村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬含量及其土地利用中的環(huán)境風險分析

王瑜堂，張軍，岳波，王敦球，於俊穎，黃啟飛，吳小卉，靳琪

（1.桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西桂林 541004；2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012）

村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬含量及其土地利用中的環(huán)境風險分析

王瑜堂1，2，張軍1*，岳波2*，王敦球1，於俊穎2，黃啟飛2，吳小卉2，靳琪2

（1.桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西桂林 541004；2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012）

對全國12個省份72個典型村鎮(zhèn)產(chǎn)生的生活垃圾進行采樣調(diào)查，系統(tǒng)分析了我國村鎮(zhèn)生活垃圾的重金屬含量及其土地利用的環(huán)境風險。結(jié)果表明：我國典型村鎮(zhèn)生活垃圾中重金屬Hg、Pb、Cd、Cr、Cu和Zn的含量分別為（0.74±0.48）、（21.80±17.61）、（3.36±11.01）、（108.63±84.01）、（36.83±10.91）、（80.09±42.24）mg·kg-1；依據(jù)《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標準》，Hg、Pb、Cd、Cr的超標率分別是1.74%、3.44%、14.29%、2.09%。村鎮(zhèn)生活垃圾土地利用的重金屬環(huán)境風險評估表明：重金屬單因子污染指數(shù)大小順序為Cd＞Hg＞Cr＞Cu＞Zn＞Pb，其中Cd和Hg分別為重度和輕度污染；重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為4.08（重度污染），Cd和Hg的貢獻最大；重金屬潛在生態(tài)風險程度依次為Cd＞Hg＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，綜合潛在生態(tài)風險等級為強生態(tài)危害。

村鎮(zhèn)生活垃圾；重金屬含量；潛在生態(tài)風險

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民生活水平提高，農(nóng)村垃圾產(chǎn)量日益增多。據(jù)初步估算，我國農(nóng)村每年生活垃圾產(chǎn)生量已經(jīng)達到3億t[1]，然而，農(nóng)村的垃圾處理能力并沒有相應提高，使得農(nóng)村生活垃圾大量堆積。生活垃圾在堆積腐敗過程中會產(chǎn)生大量酸性和堿性物質(zhì)，可將垃圾中的無機污染物——重金屬淋溶而進入水體和土壤[2]。夏立江等[3]分析了垃圾堆放場區(qū)周圍土壤，發(fā)現(xiàn)其中重金屬含量明顯高于對照區(qū)土壤。王振中等[4]研究表明，垃圾中的重金屬可在土壤中富集從而造成垃圾堆放區(qū)周圍土壤重金屬污染。土壤重金屬含量超標導致的重金屬污染具有潛伏性、長期性和不可逆性，且重金屬通過食物鏈的生物作用，容易被吸收與富集，從而對人體健康造成威脅[5-7]。

在我國農(nóng)村推廣傳統(tǒng)的有機垃圾就地分散消納模式（主要指有機垃圾還田）是有效緩解農(nóng)村垃圾問題的途徑[8]。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)下，生活垃圾幾乎可以全部循環(huán)，農(nóng)村絕大部分的有機垃圾（如農(nóng)作物殘留和廚余等）和糞便以堆肥、漚肥、厭氧沼氣發(fā)酵或直接還田等途徑進入土壤生態(tài)系統(tǒng)進行自然循環(huán)，部分有機垃圾則通過燃燒成草木灰的方式還田，對于周邊環(huán)境的影響相對較小。隨著人們生活水平的提高，包裝廢物、塑料制品、電子垃圾等大量出現(xiàn)，傳統(tǒng)的農(nóng)村生活垃圾消納方式已不能滿足要求。但是，我國農(nóng)村生活垃圾收運、處理體系尚未完全建立，目前農(nóng)村生活垃圾的主要處理方式包括堆存、簡單填埋、漚肥和焚燒等，絕大部分的農(nóng)村生活垃圾將會以堆肥、堆存、填埋、土壤改良劑等土地利用形式再次返回到土壤生態(tài)系統(tǒng)。丁湘蓉[9]研究了強制通風堆肥技術(shù)處理農(nóng)村生活垃圾的可行性，李清飛等[10]研究了微生物在農(nóng)村有機生活垃圾堆肥中的作用。因此，針對我國村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬特性及其污染風險開展研究具有重要意義。

目前對城市生活垃圾重金屬的研究報告相對較多。劉曉紅等[11]研究發(fā)現(xiàn)，延安市區(qū)生活垃圾可堆腐物中的重金屬元素Pb、Cr、Cd、Hg、As有輕微污染；李仙粉等[12]研究發(fā)現(xiàn)各類垃圾中的Hg、Cd元素含量均超過了北京市郊土壤背景值和污染起始值的最高允許含量；劉育辰等[13]研究發(fā)現(xiàn)，四川宜賓夏季生活垃圾處于Ⅰ級中度污染水平，四川地區(qū)夏冬季總體處于無污染水平，且夏季污染負荷指數(shù)略高。

對于我國農(nóng)村生活垃圾重金屬含量開展的大范圍、系統(tǒng)的研究較少，而重金屬含量對垃圾就地分散消納過程有至關(guān)重要的影響。因此，本文針對全國12個省份、72個典型村鎮(zhèn)進行了調(diào)查研究和統(tǒng)計分析，闡述了農(nóng)村生活垃圾重金屬含量特征，以期明確我國農(nóng)村生活垃圾重金屬污染狀況，為其有效處理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點

在全國12個省市進行村鎮(zhèn)生活垃圾采樣調(diào)查，包括南方6省市（廣東、湖南、安徽、湖北、上海、重慶）和北方6省市（北京、河南、山東、甘肅、黑龍江、吉林）。在每個省市選擇一個采樣地區(qū)，每個地區(qū)根據(jù)經(jīng)濟水平、產(chǎn)業(yè)類型等因素選取3個不同的典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)采樣，每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)設(shè)集鎮(zhèn)中心和周邊農(nóng)村兩個采樣點，共計72個采樣點，取樣調(diào)查時間選取為2015年的4個季度。我國典型村鎮(zhèn)新鮮生活垃圾采樣點如表1所示。

表1 全國典型村鎮(zhèn)新鮮生活垃圾采樣點分布Table 1 The sampling points distribution of fresh living garbage in typical villages and towns in China

1.2 樣品采集與分析

將生活垃圾攪拌均勻后堆成圓形，將其十字四等分，然后隨機舍棄對角中的兩份，余下部分重復進行前述鋪平并分為四等分，舍棄一半，直至垃圾量能夠裝滿4個容量100 L大桶，帶回實驗室進行分析。

將帶回實驗室的垃圾樣品中大粒徑物品破碎至100～200 mm，然后將各種成分分別放在干燥的容器內(nèi)，置于電熱鼓風恒溫干燥箱內(nèi)，在（105±5）℃的條件下烘4～8 h，待冷卻0.5 h后稱重。重復烘1～2 h，冷卻0.5 h后再稱重，重復直至兩次稱量之差小于樣品量的百分之一。用研磨儀將烘干后的樣品研磨至0.5 mm以下，采用濃HNO3-H2O2法[14]消煮，每個樣品做3個平行，稀釋定容后，再利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定重金屬含量。

1.3 評價方法

為了做出準確、客觀的評價，參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995），分別采用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法分析典型村鎮(zhèn)垃圾中重金屬污染狀況。

1.3.1 單因子污染指數(shù)法計算公式為：

式中：Pi為污染指數(shù)；Ci為污染物實測值；Si為污染物評價標準，取值參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）；i代表某種污染物。

分級標準如下：Pi≤1為未污染；1＜Pi≤2為輕度污染；2＜Pi≤3為中度污染；Pi＞3為重度污染。

1.3.2 綜合污染指數(shù)法

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進行重金屬污染狀況評價，計算公式為：

式中：（Ci/Si）max表示各重金屬元素污染指數(shù)最大值；（Ci/Si）ave表示各污染指數(shù)的平均值。

分級標準如下：P綜≤1為未污染；1＜P綜≤2為輕度污染；2＜P綜≤3為中度污染；P綜＞3為重度污染。

1.3.3 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

本文采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法[15]進行陳腐垃圾重金屬生態(tài)風險評價。該方法將重金屬含量與重金屬的生態(tài)效應、環(huán)境效應與毒理學相聯(lián)系，定量地劃分出潛在生態(tài)風險的程度，是目前較多學者采用的方法[16-20]。重金屬污染物潛在風險程度評價指標與分級關(guān)系見表2。

潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）計算公式為：

表2 重金屬潛在風險評價指標與分級關(guān)系Table 2 Potential risk evaluation indices of heavy metal and their hierarchical spatial relationships

式中：Ei為潛在生態(tài)風險因子；Ti為重金屬毒性響應系數(shù)（Hg、Cd、Pb、Cu、Cr、Zn取值分別為40、30、5、5、2、1）；Ci為垃圾中重金屬濃度實測值；C0為參比值，取值參考全球工業(yè)化前沉積物中重金屬的最高背景值（Hg、Cd、Pb、Cu、Cr、Zn依次為0.25、0.5、25、30、60、80 mg·kg-1）[21-22]；RI為重金屬的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬含量評價

我國典型村鎮(zhèn)生活垃圾中重金屬元素主要有Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn，其含量分析結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬含量大小依次為Cr＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd＞Hg，其中：Hg含量0.03～4.34 mg·kg-1，平均值為0.74 mg·kg-1；Pb含量0.04～169.15 mg·kg-1，平均值為21.80 mg·kg-1；Cd含量0.07～107.00mg·kg-1，平均值為3.36 mg·kg-1；Cr含量8.94～1569.10 mg·kg-1，平均值為108.63 mg·kg-1；Cu含量3.22～152.55 mg·kg-1，平均值為36.83 mg·kg-1；Zn含量3.16～945.11 mg·kg-1，平均值為80.09 mg·kg-1。我國典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬含量與《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準》（HJ 332—2006）相比，Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的超標率分別是39.58%、7.32%、2.09%、39.58%、6.97%、3.48%；與《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標準》（GB 8172—1987）相比，Hg、Pb、Cd、Cr的超標率分別是1.74%、3.44%、14.29%、2.09%；與《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）相比，Cd、Cr、Cu、Hg、Zn的超標率分別是39.7%、7.7%、4.2%、33.1%、7.6%。由全國土壤污染狀況調(diào)查公報知，全國土壤中Cd、Cu、Pb、Cr、Hg、Zn 6種無機污染物點位超標率分別為7.0%、2.1%、1.5%、1.1%、1.6%、0.9%，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)除了Pb之外，其余重金屬超標率均高于全國土壤重金屬的超標率。因此，如若將垃圾進行土地還原必須引起重視，且Cd、Hg超標率較高，毒性大，需予以特別關(guān)注。

圖1 典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬含量Figure 1 Heavy metals content of domestic wastes in typical villages and towns

2.2 村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬單因子污染評價

單因子污染指數(shù)法是當今研究者們針對單一重金屬元素進行污染評價時所使用的一般方法，其數(shù)值小說明該重金屬污染輕，反之則重。根據(jù)公式（1），由重金屬的實測含量、重金屬的土壤評價標準值計算出Pi的值，Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn的污染指數(shù)見表3。

由表3可知，Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn的單因子污染指數(shù)范圍分別是PHg為0.06～8.67、PPb為0～0.85、PCd為0.12～178.34、PCr為0.04～7.85、PCu為0.03～1.53、PZn為0.01～3.78，其中：74.31%的Hg、100%的Pb、55.56%的Cd、92.01%的Cr、97.57%的Cu、96.52%的Zn屬于未污染的清潔水平；12.84%的Hg、15.28%的Cd、6.25% 的Cr、2.08%的Cu、2.78%的Zn屬于輕度污染；4.17% 的Hg、7.98%的Cd、0.69%的Cr、0.35%的Cu、0.35% 的Zn屬于中度污染；8.68%的Hg、20.83%的Cd、0.35%的Cr、0.35%的Zn屬于重度污染。Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn的單因子污染指數(shù)平均值分別為1.47、0.11、5.59、0.54、0.37、0.32，從單因子污染指數(shù)平均值大小可以看出，典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬污染程度依次為Cd＞Hg＞Cr＞Cu＞Zn＞Pb，其中PCd＞3，Cd為重度污染，PHg＞1，Hg為輕度污染，其余重金屬皆屬于清潔水平。

表3 重金屬的單因子污染指數(shù)Table 3 Single factor pollution index of heavy metals

2.3 村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬內(nèi)梅羅綜合污染評價

根據(jù)公式（2），結(jié)合重金屬單因子污染指數(shù)（表3）計算出典型村鎮(zhèn)生活垃圾中重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)P綜值，見表4。

由表4可知，典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)P綜值范圍為0.13～178.35，平均值為4.08，屬于重度污染，且Cd對P綜值的貢獻最大，Hg居其次。

表4 重金屬的內(nèi)梅羅污染指數(shù)Table 4 Nemero pollution index of heavy metals

2.4 村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬潛在生態(tài)風險評價

根據(jù)公式（3）和（4）計算出典型村鎮(zhèn)生活垃圾中的單項潛在生態(tài)風險指數(shù)Ei、綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI，具體數(shù)值見表5。

表5 重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)Table 5 Potential ecological risk of heavy metals

由表5可知，典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬Ei的范圍分別是EHg為3.20～966.88、EPb為0.17～37.30、ECd為9.00～9 600.06、ECr為0.15～31.64、ECu為0.16～43.85、EZn為0.01～11.81，其中：32.99%的Hg、100%的Pb、62.85% 的Cd、100%的Cr、99.65%的Cu、100%的Zn具有輕微生態(tài)危害；34.03%的Hg、15.28%的Cd、0.35%的Cu具有中等生態(tài)危害；13.89%的Hg、6.60%的Cd具有強生態(tài)危害；9.38%的Hg、5.90%的Cd具有很強生態(tài)危害；9.03%的Hg、9.38%的Cd具有極強生態(tài)危害。EHg、EPb、ECd、ECr、ECu、EZn平均值分別為117.76、4.36、200.10、3.27、13.34、1.00。由Ei平均值的大小可知，典型村鎮(zhèn)生活垃圾中6種重金屬污染的潛在生態(tài)風險程度依次為Cd＞Hg＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其中Cd具有很強生態(tài)危害，Hg具有強生態(tài)危害，Cu、Pb、Cr、Zn具有輕微生態(tài)危害。Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI范圍為12.70～10691.54，平均值為339.82，在300～600范圍內(nèi)，具有強生態(tài)危害。

3 討論

總體而言，通過三種評價方法均可發(fā)現(xiàn)我國村鎮(zhèn)生活垃圾中Cd的污染最嚴重，Hg次之，其余重金屬污染程度較低，依次為Cr＞Cu＞Zn＞Pb；同時，潛在生態(tài)風險也是Cd最強，Hg次之，其余重金屬只有輕微潛在生態(tài)風險，依次為Cu＞Pb＞Cr＞Zn，只是Cr、Cu、Zn、Pb的污染程度與潛在生態(tài)風險略有不同。由于Cd、Hg的毒性最大，國內(nèi)外已發(fā)生多起Cd、Hg污染事故，如日本水俁病事件和痛痛病事件、湖南瀏陽Cd污染事件，為了避免再次發(fā)生類似事件，需要特別注意防控重金屬污染，其中Hg主要來源于廢棄的電池、熒光燈和塵土，Cd主要來源于塵土、塑料和印刷制品[23]，可以考慮從源頭治理，將生活垃圾分類收集處理。本文只針對生活垃圾重金屬的環(huán)境風險進行了分析，如若進行土地還原處理，同時還應該進一步綜合分析有機污染物的環(huán)境風險，避免造成二次污染。

4 結(jié)論

（1）典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量分別為（0.74±0.48）、（21.80±17.61）、（3.36± 11.01）、（108.63±84.01）、（36.83±10.91）、（80.09±42.24）mg·kg-1，與國內(nèi)相關(guān)標準相比主要是Cd、Hg超標。

（2）從單因子污染指數(shù)Pi平均值大小可以看出，典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬污染程度依次為Cd＞Hg＞Cr＞Cu＞Zn＞Pb，其中Cd為重度污染，Hg為輕度污染，其余重金屬皆屬于清潔水平。

（3）典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)P綜值為4.08，屬于重度污染，且Cd對P綜值貢獻最大，Hg居其次。

（4）典型村鎮(zhèn)生活垃圾中6種重金屬污染的潛在生態(tài)風險程度依次為Cd＞Hg＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其中Cd 和Hg分別具有很強和強生態(tài)危害；綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)為339.82，具有強生態(tài)危害。

總體而言，我國村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬污染情況不容樂觀，進行土地還原處理時需要特別注意重金屬的污染情況以及累積效應（特別是Cd、Hg）。在村鎮(zhèn)生活垃圾進行土地還原利用過程中應避免所含重金屬進入食物鏈，可考慮用于花卉、林地等土壤的改良，同時應合理確定施用量和施用頻率，防止二次污染。

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Heavy metal content of the rural solid waste and its land utilization environmental risk analysis

WANG Yu-tang1,2,ZHANG Jun1*,YUE Bo2*,WANG Dun-qiu1,YU Jun-ying2,HUANG Qi-fei2,WU Xiao-hui2,JIN Qi2
（1.College of Environmental Science and Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China;2.Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China）

In this study,living solid waste of 72 typical villages and towns in 12 provinces was investigated,and its heavy metal content and environmental risk from land utilization were analyzed.The results showed that the heavy metals contents of Hg,Pb,Cd,Cr,Cu,and Zn in the living solid waste were（0.74±0.48）,（21.80±17.61）,（3.36±11.01）,（108.63±84.01）,（36.83±10.91）,and（80.09±42.24）mg·kg-1,respectively.Compared with"the pollution control standard of municipal solid waste agricultural utilization,"the heavy metal contents of Hg, Pb,Cd,and Cr exceeded the rates of 1.74%,3.44%,14.29%，and 2.09%,respectively.The environmental risk assessment of living solid waste land utilization showed that the order of the heavy metal single factor pollution indices were：Cd＞Hg＞Cr＞Cu＞Zn＞Pb,of which the levels of Cd and Hg were classified as severe pollution and mild pollution,respectively.The Nemero comprehensive pollution index of heavy metals was 4.08（indicating severe pollution）,in which Cd and Hg had the largest contribution.The order of potential ecological risk of heavy metals was：Cd＞Hg＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn,indicating strong comprehensive potential ecological risk.

rural living solid waste;heavy metal content;potential ecological risk

X705

A

1672-2043（2017）08-1634-06

10.11654/jaes.2016-1593

2016-12-12

王瑜堂（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向為固體廢物處理，E-mail：276771723@qq.com

*通信作者：張軍E-mail：zhangjuny2010@163.com；岳波E-mail：yuebo@craes.org.cn

國家科技支撐計劃課題（2014BAL02B01）

Project supported：The National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China（2014BAL02B01）

王瑜堂，張軍，岳波，等.村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬含量及其土地利用中的環(huán)境風險分析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36（8）：1634-1639.

WANG Yu-tang,ZHANG Jun,YUE Bo,et al.Heavy metal content of the rural solid waste and its land utilization environmental risk analysis[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（8）：1634-1639.