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煤矸石堆放地周围土壤中重金属的污染特性及评价 * 廖四海1杜勇立2刘振华1黄满红3张燕青3张微3 1. 中建五局土木工程有限公司， 长沙 410004; 2. 湖南省交通规划勘察设计院， 长沙 410008; 3. 东华大学环境科学与工程学院， 上海 201620 摘要 为了分析煤矸石堆放对周边土壤环境的影响， 以某煤矸石山为对象， 采集新鲜煤矸石及附近土壤样品， 检测其中 Cu、 Pb、 Zn、 Cd、 Ni、 Cr、 As 和 Hg 8 种重金属元素的含量， 分析了煤矸石和土壤中重金属的相关性， 采用多种污染指数评 价了重金属污染对该地环境质量的影响。结果表明 该煤矸石堆放地中， 重金属污染单因子指数由高到低依次为Ni ＞ Zn ＞Cu ＞Cr ＞Pb ＞As Hg Cd， 该堆放地土壤等级总体尚安全， 但土壤中 Zn、 Cr 和 Cu 含量已受到人为污染影响。 关键词 煤矸石; 土壤; 重金属; 污染评价 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408028 THE POLLUTION CHAＲACTEＲISTICS AND ＲISK ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN GANGUE PILING SITE TO SUＲＲOUNDING SOIL Liao Sihai1Du Yongli2Liu Zhenhua1Huang Manhong3Zhang Yanqing3Zhang Wei3 1. Civil Engineering Co． ，Ltd of China Construction Fifth Engineering Bureau， Changsha 410004， China; 2. Hunan Provincial Communications Planning，Survey ＆ Design Institute， Changsha 410008， China; 3. College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620， China AbstractIn order to investigate the effect of heavy metals of the gangue on the surrounding soil，fresh gangue and soil samples along from certain gangue mountain were collected． Eight heavy metals of Cu，Pb，Zn，Cd，Ni，Cr，As and Hg were detected and the relevance of gangue and soils was analyzed． Several pollution inds were also used to uate the influences of heavy metal pollutants on environmental quality． From the result，the orders of heavy metal pollution single index were as followsNi ＞ Zn ＞ Cu ＞ Cr ＞ Pb ＞ As Hg Cd． The soil surrounding the gangue piling site was relatively safe; however，the concentration of Zn，Cr and Cu in soils had been affected by human beings． Keywordsgangue;soils;heavy metals;pollution uation * 湖南省交通厅科研项目 200908，201105 ; 交通运输部科技项目 2010353343290 。 收稿日期 2013 －09 －08 0引言 煤矸石作为采煤的副产物， 经常直接堆放在露天 场地。煤矸石从地下还原环境进入地表氧化环境， 在 大气降水以及微生物等作用下， 煤矸石中重金属进入 周围土壤中造成土壤重金属污染［1- 3 ］。土壤环境重金 属污染物在土壤中滞留时间长， 一般不易迁移， 也不 能被土壤微生物分解， 在土壤中累积并通过食物链在 生物体中富集， 最终在人体内蓄积而危害人体健康。 目前土壤重金属污染受到国内外学者的广泛重视。 Fanfani 等 ［4 ］从淋溶元素溶解性角度研究了意大利 Montevecchi 西部一个矿山尾矿堆放场地对土壤 － 水 环境的重金属污染情况。Panov 等 ［5 ］对俄罗斯著名 大煤田 顿巴斯 重金属环境化学进行调查研究， 发 现在该地区的许多土壤样品中 Hg、 As、 Pb、 Zn 和 Cd 含量超标; 王心义等 ［6 ］对焦作矿区的煤矸石进行室 内淋溶模拟试验， 发现煤矸石中重金属淋出具有长期 性， 矿区土壤对重金属具有富集性和迁移性; 崔龙鹏 等 ［7 ］对淮南矿区土壤重金属进行研究， 表明矿区土 壤来自采矿活动的重金属污染。但目前煤矸石堆放 地周围土壤重金属的相关性分析及污染评价的研究 未见报道。本文以某矿区煤矸石堆放地为研究对象， 811 环境工程 Environmental Engineering 研究其中土壤重金属污染特征， 并分析煤矸石和土壤 中重金属的相关性， 评价了重金属污染对该地环境质 量的影响， 以期为该地区煤矿合理开采和生态环境保 护提供可靠的技术依据。 1实验部分 1. 1样品采集 本次土壤污染调查时间为 2012 年 5 月， 调查内 容为 Cu、 Pb、 Zn、 Cd、 Ni、 Cr、 As、 Hg 8 种重金属元素的 含量， 在煤矸石堆放地下风向约 200 m 处取土壤样品 3 个， 取煤矸石样品 3 个。 1. 2重金属含量分析 土壤和煤矸石样品带回实验室后， 剔除碎石等杂 物， 置于烘箱内 105 ℃恒温烘干， 用玛瑙研钵研磨样 品至可完全过 80 目筛为止。然后用精度为 0. 0001 g 的分析天平称取 0. 15 g 土样至烧杯内， 分别加入 2. 5 mL硝酸， 1. 0 mL 氢氟酸， 1. 0 mL 双氧水， 放于微 波炉中消解至干燥， 再加入 25 mL 纯水定容用于分 析。金属元素 Cu、 Pb、 Zn、 Cd、 Ni、 Cr、 As、 Hg 采用 Prodigy 型电感耦合等离子体原子发射仪测试 ICP- AES， 美国 Leeman 公司 。 1. 3环境质量评价方法 土壤环境质量单因子评价采用单项污染指数 法 ［8 ］， 其计算公式为 Pip Ci/Sip 式中 Pip为土壤中污染物 i 的单项污染指数; Ci为调 查点位土壤中污染物 i 的实测浓度; Sip为污染物 i 的 评价标准值或参考值。 由于土壤的地区背景差异较大， 一般用土壤污染 累积指数反映土壤的人为污染程度。其计算公式为 土壤污染累积指数 土壤污染物实测值/污染物背景 值。土壤污染物分担率可评价确定土壤的主要污染 项目 ［8 ］， 其计算公式为 土壤污染物分担率 土壤 某项污染指数/各项污染指数之和100。 土壤环境质量综合评价采用综合污染指数法 内梅罗污染指数 。内梅罗指数反映了各污染物 对土壤的作用， 同时突出了高浓度污染物对土壤环 境质量的影响， 可按内梅罗污染指数划定污染 等级。 1. 4数据分析 煤矸石和土壤中重金属含量的相关性采用 Pearson 相关性分析， 采用双尾检测来确定其相关关 系的显著性水平， 本次分析采用 SPSS 17. 0 完成。 2结果和讨论 2. 1煤矸石中重金属含量 通过对煤矸石中 8 种重金属元素进行分析， 得到 煤矸石含有的 8 种重金属元素如表 1 所示。 表 1煤矸石微波消解后的成分 Table 1The composition of the gangue after microwave digestionμg/g PbAsCrCuCdNiZnHg 176. 1178. 3311. 1121. 1130. 83 由表 1 可知 该煤矸石样品中所测 8 种重金属元 素中， 含有 Pb、 Ni、 Cr、 Zn 和 Cu 5 种重金属， 未检测出 As、 Cd、 Hg 这 3 种元素。与国内同类研究相比［9- 13 ］， 该地煤矸石中重金属 Pb 和 Cr 的含量较高， Cu 的含 量较低。 2. 2土壤中重金属元素污染特性及质量评价 表 2 是对煤矸石中 8 种重金属元素的分析结果。 从表 2 可看出 该煤矸石堆放地周围土壤中 8 种重金 属的含量达到 GB 156181995土壤环境质量标准 二级标准， Cr、 Cu 和 Zn 超过 GB 156181995 一级标 准。内梅罗污染指数为 0. 56， 土壤污染等级目前尚 安全。重金属单因子污染指数和重金属累积指数见 图 1。 表 2煤矸石微波消解后的重金属元素成分 Table 2The heavy metal elements composition of gangue after microwave digestionμg/g 成分含量 GB 156181995 一级标准 GB 156181995 二级标准 Pb21. 73580 As 旱地1530 Cr 旱地99. 290200 Cu38. 335100 Cd0. 200. 30 Ni34. 24050 Zn130100250 Hg0. 150. 50 重金属污染单因子指数由高到低依次排序为 Ni ＞ Zn ＞ Cu ＞ Cr ＞ Pb ＞ As Hg Cd， 由图 1 可知 Cu、 Pb、 Zn、 Ni、 Cr、 As、 Hg 的重金属单因子污染指数 均小于 1。土壤重金属累积污染程度排序为 Zn ＞ Cr ＞ Cu ＞ Ni ＞ Pb Hg As Cd， Zn、 Cr 和 Cu 土壤累积 污染程度较高， 分别为 1. 3， 1. 10 和 1. 09， 表明土壤 Zn、 Cr 和 Cu 的含量已受到人为污染的影响。污染物 分担率按大小顺序排列为 Zn ＞ Cr ＞ Cu ＞ Ni ＞ Pb Hg As Cd， Zn 的污染分担率最高， 可达 26. 15， 污 911 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 图 1重金属污染单因子污染指数和重金属累积指数 Fig．1The single factor pollution index and the accumulate index of heavy metal 染最为严重; 其次为 Cr， 污染物分担率为 22. 17， 如 图 2所示。 图 2重金属污染物分担率 Fig．2Partaking rate of heavy metal pollutants 2. 3土壤中重金属污染的来源分析 在煤矸石堆放地周围土壤中所检出的 5 种重金 属 Cu、 Pb、 Zn、 Ni、 Cr， 在煤矸石中也同样有检出。As、 Hg 和 Cd 在煤矸石及周边土壤中皆未检出。对 5 种 重金属元素进行相关性分析 As、 Hg 和 Cd 未检出， 故不列入 ， Cu、 Pb、 Zn、 Ni、 Cr 的皮尔逊相关系数矩阵 及相关性检验结果见表 3。从表 3 可以看出 5 种重 金属元素之间存在较好的相关关系， 相关系数 r2＞0. 995， 说明重金属间可能存在同一污染来源。 煤矸石中 8 种重金属的含量和土壤中对应金属 相关性较差 r2 0. 2 ， 可能是由于 8 种金属的淋溶 特性以及其在土壤中的吸附系数不同造成。将所采 集的煤矸石进行了 24 h 浸泡 m 去离子水 ∶ m 煤 矸石10∶ 1 ， 并对浸泡后的水质进行测定， 仅检出 了 Zn 0. 03 mg/L 。这说明 Zn 是煤矸石中 5 种可 被检出的重金属中最易被淋溶进入土壤的元素， 淋溶 能力和该元素在煤矸石的含量不呈现正相关关系。 表 3重金属元素之间皮尔逊相关系数矩阵 Table 3Pearson correlation coefficient matrix among heavy metal elements 相关系数CuPbCrZnNi Cu1 Pb－1. 000*1 Cr0. 999*－1. 000*1 Zn1. 000*－1. 000*0. 999*1 Ni0. 999*－0. 997*0. 995*0. 998*1 注 * 表示 P ＜0. 01。 3结论 1 采用 GB 156181995 进行系统评价。结果表 明 煤矸石堆放地中， 重金属单因子指数由高到低依 次为 Ni ＞ Zn ＞ Cu ＞ Cr ＞ Pb ＞ As Hg Cd， 主要以 Ni 和 Zn 为主。 2 煤矸石堆放地土壤等级总体安全， 但土壤中 Zn、 Cr 和 Cu 的含量已受到人为污染的影响， 因此应 积极利用废煤矸石， 减少煤矸石堆放对环境的影响。 3 煤矸石和周边土壤中重金属种类一致， 土壤 中重金属之间存在较好的相关关系， 但煤矸石和周边 土壤中重金属含量并不相关， 这可能是不同重金属的 特性 淋溶、 吸附等 导致。 参考文献 ［1］Da Silva E F，Zhang C S，Pinto L S， et al． Hazard assessment on arsenic and lead in soils of Castromil gold mining area，Portugal ［J］． Applied Geochemistry， 2004， 19 6 887- 898. ［2］闫宝环， 李凯荣， 时亚坤． 铜川市三里洞煤矸石堆积地风化土 壤重金属污染及植物富集特征［J］． 水土保持通报， 2012 6 47- 49. 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