包頭煤制烯烴化工企業固廢堆場土壤質量調查研究

趙龍生，王雅靜，吉雨寧，宋振宇，張 凱

(1.國家能源集團 煤炭中心，北京 100013；2.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083)

0 引 言

隨著經濟社會的快速發展，工業固體廢棄物的產量也逐漸增加，導致工業固廢貯存及處置量隨之增加。大量的固廢無序堆存是引起土壤及水體污染的重要原因，由其造成的環境問題日益凸顯。國內外研究者在固廢堆存方面進行了一系列有意義的相關探索，如程振興等人針對某工業園區歷史堆場的現狀進行廢棄物的成分分析及排放量統計，對歷史堆場的環境現狀進行了分析[1]；馬保東以美國陸地衛星圖像為信息源，選用 1987 年 9 月及 2002 年 5 月的衛星圖像，對充州礦區5年間地表水域主要為塌陷區積水和煤堆及固廢占地的變化信息進行了研究[2]；詹良通、賈官偉等對濕潤氣候區固廢堆場封場土質覆蓋層性狀及水分遷移規律進行了研究[3,4]；蒙明富以濕法磷石膏堆場系統為基礎，建立堆場水平衡分析模型，圍繞堆場滲濾液產生機理、影響因素、產量預測公式、滲濾液處理以及調節池設計等問題開展了研究[5]；國外研究者中，Reymond D 通過水樣檢測結合地理信息系統技術對城市固體垃圾場周圍的 32 個地下水樣進行了理化分析[6]；Kim Hyuck-Soo、Seshadri B、Bolan Nanthi等對廢渣堆場上開展植物修復進行了大量研究，主要集中在植物修復對廢渣中重金屬的遷移轉化、廢渣理化性質及微生物效應的研究[7-9]。但在上述研究中，對工業區固廢堆場土地質量的調查研究較少，對土壤污染物尤其是重金屬污染的分布特點及富集原因也未進行系統深入的研究。

筆者以遙感監測技術結合實地采樣測試分析為主要技術手段，對典型煤化工企業固廢堆場及其周邊土壤情況進行現狀調研，對土壤重金屬污染物含量、分布特點及其富集原因進行分析，對及時發現環境風險隱患、實現有效生態治理與土地復墾具有重要參考意義。

1 研究區域及方法

1.1 研究區域概況

筆者以世界首套商業化運營成功的包頭煤化工分公司煤制烯烴示范工廠為例展開研究。研究所在地包頭市位于內蒙古自治區的西部，其地形北高南低，且由西北向東南傾斜；屬北溫帶大陸性氣候，干燥多風；年平均氣溫 6.8 ℃ ，年平均降雨量 330 mm，日平均風速3 m/s。固廢堆場布置在園區北部，貯存量約為400×104t，堆存高度10 m。灰渣場占地面積43.9×104m2，其中貯存區占地面積約33×104m2，而綠化面積達273×104m2。包頭煤化工企業固廢堆場現狀及采樣點示意如圖1所示。

圖1 包頭煤化工企業固廢堆場現狀及采樣點示意圖Fig.1 Present situation and sampling point diagram of solid waste storage yard in Baotou coal chemical industry

1.2 研究方法

以土壤樣品檢測為主、遙感技術為輔，利用統計學的方法測算土壤污染物分布，并結合地類分布特征進行分析。遙感影像的數據源為中巴4號及北京2號，利用最新時像數據進行地類劃分。采樣時對深度為 15 cm 的表層土壤進行采樣，并利用全球定位系統GPS精確定位，記錄采樣點的點位信息，對土壤容重、含水率、pH值、酶活性、微生物數量、堿解氮含量、速效磷含量及有機質含量 8 項土壤質量評價指標及重金屬含量進行數據采集。土壤容重測定采用環刀法，含水率使用烘干法測定，有機質的測定主要依據NY/T 1121.6—2006《土壤檢測 第6部分:土壤有機質的測定》[10]，堿解氮的測定選擇堿解蒸餾法[11-13]，使用分光光度法測定速效磷含量及土壤酶活性[14-16]，土壤 pH值使用 pH 計測定，采用稀釋平板法測定微生物數量[17,18]；根據土壤中主要污染物類型，將其中鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、砷(As)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉻(Cr) 7 項重金屬含量設為檢測指標。

生態風險指數表示自然生態格局受到自然環境和人類活動干擾造成的區域內生態環境風險變異程度。為建立不同土地利用類型與區域生態風險之間的關系，通過計算各類型的面積比重，構造不同土地利用類型在包頭研究區域的生態風險指數ER(Ecological Risk Index)，計算公式[19-21]如下:

(1)

式(1)中，ER為生態風險指數，m為研究區土地利用類型的數量，Ai為第i類土地利用類型面積，A為研究區總面積，LLi為第i類土地利用類型所反映的生態風險強度參數[22]。土地生態風險強度參數參考了臧淑英等[23]學者的研究成果，耕地、林地、草地、水域、建設用地、其它土地的土地生態風險強度參數分別為 0.140 5、0.027 8、0.046 3、0.057 0、0.249 7、0.109 9。

采用內梅羅指數法對土壤中重金屬含量污染情況進行綜合評價。內梅羅指數法是當前國內外進行綜合污染指數計算的常用方法[24,25]。通過單因子評價中污染指數確定主要的重金屬污染物及其危害程度，即以重金屬含量實測值和評價標準相比除去量綱，以此計算i重金屬元素的污染指數(Pi)：

(2)

式(2)中，Ci為重金屬含量實測值，SI為土壤環境質量標準值。

單因子指數只能反映各重金屬元素的污染程度，不能全面反映土壤的污染狀況，而綜合污染指數兼顧單因子污染指數平均值和最高值，突出污染較重的重金屬污染物作用。采樣點的綜合污染指數(PZ)計算方法如下:

(3)

(4)

對于權重W的確立，按照重金屬對環境的影響程度，將環境研究中較受關注的微量元素分成了三類，因一類、二類、三類微量元素環境重要性逐漸下降，分別賦值為3、2、1作為權重。此研究涉及的幾種重金屬其類別和權重分配見表1。

表1 重金屬污染物對環境的重要性分類和權重值
Table 1 Classification and weighting values of heavy metal pollutants to the environment

項目PbCdAsZnCuCrNi類別IIIIIIIIIII權重3332222

2 結果與討論

2.1 研究區域地類分布特征

依據遙感數據并參照GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》，結合煤化工企業周邊土地利用特點，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、水域等七大類，研究區域廢堆場、固廢堆場周邊土地利用具體數據結果如圖2、圖3所示。

圖2 研究區域固廢堆場周邊土地利用類型分布圖Fig.2 Distribution of land use types around solid waste storage yards in the study area

圖3 研究區域固廢堆場周邊土地利用類型分布圖Fig.3 Distribution of land use types around solid waste storage yards in the study area

由圖2、圖3 可知，包頭煤化工固廢堆場周邊土地類型單一，大部分均為草地及其它工礦用地，周邊企業類型較復雜故對生態環境產生一定影響。固廢堆場面積占比達6.64%，范圍處于其它用地類型中間區域，敏感區范圍為 500 m。在敏感區域內涉及草地及其他工礦用地，固廢堆場所產生的土地污染極有可能影響到該敏感區域，所以有必要對周邊的土壤質量及主要污染物含量進行檢測。

計算不同土地利用類型在包頭煤化工企業研究區域的生態風險指數ER，結果見表2 。

表2 不同土地利用類型在研究區域的生態風險指數ER
Table 2 Ecological risk index ER of different land use types in the study area

土地類型耕地林地草地城鎮村固廢堆場企業廠區其他工礦用地水域ER值002.654 84200.729 73603.959 6970

由表2 可看出，草地類型、其它工礦用地的ER值最大，說明固廢堆場的存在對區域內草地及其它工況用地存在較大的干擾，因為區域內其它用地類型面積為 0，所以固廢堆場的干擾度也為 0。

2.2 土壤質量情況

土壤容重與土壤質地、壓實狀況、土壤顆粒密度、土壤有機質含量及各種土壤管理措施有關[26,27]。土壤水分、pH值、堿解氮含量、速效磷含量、有機質含量是土壤養分的重要特征，對植被生長產生重要的影響[28-30]。土壤酶活性及微生物數量反映了土壤微生物特性，酶活性是度量微生物降解活性的重要指標，微生物數量是土壤污染程度和土壤養分轉化過程的重要反映指標[31,32]。

對研究區土壤樣品質量的測定分析結果如圖4所示。由圖4可見，研究區土壤容重均在1.25以上，土壤成熟度較高，不太適宜植被生長。含水率雖較2016年有所提高，但依然處于較低水平，說明土壤保水率差。土壤pH 值相差不大，均呈中性，由總體分析可知，越往土壤下層其pH 值越高，可能因為下層水溶液中離子濃度較高所導致。隨著深度的增加，土壤酶活性也隨之增大，此與含水率的變化趨勢一致，且與2016年差別不大。 1 號點與 2 號點之間微生物差別微弱，上層微生物數量優于下層，說明土壤表層植被促進了微生物的繁殖。樣品堿解氮含量向下遞減，且較2016年有所降低，說明2017年土壤受污染狀況較2016年有所加劇。土壤中有機質的含量極低，同時遠離堆場的有機質水平較高，說明固廢堆場一定程度抑制了植被的生長。

2.3 土壤重金屬污染物含量情況

對研究區土壤樣品中主要重金屬含量進行測定，測定結果見表3。

圖4 研究區土壤質量檢測結果Fig.4 Soil quality test results in the study area

表3 研究區土壤樣品重金屬含量測定結果
Table 3 Determination of heavy metal content in soil samples in the study area

重金屬類型最小值/(μg ·g-1)最大值/(μg ·g-1)平均值/(μg ·g-1)復墾工業用地標準值/(μg ·g-1)鉛4.1860.616.45600鋅36.99365.9982.59700鎘0.042.210.7620砷22.1540.9534.0570銅3.1525.977.36500鎳3.025.994.18200鉻2.092.992.511 000

由表3 可見，區域內重金屬鉛(Pb)的含量處于較低水平，復墾用地標準值為 600 mg/kg，而區域內鉛(Pb)最低含量僅為 4.18 μg/g，而最高含量也僅有 60.6 μg/g，在廠區東南部有富集現象，但靠近固廢堆場的位置含量較低，推測環境污染源應為上風向廠區外部因風力作用而產生。重金屬鋅(Zn)含量變化范圍較大，且部分區域富集程度較高，但均未超過工業復墾標準值，推測環境污染源應為固廢堆場揚塵擴散導致。土壤中重金屬鎘(Cd)數值均遠低于工業用地標準值，但在固廢堆場東南部下風向的重金屬含量略高于西南部，可見固廢的排放對土壤中鎘(Cd)的富集還具有一定的影響。土壤中類重金屬砷(As)分布規律不明顯，且數值均遠低于工業用地標準值。固廢堆場東南側重金屬銅的含量還出現明顯的富集，其遠離固廢堆場邊緣，主要延進出場區道路分布，但依舊處于較低水平，懷疑灰渣在運輸過程中車輛可能產生的遺撒已對土壤產生一定的影響。重金屬鎳(Ni)處于較低水平，且數據間差值較小，無特別明顯的分布特征。土壤重金屬鉻(Cr)在工業用地復墾后的標準值為 1 000 μg/g，包頭煤化工鉻(Cr)的含量區間范圍僅為 2.09 μg/g～2.99 μg/g，可見所排廢棄灰渣中鉻(Cr)的含量極小，對土壤沒有產生影響。

據式(1)～(4)計算各重金屬污染指數，其中重金屬含量實測值取平均值，結果見表4。根據單因子污染指數標準，當Pi≤1時，單項重金屬污染分級為非污染；當PZ≤0.7時，污染狀況為安全清潔水平。據表4 可知，各主要類型重金屬污染物指標均處于較低水平，對土壤污染程度極低。綜合污染指數也表明重金屬污染物的含量水平不高。結果表明，經科學管理后，固廢堆場向土壤所釋放的重金屬污染物處于較低水平，對土壤生態影響較低。

表4 重金屬污染物指數計算結果
Table 4 Heavy metal pollutant index calculation result

項目PbZn Cd AsCuNi CrPZPi0.027 40.1180.0380.486 40.014 70.020 90.002 50.353 5污染情況安全安全安全安全安全安全 安全安全

3 結 論

(1)包頭煤化工固廢堆場周邊土地類型單一，大部分均為草地及其他工礦用地，周邊企業類型較復雜故對周邊生態環境產生一定影響。固廢堆場土壤質量較差，土壤成熟度較高，保水率差，氮素、磷供應不足，有機質含量極低，不太適合植被生長。

(2)堆場土壤中重金屬含量有所波動，在部分區域有所富集，但均低于工業用地復墾后的標準值。根據內梅羅指數法所計算結果也同樣表明固廢堆場內土壤中重金屬污染程度較低，對生態環境影響較小。

(3)堆場顯示出污染物較強的遷移性，且大部分均為風力遷移，在下風向(主風向)呈現出越靠近污染源其污染物含量越高的特征。以土壤中鋅和鉻2種污染物最為明顯，其富集狀況也反映出廢灰渣中污染物含量的水平對土壤的影響程度。