环境科学  2022, Vol. 43 Issue (10): 4578-4589   PDF    
引用本文
车凯, 陈崇明, 郑庆宇, 范辉, 魏明磊, 罗蓬, 郁金星. 燃煤电厂重金属排放与周边土壤中重金属污染特征及健康风险[J]. 环境科学, 2022, 43(10): 4578-4589.
CHE Kai, CHEN Chong-ming, ZHENG Qing-yu, FAN Hui, WEI Ming-lei, LUO Peng, YU Jin-xing. Heavy Metal Emissions from Coal-fired Power Plants and Heavy Metal Pollution Characteristics and Health Risks in Surrounding Soils[J]. Environmental Science, 2022, 43(10): 4578-4589.
燃煤电厂重金属排放与周边土壤中重金属污染特征及健康风险
车凯1, 陈崇明1, 郑庆宇2, 范辉3, 魏明磊3, 罗蓬1, 郁金星1     
1. 国网河北省电力有限公司电力科学研究院, 石家庄 050021;
2. 中国兵器工业集团北方工程设计研究院有限公司, 石家庄 050011;
3. 国网河北省电力有限公司, 石家庄 050021
收稿日期: 2022-01-05; 修订日期: 2022-03-03
基金项目: 国家电网公司科技项目（5204DY19000A）
作者简介: 车凯(1985~), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为污染土壤环境风险评估和修复, E-mail: chekai311@163.com
摘要: 为揭示燃煤电厂烟气中重金属排放对周边土壤环境的影响.以石家庄地区6座燃煤电厂为研究对象，测定了燃煤电厂烟囱入口烟气中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg和Ni这7种重金属元素，同时对电厂周边土壤中重金属含量进行了测试分析，并对其进行了源解析和健康风险评价.结果表明，各燃煤电厂烟气经过一系列烟气污染物控制措施净化后，烟气中不同重金属元素的排放量范围为0.11~6.32 mg ·（MW ·h）-1，Cu、Cr和Ni是主要排放污染物.各电厂向大气环境中排放的7种重金属元素总量在33.56~275.71 kg ·a-1之间.燃煤电厂周边表层土壤中Cr、Cu、Pb、Hg和Ni这5种重金属元素含量平均值均高于河北土壤背景值，且超出背景值1.16~2.32倍.电厂周边土壤中重金属含量与烟气中重金属排放量具有一定相关性.不同风向上土壤中重金属含量随距电厂距离的增大，呈现出先增大后逐渐减小趋势.源解析表明煤炭燃烧排放对电厂周边土壤重金属的贡献率最大，达到41.4%，其次为工业排放，占比为23.6%，交通运输排放占比为19.6%.总而言之，人为活动对土壤重金属富集起主导作用，约占84.6%.健康风险评估显示电厂周边土壤中重金属元素的健康风险整体处于可接受范围内.
关键词: 燃煤电厂      土壤      重金属      排放      源解析      健康风险评价     
Heavy Metal Emissions from Coal-fired Power Plants and Heavy Metal Pollution Characteristics and Health Risks in Surrounding Soils
CHE Kai1 , CHEN Chong-ming1 , ZHENG Qing-yu2 , FAN Hui3 , WEI Ming-lei3 , LUO Peng1 , YU Jin-xing1     
1. State Grid Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China;
2. Norendar International LTD., Shijiazhuang 050011, China;
3. State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang 050021, China
Abstract: The aim of this study was to reveal the influence of heavy metal emissions from the flue gas of coal-fired power plants on the surrounding soil environment. Seven heavy metals, including As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, and Ni, were detected in the flue gas of six coal-fired power plants in Shijiazhuang, and the heavy metals in the soil surrounding the power plants were analyzed. The source analysis and health risk assessment of the heavy metals were carried out. The results showed that after a series of flue gas pollutant control measures, the emission concentrations of different heavy metals in the flue gas of the coal-fired power plants ranged from 0.11 to 6.32 mg·(MW·h)-1, and Cu, Cr, and Ni were the main pollutants. The total amount of the seven heavy metal elements discharged into the atmosphere by each power plant was 33.56-275.71 kg·a-1. The average contents of Cr, Cu, Pb, Hg, and Ni in the surface soil surrounding the coal-fired power plant were higher than the background values of Hebei soil, and the contents were 1.16-2.32 times higher than the background values. The heavy metal content in the soil around the power plants was proportional to the heavy metal emissions in the flue gas. The heavy metal content in the soil under different wind directions first increased and then decreased gradually with the increase in distance from the power plants. Source analysis showed that coal combustion emissions contributed the most to heavy metals in soil around the power plants (41.4%), followed by industrial emissions (23.6%) and transportation emissions (19.6%). Altogether, human activities played a leading role in soil heavy metal enrichment, accounting for 84.6%. The health risk assessment showed that the overall health risk of metal elements in the soil surrounding the power plant was within acceptable limits.
Key words: coal-fired power plant      soil      heavy metals      emissions      source analysis      health risk assessment     

土壤环境是人类生存和发展的重要物质基础之一[1].随着人类活动的干扰以及各种工业污染物的排放, 土壤环境遭受到了不同程度的破坏[2].对此, 生态环境部和自然资源部等相关部门对建设项目土壤专项评价、本底检测、定期监督评价和污染处罚等都提出了明确要求.工业生产排放的重金属是土壤重金属污染的重要源头.燃煤发电厂作为重要的电力来源, 亦是主要的工业污染源之一.伴随着大量煤炭资源的消耗, 燃烧释放的重金属元素对大气环境和土壤环境造成的危害已受到广泛关注[3, 4].

目前, 对于电厂周边土壤中重金属污染的研究, 主要集中在对土壤中重金属含量、分布规律、赋存形态以及污染评价等方面[5, 6].罗成科等[7]对宁东基地多座燃煤电厂周边土壤中多种重金属元素含量和分布特性进行了对比分析研究.其他学者大多针对某一座电厂开展研究, 如樊倍希等[8]对山西某火力发电厂周边农田土壤, 吕占禄等[9]对安徽省2座电厂, 刘柱光等[10]对燃煤电厂贮灰场, 高兰兰等[11]对贵州某燃煤电厂等, 进行了土壤中重金属污染分析评价.然而, 现有研究中只分析了土壤中重金属元素, 结合燃煤电厂烟气中重金属排放浓度对周边土壤影响的相关研究尚未见到.

河北省会石家庄市是河北省政治、经济、文化和信息中心, 是京津冀城市群全面发展的重要城市[12].逐渐形成以医药、纺织、化工、机械、电子、食品、轻工和建材工业为主的工业经济体系[13].近年来, 随着城市化的快速发展, 重污染天气的频繁出现, 居民生活环境承受着巨大考验[14].为保证石家庄地区及周边用电及供热需求, 石家庄地区共建有6座大型燃煤发电厂.巨量的煤炭燃烧不仅影响周边生态环境, 同时也影响着周边居民的身体健康[15].因此, 开展燃煤电厂烟气中重金属排放及周边土壤中重金属环境调查评估, 对石家庄地区环境保护及周边居民健康具有重要的意义.

基于上述分析, 本文以石家庄地区6座燃煤电厂为研究对象, 测定了燃煤电厂烟囱入口烟气中砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、铅(Pb)、汞(Hg)和镍(Ni)等国标GB 36600-2018[16]要求的7种基本重金属元素含量, 同时根据当地气象条件, 采集了电厂周边土壤样品, 分析了土壤中重金属含量及分布情况, 并对其进行了健康风险评价, 旨在为燃煤电厂气态污染物中重金属排放及其周边土壤重金属污染情况、预防和治理提供基础研究数据.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

石家庄地处河北省中南部, 距首都北京283 km, 位于北纬37°27′~38°47′, 东经113°30′~115°20′之间, 属于暖温带大陆性季风气候[17, 18].总的气候特点为：年平均气温偏高, 春温夏热秋凉冬冷, 雨量分布不均, 大部分地区接近常年, 西部部分山区雨量偏多, 日照偏少, 春季多风.总降水量为401.1~752.0 mm, 时空分布不均[19, 20].年总日照时数为1 916.4~2 571.2 h, 其中春夏日照充足, 秋冬日照偏少.石家庄风向具有季节变化性, 其主导风向为西北-北东北风和东南风-南风, 冬夏风向有明显转换, 每年9月至翌年2月盛行西北风, 而3~8月则以东南风、南风为主导风向.西风和西南风出现频率最小, 年静风频率高达30%[21].

1.2 燃煤电厂概况

石家庄区域内的6个燃煤电厂分布于石家庄主城区及周边市县内.电厂分布如图 1所示. 6个燃煤电厂总装机容量合计7 047.5 MW.其中P3电厂为循环流化床(CFB)锅炉, 其他电厂均为燃煤(PC)锅炉.各燃煤电厂装机容量及污染物控制措施如表 1所示.

图 1 电厂及土壤采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of power plant and soil sampling sites

表 1 燃煤电厂参数 Table 1 Parameters of coal-fired power plant

1.3 样品采集及点位布置 1.3.1 土壤样品采集

根据燃煤电厂烟囱高度和当地气象条件可知, 大气污染物最大落地浓度约为距厂界1 200~1 500 m, 因此结合燃煤电厂所在地形特征以及当地主导风向, 以各电厂为中心, 采用辐射形布点法, 以常年主导风向下风方向为轴线[7].分别在燃煤电厂厂界处、电厂常年主导风向下风向及常年主导风向90°、180°和270°方向500、1 000、1 500和2 000 m半径处分别采集土壤样品(采样深度0~20 cm), 并在常年主导风向下风向3 000 m和4 000 m处增设采样点, 共计114个表层土壤样品, 采样点位分布见图 1.土壤样品的采集严格执行四分法操作过程, 将土壤样品缩分后取1 kg装入聚乙烯袋中带回实验室, 并做好采样时间和GPS位置记录.具体方法如《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)所示[22].

1.3.2 烟气样品采集

烟气中重金属元素样品采用美国环保署(US Environmental Protection Agency, US EPA)推荐的Method 29[23].在机组满负荷工况下, 使用烟气重金属采样装置(Clean Air, 美国)在烟囱排放口断面以连续等速采样方式采集1.0 m3样气(标准状态), 烟气中颗粒态样品以等速采样方式被收集在滤膜上, 气态样品采用被硝酸酸化过氧化氢和硫酸酸化高锰酸钾溶液收集.采集样品吸收液装入玻璃瓶中密封, 滤膜装入密封盒保存带回实验室分析.样品采集期间, 需同步收集电厂机组负荷、燃煤量、烟气量和氧气(O2)浓度等参数.采样过程中同时采集入炉煤样以备分析.所有样品均在相同条件下重复采集3组.

1.4 样品检测

收集烟气中重金属的吸收液和滤膜采用EPA Method 29中所示预处理方法进行处理, 其中石英滤膜经陶瓷剪刀剪碎后用HCl-HNO3消解.采用电感耦合等离子体质谱仪(iCAP TQ型, 美国Thermo Fisher)对煤样和土壤中Cd、Cr、Ni和Pb等重金属元素含量进行检测, 具体操作参照标准HJ 803-2016[24].采用原子荧光光谱仪(9230型, 北京吉天)对土壤中Hg和As含量进行检测, 具体操作参照标准HJ 680-2013[25].为了所测浓度值的统一度量, 文中所有烟气中重金属元素浓度值均统一折算至6% O2下计算[26].各电厂燃煤样品中重金属元素含量如表 2所示.为保证数据的准确性和可靠性, 每组样品通过加入替代物和内标物, 同时采用平行样和空白样品方法进行质量控制[27].

表 2 各电厂燃煤样品中重金属元素含量/mg·kg-1 Table 2 Content of heavy metal elements in coal samples from various power plants/mg·kg-1

1.5 数据处理 1.5.1 源解析

重金属源解析方法很多, 一般有Pearson相关分析法、主成分分析法、聚类分析法、特征组分比值法和正定矩阵因子分解法(PMF)[28, 29].PMF法是一种多元因素分析解析模型, 在环境领域PMF源解析模型被广泛应用[30].本研究主要采用Pearson相关分析法和PMF法进行源解析分析.重金属来源解析采用USEPA PMF5.0模型, 模型参数的具体计算方法见文献[31, 32].

1.5.2 健康风险评价

电厂周边土壤健康风险评价采用HJ 25.3-2019推荐风险评价方法[33], 主要考虑表层土壤经口摄入、皮肤接触、土壤颗粒物吸入和土壤挥发气吸入等暴露途径, 并按照毒理学性质将7种重金属分为致癌风险和非致癌风险这两类分别进行讨论, 致癌风险计算方法如公式(1)~(5)所示, 非致癌风险计算方法如公式(6)~(10)所示.各污染物4种暴露途径的致癌斜率因子和非致癌参考剂量(土壤颗粒物吸入和土壤挥发气吸入途径统一参照呼吸吸入参数)如表 3所示, 人体健康风险评价相关参数取值如表 4所示.标准认为当致癌风险大于1E-06, 存在致癌风险; 当非致癌风险商大于1时, 认为存在非致癌风险.目前研究表明, 对表层土壤风险评估过程中致癌风险虽超过1E-06, 存在一定风险, 但在1E-06~1E-04范围内也是可以接受[34].

(1)
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(5)
(6)
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表 3 重金属的致癌斜率因子和非致癌参考剂量1) Table 3 Slope factor and reference dose of HMs

表 4 人体健康风险评价相关参数取值 Table 4 Values of relevant parameters in human health risk assessment

式中, CR为致癌风险; HQ为非致癌危害商; ois、dcs、pis、iov1和n分别为经口摄入、皮肤接触、土壤颗粒物吸入、土壤挥发气吸入和累积暴露途径; CSsur为实测土壤中重金属含量, mg·kg-1.

此外, 本研究还采用SPSS 21.0软件对数据进行了包括最大值、最小值、平均值、中位数和变异系数等统计分析.采用Origin 2017和Arcgis 10.3软件进行制图.

2 结果与讨论 2.1 烟气中重金属元素的排放

各燃煤电厂烟气经过一系列烟气污染物控制措施净化后, 由烟囱排放至大气环境中, 烟气中重金属元素随烟气向外扩散并逐步沉降至周边区域.各电厂烟囱入口处烟气中重金属排放浓度如表 5所示.受测的6个燃煤电厂烟气中7种重金属含量平均值从大到小依次为：Cu[6.32mg·(MW·h)-1]>Cr[5.78mg·(MW·h)-1]>Ni[5.26mg·(MW·h)-1]>Pb[3.48mg·(MW·h)-1]>Hg[1.70mg·(MW·h)-1]>As[1.67mg·(MW·h)-1]>Cd[0.11mg·(MW·h)-1].燃煤机组目前执行的污染物排放标准主要是《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)[26].标准中仅规定了汞的排放限制(0.03mg·m-3), 对其他重金属排放限制并无规定.因此, 本文参考美国EPA于2011年12月颁布的新火电厂的环保标准[35].由于两国燃煤成分有所差异, 仅将EPA标准作为参考, 对比各电厂燃煤样品中重金属元素含量可以看出(表 2), 烟气中重金属含量与燃煤中重金属含量成一定正比例关系.排放至大气中重金属元素有不同程度超过EPA标准现象, 其中As[1.67mg·(MW·h)-1]和Cr[5.78mg·(MW·h)-1]平均值更是超过了EPA标准2011年5月3日以后建造燃煤机组排放限值.

表 5 燃煤电厂重金属排放量1)/mg·(MW·h)-1 Table 5 Heavy metal emissions from coal-fired power plants/mg·(MW·h)-1

各燃煤电厂每年向环境中排放的重金属总量如图 2所示.经统计计算, 各电厂向大气环境中排放的7种重金属元素总量在33.56~275.71kg·a-1(机组发电量按每台每年运行4 500 h, 平均负荷率75%计算), 其中P1和P2厂排放量最大, 分别为275.71kg·a-1和223.98kg·a-1.这主要是由于这两个厂总装机容量较大, 排放的污染物总量也较大.就各重金属元素而言, 6个燃煤电厂每年向周边环境排放的各种重金属总量从大到小依次为：Cr(187.76kg·a-1)>Cu(169.21kg·a-1)>Ni(128.18kg·a-1)>Pb(98.13kg·a-1)>As(49.28kg·a-1)>Hg(42.74kg·a-1)>Cd(1.95kg·a-1).由此可以看出虽然烟气中排放的各种重金属元素含量很低, 但是由于整个城市燃煤电厂装机总量大, 消耗的燃煤量大, 因此排放的各种重金属元素也相当可观, 这些元素通过扩散、沉降会对周边空气、水体、植被和土壤中其产生一定影响.

图 2 燃煤电厂每年排放重金属总量 Fig. 2 Coal-fired power plants emit the total amount of heavy metals annually

2.2 电厂周边土壤重金属元素含量及污染水平分析 2.2.1 重金属含量特征分析

石家庄各电厂周边土壤样品中重金属含量统计结果如表 6所示.可以看出, 石家庄电厂周边土壤样品中7种重金属元素均有检出.各元素含量平均值从大到小依次为：Cr(98.91mg·kg-1)>Ni(52.28 mg·kg-1)>Cu(50.60mg·kg-1)>Pb(48.85mg·kg-1)>As(9.02mg·kg-1)>Cd(0.19mg·kg-1)>Hg(0.13mg·kg-1).所测土壤中重金属元素含量平均值均低于第一类建设用地土壤污染风险筛选值(GB 36600-2018)[16]和农用地土壤污染风险筛选值(GB 15618-2018)[36], 土壤环境整体风险较低.燃煤电厂周边表层土壤中Cr、Cu、Pb、Hg和Ni等5种重金属元素含量平均值均高于河北土壤背景值, 且超出背景值1.16~2.32倍. 7种土壤重金属质量分数的变异系数在0.25~0.74之间, 其中, Cd和Hg变异系数较高, 表示该元素不同测试点位含量差异较大.说明这几种金属元素在不同位置土壤受到的污染影响不同, 不同电厂区域差异明显.

表 6 土壤中重金属含量描述性统计1)/mg·kg-1 Table 6 Descriptive statistics of soil HEs concentrations/mg·kg-1

燃煤电厂周边土壤中不同重金属元素含量平均值如图 3所示.可以看出受测的6座燃煤电厂相同重金属元素分布规律基本一致, 而同一电厂中不同重金属元素含量差异较大.不同电厂7种重金属总量从大到小依次为：P2(335.57mg·kg-1)>P1(289.61 mg·kg-1)>P4(255.94mg·kg-1)>P6(252.84mg·kg-1)>P5(224.88 mg·kg-1)>P3(198.00mg·kg-1).其中, P1和P2电厂周边土壤中重金属总量相对偏高, P3电厂周边土壤中重金属总量最少.对比上节电厂烟气中重金属排放量发现, 除As元素外, 电厂周边土壤中重金属含量与烟气中重金属排放量具有一定相关性, 表明电厂周边土壤重金属污染主要受电厂烟尘排放影响较多.而电厂烟气中排放的As和Hg元素含量基本相同, 土壤中两种元素含量却差异巨大, 表明土壤中As元素并非主要由电厂排放所致.此外, P1电厂位于石家庄周边郊县, 四周以农田为主, 工业污染源较少, P2电厂位于山区, 周边主要以矿石开采为主, 受采矿和大型机动车影响较大, P3电厂位于市中心, 周边主要以居民区和市政道路为主, 其它电厂主要分布在周边郊县, 周边存在少量化工厂、制药厂和市政道路等.对比周边区域环境发现, P2电厂周边土壤中As、Cr、Cu、Pb和Ni的含量均偏高, 有研究表明As元素除了受煤炭燃烧等工业排放影响外, 还与周边地质环境和矿石开采等因素有关, 由此表明P2电厂周边土壤中重金属来源可能与矿石开采有一定关系.

图 3 电厂周边土壤中重金属含量 Fig. 3 Statistics of heavy metal content in soil around power plants

此外, 对比相关研究发现[12, 37], 本研究土壤中Cr、Cu、Pb和Ni等元素含量明显偏高, As、Cd和Hg等元素含量相似, 这也表明电厂周边土壤中重金属在一定程度上受燃煤电厂排放影响.

2.2.2 不同风向上土壤重金属含量分布

燃煤电厂周边各点位土壤样品中重金属元素含量如图 4所示. Pb、Hg和Cd元素空间分布呈现较强的一致性, 在6个电厂周边均表现为在燃煤电厂常年主导风向下风向含量较高, 而其它方位含量较低.Cr元素表现为在燃煤电厂常年主导风向下风向含量较高, 在P1和P2电厂周边最小风频下风向含量也较高.可见Cr元素除了受电厂烟气排放影响, 同时受其他因素影响较深.As元素仅在P1、P2和P6电厂周边表现为常年主导风向下风向含量较高, 而其电厂周边则分布相对较为一致.Cu和Ni元素在电厂周边的4个方向上含量变化无明显差异.对同一污染源来说, 颗粒污染物沉降与当地气候条件相关, 一般来讲主导风向上污染物沉降效果高于其他方向.这与杨子鹏等[28]和单平等[38]对电厂周边土壤中重金属污染分析较一致.

图 4 燃煤电厂周边土壤中重金属含量 Fig. 4 Heavy metals in soils around coal-fired power plants

将燃煤电厂周边各个方向测点中重金属元素含量相互对比, 发现其含量随距电厂距离的增大, 呈现出先增大后逐渐减小趋势.尤其是在常年主导风向下风向, 土壤中Pb、Hg和Cd元素含量在距电厂1 000~2 000 m距离时达到最高, 而后逐渐降低.这主要是由于为了有利于污染物的扩散, 燃煤电厂烟囱一般设置较高(200 m以上), 而最大落地含量与烟囱距离和高斯大气扩散模型相关.同时, 随着扩散距离增大, 扩散面积随之增加, 对气态污染物起到一定稀释作用, 使其落到地面的含量逐渐降低.

2.3 重金属来源分析 2.3.1 相关性分析

Pearson相关性分析可在一定程度上反映污染元素来源的相似性[39].燃煤电厂周边表层土壤中重金属含量的Pearson相关性分析如表 7所示.结果表明, 重金属Pb-Cd、Pb-Cu和Pb-Hg在0.01水平(双侧)上显著相关, Cu-Cd和Cu-Cr在0.05水平(双侧)上显著相关.表明这些元素来源具有一定的相关性, 可能受到同一污染源影响.Cu和Cd同时与Cr、Pb和Hg均表现显著相关, 说明Cu和Cd的来源并不单一, 可能受到除燃煤电厂外其他污染源的影响.而Ni-As在0.05水平(双侧)呈显著性相关, 但与其他重金属之间相关性并不显著, 表明这2种金属的来源具有相似性, 且可能与其他金属有着不同的来源.

表 7 燃煤电厂周边表层土壤重金属Pearson相关性分析1) Table 7 Pearson correlation analysis of heavy metals in topsoil around coal-fired power plants

2.3.2 基于PMF的污染来源分析

土壤中重金属主要来源分为石油及其衍生产物(石油及其衍生产物泄漏和柴油、汽油燃烧)和化石燃料(煤炭、焦炭、生物质等)燃烧排放两大类[40, 41].为了精确确定重金属的污染来源, 采用PMF模型对燃煤电厂周边土壤中7种重金属进行定量源解析, 并评估了7种重金属元素的贡献比例, 结果如图 5所示.本研究中, 经过多次运行调试, 最终确定4个因子, 进行20次迭代运算, 选取Q值最好结果, 且所有残数值均在-3~3之间, 计算结果趋于稳定.实测含量值与模型预测值之间的拟合结果R2在0.44~0.99之间, 说明PMF模型整体解析效果较好, 能满足源解析的需要.

图 5 基于PMF模型重金属源解析 Fig. 5 Heavy metal source analysis based on PMF model

因子1以As(46.2%)、Cd(35.1%)和Cr(42.3%)为主.有研究表明环境中As的来源主要是与自然因素和农业活动有关, 其次是与生活废物、工业废水污泥和排放物有关[42].而土壤中Cr的来源较多, 工业生产活动和人类活动等均会对土壤中Cr含量产生影响[43].因此因子1表示工业排放源.

因子2主要载荷元素为Cr(69.5%)、Cu(61.3%)、Pb(42.7%)、Hg(48.6%)和Ni(52.1%).前人研究结果表明, 中国土壤中Hg、Cr的高含量主要与工业活动中的煤燃烧有关[44].此外对比上节中可以发现, 因子2中主要载荷元素与燃煤电厂烟气排放至大气中重金属元素呈正比关系.由此可判断因子2表示燃煤源.

因子3主要载荷元素为Cd(52.6%)和Pb(34.3%).汽油添加剂、刹车片、燃料燃烧和发动机的使用导致Pb的排放[45].研究表明交通干道两边土壤中Cd的污染含量最高[46].而且燃煤电厂通过烟气排放的Cd元素只有1.95 kg·a-1, 对周边环境影响较小.同时, 研究区周边存在大量交通主干道, 汽车出入频次高、车流量大, 交通运输是土壤Pb、Cd积累的主要原因[47].因此, 因子3代表交通源.

因子4所有元素载荷均较低, 主要以As和Ni为主, 通过Pearson相关性分析可知, 这两种元素来源具有相似性, 且可能与其他金属有着不同的来源.此外, 由于As平均含量不超过背景值, 可以推测As元素主要为自然来源[48].因此, 因子4表示自然源.

根据每种重金属元素因子指纹可得出污染来源贡献比例.结果表明, 煤炭燃烧排放对土壤重金属的贡献率最大(41.4%), 其次为工业排放(23.6%), 交通运输排放(19.6%).总而言之, 人为活动对土壤重金属富集起主导作用, 约占84.6%.

2.4 土壤中重金属健康风险评价 2.4.1 致癌风险评价

表 8和表 9为根据健康风险评价模型及相关风险评价参数, 燃煤电厂周边土壤重金属元素经口摄入、皮肤接触、表层土壤颗粒物吸入、土壤挥发气吸入这4种不同途径导致的致癌风险和非致癌风险的计算结果.由于测试位置基本在电厂周边农田、道边、绿化带、商业服务业设施用地和工业用地附近, 因此不涉及导则中规定的敏感用地和住宅.评价时采用第二类用地推荐值并只针对成人进行风险评价.

表 8 燃煤电厂周边土壤中重金属致癌风险 Table 8 Carcinogenic risk of heavy metals in soil around coal-fired power plants

表 9 燃煤电厂周边土壤中重金属非致癌风险 Table 9 Non-carcinogenic risk of heavy metals in soil around coal-fired power plants

从表 8可以看出, 皮肤接触暴露途径致癌风险最高, 经口摄入暴露途径致癌风险次之, 表层土壤颗粒物吸入和土壤挥发气吸入致癌风险相对较小.就不同燃煤电厂而言, 致癌风险大小顺序依次为：P2>P1>P6>P5>P3>P4.结合电厂烟气中重金属排放量以及周边土壤中重金属含量可以发现, P1和P2电厂污染物排放总量较大, 因此致癌风险较高, 而P6电厂周边制药厂和化工厂较为密集, 会产生一定量重金属排放, 导致致癌风险较高. 6个燃煤电厂周边土壤中不同元素间的致癌风险差异显著, As致癌风险为1.97E-05~3.92E-05, Ni致癌风险为2.03E-06~3.64E-06, 但整体在1E-06~1E-04范围内, 致癌风险也是可以接受.因此, 本文认为电厂周边土壤中重金属健康致癌风险均处于可接受范围内.

2.4.2 非致癌风险评价

从表 9可以看出, 不同暴露途径上, 经口摄入暴露途径非致癌风险最高, 表层土壤颗粒物吸入和土壤挥发气吸入非致癌风险次之, 皮肤接触暴露途径非致癌风险相对较小.不同重金属元素在4种暴露途径下导致的总非致癌风险最大的为Ni元素, 非致癌风险为6.03E-01~9.98E-01; Cu元素非致癌风险最小, 为8.30E-05~1.25E-04.各电厂周边土壤中重金属元素的非致癌风险HQ并未超过1, 这说明单个元素不足以存在对周边居民健康风险.总体来看, 电厂周边土壤中重金属元素的健康风险整体处于可接受范围内.

3 结论

(1) 各燃煤电厂烟气经过一系列烟气污染物控制措施净化后, 烟气中不同重金属元素的排放量范围为0.11~6.32 mg·(MW·h)-1, Cu、Cr和Ni是主要排放污染物.各电厂向大气环境中排放的7种重金属元素总量在33.56~275.71kg·a-1之间, 其中P1和P2厂排放量最大, 分别为275.71kg·a-1和223.98kg·a-1.由于整个城市燃煤电厂装机总量大, 消耗的燃煤量大, 因此排放的各种重金属元素总量相当可观.

(2) 燃煤电厂周边表层土壤中Cr、Cu、Pb、Hg和Ni等5种重金属元素含量平均值均高于河北土壤背景值, 且超出背景值1.16~2.32倍.P1和P2电厂周边土壤中重金属含量相对偏高, P3电厂周边土壤中重金属含量最少, 这与电厂烟气中重金属排放量有一定相关性, 表明电厂周边土壤重金属污染受电厂烟气排放影响较多.不同风向上土壤中Hg、Pb和Cd元素在常年主导风向下风向含量较高, 而常年主导风向上风向含量较低, 且含量随距电厂距离的增大, 呈现出先增大后逐渐减小趋势.

(3) 燃煤电厂周边表层土壤中Pb、Cd、Cu、Hg和Cr来源存在一定相关性, Ni和As与其他重金属之间相关性并不显著.PMF模型显示煤炭燃烧排放对土壤重金属的贡献率最大, 达到41.4%, 其次为工业排放占比为23.6%, 交通运输排放占19.6%.总而言之, 人为活动对土壤重金属富集起主导作用, 约占84.6%.

(4) 研究区内各电厂周边土壤中各重金属元素致癌风险在4.67E-08~3.92E-05范围内, 均处于可接受范围, 皮肤接触是主要的致癌暴露途径.各电厂周边土壤中重金属元素均不存在非致癌风险, 经口摄入是主要的非致癌风险暴露途径.总体来看, 电厂周边土壤中重金属元素的健康风险整体处于可接受范围内.

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