典型固廢處理處置場(chǎng)周邊土壤重金屬污染特征和成因分析

倪曉坤，封 雪，于 勇，姜曉旭，李宗超，李 妤，夏 新*

（1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中大量產(chǎn)生危險(xiǎn)廢物，城鎮(zhèn)生活水平的提高也伴隨大量生活垃圾的產(chǎn)生。我國(guó)主要的危廢和生活垃圾處理處置方式有焚燒、衛(wèi)生填埋和堆肥3種，在處置過(guò)程中部分污染物隨大氣、水等介質(zhì)傳輸進(jìn)入土壤[1-5]，對(duì)其周邊土壤環(huán)境造成威脅，因此越來(lái)越多學(xué)者對(duì)危廢和生活垃圾處理處置場(chǎng)周邊的土壤環(huán)境質(zhì)量開(kāi)展研究。

在對(duì)危廢和生活垃圾處理處置場(chǎng)周邊土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究中，主要有兩種觀點(diǎn)，一種認(rèn)為其周邊土壤重金屬污染與垃圾處置方式十分相關(guān)，且垃圾焚燒是污染的主要來(lái)源[6-8]，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為其周邊的重金屬污染與垃圾處置方式相關(guān)性不大，主要受外部污染源影響[9-11]，且不同固廢處理處置場(chǎng)周邊土壤重金屬主要來(lái)源不同。

從研究對(duì)象來(lái)看，研究主要集中在生活垃圾處理處置場(chǎng)，而危廢處理處置場(chǎng)研究較少；在對(duì)處置方式影響的研究中，更多研究集中在焚燒等單一處置方式的影響[12-15]，多種方式復(fù)合影響評(píng)估研究較少。而實(shí)際情況是，我國(guó)危廢或生活垃圾在處置時(shí)，選用多種方式處置。本研究選用浙江地區(qū)的2家危廢處理處置場(chǎng)和1家生活垃圾處理處置場(chǎng)周邊表層土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮焚燒、填埋多種處置方式和焚燒單一處置方式的影響，分析各類(lèi)處理處置場(chǎng)污染特征和污染成因，多種方法綜合評(píng)估土壤環(huán)境質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)，以期為危廢和生活垃圾處理處置場(chǎng)污染風(fēng)險(xiǎn)管控提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和樣品采集

選取浙江地區(qū)的2家危廢處理處置場(chǎng)（命名為A1、A2）和1家生活垃圾處理處置場(chǎng)（命名為B1）周邊為研究區(qū)域，分別以3家處理處置場(chǎng)為中心，在其周邊1000 m范圍內(nèi)依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004），并結(jié)合《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)要點(diǎn)分析》[16]進(jìn)行布點(diǎn)，其中在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向布設(shè)6～8個(gè)點(diǎn)，在廢水排放主方向布設(shè)3～5個(gè)點(diǎn)，其他方向布設(shè)2～4個(gè)點(diǎn)，人類(lèi)活動(dòng)區(qū)依據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)加密，共布設(shè)點(diǎn)位49個(gè)（圖1）。每個(gè)采樣點(diǎn)用對(duì)角線法采集1份土壤表層混合樣并記錄樣品相關(guān)信息。

研究區(qū)地處浙江省，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫16～19℃，主要土壤類(lèi)型為棕壤、黃壤、水稻土等，主要種植水稻等農(nóng)作物。土壤pH 4.13～8.53，有機(jī)質(zhì)含量 1.74～33.20 g?kg-1。研究區(qū)基本情況見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

土壤pH采用玻璃電極測(cè)定，儀器型號(hào)為S220-K-CN；Hg和As用王水水浴消解，采用原子熒光法測(cè)定（GB/T 22105—2008），儀器型號(hào)為AFS-830；Cd、Cr和Pb 3種重金屬使用酸消解至完全消解，Cd和Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定（GB/T 17141—1997），Cr采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定（HJ 491—2009），儀器型號(hào)為AA7000；同時(shí)用相同方法測(cè)定空白樣品，每個(gè)樣品測(cè)定3次，誤差在±5%之內(nèi)。每批樣品均使用重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液，金屬回收率均在90%～110%范圍內(nèi)。

1.3 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法[17]是利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比值，對(duì)研究區(qū)土壤中單一重金屬的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為：

Pi=Ci/Si

表1 研究區(qū)基本情況Table 1 The profile of study area general situation

圖1 研究區(qū)點(diǎn)位及污染等級(jí)分布示意圖Figure 1 Distribution of soil sampling sites and pollution level in the study area

式中：Pi為土壤中重金屬i的單因子指數(shù)；Ci為重金屬i的實(shí)測(cè)濃度，mg·kg-1；Si為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中重金屬 i的濃度，mg·kg-1，由于研究區(qū)為污染場(chǎng)地周邊，且主要為農(nóng)田和荒地，因此Si選取《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中土地利用類(lèi)型為“其他”的風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為標(biāo)準(zhǔn)值（表2）。

表2 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（GB 15618—2018）Table 2 Risk screening values for soil contamination of agricultural land（GB 15618—2018）

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[18]可以全面評(píng)價(jià)土壤中各污染物的綜合平均污染水平，綜合單因子污染指數(shù)平均值和最高值，突出較重污染重金屬的環(huán)境影響，其計(jì)算公式為：

式中：PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pimax為i采樣點(diǎn)中重金屬單因子指數(shù)的最大值；Pi為i采樣點(diǎn)中重金屬單因子指數(shù)的算術(shù)平均值；Pi為土壤中重金屬i的單因子指數(shù)。

單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)具體見(jiàn)表3。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[19]是一種用定量的方法對(duì)重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行劃分，快速且準(zhǔn)確反映多種重金屬污染綜合影響的方法[20-23]。其計(jì)算公式為：

表3 單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification criterion of single factor pollution index and Nemerow comprehensive pollution index

表4 重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification criterion and potential ecological risk index of heavy metals

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用ArcGIS 10.2進(jìn)行土壤重金屬含量空間插值制圖，使用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、Pearson相關(guān)性分析和主成分分析，分辨不同重金屬的來(lái)源[24-25]。使用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬元素含量特征

以浙江省土壤環(huán)境背景值[26]為參照（表5），3家固廢處理處置場(chǎng)周邊表層土壤中5種重金屬元素均存在不同程度的積累，Cd積累明顯，A1、A2和B1周邊分別為背景值的20.14、49.10、5.53倍。A1和A2周邊土壤元素含量較不均勻[27]，A1周邊Cd、Hg和Cr的變異系數(shù)遠(yuǎn)超其他元素，分別為117.55%、107.15%、182.73%；A2周邊5種元素的變異系數(shù)均較高。根據(jù)偏度和峰度情況判斷，A1周邊除Cr外，其他4種元素均近似正態(tài)分布，A2周邊5種元素均符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。B1周邊土壤5種重金屬元素含量分布較均勻，變異系數(shù)均明顯小于A1和A2，Hg、Pb和Cr近似正態(tài)分布。

2.2 土壤重金屬污染程度與空間分布分析

2.2.1 土壤重金屬污染程度分析

單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果（表6）表明，3家固廢處理處置場(chǎng)周邊首要污染物均為Cd。綜合分析發(fā)現(xiàn)，兩家危廢處理處置場(chǎng)周邊土壤污染較重，PN分別為2.15和6.68，Pimax分別為7.32和55.32，均達(dá)重度污染。A1和A2周邊，50%以上點(diǎn)位輕度及以上污染，且都存在Cd、As和Cr污染現(xiàn)象；生活垃圾處理處置場(chǎng)PN為1.08，為輕度污染，41.18%的點(diǎn)位出現(xiàn)輕度及以上污染，污染主要由Cd和Pd造成。

表5 研究區(qū)表層土壤中重金屬元素的描述性統(tǒng)計(jì)Table 5 Descriptive statistics for heavy metals in soil in the study area

結(jié)合研究區(qū)基本情況進(jìn)一步對(duì)污染特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于危廢處理處置場(chǎng)周邊，A2的污染程度較A1明顯，但運(yùn)行時(shí)間短，年處理量少（表1），可見(jiàn)投產(chǎn)時(shí)間、年處理量不是影響土壤污染程度的直接原因。從危廢類(lèi)型來(lái)看，A2有一半的醫(yī)療危廢，而A1僅處理工業(yè)危廢，因此醫(yī)療危廢對(duì)處理處置場(chǎng)周邊表層土壤重金屬的影響可能大于工業(yè)危廢。從焚燒處理量來(lái)看，A1與A2接近，但A2污染更加嚴(yán)重，因此危廢種類(lèi)對(duì)土壤重金屬?gòu)?qiáng)富集的影響較處置方式更大。

2.2.2 土壤重金屬污染空間分布

采用普通克里金法，分別對(duì)3家固廢處理處置場(chǎng)周邊5種重金屬元素含量空間分布進(jìn)行插值（圖2）。A1周邊Cd、Hg、As和Pb含量呈島狀和帶狀相結(jié)合的分布特點(diǎn)，在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向（WS和W）含量較高，這可能與A1進(jìn)行危廢焚燒處理有關(guān)[8]。同時(shí)Cd、Hg和Pb在E、SE和N方向存在高濃度分布，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在NE方向存在水域，由于填埋過(guò)程產(chǎn)生的滲濾液含有大量重金屬[28]，該區(qū)域疑似受到滲濾液影響。Cr的空間分布與其他4種有明顯區(qū)別，整體基本一致且含量較高。

A2周邊Cd、Hg、As和Pb均呈現(xiàn)明顯的風(fēng)向特征，在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向（NW和SE）含量較高。Cr呈現(xiàn)島狀分布，在S方向呈高濃度分布。

B1周邊Cd、Cr和As均在NW方向存在高濃度區(qū)，整體呈從NW到SE遞減的變化趨勢(shì)。Hg和Pb在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向（SE）含量較高。此外，Pb在WS方向也存在高含量區(qū)域。

2.3 土壤重金屬污染成因分析

2.3.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表7），A1和A2周邊Cd、Hg、As和Pb呈顯著正相關(guān)，具同源性，而Cr與Cd、Hg、As均不具有顯著相關(guān)性。

B1周邊As和Cr、Cd均呈極顯著相關(guān)，Hg和Pb與其他3種元素均無(wú)顯著相關(guān)性，說(shuō)明生活垃圾處理處置場(chǎng)周邊Hg、Pb與As、Cd、Cr來(lái)源不同。

2.3.2 主成分分析

3家固廢處理處置場(chǎng)周邊KMO效度檢驗(yàn)值均在0.5以上，Bartlett球度檢驗(yàn)P值均小于顯著性水平0.05，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，見(jiàn)表8。

A1和A2均可提取兩個(gè)主成分（特征值大于1），累積方差貢獻(xiàn)率分別為86.62%和99.96%，基本反映全部數(shù)據(jù)的主要信息。在第一主成分中，Cd、Hg、As和Pb有較高的正載荷，這種組合特征說(shuō)明主要為人為污染源，這與已有研究結(jié)果一致[29-30]，且驗(yàn)證了相關(guān)性分析中的結(jié)論。尹伊夢(mèng)等[31]認(rèn)為Pb和Hg的主要來(lái)源是垃圾處置，結(jié)合空間分布特征，可得第一主成分主要反映焚燒和填埋處置過(guò)程的影響，為人為因子。

第二主成分為Cr，A1周邊Cr載荷為0.958，結(jié)合單因子評(píng)價(jià)結(jié)果，A1周邊Cr元素有93.75%的點(diǎn)位為清潔狀態(tài)，部分點(diǎn)位重度污染，可能存在高背景點(diǎn)位。A2周邊Cr載荷為0.976，其實(shí)測(cè)含量與浙江省背景值差別不大，表明Cr主要受自然地球化學(xué)作用的影響。張一修等[32]對(duì)貴陽(yáng)市土壤重金屬元素含量進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為Cr主要受成土母質(zhì)影響，因此A1周邊第二主成分認(rèn)為是自然源因子和歷史因子共同作用，A2周邊第二主成分認(rèn)為是自然源因子。

生活垃圾處理處置場(chǎng)（B1）根據(jù)特征值大于1提取出兩個(gè)主要成分，累積方差貢獻(xiàn)率為75.73%，第二主成分為Hg和Pb，兩者之間無(wú)顯著相關(guān)性，只提取兩個(gè)主成分不能完全代表全部數(shù)據(jù)的主要信息，因此根據(jù)特征值大于0.6，提取第3個(gè)主要成分，此時(shí)累積方差貢獻(xiàn)率為89.31%，可以基本反映主要信息。第一主成分包括Cd、As和Cr，由于As和Cr的變異系數(shù)較小，含量分別為浙江省背景值的71%和85%，推斷As和Cr受人為影響較少，主要是來(lái)自成土母質(zhì)[33]。而Cd可能與工業(yè)活動(dòng)或交通運(yùn)輸過(guò)程相關(guān)[30]，B1周邊有高速公路和其他工業(yè)企業(yè)，因此第一主成分是自然過(guò)程和周邊人為活動(dòng)的共同作用。第二主成分為Hg，根據(jù)Hg的空間分布特征認(rèn)為垃圾焚燒是主要來(lái)源。第三主成分為Pb，結(jié)合Pb的空間分布特征可得B1周邊Pb是垃圾焚燒處置和其他工業(yè)源共同作用的結(jié)果。

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3家處理處置場(chǎng)周邊表層土壤中Cd的潛在生態(tài)危害最大，Hg次之（表9）。其中，A1周邊Cd處于“極強(qiáng)”風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為604.26，Hg處于“很強(qiáng)”風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為202.99。A2周邊Cd和Hg均處于“極強(qiáng)”風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，Eir分別為1 473.08和441.83。B1周邊Cd和Hg均在“中度”及以上等級(jí)中分布，Eir分別為 165.13 和139.64。

表6 研究區(qū)土壤重金屬的單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)特征值統(tǒng)計(jì)表Table 6 Eigenvalue statistics of single factor pollution index and Nemerow pollution index of heavy metals in the study area

圖2 研究區(qū)重金屬含量空間分布Figure 2 Spatial distribution of heavy metals in soils in the study area

3家處理處置場(chǎng)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于Cd和Hg兩種元素，且主要受Cd元素的影響。A1周邊Cd和Hg對(duì)RI的貢獻(xiàn)率為95.94%（圖3），僅Cd的貢獻(xiàn)率就達(dá)71.86%。A2周邊Cd和Hg對(duì)RI的貢獻(xiàn)率達(dá)到85.91%。B1周邊Cd和Hg的貢獻(xiàn)率高達(dá)92.09%，兩元素對(duì)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)程度一致。

危廢處理處置場(chǎng)周邊表層土壤中各采樣點(diǎn)RI差別較大，局部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)極強(qiáng)，可能存在集中處置區(qū)域?qū)е戮植康貐^(qū)污染過(guò)重情況（表10）。生活垃圾處理處置場(chǎng)周邊各采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)差別較小，整體比較均勻，58.82%的點(diǎn)位處于“中度”風(fēng)險(xiǎn)，這與郭彥海等[2]的研究結(jié)果一致。

表7 表層土壤重金屬皮爾遜相關(guān)分析Table 7 Pearson correlation analysis for heavy metals in topsoil

表8 研究區(qū)表層土壤重金屬元素主成分分析結(jié)果Table 8 Principal component analysis for heavy metals in surface soils from the study area

表9 研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)特征值Table 9 Eigenvalue statistics of potential ecological risk of heavy metals in the study area

表10 研究區(qū)土壤重金屬綜合潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)特征值Table 10 Eigenvalue statistics of comprehensive potential ecological risk of heavy metals in the study area

圖3 研究區(qū)土壤重金屬元素對(duì)潛在生態(tài)危害貢獻(xiàn)率示意圖Figure 3 Contribution characteristic of heavy metals to potential ecological risk in the study area

3 結(jié)論

（1）危廢處理處置場(chǎng)周邊表層土壤重金屬的污染等級(jí)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均大于生活垃圾處理處置場(chǎng)，且生活垃圾處理處置場(chǎng)周邊土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布較均勻，危廢處理處置場(chǎng)存在局部風(fēng)險(xiǎn)過(guò)重的情況。

（2）危廢處理處置場(chǎng)周邊Cd、Hg、As和Pb主要受危廢處理處置場(chǎng)的影響，該過(guò)程各因素的影響程度為處置的危廢種類(lèi)＞處置模式＞處置量＞投產(chǎn)年限。

（3）3家固廢處理處置場(chǎng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自Cd和Hg，主要受Cd的影響。Hg的污染程度未達(dá)重度級(jí)別，但潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)很高，原因是Hg的毒性系數(shù)較大，導(dǎo)致在輕微富集情況下即達(dá)強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（4）不同固廢處理處置場(chǎng)周邊重金屬污染空間分布和主要來(lái)源不同，填埋和焚燒結(jié)合處理處置場(chǎng)（A1）Cd、Hg、As和Pb主要受危廢焚燒和填埋共同作用，Cr受自然因素和歷史因子共同作用。危廢焚燒處理處置場(chǎng)（A2）Cd、Hg、As和Pb主要受焚燒影響，Cr主要來(lái)源成土母質(zhì)。生活垃圾焚燒處理處置場(chǎng)（B1）Cd、As和Cr受自然因子、工業(yè)活動(dòng)和交通運(yùn)輸?shù)墓餐饔茫琀g主要受垃圾焚燒影響，Pb是垃圾焚燒和其他工業(yè)源共同作用的結(jié)果。