沈北新區(qū)粉煤灰重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張 剛, 陳秋穎, 康艷紅, 韓 麗

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

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資源與環(huán)境

沈北新區(qū)粉煤灰重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張 剛, 陳秋穎, 康艷紅, 韓 麗

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

為揭示粉煤灰重金屬元素的污染程度與潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)沈北新區(qū)粉煤灰中鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)、鉛(Pb)、砷(As)等5種污染元素進(jìn)行了分析,研究了沈北新區(qū)粉煤灰重金屬污染程度與潛在的危害性。結(jié)果表明,環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中,沈北新區(qū)潛在的綜合污染程度指數(shù)為1.74～11.91,平均值為5.78,潛在重度污染程度,土壤作物均受潛在重度污染水平。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中,重金屬綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為122.33～953.77,平均值為458.88,屬于強(qiáng)生態(tài)危害,樣品地區(qū)14.29%達(dá)到中等生態(tài)危害,71.42%達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害,14.29%達(dá)到很強(qiáng)生態(tài)危害。各重金屬的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由高到低的順序均為Cd>Hg>As>Cr>Pb。

重金屬; 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià); 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

0 引 言

由于重工業(yè)的發(fā)展與冬季取暖的需要,我國(guó)燃煤量一直很大,大量的粉煤灰廢棄物已成為處理難題,據(jù)統(tǒng)計(jì),2007年我國(guó)工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量已達(dá)到38.52噸[1]。粉煤灰中含有Cr、Cd、Hg、Pb、As等重金屬元素,這些元素具有不被生物降解,但被生物富集的特性[2],會(huì)對(duì)土壤和周圍環(huán)境造成破壞;還可通過(guò)土壤-作物系統(tǒng)遷移累積,被人體攝入,對(duì)人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

目前,關(guān)于重金屬在農(nóng)田土壤[3-5]、河流水體、沉積物[6-7]中的分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究已有較多報(bào)道。其中劉瓊峰等[8]采用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)農(nóng)田土壤重金屬Pb、Cd進(jìn)行評(píng)價(jià),得到土壤理化特性和土壤區(qū)位特征。樊文華等[9]采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法研究了復(fù)墾土壤中重金屬元素,揭示了其潛在的污染特征。齊雁冰[10]等采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)污灌區(qū)土壤-作物系統(tǒng)重金屬積累特征和環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。董苗等[11]采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)了污灌區(qū)土壤重金屬污染,說(shuō)明多種評(píng)價(jià)方法聯(lián)合使用,使評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確,更符合實(shí)際。Mofarrah[12]等對(duì)飛灰中重金屬元素進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),得出大多數(shù)重金屬元素很容易進(jìn)入自然環(huán)境中,且富集程度受環(huán)境影響較大。Margallo[13]等采用生命周期評(píng)估方法對(duì)底灰中重金屬元素進(jìn)行評(píng)價(jià),給出了自然資源的可持續(xù)性與環(huán)境負(fù)擔(dān)的可持續(xù)性。Ukwattage[14]等對(duì)粉煤灰填埋土壤的食品安全進(jìn)行評(píng)價(jià),表明用粉煤灰填做土壤改良劑不僅節(jié)約經(jīng)濟(jì)同時(shí)還能保證食品安全。

上述研究存在以下幾個(gè)問(wèn)題,首先,對(duì)多種重金屬元素的協(xié)同作用考慮不充分;其次,只考慮了當(dāng)前的環(huán)境質(zhì)量診斷與評(píng)價(jià),忽略了重金屬元素對(duì)未來(lái)環(huán)境的潛在影響;再次,對(duì)已污染的區(qū)域給予定性評(píng)價(jià),起不到預(yù)防的作用?；诖?本研究以沈北新區(qū)大學(xué)城地區(qū)為代表,采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等3種評(píng)價(jià)方法,對(duì)粉煤灰的污染程度與潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),揭示粉煤灰重金屬的環(huán)境質(zhì)量與環(huán)境污染的潛在變化特征,為粉煤灰的堆放和處理和粉煤灰中污染物的風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

沈北新區(qū)是連接吉林、黑龍江和內(nèi)蒙古三省區(qū)的黃金通道和"東北城市走廊"的樞紐重地。坐標(biāo)介于東經(jīng)123°16′～48′,北緯41°54′～42°11′之間。冬季由于供暖的需要,會(huì)出現(xiàn)明顯的煤炭使用量高峰期,粉煤灰的產(chǎn)出量明顯增加,在各大高校中尤為明顯。因此本文選取沈北大學(xué)城為代表區(qū)域,以位于黃河北大街的道路兩旁的各高?；蚱淙济汗┡瘑挝粸榉勖夯业牟蓸狱c(diǎn),經(jīng)實(shí)地考察,得出各采樣點(diǎn)的燃煤量,其中東泰新熱源有限公司每年約8萬(wàn)噸,沈陽(yáng)航空航天大學(xué)每年約21 000噸,遼寧大學(xué)約3 000噸,沈陽(yáng)工程學(xué)院約3 000噸,沈陽(yáng)師范大學(xué)約24 000噸,沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院約8 000噸。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)及粉煤灰采集

根據(jù)實(shí)際情況,在沈陽(yáng)沈北新區(qū)與皇姑區(qū)交界處,以燃煤量較大的公路沿線兩旁的各大學(xué)以及燃煤供電公司為采樣點(diǎn),共設(shè)有7個(gè)采樣點(diǎn),用密封袋裝好帶回實(shí)驗(yàn)室,共采集28組樣品。

1.3 粉煤灰重金屬含量測(cè)定方法

粉煤灰樣品經(jīng)自然風(fēng)干處理后,進(jìn)行研磨和過(guò)篩,貯存?zhèn)溆谩?/p>

采用硝酸-氫氟酸-高氯酸高溫溶解粉煤灰樣品進(jìn)行消解,DER電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀測(cè)定粉煤灰樣品中Cr、Cd、Hg、Pb、As等元素含量。

1.4 評(píng)價(jià)方法

單因子指數(shù)法適用于單一因子污染的特定區(qū)域的評(píng)價(jià),是其他評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ),其表達(dá)式為

式中:pi為土壤中污染i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);ci為污染物i的實(shí)測(cè)含量;si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為pi≦1,非污染;1≦pi≦2,輕污染;23,重污染。

當(dāng)土壤被多種污染物同時(shí)污染時(shí),可采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),該方法的表達(dá)式為

式中:p為土壤綜合污染指數(shù);pi(max)為土壤中單項(xiàng)污染物i的最大污染指數(shù);n為污染物個(gè)數(shù)。p的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 土壤內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The pollution grade of the integrate pollution index

潛在生態(tài)危險(xiǎn)指數(shù)法是Hakanson[15]提出的沉積物中重金屬危害性的評(píng)價(jià)方法,其表達(dá)式為

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The standard of Soil environmental quality mg/kg

表3 潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)與污染程度的關(guān)系Tab.3 The relation between, RI and degree

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰重金屬含量

研究區(qū)粉煤灰共有28組樣品,樣品pH值均大于7.5,粉煤灰各重金屬含量值見(jiàn)表4。Cr、Cd、Hg、As、Pb的含量(mg/kg)分別是3.42～16.01、0.82～9.99、1.47～9.85、56.17～150.17和0.76～2.33,平均值分別為8.16、4.78、4.44、105.24和1.31。對(duì)比土壤環(huán)境質(zhì)量國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以看出,Cd、Hg、As等重金屬元素明顯超過(guò)背景值。

表4 粉煤灰重金屬含量Tab.4 The total amount of heavy metals of coal ash mg/kg

2.2 粉煤灰重金屬的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法,由表5可見(jiàn),Cr的單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為0.01～0.06,平均值為0.03,小于1,屬于非污染。Cd的單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為16.65～1.37,平均值為7.97,大于3,屬于重污染。Hg 的單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為1.47～9.85,平均值為4.44,大于3,屬于重污染。As的單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為2.25～6.01,平均值為4.21,大于3,屬于重污染。Pb的單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為0.002～0.01,平均值為0.004,小于1,屬于非污染。綜合污染指數(shù)范圍1.74～11.91,平均值為5.78,大于3,處于重度污染程度,土壤作物均受到重度污染水平。對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出,在5種重金屬污染物中,樣品地區(qū)中Cr、Pb屬于非污染,但由于Cd的含量較高,在綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)時(shí),使整體呈現(xiàn)重度污染。對(duì)比5種重金屬單因子污染指數(shù),其污染程度大小順序?yàn)镃d>Hg>As>Cr>Pb。在單因子指數(shù)法中,樣品地區(qū)Cr和Pb非污染率為100%。Cd輕污染率為3.57%,中污染為率3.57%,重污染率為92.86%。Hg非污染率為3.57 %,中污染率為25%,重污染率為71.43%。As中污染率為14.29%,重污染率為85.71%。在綜合污染指數(shù)法中,樣品地區(qū)中度污染率為7.14%,達(dá)到土壤作物均受中度污染水平,重度污染率為92.86%,達(dá)到土壤作物均受重度污染水平。

表5 重金屬污染指數(shù)Tab.5 The pollution indexes of heavy metals

2.3 粉煤灰的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行粉煤灰重金屬評(píng)價(jià),由表6可見(jiàn),Cr的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.02～0.12,平均值為0.06,屬于輕微生態(tài)危害。Cd的潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為41～499.5,平均值為239.1,屬于很強(qiáng)生態(tài)危害。Hg的潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為58.8～394,平均值為177.6,屬于很強(qiáng)生態(tài)危害。As的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為22.5～60.1,平均值為42.1,屬于中等生態(tài)危害。Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.01～0.05,平均值為0.02,屬于輕微生態(tài)危害。綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為122.33～953.77,平均值為458.88,屬于強(qiáng)生態(tài)危害。由上述5種重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的平均值來(lái)看,其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度大小順序?yàn)镃d>Hg>As>Pb>Cr。樣品地區(qū)14.29%達(dá)到中等生態(tài)危害,71.42%達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害,14.29%達(dá)到很強(qiáng)生態(tài)危害。另外Cd、Hg在潛在綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)中毒性系數(shù)較大,可能與Cd的潛在生態(tài)危害較大有關(guān)。

表6 粉煤灰重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.6 The potential ecological risk index of heavy metals

背景值的選取依據(jù),在進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí),均涉及背景值的選取,選擇的標(biāo)準(zhǔn)不同會(huì)呈現(xiàn)不同的結(jié)果,由于缺少對(duì)粉煤灰在環(huán)境評(píng)價(jià)方面的研究,對(duì)比其他文獻(xiàn),大部分研究以國(guó)家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)為背景值進(jìn)行計(jì)算,因此本文選取國(guó)家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)為背景值。此外,環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的選取,本研究選取單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法,既體現(xiàn)了單一污染元素對(duì)環(huán)境影響,也體現(xiàn)了5種污染元素共同作用的環(huán)境影響,在應(yīng)用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法時(shí),由于Cd的含量較大,使綜合污染指數(shù)達(dá)到重污染,主要是因?yàn)閮?nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法夸大了最大值的作用,在后續(xù)的研究中這一問(wèn)題仍需深入探討。

3 結(jié) 論

采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法3種方法建立了粉煤灰重金屬污染綜合評(píng)價(jià)模型,能夠更全面、具體、真實(shí)地表征評(píng)價(jià)區(qū)域粉煤灰重金屬污染特征和其潛在的生態(tài)危害,主要結(jié)論如下:

1) 樣品地區(qū)粉煤灰總體呈現(xiàn)重度污染,土壤作物均受潛在重度污染,達(dá)到潛在強(qiáng)生態(tài)危害程度。

2) 沈北新區(qū)粉煤灰中各重金屬的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)由高到低的順序?yàn)镃d>Hg>As>Cr>Pb,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由高到低的順序?yàn)镃d>Hg>As>Cr>Pb,粉煤灰的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有較好的吻合性。

因此,在進(jìn)行粉煤灰污染評(píng)價(jià)時(shí),先進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),再進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),一方面可反映重金屬的富集程度及其環(huán)境質(zhì)量危害,另一方面將生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起,更客觀的反應(yīng)出重金屬潛在影響和危害,使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確、符合事實(shí)。但目前關(guān)于粉煤灰重金屬污染評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)模型較少,應(yīng)用該體系對(duì)粉煤灰重金屬的污染程度與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)所得結(jié)論同其他研究結(jié)果互為補(bǔ)充與借鑒。因此,在評(píng)價(jià)中還有很多要考慮的因素,仍需進(jìn)一步研究。

[ 1 ]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部,中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局,中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部. 第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)[EB/OL]. (2010-02-11)[2013-08-30]. http:∥www.stats.gov.cn/tigb/qttigb/qgqttjgb/t20100211_402621161.htm.

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Potential ecological risk assessment of five heavy metals in fly ash from Shenbei Area, Shenyang city

ZHANG Gang, CHEN Qiuying, KANG Yanhong, HAN Li

(Shenyang Normal University, College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang 110034, China)

In order to investigate the pollution level and potential ecological risk of the heavy metals in fly ash, five heavy metal elements (Cd, Cr, Hg, Pb and As) in fly ash from Shenbei Area of Shenyang city were analyzed quantitatively through collecting the samples. The pollution level and potential ecological risk of the heavy metals in fly ash were assessed using the method of single factor pollution index, Nemerow index and potential ecological risk index. The results indicated that the index of contamination ranged from 1.74 to 11.91, with an average of 5.78, which was at the severe pollution level and showed a heavy pollution to the soil crops. In potential ecological risk assessment, the risk index was between 122.33 and 953.77, with an average of 458.88, which belonged to strong ecological hazard. 14.29%, 71.42%, and 14.29% of the samples have reached the medium ecological hazard, the strong ecological hazard, and the very strong ecological hazard respectively. The environmental quality index and potential ecological risk index of heavy metals from high to low were all as follows: Cd>Hg>As>Cr>Pb.

heavy metal; environment quality assessment; potential ecological risk

2016-01-24。

遼寧省科技廳科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(201202198)。

張 剛(1990-),男,遼寧開(kāi)原人,沈陽(yáng)師范大學(xué)碩士研究生; 通信作者: 康艷紅(1968-),女,遼寧沈陽(yáng)人,沈陽(yáng)師范大學(xué)副教授,博士。

1673-5862(2016)03-0291-05

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10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.03.008