用四种评价方法对研究周围土壤重金属的污染程度进行一系列的评价，以便为当地铁尾矿库重金属污染的有效防治提供参考。

二、研究区自然概况

研究区地处承德市西部的滦平县，处于温带—暖温带半湿润气候区，是一个四季如春、干旱、夏天多雨的温暖地区，全年降雨量以6-9月为主，平均降水量为584.2毫米，最大年降水量813.5毫米，最大日降水量142.8毫米。年平均蒸发量为1588.6毫米，最大蒸发量1671.6毫米。年相对湿度52-61%，年平均气温6.0℃，最高气温38.9℃，最低气温-25.4℃/秒。在冬季，多为西北风，夏天多为东南风，每秒平均速度1.4m，最高时速20m。在每年的十二月和三月底，最大的冻层厚度为95cm，每年的平均无霜时间为154.4个小时。

该矿区目前有两座尾矿库，尾矿渣中主要含有的金属矿物为：黄矿石、钛磁铁矿、褐铁矿、钛铁矿和微量的黄铜矿，非金属矿物主要含有橄榄石、黑云母、角闪石、辉石、绿泥石以及微量的石英、楣石磷灰石等物质。两个尾矿库运行较久，在滦平县尾矿库公示中显示已经停止运行。

三、研究方法与内容

（一）样品的采集与检测

为掌握典型矿产固废对周边土壤的影响，本研究采集了尾矿库周边100m以内的土壤样品。根据一系列规范如：《土壤环境监测的技术规范》（HJ/T166-2004）及尾矿库周围实际情况，指定一个适宜的土壤布点和采集方案，以两个尾矿库的中心放射性布点，在地表水径流的方向以及当地主导风向的方向上适当地增加采样点的数量。总计10个表层的土样，采样的深度为0厘米到20厘米分别标号为R1-R10。在土壤样品采集完成之后，需要使用聚乙烯材质的塑胶袋进行密封包装，随后使用牛皮纸在实验室内部进行自然风干、磨碎处理，过100目筛后储存备用。

采集的土壤样品中需检测的重金属为Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Hg、As以及土壤样品的pH值。其中 Ni、Cr、Cd、Cu、Zn、Pb 采用电感耦合等离子体质谱法、As和Hg采用原子荧光光谱法、pH值采用上海仪电科学仪器股份有限公司的雷磁pHS-25进行测定。

（二）生态风险评价方法

为了准确地了解尾矿库周围土壤重金属污染情况，有很多种评价方法，本研究选择了四种常规且简单的方法对承德市某铁尾矿库周围的土壤中的重金属污染进行了评价与分析。

1.单项污染指数法

单项污染指数法是国内外最常用的一种方法，也是一种相对于其他评价方法中比较简单的方法。这个评价方法只能反映出单个重金属对研究区土壤的污染状况，如果想要全面地清楚地反映出土壤总体的污染程度，需要与其他评价方法相结合。

其计算公式为：

表1 单因子指数法污染等级

表2 内梅罗指数污染等级

表3 地质累积指数污染等级

表4 潜在生态风险系数和综合潜在生态风险指数污染等级

其中:Pi—第i种重金属单项污染指数；Ci—采样点的真实值；

C0—污染物的背景值

2.内梅罗污染指数法

内梅罗污染指数法起源于数学模型，该方法既有极值，也有突出最大值的权重多因素环境质量的一中评价方法。同时也是国内与国外进行概括评价的方法之一。它的计算公式如下：

其中：Pn—监测点综合污染指数；Pi—第i种参数的单项污染指数；

maxPi—监测点中所有评价污染物单项指数的最大值

3.地质积累指数法

地质积累法是由德国的Muller提出用来检测水环境沉积物重金属元素污染情况的一种评价方法。它的计算公式为：

其中：Igeo—地质累积指数;

Ci—监测点的实测值；

C0—污染物的背景值

4.潜在生态危害指数法

1980年瑞典科学家Hakanson首次提出了潜在生态危害指数法，它是现在最常用的一种评价方法。该方法不仅反映出了单个污染因子对周边环境的影响，同时也同样的反映出了多种污染因子对周边环境的综合影响效应。其计算公式为：

其中：Ei—重金属潜在生态危害系数；Ti—重金属的毒性响应系数；

Ri—多种重金属生态危害指数；Ci—监测点的实测值；

C0—污染物的背景值

四、结果与讨论

（一）供试样品检测结果

研究区周围土壤重金属的含量和pH值统计结果见如下表5。从表5中不难看出研究区域的pH值的范围为7.57-7.94，呈现出弱碱性。承德市某铁尾矿库周围土壤重金属的平均含量从大到小依次是 Cr＞ Zn＞ Ni＞ Cu，Cr、Ni、Cu、Zn含量范围为170.0-184.0mg/kg、53.20-69.70mg/kg、55.40-60.00mg/kg、80.04-85.5mg/kg，平均值为175.00、82.95、61.45、57.70mg/kg， 分别为河北省土壤背景值的2.56、1.05、1.99和2.65倍，呈现出一定的积累效应。对于其他的重金属而言，含量均小于河北省土壤背景值。故研究重金属评价污染时只针对Cr、Ni、Cu、Zn，其它重金属不存在对尾矿库周边土壤的污染情况。

表5 研究区土壤中重金属含量及pH值的分析结果（单位：mg/kg）

（二）风险评价结果分析

1.单项污染指标评价

通过单项污染指标评价方法对尾矿库周围土壤的重金属的污染情况进行评价分析，用河北省土壤重金属的背景值为参照依据，计算出每个重金属的污染级别见表6。四种重金属的单项污染指数平均值依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，结果显示重金属Cu和Cr达到了中度污染，而Ni和Zn达到了轻度污染。其他的重金属元素未达到河北省土壤的背景值，为清洁或是尚清洁的污染程度不在考虑范围内。

表6 研究区土壤中重金属单项污染指标评价指数（Pi值）

2.内梅罗污染指数评价

根据内梅罗污染指数的评价方法对尾矿库周围土壤的重金属进行评价分析见表7。四种重金属的内梅罗污染指数大小依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，结果显示Cu、Cr、Ni达到了中度污染，而Zn达到了轻度污染，这与单项污染指标评价方法基本保持一致。根据内梅罗污染指数显示，土壤样品中的重金属含量只有极少部分出现了中度污染，其他重金属的污染程度为轻度污染局部清洁或清洁，表明研究区域的重金属污染情况较好。

表7 研究区土壤中重金属内梅罗污染指数（Pn值）

3.地质积累指数评价

根据地质累积指数方法对承德市某铁尾矿库周围土壤的重金属污染程度进行分析，计算出每个重金属元素样品的地累积指数如表8。四种重金属元素的地累积指数平均值大小依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，结果显示Cr和Cu达到了1级轻度污染，Ni和Zn以及其他未计算的重金属元素达到了0级未污染。由地质累积指数评价看出，尾矿库周围土壤中的重金属并未受到严重的污染，只有Cr和Cu达到了轻度污染。

表8 研究区土壤中重金属地质累积指数（Igeo值）

4.潜在生态危害指数评价

潜在生态危害指数Ri值是所有单个重金属潜在生态系数Ei值的总和，所以在运用潜在生态危害指数法对该尾矿库周围土壤的重金属进行评价与分析时，需要考虑包括Cr、Ni、Cu和Zn在内的所有被检测出重金属元素（Cd、Pb、Hg、As）。所有检测出单个重金属的潜在生态危害系数Ei如下表9所示。

通过表9不难看出八种重金属元素的潜在生态危害系数的大小依次是Cd＞Cu＞Ni＞Cr＞As＞Pb＞Zn＞Hg，八种重金属的污染程度均为轻微生态危害。土壤中多种重金属生态危害指数Ri为56.90，远远小于轻微生态危害的上限值。该尾矿库周围土壤重金属污染情况为轻微生态危害，污染情况较好。

表9 研究区土壤中重金属潜在生态风险系数（Ei值）

五、结论

（1）承德市某铁尾矿库周围土壤重金属的平均含量的排序为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，分别是河北省土壤背景值的2.56、1.05、1.99和2.65倍，呈现一定的累积效应。

（2）单项污染指标和内梅罗污染指数评价分析表明：四种超标重金属污染指数平均值依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn。结果显示Cu、Cr、Ni达到了中度污染，而Zn达到了轻度污染，单项污染指标评价方法和内梅罗污染指数评价结果基本保持一致。

（3）地质积累指数评价分析表明：四种重金属元素的地累积指数平均值大小依次是Cu＞Cr＞Ni＞Zn，结果显示Cr和Cu达到了1级轻度污染，Ni和Zn以及其他未计算的重金属元素达到了0级未污染。

（4）潜在生态危害指数评价分析表明：八重金属元素的潜在生态危害系数的大小依次是Cd＞Cu＞Ni＞Cr＞As＞Pb＞Zn＞Hg，每个重金属的污染程度均为轻微生态危害。土壤中八种重金属生态危害指数Ri值为56.90，远远小于轻微生态危害的上限值150。每种评价方法都有各自的特点以及评价的侧重点，评价结果所强调的内容也必然存在着差异性。通过对四种评价方法进行比较分析，地质累积指数法更适合该研究的土壤的污染评价，因为其运算较为简单，并且考虑因素较多，更适合对土壤重金属进行评价。综合四种评价方法的结果来看，Cu和Cr污染较为严重，Ni和做Zn以及其他的重金属元素污染较轻甚至无污染。