（环境科学专业论文）徽县冶炼厂周边土壤重金属空间分异及污染评价.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h ep o l l u t a n t sc o n t a i n i n gh e a v ym e t a l sw e n ti n t o t h es o i lt h r o u g hav a r i e t yo fw a y s r e s u l t i n gi na c c u m u l a t i o no fh e a v ym e t a l s c o r r e s p o n d i n g l yi ns o i l s o i lp o l l u t i o na f f e c t sn o to n l yy i e l da n dq u a l i t yo fa g r i c u l t u r a l p r o d u c t s b u ta l s oa i ra n dw a t e rq u a l i t yo ft h ee n v i r o n m e n t a n de n d a n g e r st h el i v e so f a n i m a l sa n dh u m a n s h e a l t ht h r o u g ht h ef o o dc h a i n h e a v ym e t a l sr e l e a s e df r o mm e t a l s m e l t i n gi n d u s t r yi sa ni m p o r t a n ts o u r c eo fs o i lc o n t a m i n a t i o n a n ds m e l t i n gp o l l u t i o n c a u s e db yh e a v ym e t a l si ns o i l sl e dt op u b l i cc o n e r n sc o n s i d e r a b l y t h i ss t u d ys u r v i e dh e a v ym e t a lc o n t e n t si nt o p s o i la n dp r o f i l es o i la r o u n dt h eh u i x i a n s m e l t e rw h i c hc a u s e de x c e s s i v eb l o o di c a do f3 3 4c h i l d r e n 10 3s o i ls a m p l e sw e r e c o l l e c t e df r o m2 0s a m p l i n gs i t e sw h i c hd i s t r i b u t e da r o u n ds m e l t e ra n dt h ei n t e r v a ld e p t h o fe a c hp r o f i l es o i li s10 c m s o m es o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e si n c l u d i n gs o i l p a r t i c l e s i z e o r g a n i cm a t t e rv a l u e p hv a l u ew e r ed e t e r m i n e d c o p p e r l e a da n dz i n ci n t h es o i ls a m p l e sw e r ed e t e r m i n e db yf l a m ea t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y t h ed e g r e eo fp o l l u t i o nb a s e do ne v a l u a t i o nf a c t o ro fb a c k g r o u n dv a l u ea n d e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r df o rs o i l f a c t o r si n f l u e n c i n gh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n w e r ea n a l y z e d w h i c hc o u l dp r o v i d ear e f e r e n c ef o rr e m e d i a t i o no fh e a v y m e t a l c o n t a m i n a t e ds o i l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o ni nt o p s o i ln e a rt h e s m e l t e rw e r ec u13 4 6 5m g k g p b3 3 9 6 o m g k g z n7 3 4 2 m g k g r e s p e c t i v e l y a n dh e a v y m e t a lc o n t e n t sd e c r e a s e dw i t hd i s t a n c ef r o ms m e l t e r t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nh e a v y m e t a l sa n dp h y s i c a l c h m i c a lp r o p e r t i e ss h o w e dt h a tp ba n dz nh a dm o r el i k e l ys o u r c eo f t h es a m e a n dw e r ea f f e c t e dm o r eb yo r g a n i cm a t t e rc o n t e n t c o n t e n to fz i n c l e a d d e c l i n e dw i mt h ei n c r e a s i n gd e p t hi nt h es o i lp r o f i l e i td e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yi nt h e l a y e r so f0 3 0 c m w h i l ec h a n g e ds m o o t h l yu n d e r3 0 c ms o i ll a y e r s a n ds t a y e dh i g h c o n t e n t sa t10 0 c m c uc o n t e n th a ss m a l l e rd i f f e r e n c e si na l lp r o f i l e s 1 1 1 ec o r r e l a t i o nb e t w e e nh e a v ym e t a l sa n ds o i lp h y s i c a l c h m i c a lp r o p e r t i e ss h o w e dt h a t c u p ba n dz nw e r ea f f e c t e dm o r eb yp a r e n tr o c k n l eo r g a n i cm t t e rc o n t e n tw a s p o s i t i v e l ya n ds i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e d 谢t l lc u p b z n a n dp hv a l u ew a sn e g a t i v e l ya n d s i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e d 析t hc u z n t h ec o n t e n to fc l a ya n ds i l th a v eg r e a ti n f l u e n c eo n c u z n p o l l u t i o ne v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tz n p bp o l l u t i o ni ss e r i o u s c ui nt h e s u r f a c es o i ls a m p l e sd i dn o te x c e e dn a t i o n a ls t a n d a r d se x c e p ti n d i v i d u a ls a m p l ep o i n t s b u t5 7 2 8 s a m p l e so fp r o f i l ee x c e e d e dt h eb a c k g r o u n dv a l u e t h er e l e a s eo fg a sf r o m s m e l t e ri sa ni m p o r t a n tf a c t o rf o rs o i lp o l l u t i o n a n dw a s t ew a t e re m i s s i o n sa n ds o l i d w a s t eh e a pl e a c h i n ga f f e c t e ds o i lq u a l i t yn e a r b yt h es m e l t e ra f t e rc o n s i d e m i n gt h e c l i m a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u d ya r e aa n ds o i lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n o fh e a v ym e t a l s k e yw o r d s s m e l t e r h e a v ym e t a l c h e m i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s e v a l u a t i o no f p o l l u t i o n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果 文中依 法引用他人的成果 均已做出明确标注或得到许可 论文内容未包含法律意义上已属 于他人的任何形式的研究成果 也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果 本人如违反上述声明 愿意承担由此引发的一切责任和后果 论文作者签名 溜圣1 龟日期 尸年6 月 2 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品 知识产权归属学校 学校 享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权利 本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时 署名单位仍然为青岛大学 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用于本声明 不保密口 请在以上方框内打 4 日期 砷年 月佳日 翰勃 为一年占局 工日 5 7 青岛大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属带入到土壤中 致使土壤中重金属含 量明显高于背景含量 并可能造成现存的或潜在土壤质量退化 生态与环境恶化的现 剩 当前环境污染研究中所指的重金属主要包括z n c u c o s n h g n i c d p b c r 和类金属a s 等生物毒性显著的重金属元素 2 1 重金属在土壤中难于降解且移动性差 资料表明 土壤中的重金属只有很少一部 分随作物地上部分的收获而被移去 经历2 0 年的耕种与收获 也只能减少大约o 5 2 的蓄积量 因此 这些重金属一旦进入土壤 就可能存留几千年 3 重金属污染具 有潜伏性及隐蔽性和不可逆性 在其累积初期 毒害作用并不明显 且不易通过观察 而被发现 当土壤重金属积累到一定程度时才产生严重的毒害作用 但一旦当其毒害 作用表现出来 就难以消除 如6 0 年代发生在日本富山县的 痛痛病 其间经过了 数十年才被人们所认识 进入土壤中的重金属污染物自身在土壤中不断迁移 转化 同时与复杂的土壤组成物质发生一系列吸附 置换 结合作用 使得积累在污染土壤 中的重金属很难靠稀释作用和自净化作用来消除 并且发生污染后 仅仅依靠切断污 染源的方法往往很难恢复 有时要靠换土 淋洗土壤等方法才能解决问题 当h g c d p b 等植物生长发育中并不需要的元素进入土壤或c u z n 等植物必需 的微量元素含量超过某一i 临界值时 就会对植物产生毒害作用 轻则植物体内的代谢 过程发生紊乱 生长发育受到抑制 重则导致植物死亡 4 j 如果植物中的重金属通过土 壤 农作物一人 或土壤一植物一动物一人 进入食物链 将对人体产生一定的不良 影响1 5 且多数重金属可在人体内蓄积 其生物半衰期均较长 例如铅和镉分别为1 4 6 0 d 和1 6 3 1 a 随着重金属毒物在体内蓄积量的增加 机体便出现各种不良反应 如铅中 毒后发生动脉内膜炎 血管痉挛 动脉硬化 神经机能障碍 绞痛 精神呆滞等 导 致人的免疫力下降 而且铅还能透过母体的胎盘 侵入胎儿体内 特别是易侵入胎儿 的脑组织 6 7 1 人体摄入过量的铜 会刺激消化系统 还可使血红蛋白变性 从而影响 机体的正常代谢 还会导致心血管系统疾病 j 有些重金属还具有致畸 致癌和致基因 突变作用 重金属进入土壤的途径包括污水灌溉 工业废气和汽车尾气中的重金属沉降 化 肥农药的大量使用 生产生活垃圾 交通污染 金属采矿 冶炼等加工工业生产等 近年来随着采矿和冶炼业的不断发展 其所产生的严重环境问题使得矿区周边的生态 环境特别是土壤环境中重金属的污染已成为环境污染研究的热点问题之一 3 j 铅锌矿山 开采冶炼引发的环境污染问题尤为受到关注 研究表明矿床在开采时 使地下一定深 l 第一章绪论 度的矿物暴露于地表环境 矿物的化学组成和物理状态发生改变 同时经过选矿 冶 炼等过程 加大了重金属元素向生态环境释放和迁移的速度 9 1 0 1 由于铅锌矿为多金属 矿床 共生 伴生矿床多 单一矿床少 i 除铅 锌外 矿石中还伴有铜 镉 汞 铬等重金属元素 加之我国现阶段多采用单一开采模式 矿山选冶回收率低 矿产综 合利用率低 冶炼企业不得不在浪费大量资源的同时扩大采选区域和规模以满足市场 需求 增加了重金属进入环境的机率 一些小冶炼厂在生产过程中粉尘未经过处理便 直接排入大气 造成大气污染 同时废水肆意排放 大量的炉渣和尘埃未经处理而随 意堆放 在雨水的冲刷下 c d c u 等一些有毒有害元素就会进入土壤而造成污染 进 而对人体健康产生潜在危害 重金属污染物通过各种途径进入土壤表层后 还在合适 的条件下可溶解于土壤溶液 并随其重力作用 向土壤的深层进行纵向的渗滤过程 从而增加地下水受污染的风险 2 0 0 6 年9 月1 3 日 中央电视台焦点访谈栏目曝光了甘肃徽县铅污染事件 全县共 有3 6 8 名村民血铅超标 其中1 4 岁以下的儿童血铅含量超过1 0 0 微克以上者3 3 4 人 有的血铅浓度甚至高达4 4 0 p g l 国家环保总局经过调查后认定徽县有色金属冶炼有限 责任公司是造成血铅超标事故的重要污染源 经过初步监测 徽县有色金属冶炼有限 责任公司周边4 0 0 m 范围内土地已经全部被污染 确定污染土壤中铅等重金属的含量 研究其迁移规律成为修复污染土壤的前提 本研究将该企业周围区域作为一个污染场 地 系统地调查了周围土壤的重金属污染程度及范围 通过对重金属在土壤中的水平 和垂直分布规律 重金属在土壤中的总量与土壤理化性质的关系等分析研究区域内重 金属的污染状况 推断重金属的污染来源 合理评估污染物对土壤的潜在危害 为本 地区及其它地区重金属污染土壤进一步的治理工作提供数据支持 进而有针对性地全 面开展生态修复工作 1 2 土壤重金属污染研究现状 1 2 1 土壤重金属污染空间分布研究进展 累积在土壤中的重金属在降水 耕作等环境条件的变化下会进一步发生横向和纵 向迁移富集 1 2 1 1 重金属在土壤水平方向上的分布特征 随着经济的快速发展 各种人为活动排放的 三废 给环境带来了巨大的压力 许多调查与研究也随之展开 如d a v i e s 等 l2 调查发现 英国伯明翰土壤和蔬菜 萝卜 中重金属含量通常有城区一近郊一农村递减的趋势 徐理超等 1 3 对辽宁省阜新市城郊 区县1 8 0 处农田土壤的取样调查分析 a s c u z n n i 四种重金属的空间分布均为城 区农田土壤显著高于郊县 万红友等 1 4 l 研究了苏南经济快速发展区昆山市土壤重金属 2 青岛大学硕士学位论文 含量的空间变化 结果表明 不同功能区土壤重金属的综合污染指数按以下顺序递减 化工区 养殖区 大棚菜地区 印染造纸区 对采矿冶炼活动引发的土壤重金属问题的研究表明风向 排污方式等对重金属分 布有显著影响 如廖国礼等1 1 5 调查了某典型矿区污染状况 发现不同片区间存在明显 差别 污染强度以尾矿污染区最高 其次是精矿运输污染区和坑道废水污染区 污风 降尘污染区污染较轻 刘翠华等 l6 对冶炼厂周围土壤中的镉含量进行分析发现冶炼厂 南部和北部污染严重 西部土壤中镉含量相对较低 v e m e r t l 7 1 的研究也发现冶炼厂在不 同的方位重金属的污染水平有明显差别 王陆军等 1 8 对秦岭凤县铅锌矿冶炼厂周边8 个区域土壤中z n p b c d c u 等4 种主要重金属的分布规律进行了初步研究 认为 凤县铅锌矿冶炼厂区常年主导下风向土壤的污染程度高于上风向土壤 且随着距厂区 围墙距离的增加土壤中重金属含量呈下降趋势 一些学者对公路等线状区域重金属含量进行了研究 如陈建安等发现山区公路两 侧3 5 0 m 范围内 0 4 0 c m 深的表层土壤均受到不同程度的铅污染 随着与公路边距离 的增加 铅含量呈逐渐降低趋势 不同路况对公路边土壤中的铅含量有直接影响 坡 度越大 污染越重 土壤铅含量越高 1 2 吴长年 1 9 等用m u l e l r 地积累指数方法分析了 沪宁高速公路镇江段公路两侧土壤中重金属的污染程度 结果表明沪宁高速公路镇江 段两侧6 0 m 范围内土壤环境中c u n i m n 的污染程度则随车流量的增加而增大 重 金属污染沿高速公路呈带状分布 并且随离公路中心距离的增加而迅速减弱 其扩散 范围为1 5 0 m 1 6 0 m 李其林等 2 0 在重庆市城郊区的黄南公路和歌中公路沿线 分5 0 m 内污染区和1 0 0 m 外对照区进行布点采样 研究认为 不同公路两侧土壤重金属c r n i c u z n 触 c d h g p b 含量同对照区差异较大 但c u p b 均为污染区大于对 照区 现在 利用空间统计方法 来研究企业周围土壤环境污染物的空问分布规律已被 越来越多的人所掌握 空间统计方法 被认为是环境地球化学研究中有效的空间分析 方法 对查找污染源 研究污染空间迁移规律具有良好的指示作用 2 m a r t l e y 等 2 2 1 研究发现 在工业区周围c u 在距污染源l k m 范围内急剧下降 p b 在距污染源4 k m 范 围内急剧下降 r o g i v a l 等 z 3 j 发现由于企业排放的废水中含有c d 和p b 导致土壤有效 态和全量随着离企业距离的增加而不断降低 1 2 1 2 重金属在土壤垂直方向上的分布特征 许多研究发现由于工业 三废 带来的大量的重金属进入土壤 大都富集在土壤 表层 重金属元素向下递减 比较难向下迁移 如冯恭衍等 2 4 1 认为由于土壤中粘粒 铁 锰 铝化合物和有机物质对重金属元素的吸附 络合和代换的结果 土壤中的重 金属元素一般在上层聚积 主要分布在0 一 2 0 c m 的土层中 尤以0 1 0 c m 的表层为最 3 第一章绪论 高 何乱水1 2 5 等对兰州市污染土壤分析后认为重金属在干旱条件下趋向表层富集 王 贵玲等 2 6 研究发现在土壤剖面上 土壤中重金属的积累主要在0 一 2 0 c m 的表层 污灌 区表层的亚粘土是重金属的主要富集区 王国贤等1 2 7 j 对内蒙古东部污灌区土壤经过一 年四个季度的观测后发现经过一定厚度的土壤过滤后 重金属离子含量沿垂直方向迁 移明显减少 表明土壤有较强的吸附污水中重金属的能力 p a g o t t oc 等人研究了法国 城郊主要高速公路旁边不同土壤剖面中的重金属 p b c u c d z n 含量 结果表明 随着距离公路的增加以及剖面尺度的加深 观测到的重金属含量有所下斛孙j 一些学者对不同种植方式不同使用时间的耕地重金属剖面含量迸行了研究 如马 智宏等 2 9 1 通过对北京东南郊区3 种种植方式下的土壤剖面重金属元素的空间分布特征 的结果表明 不同种植模式下 菜地剖面上层重金属含量较高 其土壤重金属污染程 度深 垂直分布重金属元素含量随土壤深度呈降低趋势 并在一定深度低于背景值 从种植管理方式上看 高投入菜地 林地 大田 周生路等 3 0 1 对平原的菜地 稻田与丘 陵岗地的茶园 竹林4 种典型农用地在不同开发利用年限下土壤剖面重金属元素含量 变化进行研究 发现4 种用地土壤剖面重金属累积与污染程度的总体排序为 菜地 稻 田 茶园 竹林 各元素在菜地土壤剖面存在较为明显的淋溶下移性 稻田 茶园土壤 剖面c d h g p b 和z n 竹林土壤剖面c d 及h 毫表聚亚表聚现象明显 土壤剖面重金 属元素含量随开发利用年限的变化 菜地 稻田累积明显 土壤中重金属的分布受重金属的种类 来源及形态 土壤性质等多种因素的影响 也表现出一定的差异 田均良等 3 l 对黄土高原剖面元素迁移强度研究后发现元素在粘 化层含量升高主要受控于两个成土因素 其一是碳酸盐的淋溶 而使其它元素含量相 对升高 其二是元素发生层间迁移中受粘粒的吸附而积聚 大多数铁族元素或具有亲 铁性质的元素 几乎在所有土类中都表现得相对稳定 而亲铜元素如h g z n c d u 等却相对活跃 夏增禄等 3 2 对具有2 0 多年污水灌溉历史的小麦地进行调查 发现c d 的迁移深度可达4 0 c m c d 在稻田的迁移深度可达8 5 c m 远远高于c u p b s e h i r a d o u j j 发现由于大量降水使z n n i c d 迁移到更深的层次 使用乙酸铅7 年后 迁移至9 0 厘米 认为重金属的迁移发生在沙质 酸性 低有机质和有灌溉条件的土壤中 1 2 2 土壤重金属累积影响因素 影响重金属累积的因素很多 包括重金属本身的理化性质 土壤理化性状 包括 土壤质地 粘土 矿物类型 母质 特征 剖面形态结构 有机质含量 土壤阳离子 代换量等 及重金属的输入来源等 2 4 1 1 2 2 1 土壤p h 值 p h 值是土壤重要的基本性质 也是影响土壤肥力的因素之一 p h 值不仅影响土 4 青岛大学硕士学位论文 壤的形成 属性及其变化 而且也影响土壤微生物活动和作物的正常生长 土壤p h 值 主要是通过影响重金属化合物在土壤溶液中的溶解度来影响重金属元素在环境中的行 为 b o e k h o l d 等人瞰 对酸性沙土中镉的吸附现象进行研究 发现p h 值每增加0 5 个单 位 镉的吸附增加一倍 m a r t i n e z 认为当土壤溶液p h z n p b c u a s 对弱酸性模拟酸雨的敏感 性大小顺序为a s c d z n p b c u 0 6 1 2 1 2 土壤有机质含量 土壤有机质是指存在于土壤中的各种含碳的有机物 它包括各种动植物残体 微 生物体及其分解合成的有机物质 土壤有机物是植物生长的重要营养来源 它不仅能 够改善土壤质地 促进土壤微生物的活动 而且能提高土壤保肥保水性能 土壤有机质在土壤固相组成中比例小 通常都在5 以下 有机质中的腐殖质是土 壤中重要的鳌合剂和络合剂 对土壤中的重金属表现出强烈的吸附固持能力 有机质 含量高的土壤对重金属的吸附量大 重金属有机质结合态可转化为可溶态从而间接地 对土壤及生物体产生危害 研究表明 重金属有机质结合态与土壤有机质含量具有相 关性 3 7 3 8 l 景丽洁对棕壤 黑土 黄棕壤和褐土4 种土壤的吸附特性研究发现4 种土 壤对金属离子吸附量随着土壤有机质含量的增加而增加 随着土壤p h 值的增加而减 少 褐土对铜的吸附能力最耐3 9 1 刘铮认为土壤有机质对微量元素的影响极其复杂 小分子量的有机质与重金属络合或螯和 增加其移动性 一些大分子有机质可能提高 土壤c e c 而使重金属元素有效性降低 4 0 l 陈世俭 4 1 提出铜离子对有机质具有特殊的亲 和力 有机质对土壤铜有效性的影响十分显著 在污染土壤中 随c u 的负荷加重 有 机态铜的比例不断增大 因此有机物料和有机肥的施入可以改变重金属在土壤中的形 态分布 对重金属有固定作用 5 第一章绪论 1 2 1 3 土壤粒径组成 由于不同粒径的土壤颗粒与有机矿物质的结合方式不同 对重金属的束缚能力也 不同 所以土壤粒径组成会影响重金属元素的富集 通常粗颗粒样品中碳酸钙含量很 高 细颗粒物中含有大量的具有良好吸附性能的f e m n 氧化物 粘粒中存在的有机质 其主要以有机膜的形式附着在矿物颗粒表面 可以改变矿物颗粒表面性质 不同程度 上增加了吸附重金属能力 何乱水1 2 5 等对兰州市土壤 路尘 烟尘 飞尘测定资料进 行平均值对比后发现污染物颗粒向细小方面演化 重金属含量向颗粒细的部分富集 颗粒愈细其重金属含量愈高 即飞尘 烟尘 路尘 土壤 夏增禄等 3 2 指出在一些质地不 均一的层状土壤中 许多重金属的含量与土壤质地的砂粘程度密切相关 刘兆昌等1 4 2 1 对不同土质对重金属迁移分布的影响做了研究 得出了砂土中最快 亚砂土次之 亚 粘土最慢 周伟 李继云的1 4 3 j 研究表明 在相同的p h 条件下 土壤对z n 的吸附量随 0 0 0 2 r a m 的粘粒含量的上升而增加 田应兵等t 4 4 1 对城郊菜地土壤重金属含量的进行调 查 得出 o 0 0 1 m m 粘粒对土壤c u p b c d n i 的含量有显著影响 对z n 和a s 的含 量影响不明显的结论 周守明等 4 5 j 对河南7 2 个土样重金属含量与机械组成进行了数理 统计及数学模拟 得知土壤中锌 铅 镍 钴 铬 砷与土壤中小于0 0 1 m m 的物理性 粘粒呈显著正相关 土壤粒径对重金属迁移能力影响较大 研究表明随着土壤中胶粒含量减少 土壤 中土粒的比表面积减小 土壤对重金属的吸附量也下降 其阻滞系数降低 重金属离 子迁移速度随之增大 因此就从土壤中转移并污染其他环境1 4 6 戴塔根等 4 7 研究c u p b c d c r 舡重金属在不同粒径p m l 0 中的质量浓度与 形态分布 结果表明c u p b c d a s 质量浓度随粒径增加而减少 z n c r 质量浓度 在1 1 2 0 m m 粒径范围内有一峰值 总体上仍表现为随粒径增加而减少 颗粒越细 c u 的活性越大 p b 的活性在各粒级中变化不大 z n 的活性随粒径增加而变大 1 2 3 重金属污染水平评价 1 2 3 1 评价标准 近几十年来 国内外科学家针对土壤环境质量问题开展了许多相关的研究 其中 土壤环境质量的定量化评价是土壤质量研究的重要内容 但直到目前 土壤环境质量 评价仍没有统一的标准和公认的有效方法 因此国内外学者对土壤环境质量进行评价 时 采取的标准也不统一 国内常采用国家土壤环境质量标准 g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 区域 土壤背景值或部门 专业 土壤质量标准 1 国家土壤环境质量标准 我国1 9 9 5 年发布 1 9 9 6 年实施了g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 1 壤环境质量标准 表1 1 标 6 青岛大学硕士学位论文 准是在考虑土壤主要性质的基础上 规定了三大类土地功能区的镉 汞 砷 铜 铅 铬 锌 镍8 种重金属元素的最高允许浓度 其土壤环境质量标准根据土壤级别的不同 而分为三级 执行土壤环境质量标准值一级的土壤为集中生活饮用水源地 茶园 牧 场和其他保护区的土壤 执行二级的土壤一般为农田 蔬菜地 茶园和牧场等 执行 三级的土壤为矿山 林地附近的土壤 目前该标准作为土壤重金属污染评价标准己被 广泛运用到土壤重金属污染评价的科学实践当中 4 8 a 9 表1 1 土壤环境质量标准 m g k g 1 2 土壤背景值标准 土壤背景值 又叫土壤本底值 基准值 是指在较少受人类活动影响情况下 在 土壤原有的化学组成和元素含量水平上 叠加较少数量面源污染物的总量 在提出有 明显污染的土壤后 采用v i s t e l i w s 置信带法考察数据的分布情况 符合正态分布规律的 样本 采用算术平均值 2 倍标准差作为环境背景值上下限 以此作为评价标准 若数 据呈对数正态分布 则采取几何平均值和几何标准差计算 5 们 1 2 3 2 评价方法 环境质量评价是综合各种污染因子对环境质量的污染贡献 予以评价环境系统的 环境质量的优劣程度 评价指标应该是严格可控的 便于评价者对一种土壤是否被污 染以及污染的程度做出判断 目前环境质量评价的方法主要有单项污染指数法 综合 污染指数法 地质累积指数法 污染程度法 富集因子法 潜在生态危害指数法 回 归过量分析法 模糊集理论以及化学 生态学和毒理学的综合方法等数十种方法 由 于每种评价方法都有其适用范围及自身的局限性 而指数法能对受污染土壤做出简捷 快速的评价 方法也较为简便 并能较全面地反映土壤重金属污染程度 因此目前在 土壤重金属污染评价时为国内外学者所普遍采用 1 单因子污染指数 7 第一章绪论 单因子指数质量评价模型是用土壤污染物实测值与评价标准值相比来计算土壤环 境质量污染指数的一种评价模型 其计算式为 e 导 式中 p i 指污染物i 的环境质量指数 c i 指污染物i 的实测浓度 m g 依g s i 指污染物i 的评价标准 m g k g 根据公式计算出的污染指数可以对元素污染程度进行分级 如表1 2 所示 表1 2 单因子指数质量评价模型元素污染程度分级表 2 内梅罗综合指数法 内梅罗综合指数法是一种兼顾极值的综合方法 既考虑了单元素的作用 又突出 了污染最严重元素的重要性 其计算公式为 阳陉竺 互 y 2 式中 p 为靳个监测点的质量综合指数 p 2 u m 联为莉个监测点i 污染物所有单项污染 指数中的最大值 p 2 i j 眦第j 个监测点i 污染物所有单项污染指数的平均值 5 1 1 此外还有 迭加型 均值型 均方根型等综合污染指数的计算方法 内梅罗指数土壤污染评价标 准见表1 3 表1 3 土壤综合评价分级标准 3 地积累指数 地积累指数是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家m u l l e r 于1 9 6 9 年提出的一种 研究沉积物中重金属污染的定量指标 计算公式如下 i g e o l 0 9 2 c k b 式中c 为 元素样品中实测重金属浓度 b 为该元素的地球化学背景值 k 为修正系数 通常用来 8 青岛大学硕士学位论文 表征沉积特征 岩石地质及其它影响 k 1 5 i g e o 由从未污染到非常严重污染的七级 组成 指数越大 污染越严重 5 2 1 地质积累指数污染评价标准见表1 4 表1 4 地积累指数分级 4 潜在生态风险指数法 潜在生态危害指数法 5 3 1 结合环境化学 生物毒理学 生态学等方面的内容 以定 量的方法划分出重金属潜在危害的程度 土壤重金属i 的潜在生态危害系数e f t h e p o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s kf a c t o r 2 乏土壤中多种重金属的综合潜在生态危害指数r i t h e p o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s ki n d e x 计算方法如下 e k p c 打n f 戤 e r j i c f l f l1 1 式中 c 为重金属的富集系数 c 名c s g 为重金属i 的实测含量 g 为计算 所需的参比值 1 7 为重金属i 的毒性系数 它主要反映重金属的毒性水平和环境对重 金属污染的敏感程度 有关重金属的毒性响应系数为h g 4 0 c d 3 0 p b c u n i 5 z n i a s 1 0 c r m n 2 1 5 3 1 9 重璺茎兰丝主兰堡丝苎 第二章研究地区基本概况 2 l 徽县地理概况 2 l1 地理位置 教县位于甘肃省东南部 地处秦岭南麓 嘉陵江上游 东邻秦j 南通巴蜀 西 北紧靠陇原 地理坐标东经1 0 5 a 3 4 2 9 1 0 6 2 6 5 3 北纬3 3 3 2 5 3 3 41 0 3 3 全县 东西长7 57 k m 南北宽6 93 k m 总面积2 7 7 2 平方公里 论文研究区位于徽县县城南 o 0 枣 一二 一 省 田2 1 研究区地理位置田 2 12 地势地貌 徽县属浅中切割浅山丘陵盆地地貌区 全县海拔7 0 4 2 5 0 4 m 地形受秦岭纬向构 造控制 山体多东西走向 整体地势南北高 中间低 北部山区山峦起伏 坡面平缓 河谷浅切 山问开阔 沟壑较宽 河床较平 南部区群山地伏 层峦叠嶂 峭壁险峻 峡咎幽深 山体相对高差多在8 0 0 1 0 0 0 m 之间 图22 1 0 第二章研究地区基本概况 围2 2 研究匿地形圈 2 1 3 气候 徽县地处大陆腹地中纬度地带 全县地处亚热带向暖温带过渡气候带 属暖温带 半湿润气候区 年均气温1 0 至1 25 气温年较差2 35 极端最高气温3 83 c 最 低 1 5 2 7 月份平均气温2 3 l 9 05 1 2 无霜期2 0 0 至2 2 0 天 年平均风速09 2 m s 境内气温呈南高北低分布 同一地区随高度升高气温降低 年平均日照时数1 7 0 0 小时 左右 年太阳总辐射量2 46 k j e m 2 年有效积温3 7 9 2 c 年总降水量7 0 0 至8 5 0 毫米 主要集中在6 至9 月 雨量自北而南递增 嘉陵江沿岸年均雨量在8 0 0 毫米以上 为 境内多雨带 2 14 河流与水系 徽县有大小河流6 4 5 条 其中常流水河4 7 8 条 均属长江流域的嘉陵江水系 流 域面积1 0 0 平方公里以上的有6 条 嘉陵江岸流流域面积6 9 6 45 平方公里 主要河流 有 嘉陵江一级支流 永宁河 洛河 西河 麻沿河 东沟河 境内自产地表水71 亿立方米 入境水1 27 5 亿立方米 年径总流量1 9 9 亿立方米 地下水自然补给量13 4 亿立方米 2 15 土壤 全县总土地面积4 0 87 万亩 分为8 大类 其中耕地3 9 0 7 万亩 其中水浇地55 8 万亩 水平梯田1 95 9 万亩 园地0 3 万亩i 林地2 9 1 万亩 有林地1 8 92 万亩 森林 青岛大学硕士学位论文 覆盖率4 6 3 天然草地7 9 万亩 居民点及工矿用地6 4 万亩 交通用地2 4 万亩 水域面积5 6 万亩 未利用土地1 4 8 万亩 土壤类型以褐土为主 其次分布有棕壤 草甸土等 5 4 1 2 1 6 植被 徽县植被类型为落叶阔叶林和落叶阔叶混交林 全县林草覆盖率达5 7 5 8 同时 植被分布具有一定的垂直地带性 海拔1 0 0 0 m 以下以落叶及常绿阔叶混交林为主 海 拔1 0 0 0 1 2 0 0 m 属侧柏 p l a t y e l a d u s o r i e n t a l i s 林带 海拔1 2 0 0 2 2 0 0 m 属落叶阔叶林带 海拔2 2 0 0 m 以上为针叶林带 共有各种植物资源1 0 2 7 种 其中农作物资源8 4 种 主要栽培作物为小麦 玉米 油菜 大豆 马铃薯 胡麻 油菜 葵花 大麻 甜菜 烟草 药材等等 果树6 8 种 银杏 核桃 板栗等干果为徽县特产 2 2 社会经济概况 徽县辖1 5 个乡镇 2 4 9 个行政村 至2 0 0 5 年底全县总人口2 2 万 2 0 0 5 年 全县 生产总值达到1 1 3 亿元 农民人均纯收入达1 9 8 6 元 徽县交通便利 处在兰州 西安 成都三大省会城市为顶点的三角形内心上 便 于商品流通 宝成铁路通过县境南部 国道3 1 6 线 江武公路干线纵贯全县1 1 个乡镇 1 0 0 多公里 县域境内目前已探明的矿藏有铅锌 铁 汞 砩 金 磷 铜 硫 锑 大理石 花岗石 石灰石等4 大类2 0 多种 金属储量1 0 5 万吨 铁金属储量2 4 0 万吨 汞矿金 属储量5 2 0 万吨 砩矿藏5 万吨 嘉陵大型石灰岩矿床工业储量3 6 4 0 万吨 铅锌探明 大中型矿藏3 处 绵延3 0 0 多公里 其中西成铅锌矿田东起徽县洛坝 西至西和县洛 峪 东西长8 5 k m 南北宽1 5 k m 面积1 2 7 5 k m 2 累计探明铅锌储量超过1 3 0 0 万吨 5 5 而且还有较大的找矿潜力 预测远景储量可达2 5 0 0 万吨 是我国铅锌矿超大型矿田之 一o 2 3 研究区域污染源状况 西成铅锌矿区早在明 清年代即作银矿开采 有 日产万担砂 夜炼千两银 之 说 现存老硐处处可见 距污染源最近的洛坝铅锌矿床位于徽县柳林乡 矿床平均品 位 铅1 3 5 锌4 2 0 伴生银2 5 0 9 3 3 7 4 g t 镉0 0 1 5 2 0 0 3 4 6 硫4 6 3 7 2 5 主要矿石矿物为闪锌矿 黄铁矿 方铅矿 5 6 1 徽县属徽成铅锌矿带的中心区域 建有甘洛集团哥尔德冶化公司2 0 吨白银生产线 宏大铅盐化工1 8 万吨氧化铅生产线 鸿远公司多金属选厂 宏德贵金属深加工项目 1 2 第二章研究地区基本概况 宝徽公司6 万吨电解锌生产线等一批较大项目 目前 全县有采矿企业1 2 户 选矿企 业2 9 户 冶炼企业5 户 造成血铅超标事件的重要污染源是徽县有色金属冶炼有限责任公司宏宇铅冶炼 厂 位于徽县县城南3 公里的水阳乡 主要生产粗铅 自1 9 9 6 年建成投产以来 年生 产规模逐渐从3 0 0 0 吨增至5 0 0 0 吨 炼铅的原料主要是硫化铅矿 采出的矿石品位一 般低于3 经过选矿得到铅精矿再采用烧结一鼓风炉熔炼工艺生产粗铅 工艺流程图 s r i 见图2 1 据国家环保总局与甘肃省环保局联合调查组估算 仅2 0 0 3 年一年该厂就 向空气中排铅2 0 0 t 相当于每天排铅o 6 t 每小时2 5 k g 另外该厂烧结过程中除排放 大量含重金属元素的烟尘外还产生大量的低浓度s 0 2 烟气 难以直接用于制酸 按硫 化铅精矿中硫的质量分数为1 2 2 4 计算 每冶炼1 t 粗铅有0 6 t i 1 t s 0 2 排空 这 不仅严重污染了环境 同时也造成硫资源的浪费 故该炼铅工艺早被国家列为限期淘 汰的生产工型5 8 1 按年产5 0 0 0 吨规模估算 该冶炼厂每年有5 5 0 0 吨s 0 2 排入大气 加之生产过程中产生的烟尘 废水 废渣给周围环境带来极大破坏 铅精矿ll 石灰石i i 石英石ll 粉煤ll 返渣ii 铅烟尘 工业氧 粗铅 焦炭 1 烟气 型 空 皇 高铅渣 五 鼓风炉熔 1 烟气 l r 余热回收 型匕纠掣一 童 1 3 青岛大学硕士学位论文 3 1 野外采样及调查 第三章材料与方法 3 1 1 采样时间 2 0 0 6 年9 月中旬 3 1 2 采样点的布设及样品采集 该地区地貌复杂 居民点多 根据g p s 精确定位 以冶炼厂烟囱为圆心向周围辐 射不同距离的同心圆布设采样点位 并结合冶炼厂所在地区的主导风向 风力 地形 及冶炼厂排气特征 主要在西北一东南方向上 西南一东北4 5 0 m 西北一东南1 5 0 0 m 的范围内采样 由于该厂距居民区较近 周围农田较多 在西北方向选取6 个采点样 东南方向选取1 4 个采样点 共2 0 土壤采样点 同时在土壤样点垂直方向上进行连续 水平分层采样 共采集土壤样品1 0 3 个 具体是 在冶炼厂东南方向上距冶炼厂大约 3 0 0 m 6 0 0 m 和7 0 0 m 的地方以1 0 e r a 为间距采集了三个深度为1 0 0 c m 的剖面 样点号 为l 5 2 l 5 4 l 5 5 每个样点1 0 层 共3 0 个土壤样品 距厂区排污口较近的l 2 1 样点及东南方向其它样点以1 0 c m 为间距采集了深度为5 0 c m 的剖面 每个样点5 层 共5 5 个土壤样品 西北方向采集的土壤剖面深度3 0 c m 各土层间距1 0 c m 每个样点 3 层 共1 8 个土壤样品 土壤样品用聚乙烯袋盛装 重量为l k g 左右 用铅笔写好标 签 内外各一张 标签采注明采样地点 日期 采样深度或部位 土壤名称 编号等 同时做好采样记录 采样点的基本情况见图3 1 3 2 样品的预处理 采回的土壤样品 应及时进行风干 以免发霉而引起性质的改变 其方法是将土 壤样品弄成碎块平铺在干净的纸上 摊成薄层放于室内阴凉通风处风干 经常加以翻 动 同时剔除土壤以外的侵入体 细小已断的植物须根 切忌阳光直接暴晒 风干后 的土样用四分法取出部分土样木棒碾碎使全部通过2 m m 筛 然后从中取3 0 9 左右在玛 瑙研钵上进一步磨碎 过1 0 0 目 0 1 4 9 m m 尼龙筛 装袋保存以备测定 1 4 第三章材料与方挂 3 3 实验方法与内容 田3 1 冶炼厂周边土壤采样点分布圈 3 3 1 主要实验仪器 a a 3 2 0 n 原子分光光度计 铜空心阴极灯 铅空心阴极灯 锌空心阴极灯 n 3 4 型可调式电热板 数显鼓风干燥箱g z x 9 0 3 0m b e t h x 9 2 a 气浴恒温振荡器 a l l 0 4 电子天平 p h s 一3 c 数显酸度计 m a s t c r s i z c r 激光粒度仪 聚四氟乙烯烧杯 1 0 0 m l 上海精密科学仪器有限公司 河北宁强光源有限公司 河北宁强光源有限公司 河北宁强光源有限公司 北京市永光明医疗仪器厂 上海博讯实业有限公司医疗设备厂 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