山西省某焦化厂周边土壤中重金属污染评价及特征分析

陈润甲 田艳梅 张钧 陈星 曹素珍

摘    要：为评估焦化厂表层土壤重金属污染的风险，以山西省某焦化厂为研究对象，分析了厂区周围13个点位土壤样品中7 种重金属元素（Cd、Zn、Pb、Cu、As、Cr、Ni）含量。依据有关标准，利用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险评价指数法对土壤污染程度进行了评价。结果表明：研究区域土壤中各重金属含量均超出山西省土壤背景值，超标率为100%，研究区域表层土壤中存在重金属复合污染问题，且As、Cd和Cu污染比较严重。利用单因子污染指数、内梅罗综合污染指数进行风险分析，结果表明7种重金属危害程度大小为As>Cu>Cd>Pb>Cr>Zn>Ni。13个采样点位中As为主要污染因子，As的单因子污染指数平均值为5.66，土壤污染程度为中重度污染，具有较高的风险性;潜在生态风险评价结果同样显示重金属Cd和As具有较强的潜在生态风险。该焦化厂应着重关注As、Cr和Cu三种重金属的后续修复问题，进一步采取措施以减少重金属污染带来的危害。

关键词：焦化厂;土壤;重金属污染;风险评价

中图分类号：X825          文献标识码：A         DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.06.019

Abstract： To evaluate the risk of heavy metals pollution in the surface soil of a coking plant in Shanxi Province， the contents of 7 heavy metal elements （Cd， Zn， Pb， Cu， As， Cr， Ni） in 13 soil samples around the plant were analyzed. According to the relevant standards， three different risk assessment methods， including single factor pollution index， Nemerow comprehensive pollution index and potential ecological risk index were used to investigate the pollution characteristics.  The results showed that the content of heavy metals in the soil of the study area exceeded the background value of the soil in Shanxi Province， and the rate of exceeding the standard was 100%. There was the problem of compound pollution of heavy metals in the surface soil of the study area， and the pollution of As， Cd and Cu was serious. The single-factor pollution index and Nemero comprehensive pollution index were used for risk analysis， the results showed that the damage degree of seven heavy metals was As>Cu>Cd>Pb>Cr>Zn>Ni. Among the 13 sampling points， As is the main pollution factor， and the average value of single factor pollution index was 5.66. The degree of soil pollution was moderate to severe pollution， which had high risk. Meanwhile， the result of potential ecological risk index demonstrated that Cd and As had strong potential ecological risk. The coking plant should pay more attention to the follow-up remediation of As， Cr and Cu， and take further measures to reduce the harm of heavy metal pollution.

Key words： coking plant; soil; heavy metal pollution; risk assessment

近年来，随着我国工业的快速发展，一系列环境污染问题层出不穷，其中，重金属污染事件发生的概率极高。土壤是人类健康和谐繁衍的重要环境，土壤质量的好坏直接关系到各种以土壤为生长基质的农产品质量安全和人类的生命健康[1-2]。然而，我国土壤状况令人堪忧，工矿业废弃地问题突出[3]，开展典型遗留场地土壤调查，了解典型企业周边土壤污染程度与特征，对土壤污染防治具有重要意义。我国是世界上第一大焦炭生产国，2018 年，全国焦炭产量累计为4.38 亿t[4]。焦炭生产过程中产生大量含有重金属、多环芳烃、氰化物、总石油烃等污染物的废水、废气、废渣，大量重金属可通过干湿沉降或地表径流等过程进入土壤、水体等环境介质中，最终经过食物链富集进入人体从而对人体健康带来危害[4-5]。山西是一个煤炭大省，煤炭焦化产业近年来发展迅速[6]，在带动经济社会发展的同时，也给周边生态环境带来严重的污染。He Q S等[7]研究发现山西省焦化企业的生产排放是华北地区空气挥发性有机污染物污染的重要来源;张荣海等[8]分析了不同功能场地土壤重金属的垂直分布规律，研究结果为焦化厂煤场土壤由于長年直接裸露于煤堆下，在雨水淋滤、土壤吸附阻滞等综合作用下，其表层重金属As、Cr、Cd和Pb 等含量均高于底层土壤。然而，当前针对焦化厂污染物的研究多集中于多环芳烃、总石油烃等有机污染物[9-11]，鲜有针对焦化厂重金属的污染特征及程度进行系统分析。因此，本研究以山西省某焦化厂为代表性研究区域，采集焦化厂土壤样品，研究了7种重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As在土壤中的含量和污染程度，并应用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险评价法对重金属的污染情况进行风险评价，以期为类似土壤污染风险、修复治理及再利用提供前期参考和依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本研究所选焦化企业位于山西省某镇，是中国最大的焦化厂之一，主要产品为焦炭、煤气和煤焦油等。焦化厂周围有住宅区、小学和农田。研究区域属温带大陆性季风气候，冬夏长、春秋短、雨热同步、光照充足、南北气候差异显著。年平均气温介于4.2～14.2 ℃之间，年平均降水量介于358～621 mm之间。除该焦化厂外，该地区无其他大型企业，无高速公路且车流量较少。

1.2 样品采集

根据焦化厂污染特征，按照网格布点法和分区布点法结合采样，在煤场、硫酸罐区、综合罐区、焦炉区等各功能分区设置采样单元，每个采样单元200 m×200 m范围内，按“梅花形”布设采样点，采集（0～20 cm）表层土壤1 kg，共分布13个点，采样过程按照《土壤环境监测技术规范》（ HJ /T 166—2004）[12]等要求进行。样品装入聚乙烯自封袋中带回实验室备用。

1.3 样品处理与重金属含量分析

土壤样品置于阴凉、通风处完全风干，去除石子、砂砾等杂质后经玛瑙研钵研磨过2 mm尼龙筛，之后取少量土样研磨通过100目尼龙筛，用于土壤样品重金属的分析。土壤样品的消解按照《土壤和沉积物金属元素总量的消解微波消解法》[13]中的要求进行。重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni利用电感耦合等离子体质谱仪（CP-MS，Agilent， 7500a）测定，As利原子荧光分光光度计（吉天，AFS-8230）测定。每个土壤样品重复3次，全程做空白试验，并通过土壤标准物质进行质量控制。

1.4 土壤评价标准与方法

根据焦化厂所在地周边土地所属类型，此次评价标准采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）。分别采用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险指数法评价各样点土壤中不同重金属及各个监测点位的污染程度。

单因子污染指数[14]是重金属污染物的实测浓度与该污染物的评价标准的比值，用于确定单个重金属的污染情况。单项污染指数可以直观的反映环境介质中各个重金属的污染水平，公式见1：

式中，Ci r —重金属i的富集系数;Ci实   测—重金属i的实测含量（mg·kg-1）;Ci n —重金属i的评价参考值（mg·kg-1），Ei r —重金属i的潜在生态风险指数;T   i  r  —毒性系数，反映重金属i的毒性水平以及生物对其污染的敏感程度，RI—综合生态风险指数。重金属毒性系数值见表3，潜在生态风险评价指标见表4。

1.5 数据处理

土壤重金属含量分析与统计采用软件Excel 2016、SPSS 22.0处理。

2 结果与分析

2.1 焦化厂土壤重金属含量情况

研究区土壤重金属含量如表5所示。7种重金属含量大小为：Cr>Cu>Zn>As>Ni>Pb>Cd，7种重金属的平均值均超过山西省土壤背景值，且分别超标1.64，1.47，3.21，1.09，2.97，1.05，5.66倍，超标率达100%。根据《土壤环境质量标准农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018），Cr，Cd、As最大值含量均超过筛选值标准，分别达到标准值的1.4、2和14.4倍，其中As的平均值含量超过筛选值标准1.7倍，因此，研究区域表层土壤中存在重金属复合污染问题，其中As、Cd和Cr污染比较严重。

2.2 土壤重金属污染程度评价

2.2.1 单因子污染指数和内梅罗综合污染指数评价 本研究采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对研究区土壤重金属污染程度进行评价，具体结果见表6，根据单因子污染指数法评级标准，7种重金属中，Cu、Cd和As的污染程度为重度污染，Pb、Cr、Zn、Ni四种重金属的污染程度为轻度污染，在13个采样点位中，Cu无安全点位，重度和中度污染点位分别占69.2%和30.7%，Cd的重度污染点位占30.7%，As的安全点位占比23.1%，轻度、中度和重度污染点位分别占15.4%，38.5%和23%。7种重金属中Zn和Ni的单因子污染指数平均值分别为1.09和1.05，相比其他重金属来说，污染程度较低。而从内梅罗综合污染指数PN可以看出，综合污染指数在研究区域内1～13号点位的变化范围为2.01～34.18，重度污染率为38.5%，表明本研究区域污染程度较为严重，且为复合型污染，应着重关注As、Cd和Cu三种重金属的复合污染。

2.2.2 潜在生态风险指数评价 以山西省土壤背景值为评价参考值，得出焦化厂7种重金属的潜在生态评价指数和综合生态风险指数如表7所示。从表中Ei r 值可知，单个重金属中，各個点位的Cd生态风险指数均在40以上，存在较高的潜在生态风险;其中1、2、3、4、6、7、10七个点位生态风险指数超过80，具有较强的潜在生态风险;第3个点位中As的Ei r 值为476.23，存在极强的生态风险，除此之外其他点位As潜在风险都较低。而Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 5种重金属在各点位的生态风险指数均未超过40，污染程度为轻微。根据综合污染生态风险指数RI值得结果来看，13个点位中3号点位综合污染指数为583.75，污染程度较强，而1号和4号点位存在较强的生态风险。从平均单一潜在生态风险指数来看，7种重金属大小顺序为：Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，相对来说，重金属Cd和As危害较大，这与单因子污染指数评价法和内梅罗综合污染指数评价法评价结果相一致，这2种重金属应放到优先修复位置上。

3 讨论与结论

3.1 焦化厂土壤污染特征

根据焦化厂内重金属含量分析结果，采用变异系数确定研究区内各重金属元素的分布和污染程度的差异。变异系数可以反映总体样本中各采样点的平均变异程度和重金属含量的变异大小[20]。根据相关文献[21]，变异系数0～0.1之间属于弱变异，0.1～1.0之间属于中等变异，高于1.0以上属于强变异。7种重金属中Ni属于弱变异，Pb、Cu、Zn、Cd属于中等变异，Cr和As属于强变异，各金属元素含量的变异系数由大到小为As>Cr>Cd>Zn>Pb>Cu>Ni，表明不同采样点之间Cr和As的含量差异较大，可能受到较多人为活动的影响，在冯依涛等[18]、王星星和王海芳[22]的研究中有类似结果。

3.2 土壤重金属污染评价与风险评估

根据2.1中对重金属含量的分析结果，Cr污染程度较为严重，但单因子污染指数评价法结果显示Cr元素的污染程度风险等级为轻度污染，这可能是由于Cr元素含量受人为活动影响较大，但针对整体研究区域来看，风险程度相对较轻。而土壤重金属潜在生态危害评价结果显示，13个采样点位的污染程度不尽相同，每种重金属元素的单一潜在生态风险也不相同，这是由于13个采样点位分布在焦化厂不同区域，部分土壤样品中重金属污染浓度相对比较高，因此导致Ei r 与RI值的幅度范围变化较广，董志询等[23]也认为重金属的潜在生态风险评价结果与研究区域的实际生产过程管理密切相关。焦化厂在炼焦过程中包括焦油、沥青、焦炭的回收各个环节，在此期间产生的污染物质会直接进入到土壤环境中造成污染[24-25]。综合以上结果分析与讨论，本研究得到以下结论。

（1）与山西省土壤背景值和农用地土壤污染风险管控标准值相比，本文研究区域某焦化厂土壤中各重金属含量均超出山西省土壤背景值，超标率为100%，且Cr，Cd、As最大值含量均超过农用地土壤污染风险管控标准的1.4，2和14.4倍，研究区域表层土壤中存在重金属复合污染问题，且As、Cd污染比较严重。

（2）从单因子污染指数、内梅罗综合污染指数分析，7种重金属危害程度大小为As>Cu>Cd>Pb>Cr>Zn>Ni。13个采样点位中As为主要污染因子，As的单因子污染指数平均值为5.66，Cu、Cd的单因子污染指数平均值分别为3.21和3.03，土壤污染程度为中重度污染，具有较高的风险性;而潜在生态风险指数法评价结果显示13个点位中个别点位具有极强的潜在生态风险，7种重金属中Cd和As的污染风险较大。

（3）该焦化厂土壤为复合型污染，应着重关注As、Cd和Cu三种重金属的后续修复问题，进一步采取措施减少重金属污染带来的危害。

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