2021年第8期广东化工
第48卷总第442期 · 241· 来宾市兴宾区蔗田土壤重金属分析与评价
孙晓波1，高何凤2，王小明1，陆琬琰1，郭松1* (1．广西科技师范学院食品与生化工程学院，广西来宾546199；2．广西壮族自治区环境保护科学研究院，广西南宁530022)
[摘要]为分析“中国糖都”来宾市兴宾蔗区土壤重金属污染现状，对来宾市兴宾蔗区蔗田15个表层土壤样品的重金属Cu、Pb、Ni、Cd、Cr的含量进行检测，利用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法对土壤重金属污染特征及生态风险进行评价。结果表明，蔗区土壤中Cu、Pb、Ni、Cd、Cr等重金属含量均值分别为3.21、9.57、14.05、0.04、231.01 mg/kg，均未超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)所列土壤风险管制值。15个取样点中有9个土壤样本显示受到重金属Cr污染，有1个土壤样本显示受到重金属Cd污染。蔗区土壤重金属综合污染潜在危害程度为轻微生态危害。
[关键词]广西来宾；绿色双高；土壤；重金属；潜在生态危害指数法；污染评价乔松楼
[中图分类号]TQ [文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2021)08-0241-03
Analysis and Evaluation of Heavy Metal from Soil of Sugarcane Field in Xingbin
District of Laibin City
Sun Xiaobo1, Gao Hefeng2, Wang Xiaoming1, Lu Wan yan1,Guo Song1*
(1.College of Food and Biochemical Engineering, Guangxi Science and Technology Normal University,Laibin 546199；
如何制作圆锥2.Scientific Rearch Academy of Guangxi Environmental Protection, Nanning 530022, China)
Abstract:The purpo of the study was to analyze the heavy metal pollution of the sugarcane soil in Xingbin district of Laibin City, the sugar capital in China. The content of Cu, Pb, Ni, Cd and Cr in 15 surface soil samples from the sugarcane fields in Xingbin district were examined, and the pollution characteristics and ecological risks of soil heavy metals were evaluated by using the single pollution index method, the Nemerow integrated pollution index method and the potential ecological hazard index method. The results showed that the average values of Cu, Pb, Ni, Cd, Cr in the soils of sugarcane fields were 3.21,9.57, 14.05, 0.04, 231.01 mg/kg, respectively, which did not exceed the soil risk control values listed in the Soil Environmental Quality Risk Control Standards for Agricultural Land Contamination (Trial) (GB15618-2018). Nine soil samples out of 15 sampling points showed Cr contamination, and 1 soil sample showed Cd contamination.The potential hazard level of heavy met
al contamination in the sugarcane fields soil is minor ecological hazard.
Keywords:laibin；green and double-high；soil；heavy metal；potential ecological risk index；pollution evaluation
甘蔗糖业是广西来宾市支柱性产业，2019至2020年榨季来宾市糖料蔗种植面积已达11.6万hm2，年产糖料蔗820万t，年产蔗糖超100万t。目前，来宾市糖业已发展成为包含种植、制糖、浆纸、酵母、环保餐具、生物肥、热电联产的循环经济发展模式，2019年来宾市蔗糖业全产业链总产值近100亿元，占比约为来宾市当年生产总值(GDP)的15.3%。三年来，按照农业部要求，来宾市建成单位面积产量120t/hm2以上、蔗糖分含量14%以上的糖料蔗绿色高产高糖(以下简称“绿色双高”)示范基地7.17万hm2。总面积4364.18 km2。兴宾区属亚热带季风气候，年平均气温为20.9 ℃，年均降水为1327.5 mm，年均日照时数为1567.2 h
[17]。
1.2 样品采集与处理
利用随机法对来宾市兴宾区良塘镇、华侨农场及“绿色双高”基地等3个糖蔗种植区进行抽样调查和土样采集。使用不锈钢铲采集蔗田地块中的表层(0~20 cm)土壤样品，每个样点采集土壤1 kg，共采集15个样品。将土壤样品带到实验室置于通风、干燥、避光处，在室温下自然风干，剔除样品中植物根系、残渣及可见
其中来宾市下辖的兴宾区是全国最大的甘蔗生产区(县)，该区甘蔗种植面积、产量和产糖量连续10年位居全国县(区)首位，2019至2020年榨季糖料蔗528万t，种植面积接近7.67万hm2，是名副其实的“中国糖都”[1-4]。目前，国内甘蔗类研究多集中于甘蔗新品种研发、栽培技术及衍生产品开发，鲜有对糖蔗种植土壤重金属污染的研究[5-8]。土壤是甘蔗赖以生存的基础，土壤环境直接影响到甘蔗的产量及品质。随着工业化社会的不断发展，土壤中的重金属含量也随着采矿、工业活动及污水灌溉等人类活动不断增加。重金属在土壤中的积累直接影响土壤的理化性质，降低养分的有效吸收率，并通过食物链从土壤中迁移到人体内富集，威胁人体健康[9]。土壤中重金属污染评价的方法较多，主要有单项污染指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态危害指数法、污染负荷指数法和地积累指数法[10-16]。为了解兴宾区糖蔗种植区土壤质量状况，本研究以糖蔗种植地土壤为对象，利用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法对土壤重金属污染特征及生态风险进行评价，为来宾市“绿色双高”示范基地土壤重金属的污染防治和“绿色双高”产业发展提供参考。侵入体，放入多功能粉碎机中粉碎后备用。
1.3 测定项目及方法
土壤pH测定采用2.5∶1水土比电位法[18]；土壤重金属含量测定采用HJ 491-2019对土壤样品进行前处理，然后使用ICP-OES(Optima 8000型，美国珀金埃尔默仪器有限公司)测定消解液中的Cu、Pb、Ni、Cd和Cr的含量。
1.4 评价方法
采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法[19]、潜在危害生态指数法[20]对糖蔗田土壤重金属进行评价，以明确被采集土壤样品的污染程度。
1.4.1 单项污染指数法
单项污染指数法是我国现常用的一种用于评价土壤重金属污染的方法，在评价单个重金属污染程度时有一定优势。其计算公式如下：
式中：P i为土壤单一重金属污染物指数；C i为单一重金属污染物的实测值；为单一重金属污染物的环境标准值。越大，
1 材料与方法
1.1 研究区概况
来宾市兴宾区地处广西壮族自治区中部，介于108°44′~109°36′E、23°16′~24°04′N之间。东与象州县、武宣县交界；西与合山市、上林县接壤；南连贵港市、宾阳县；北邻忻城县、柳江区。辖区南北最大纵距88.6 km，东西最大横距88.2 km，
S i P i
污染程度越严重，其中当P i≤1，表示未受到污染，1＜P i≤2为轻污染，2＜P i≤3为中污染，P i＞3为重污染。
采样区均为浇灌地，土壤样品的环境标准值参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)，如表1所示。
[收稿日期] 2021-02-24
[基金项目] 2019年度广西壮族自治区中青年教师基础能力提升项目(项目编号：2019KY0862)；广西糖资源工程技术研究中心培育建设项目(项目编号：桂科AD16450040)；广西科技师范学院糖蔗资源绿色高效技术开发与应用青年科研创新团队(GXKS2020QNTD01)
[作者简介] 孙晓波(1987-)，女，河南安阳人，硕士，主要从事土壤重金属污染防治。*为通讯作者。
广 东 化 工 2021年第8期
· 242· 第48卷总第442期
表1农用地土壤风险筛选值
Tab.1
Soil risk screening value of agricultural land
项目风险筛选值/(mg/kg)
pH ≤5.5 5.5＜pH ≤6.5
6.5＜pH ≤
7.5
pH ＞7.5Cu 5050100100Pb 7090120170Ni 6070100190表2 土壤重金属污染等级划分标准Tab.2 Grade standard for classification of
heavy metal pollution in soil
等级划分
综合污染指数等级1P 综≤0.7安全20.7＜P 综≤1警戒限31＜P 综≤2轻污染Cd 0.30.30.30.6Cr
150
150
200
250
1.4.2 内梅罗综合污染指数法
在分析一定区域内多种重金属元素的污染状况时，可用内梅
罗综合污染指数法。其计算公式如下：
式中：P 综为内梅罗综合污染指数，P max 为取样区所有污染物单项污染指数中的最大值，P ave 为取样区所有污染物单项污染指数的平均值。污染等级评价标准如表2所示。
42＜P 综≤3中污染5
P 综＞3
重污染
1.4.3 潜在危害生态指数法
潜在危害生态指数法将土壤中重金属含量、重金属生态效应和环境效应综合考虑，应用较为广泛。其计算公式如下：
式中：P i 为土壤单一重金属污染物指数，E r i 表示单一重金属危害系数；T r i 为单一重金属的毒性响
应系数，Cu 、Pb 、Ni 、Cd 、Cr 等重金属毒性响应系数分别为5、5、5、30、2，RI 为潜在风险指数。E r i 和RI 等级划分见表3。
表3 潜在生态危害等级划分表
Tab.3 Classification of potential ecological hazards
雅思范文E r i 污染潜在危害程度RI 综合污染潜在危害程度
E r ＜40轻微生态危害RI ＜150轻微生态危害40≤E r ＜80中等生态危害150≤RI ＜300中等生态危害80≤E r ＜160强生态危害300≤RI ＜600强生态危害160≤E r ＜320很强生态危害600≤RI ＜1200很强生态危害E r ＞320
极强生态危害
RI ≥1200
极强生态危害
福如东海2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量
表4 蔗田土壤重金属含量
Tab.4
Heavy metal content in sugarcane field soil
项目最大值/(mg/kg)
最小值/(mg/kg)
中值/(mg/kg)
平均值标准差SD 变异系数/%CV
Cu 9.530.00 2.36 3.21 3.45107Pb 34.540.00 1.659.5712.90135Ni 31.29 5.9611.0714.057.5754Cd 0.560.000.000.040.14350Cr
501.40
97.58
242.76圣保罗市
231.61
黑八台球规则116.43
50
从表4可知，来宾市兴宾区糖蔗田中五种重金属的含量范围分别为Cu ：0.00~9.53 mg/kg 、Pb ：0.00~34.54 mg/kg 、Ni ：5.96~31.29 mg/kg 、Cd ：0.00~0.56 mg/kg 、Cr ：97.58~501.40 mg/kg 。研究区取样点土壤内，Cu 、Pb 、Ni 的含量均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)所列土壤风险筛选值；Cr 的平均含量(231.01 mg/kg)超过土壤风险筛选值(150 mg/kg)，但最大值(501.40 mg/kg)低于土壤风险管制值(850 mg/kg)；仅有一个取样点检测出Cd ，且含量超出土壤风险筛选值(0.3 mg/kg)86.7%；部分取样点中Cu 、Pb 、Cd 等重金属含量低于仪器检出限值(0.0045 mg/kg)。检测结果表明取样区土壤受Cr 的影响较大，存在食用农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险。个别取样点Cd 检测值较高，可能是该蔗田距道路较近受汽车尾气、粉尘等外源污染引起的重金属富集。2.2 土壤重金属污染评价
采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数评价兴宾区蔗区土壤中重金属污染程度，结果见表5。从
表5可知，Cu 、Pb 、Ni 等重金属的单项污染指数均低于1.00，未超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)土壤筛选值和风险管制值，表明蔗区土壤未受到Cu 、Pb 、Ni 的污染；良塘镇3号取样点Cd 的污染指数为1.87，表明该取样点已受到重金属Cd 的污染；15个取样点中有9个土壤样本显示受到Cr 污染，其中3个取样点为中污染，6个取样点为轻污染。各取样点综合污染指数最大值为1.82，最小值为0.47，60%的取样点污染等级为轻污染，仅33.3%的取样点污染等级为安全。各取样点综合污染指数主要受到土壤中Cr 含量偏高影响。
综合单项污染指数和内梅罗综合污染指数评价结果可知，蔗田重金属单项污染指数呈Cr ＞Ni ＞Cd ＞Pb ＞Cu 的特征，该地区Cr 呈现分布不均且含量普遍较高的特点。
2.2.1 单项污染指数及内梅罗综合污染指数评价
表5 单项污染指数及内梅罗综合污染指数评价表
Tab.5 Evaluation table of single pollution index and Nemerocomprehensive pollution index
采样点P i
综合污染指数P 综
污染等级Cu Pb Ni Cd Cr 良塘镇10.060.240.140.00 2.51 1.82轻污染良塘镇20.090.170.320.00 2.50 1.82轻污染良塘镇3
0.10
0.29
0.31
1.87
1.30
1.43
轻污染
2021年第8期广东化工
第48卷总第442期 · 243· 续表5
采样点
P i
综合污染指数P综污染等级Cu Pb Ni Cd Cr
良塘镇40.060.180.180.00 1.39 1.02轻污染良塘镇50.080.250.260.00 1.45 1.07轻污染华侨农场60.000.130.100.000.970.71警戒限华侨农场70.000.000.170.000.650.47安全华侨农场80.000.000.150.000.690.50安全华侨农场90.000.000.140.000.750.54安全华侨农场100.000.000.100.000.810.59安全“绿色双高”基地110.110.020.160.00 1.55 1.12轻污染“绿色双高”基地120.050.040.290.00 2.07 1.45轻污染“绿色双高”基地130.000.000.110.000.790.57安全“绿色双高”基地140.140.000.220.00 1.91 1.39轻污染“绿色双高”基地150.000.000.140.00 1.62 1.17轻污染平均值0.050.090.190.12 1.39--最大值0.140.290.32 1.87 2.51--
2.2.2 潜在生态危害指数法
取样点蔗田土壤中各元素的单项潜在生态风险指数(E r)和综合潜在生态风险指数(RI)见表6。由表6可知，良塘镇3号取样点的Cd潜在生态风险指数为56.1，单项污染潜在危害程度为中等生态危害；其余14个取样点的Cu、Pb、Ni、Cr、Cd的潜在生态风险指数为轻微生态危害。15个取样点的潜在风险系数均小于150，取样区土壤综合污染潜在危害程度均为轻微生态危害。
表6 潜在生态风险等级Tab.6 Potential ecological risk level
采样点
E r
RI综合污染潜在危害程度Cu Pb Ni Cd Cr
良塘镇10.30 1.200.700 5.027.22轻微生态危害良塘镇20.450.85 1.600 5.007.90轻微生态危害良塘镇30.50 1.45 1.5556.1 2.6062.2轻微生态危害良塘镇40.300.900.900 2.78 4.88轻微生态危害良塘镇50.40 1.25 1.300 2.90 5.85轻微生态危害华侨农场600.650.500 1.94 3.09轻微生态危害华侨农场7000.850 1.30 2.15轻微生态危害华侨农场8000.750 1.38 2.13轻微生态危害华侨农场9000.700 1.50 2.20轻微生态危害华侨农场10000.500 1.62 2.12轻微生态危害“绿色双高”基地110.550.100.800 3.10 4.55轻微生态危害“绿色双高”基地120.250.20 1.450 4.14 6.04轻微生态危害“绿色双高”基地13000.550 1.58 2.13轻微生态危害“绿色双高”基地140.700 1.100 3.82 5.62轻微生态危害“绿色双高”基地15000.700 3.24 3.94轻微生态危害
3 结论
本研究采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在危害生态指数法对来宾市兴宾区糖蔗田土壤重金属进行评价。从单项污染指数法评价结果可以看出，取样区蔗田Cu、Pb、Ni等重金属的单项污
染指数均低于1.00，未超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)规定的土壤筛选值，但良塘镇3号取样点受Cd轻度污染，取样区内有60%的取样点土壤受到Cr的轻度污染。从内梅罗综合污染指数法评价结果可以看出，取样区土壤综合污染指数为0.47~1.82，仅33.3%的取样点污染等级为安全，良塘镇、“绿色双高”基地土壤取样点(采样点13除外)污染等级均显示为轻污染。因Cr的生态毒性系数偏低，其对取样区土壤潜在风险系数影响较弱，潜在危害生态指数评价结果显示，15个取样区土壤综合污染潜在危害程度均为轻微生态危害。研究表明，来宾市兴宾区蔗田土壤受重金属污染情况整体轻微，但局部地区仍存在个别重金属含量偏高的情况，存在食用农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险。
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(下转第226页)
广东化工2021年第8期ꞏ226ꞏ第48卷总第442期
m3。因此，若发酵单元容积与日处理物料体积之比小于17︰2，则易产生发酵不完全，物料含水率较高等情况，产出物料无法真正达到有机肥料标准。
2.2保温
环境温度通过影响有机垃圾降解嗜温菌的活性，进而影响到其降解速率。通常情况下，堆肥的适宜温度为50~65℃，因此要求发酵单元要有较好的保温功能。微生物降解有机物是一个放热过程，正常情况下，设备连续运行，仅通过完善保温层就可以使处于高温降解阶段的堆体温度连续几天保持60℃以上。从而达到消灭致病菌、消杀虫卵的目的，并且大幅节省设备的整体能耗；若发酵腔体保温效果一般，反应腔内的微生物产热有较为明显损失，需对发酵过程额外供热来保证寒冷气候条件下的微生物活动。此时可通过空气换热器回收蒸汽的热量，用于加热对堆体供氧的空气，从而循环利用热量。从长期运行的角度来看，良好的保温措施是降低设备运行成本的重点之一。
2.3搅拌
对物料搅拌混合均匀是快速发酵的又一个关键。在连续好氧堆肥过程中，搅拌可以使腔内底料与新物料充分混合，提高微生物降解效果，同时也能达到为堆体充氧的目的。餐厨垃圾就地处理机通常采用
机械搅拌的方式，即通过搅拌装置的周期性运动将机械能传递给物料，此时在搅拌器周边区域会形成高湍动的充分混合区，从而推动液体在腔体内的循环流动。
搅拌器根据搅拌桨叶的运动方向和桨叶表面角度可分为三类：平直叶搅拌器、折叶搅拌器和螺旋面搅拌器。在餐厨垃圾就地处理机中应用较广的一般为桨式或锚式桨叶，一般工作转速为20~80r/min[6]。但无论采用何种搅拌装置，对搅拌扭矩和力臂的核算是设备成功的关键因素。通常情况下搅拌机构均为典型力学模型，通过力学分析，可以计算堆肥腔体内充满物料时的搅拌扭矩，安全系数一般取1.5~2，最终得出搅拌装置的极限应力。
2.4充氧与排出水汽
好氧微生物降解有机垃圾的过程会消耗大量的氧气并释放出CO2，NH3等气体。因此反应腔内空气氧含量不能过低，否则会造成微生物因缺氧而死亡，无法形成成熟菌床，设备无法长期运行。发酵过程堆体内氧气浓度必须保持在8%以上，保持在15%最佳，因此反应腔要有换气的功能。换气方式建议在密闭的腔体内以顶部抽吸，底部供气的方式进行。气流从底部进入、顶部抽出，从而对发酵堆体充分供氧。同时，气流的定向输送可以排出堆肥产生的水分。排出的水汽经冷凝后，可统一收集、处理、排放。密闭腔体还可以防止不良气体扩散、影响周围环境。
3难点与展望
尽管好氧发酵技术符合垃圾集中资源化、市场化利用的可持续发展模式，但现阶段来看，高温好氧发酵技术的应用难点之一为要想产出符合农用标准的肥料对原料的有机质、含水率、C/N 等要求较高，而这解决这个问题的一个重要前提是生活垃圾分类投放，但以国内的垃圾分类现状来看，垃圾投料之前依旧需要进行严格的分选、破碎、脱水和调节，浪费人工和设备成本。从企业运营的角度来看，餐厨垃圾就地处理往往距离居民活动区域较近，因此要求设备发酵速度快，脱水效率高，否则易产生异味，但这一需求与充分发酵所需的至少七天周期相悖，使得市场上的餐厨垃圾就地处理设备往往只能做到减量化，而无法做到资源化。
同时，餐厨垃圾资源化处理缺乏统一的技术标准。可以说，目前国内绝大多数城市的餐厨垃圾仍处在“无法可依”的状态，大量餐厨垃圾流向不明，出现了正规餐厨垃圾处理企业收集不到餐厨垃圾无以为继的局面。并且大部分餐厨垃圾处理企业对餐厨垃圾处理并不彻底，通常将餐厨垃圾液体部分留给城市污水处理系统处理，而其中的高盐分不利于微生物生长、易于腐蚀设备，加重了污水处理系统的负担。在技术层面，城市餐厨垃圾收运和资源化预处理工艺及技术水平参差不齐，餐厨垃圾源头处理模式不健全、缺乏相应的关键技术。很多研发部门将城市餐厨垃圾资源化处理问题只局限于单一处理环节，缺乏对整个循环利用系统全过程的产业化研发，导致城市餐厨垃圾有效利用循环产业链的各环节衔接不畅，难以形成良性循环利用体系和组织体系。
因此，采用好氧发酵技术的餐厨垃圾就地处理的出路在于高质化。只有真正做到处理过程全封闭、智
能化运行，并对设备采用的保温措施，才能从根本上节省垃圾处理的运营成本，减少异味，降低噪音。只有这样才能深入居民活动区域，做到真正的“就地”处理，从源头上解决“收集难”的问题。
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