分析垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬濃度的空間分布,土壤污染論文

分析垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬濃度的空間分布,土壤污染論文隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，很多發(fā)展中國家的城市化進程也特別迅速。與此同時，城市垃圾更是以驚人的速率增長，對生活和環(huán)境造成了特別嚴(yán)重的影響(NIE,2008)。中國是最大最典型的發(fā)展中國家，垃圾年產(chǎn)生量已超過1.50108t。由于土地資源日益稀缺，而燃燒處置具有顯著的減量化效果，并且具有可回收余熱等優(yōu)點，已成為不少發(fā)展中國家的城市解決垃圾問題的重要方案(NIE,2008;張倩和徐海云,2020)。截至2018年2月底，中國投入運行的垃圾燃燒發(fā)電廠約有90座，且十二五期間按規(guī)劃將增加到160多座〔張倩和徐海云,2020〕。垃圾燃燒經(jīng)過產(chǎn)生的主要污染包括尾氣、底渣和飛灰。燃燒底渣環(huán)境毒性較小,可作為一般工業(yè)固廢進行處理。相對于作為危險廢物進行管理和處置的燃燒飛灰，直接排放的燃燒尾氣對燃燒廠周邊環(huán)境的影響范圍更大也更為直接。發(fā)展中國家的垃圾大多是混合收集的，含重金屬的垃圾未經(jīng)分選進行燃燒，重金屬會隨著燃燒尾氣排放到大氣中并最終通過干濕沉降進入土壤〔CHENG等，2007;WERTHER，2007;杜鋒等,2018〕。重金屬大都具有強毒性和生物累積性，而一般程度較輕的重金屬污染由于其具有隱蔽性、不易降解、不可逆性和持久累積性，造成的后果亦可能特別嚴(yán)重。固然正規(guī)垃圾燃燒廠都配有嚴(yán)格的尾氣處理系統(tǒng)，但無論尾氣中重金屬能否達標(biāo)，由于尾氣的不斷排放以及重金屬在土壤中遷移困難，仍然會在燃燒廠周邊土壤中構(gòu)成重金屬累積，成為污染事故隱患。當(dāng)前國外已有不少關(guān)于垃圾燃燒廠周邊土壤重金屬污染的研究報道，但主要是對重金屬濃度進行分析(FRANCESCA和MARCO,2018;JORDI等，2018;MIREN等，2018)。國內(nèi)趙宏偉等針對垃圾燃燒爐周邊地區(qū)環(huán)境汞污染和深圳清水河垃圾燃燒廠周圍重金屬情況進行過研究(WANG，2018;趙宏偉等,2018)研究發(fā)現(xiàn)重金屬在燃燒廠周邊土壤中比起自然背景值有明顯的累積。近年來，國內(nèi)屢次出現(xiàn)食品及飲用水重金屬超標(biāo)事件，保障食品安全已成為中國亟待解決的重要問題。浙江杭嘉湖平原地處我們國家經(jīng)濟金三角地區(qū)，該區(qū)已有一大批成熟運行的垃圾燃燒廠。垃圾源與大多數(shù)發(fā)展中國家一樣是未經(jīng)分選的城市生活垃圾，但相對于1988年投入運行的深圳清水河垃圾燃燒廠，該廠的燃燒及尾氣處理技術(shù)都是當(dāng)前的主流技術(shù)(張倩和徐海云，2020)。該廠所在區(qū)域是長三角地區(qū)重要的糧食生產(chǎn)地，廠址周邊以農(nóng)田和果園為主，一旦發(fā)生土壤重金屬污染事故，重金屬將通過食物鏈效應(yīng)構(gòu)成嚴(yán)重的食品安全隱患。本文以該廠周邊環(huán)境土壤中的重金屬為研究對象，分析重金屬濃度的空間分布，探究其主要來源，對評估垃圾燃燒廠尾氣排放對周邊環(huán)境的長期影響及保障食品安全都具有特別重要的意義。1、材料與方式方法1.1研究區(qū)大概情況嘉興市處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣15～16℃，年平均風(fēng)向如此圖1。嘉興垃圾燃燒發(fā)電廠位于嘉興市南湖區(qū)大橋鎮(zhèn)，于2003年投入運行。該廠當(dāng)前生活垃圾處理量約1900td-1，采用加脫硫劑設(shè)備、氣固快速流化混合半干法煙氣凈化塔和布袋除塵法處理煙氣。煙囪內(nèi)徑2500mm，煙囪主體高度100m。燃燒廠周邊用地以農(nóng)業(yè)〔耕地〕為主，部分為果園〔見圖2〕。1.2采樣布點本研究共采集了74個土樣，采樣時間為2020年8月。結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦翁卣?，采用輻射形布點法，設(shè)定西〔W〕、西北(NW)、北(N)、東北(NE)、東(E)、東南(SE)、南(S)、西南(SW)8個采樣方向。以煙囪為中心,在各風(fēng)向0～2km范圍內(nèi)分別選取5、5、5、4、4、5、5、4個無明顯人為干擾樣點(見圖2)，以GPS定位。每個樣點分別采集表層(0～20cm)和次表層土壤(20～40cm)封存于PVC袋內(nèi)，每個樣品均根據(jù)梅花布點法在樣點3m3m范圍內(nèi)采集的5個等容小樣均勻混合而成。土壤的pH為6.33,背景點選在上風(fēng)向。1.3樣品處理與分析樣品采集后，去除華而不實砂礫和植物殘屑，平攤于陰涼通風(fēng)的干凈室自然風(fēng)干至恒重，使用木棍敲碎研磨并過1mm尼龍篩。土壤樣品中含量較大的Cr、Mn、Fe等金屬，用美國Innov公司AS-4000型XRF熒光光譜儀測定含量(柳云龍等，2020)，工作溫度范圍為-10～50℃，檢出限為1～20mgkg-1。每個樣品測定時間2min，重復(fù)測3次，變異系數(shù)在18%間。含量較低的Cu、Cd、Pb、Hg，先準(zhǔn)確稱取樣品0.25g,參加氫氟酸-反王水，然后在MARS微波儀中進行樣品消解，再用島津原子吸收分光光度計AA-6300C(P/N206-52430)〔U.S.EPA.,1995〕進行測定,Hg用F732-G數(shù)字顯示測汞儀進行測定。每個樣品測定3次，變異系數(shù)在7.12%間。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)。以上實驗均在重慶大學(xué)教育部三峽生態(tài)環(huán)境重點實驗室完成。1.4數(shù)據(jù)分析土壤重金屬的最值、平均值、相關(guān)系數(shù)等描繪敘述性統(tǒng)計分析采用PASW18.0軟件計算。利用基于主成分方式方法的因子分析(factorsanalysis，F(xiàn)A)，解釋重金屬濃度空間格局分異的原因。采用ESRI的ArcGIS9.0地統(tǒng)計模塊分析進行克里格插值。1.5污染評價土壤污染評價標(biāo)準(zhǔn)以浙江杭嘉湖平原土壤環(huán)境背景值及本次采樣的背景點為參照標(biāo)準(zhǔn)。土壤污染評價方式方法采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。單因子指數(shù)法適用于單一因子污染特定區(qū)域的評價，內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法能夠全面、綜合地反映土壤壤的污染程度，公式如下。式中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i的實測濃度(mgkg-1)；Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)(mgkg-1)，采用浙江杭嘉湖平原土壤環(huán)境背景值和中國土壤環(huán)境背景值(魏復(fù)盛等,1991;LIU等,2006;汪慶華等,2007)及本次采樣的背景點分別進行計算分析；P綜為土壤中重金屬元素的綜合污染指數(shù)；n為介入評價的重金屬的種數(shù)。2、結(jié)果與分析2.1表層富集因子表層富集因子是采用表層樣品的測定值與深層樣品的測定值的比來評價土壤及沉積物中重金屬的污染狀況，即對富集因子〔EF〕加以修正，采用CEF〔CulturalEnrichmentFactor〕，CEF可表示為(Rognerud等,2000；Bentum等,2001):ci元素i的濃度;cn標(biāo)準(zhǔn)化元素的濃度。標(biāo)準(zhǔn)化元平素選擇地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的元素，如Al,Ti,Sc,Zr(張秀芝等，2006)。surface和deep分別表示表層樣品和深層樣品。CEF值是表示清楚表層土壤受擾動程度的重要指標(biāo)，CEF1表示清楚表層物質(zhì)遭到人為影響，CEF1表示表層物質(zhì)沒有遭到人為影響。表1為兩層土壤重金屬含量的描繪敘述性統(tǒng)計分析，由于Cd、Hg未檢出，所以下面主要對Cr、Mn、Cu、Pb、Fe進行了分析。選取Ti作為標(biāo)準(zhǔn)化元素，對5種重金屬所有樣點的表層富集因子進行計算，華而不實CEF均值1的有Cr〔0.66～1.48〕，Mn〔0.51~1.57〕，F(xiàn)e〔0.66～1.45〕；1CEF2的有Cu(0.95～1.44),Pb(0.78～2.01)。因而以為Cr、Mn、Fe主要為自然源，可能與該區(qū)域土壤的成土背景相關(guān)；Cu、Pb則很可能遭到外加人為污染。背景點的CEF1，表示清楚背景點的選取是有效的。2.2因子分析的重金屬空間分布數(shù)據(jù)通過Bartlett球形檢定(p0.001)，主成分分析結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義。重金屬濃度相關(guān)矩陣如表2所示，可用于判定各重金屬因子的互相作用。表3為因子分析經(jīng)Varimax旋轉(zhuǎn)后前3個主成分及各種金屬載荷，方差累計奉獻達82.68%。圖4則為對應(yīng)的各重金屬3D載荷圖，重金屬間的多元關(guān)系可從中直觀看出。經(jīng)K-S檢驗，均符合正態(tài)分布，以擬合的半方差函數(shù)模型為計算模型，采用普通克里克法進行最優(yōu)內(nèi)插，繪制了所研究的表層土壤重金屬空間分布格局圖,如此圖4。第一主成分奉獻率為37.88%，與Cr、Fe、Mn呈現(xiàn)較強的正相關(guān)，圖4〔a〕、〔b〕、(c)反映Cr、Mn、Fe這3種重金屬的濃度分布特征，可歸為一類。通常研究都將Mn、Fe作為土壤自然源標(biāo)識元素〔BENTUM等,2018〕，所以可以為這一類主要為天然源。由圖4可以以看出，Cr、Fe、Mn的空間分布比擬分散，無規(guī)律性，這類金屬受外環(huán)境影響較小，更多受成土經(jīng)過和土壤流失影響，因而第一主成分應(yīng)主要反映土壤環(huán)境本身的生物地球化學(xué)作用。第二主成分奉獻率為22.74%，與Pb的相關(guān)性到達0.927，圖4〔e〕反映Pb濃度的分布特征。Pb原來是作為交通污染源的標(biāo)識元素，隨著2000年國家公布施行了新車用無鉛汽油標(biāo)準(zhǔn)GB17930-1999,所有汽車一律停止使用含鉛汽油改用無鉛汽油。所以，Pb過去固然被作為交通污染源的標(biāo)識，但如今已失去標(biāo)識意義〔王學(xué)松,2018〕。在研究區(qū)范圍內(nèi)，結(jié)合風(fēng)玫瑰圖，其主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向〔W,SW,NW〕區(qū)域表現(xiàn)出隨離燃燒煙囪距離增大土壤重金屬含量增大的明顯趨勢，且Pb含量與離煙囪距離顯著相關(guān)(p0.05)，在y方向上還出現(xiàn)了類似水平擴散的帶狀分布。因而，第二主成分很可能表征了垃圾燃燒廠排放物擴散、沉降行為對周邊土壤環(huán)境的影響。該區(qū)域地形平坦，故可排除地形的影響。而Pb隨相對位置變化表現(xiàn)出的含量變化主要是由風(fēng)主導(dǎo)的源擴散結(jié)果，因此與風(fēng)頻、風(fēng)向密切相關(guān)。Pb、Cd、Hg是揮發(fā)性很強的重金屬，也是燃燒尾氣排放的重要標(biāo)識性污染物，因而我們國家垃圾燃燒尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)中對重金屬的指標(biāo)要求也只限于Pb、Cd、Hg三項。該廠監(jiān)測報告顯示燃燒尾氣中排放Pb的量為0.51ta-1，遠遠大于Cd〔3.710-2ta-1〕和Hg〔6.710-4ta-1〕。由于Cd、Hg排放量很低，實際土壤采樣分析未檢出，因而Pb更合適作為垃圾燃燒源的標(biāo)識元素。由于重金屬在土壤中遷移能力特別有限，沉降到土壤后勢必構(gòu)成累積。Pb的濃度空間分布也揭示了在廠區(qū)周邊土壤中存在重金屬累積效應(yīng)，不容忽視。第三主成分奉獻率22.06%，與Cu的相關(guān)性高達0.976。從圖4(d)能夠看出Cu在西側(cè)與東南側(cè)各出現(xiàn)一個類似島狀的高濃度區(qū)。這兩個區(qū)域均屬于果園種植區(qū)，相比于水稻種植果園施用的農(nóng)藥量明顯更大一些，在種植經(jīng)過中可能噴灑了含Cu較高的農(nóng)藥〔如CuSO4〕，使土壤中的Cu含量偏高(LIU等,2006;章明奎,2008)。西側(cè)位于交通干線兩側(cè)，其污染區(qū)濃度明顯高于東側(cè)，這可能是源于農(nóng)業(yè)與交通的共同污染。由此可知，第三主成分以農(nóng)藥施用為主，也存在部分交通污染的影響。2.3土壤重金屬的復(fù)合污染土壤重金屬分布不能直觀的具體表現(xiàn)出土壤的受污染程度，下面采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)計算研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬綜合污染指數(shù)。背景點測定值為在當(dāng)?shù)責(zé)o其他干擾的上風(fēng)向分別取了2個點的平均值；土壤環(huán)境背景值采用已有文獻中的值。污染程度判別標(biāo)準(zhǔn)為：Pi1為非污染，1Pi2為輕度污染，2Pi3為中度污染，Pi3為重度污染。P綜0.7為安全，0.7P綜1為警戒線，1P綜2為輕度污染，2P綜3為中度污染，P綜3為重度污染，評價結(jié)果如下表。從表4的分析數(shù)據(jù)能夠看出，使用文獻報道的背景值綜合評價結(jié)果〔P=1.83〕略高于使用測定背景值(P=1.49)，但不管使用哪一種背景值，其評價結(jié)果都具有下面兩個顯著的共同特征：1〕復(fù)合污染指數(shù)介于1和2之間，表示清楚該區(qū)域土壤重金屬總體呈稍微污染狀況；2〕Cu、Pb的污染程度高于Cr、Mn、Fe，尤其是Pb，其污染程度明顯高于其他重金屬，對總體污染的奉獻度最大。Pb作為燃燒尾氣的重要標(biāo)識性元素，故該污染評價結(jié)果可講明燃燒尾氣污染是該區(qū)域土壤重金屬污染的的重要來源之一。從與土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值的比擬能夠看出，重金屬Cr的表層土含量均值超過土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，但是實測背景點含量與以下為參考文獻的報道值均超過這一標(biāo)準(zhǔn)值且與表層土樣點含量基本持平，因而能夠以為Cr的超標(biāo)主要是源于地球化學(xué)作用與成土背景。重金屬Cu固然表層土含量均值未超過土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，但是卻明顯高于背景值，表示清楚其遭到了較為明顯的人為影響。重金屬Pb固然表層土含量均值遠遠低于土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，但是卻遠高于背景值，表示清楚其遭到了顯著的人為影響。3、結(jié)論1〕嘉興垃圾燃燒廠周邊區(qū)域表層土壤重金屬Cr、Mn、Cu、Pb、Fe平均質(zhì)量含量分別為174.05、707.76、47.68、41.95、39057.89mgkg-1。表層富集因子表示清楚，Cr、Mn、Fe基本不對土壤環(huán)境造成污染，Cu、Pb對環(huán)境造成了稍微污染。2〕因子分析表示清楚可將C