呂梁市降雪中重金屬污染分析

張婷瑜，武瑞平，周 慧

(呂梁學院，山西 呂梁 033000)

大氣中的污染物可以通過干沉降和濕沉降的方式到達地面，從而可能對水體和土壤造成間接污染。重金屬元素有較強的生物累積性和難降解性，可以通過化石燃料燃燒、汽車尾氣、企業(yè)煙氣、土壤揚塵等進入大氣，吸附在氣溶膠上。在我國北方城市，冬季的濕沉降以降雪為主，因此降雪中重金屬不僅能反映環(huán)境中重金屬的污染狀況，同時也能為大氣中重金屬污染來源和其環(huán)境行為提供重要依據(jù)[1]。

本文對呂梁市區(qū)降雪中重金屬的含量進行了監(jiān)測和分析，同時用富集系數(shù)法分析了可能的來源并對其潛在生態(tài)風險進行了評價，以期了解呂梁市大氣降雪中重金屬污染情況和來源，為尋求解決措施提供理論依據(jù)。

1 樣品采集及分析

1.1 樣品的采集

雪樣采集于2017年末到2018年初的全部兩場降雪(2017年12月14日和2018年1月7日)。采樣地點按照居民區(qū)(住宅小區(qū))、工業(yè)區(qū)(電廠)、商業(yè)區(qū)(市區(qū))和清潔區(qū)(呂梁學院)4個功能區(qū)進行樣品的采集。

采用聚乙烯塑料瓶采集樣品，采樣前將塑料瓶預先用硝酸浸泡24 h以上，再用去離子水沖洗干凈，以除去可能存在的金屬離子。為避免雪樣表層塵土的污染，樣品采集時去除表層浮雪后進行采集，采樣后立即密封，帶回實驗室。

1.2 樣品的預處理

采集的雪樣在室溫下融化，立即測定其pH值。然后將融化的雪樣加適量硝酸酸化，低溫保存待處理。

取50 mL融化雪樣于聚四氟乙烯燒杯中，加入10 mL濃硝酸和3 mL高氯酸在110℃的不銹鋼恒溫電熱板上消解，消解至5mL左右且溶液清澈透明，用1%的稀硝酸沖洗燒杯，最終定容至25 mL的容量瓶中，待測。

1.3 樣品分析

樣品pH值的測定采用pH計。樣品中重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn的含量采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)測定，同一樣品平行測定3次。

2 結果與討論

2.1 呂梁市降雪中重金屬含量

呂梁市降雪pH值及6種重金屬的測定結果如表1所示。

由表1可以看出，呂梁市區(qū)降雪呈弱酸性，樣品pH值為5.79～6.61。由于樣品pH值均大于5.6，故不屬于酸性降水。表2為呂梁市降雪中重金屬的濃度特征。

表1 呂梁市降雪pH及重金屬含量Table 1 pH value and concentrations of Cu,Pb,Zn,Cr,Cd,Mn in the snow

注：除pH值外，表中單位為μg/L。

表2 呂梁市降雪中重金屬的濃度特征Table 2 Concentration characteristics of heavy metals in snowfall in lvliang City

2場降雪中，6種重金屬含量平均值由高到低依次為：Zn>Mn>Pb>Cu>Cr>Cd，含量最高的Zn元素的范圍為：58.54～255.50 μg·L-1，平均值為125.85 μg·L-1；含量最低的Cd元素的范圍為：5.79～6.00 μg·L-1，平均值為6.00 μg·L-1。6種重金屬的變異系數(shù)為4.25%～64.44%，元素Cu、Cd的變異系數(shù)較小，說明這兩種元素在不同功能區(qū)之間的含量差異較小，而其他元素在不同功能區(qū)中含量差異較大，這與不同功能區(qū)中重金屬的來源有較大關系。不同時段的2場降雪中，重金屬Cu、Pb、Cd、Mn的平均含量變化不大，而Zn、Cr的含量在第二場雪中的平均含量高于第一場，這可能與人類活動的干擾有較大關系，此外，也可能與氣象條件有關[2]。

從各功能區(qū)看，2次降雪中，元素Pb在商業(yè)區(qū)的濃度明顯偏高，這可能與商業(yè)區(qū)汽車流量較大，汽車尾氣的排放有關。Zn、Mn元素在工業(yè)區(qū)的含量較高，這可能與工業(yè)尾氣的排放等人為活動有關。

將測量結果與地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)相比較(見表3)。從表3可以看出，Cu、Zn、Cr元素的含量低于Ⅱ類水的標準限值，高于Ⅰ類水的標準限值；Cd的含量低于Ⅴ類水的標準限值，高于Ⅳ類水的標準限值；Pb的含量低于Ⅲ類水的標準限值，高于Ⅱ類水的標準限值；Mn的含量符合集中式生活飲用水地表水源地的標準限值。這表明呂梁市融雪已不能作為Ⅱ、Ⅲ類水體使用，城市大氣中重金屬存在一定程度的污染。

表3 降雪中重金屬含量與地表水環(huán)境質(zhì)量標準比較Table 3 Comparison between concentrations of 6 heavy metals in snowfall and environmental quality standards of surface water

將本文結果與城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)相比可知，呂梁市兩場降雪中6種重金屬的含量均低于排放標準，這表明融雪可以排入自然水體，不會對自然水體造成污染。

2.2 呂梁市降雪中重金屬的來源分析

本文采用富集系數(shù)法來判別元素的自然來源和人為來源。富集系數(shù)EF為：

式中：Xi為待評價元素i的含量；Xr為參比元素r的含量。通常選取地殼中普遍大量存在、人為污染源小、化學穩(wěn)定性好且揮發(fā)性較低的元素為參比元素[3-4]。EF<5，表示該元素主要來自于地殼；5100，表示元素明顯受到人類活動影響，嚴重富集[5]。

本文選用Al作為參比元素，呂梁市降雪樣品中Al的平均濃度為93.46 μg·L-1，參考地殼中各元素的豐度值[6]，得到呂梁市兩場降雪中6種重金屬的平均富集系數(shù)見表4。可以看出，元素Cr的富集系數(shù)小于5，說明Cr主要來自于地殼；元素Mn的富集系數(shù)為24.47，表示元素Mn受人類活動影響較大，屬于中度富集；其余元素的富集系數(shù)均大于100，說明Cu、Zn、Cd、Pb受人類活動影響嚴重，屬于嚴重富集。元素Cd和Pb的富集系數(shù)甚至超過2000，這可能與機動車燃料的使用有關[2]。

表4 降雪中6種重金屬的富集系數(shù)Table 4 Enrichment factors of six heavy metals in snowfall

2.3 潛在生態(tài)危害評價

瑞典學者Hakanson[7]提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法目前已廣泛應用于重金屬的生態(tài)危害評價中。潛在生態(tài)危害指數(shù)RI的計算公式為：

表5 潛在生態(tài)風險評價標準Table 5 Potential ecological risk assessment criteria

本文以國家地表水 I 類標準作為參比值，計算出呂梁市降雪重金屬元素的潛在生態(tài)危害評價結果，見表6。

各元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)的順序為Cd>Pb>Cu>Cr>Zn，其中Cd的生態(tài)危害指數(shù)最高，具有很強的生態(tài)風險，其余元素的生態(tài)危害指數(shù)均未超過40，屬于輕微生態(tài)風險。

5種重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)Ri=212.78，說明呂梁市降雪中重金屬的潛在生態(tài)風險水平為中等生態(tài)風險。

表6 呂梁市降雪中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)Table 6 Potential ecological hazard index of heavy metals in snowfall in lvliang City

3 結論

(1)呂梁市降雪中6種重金屬平均含量順序為Zn>Mn>Pb>Cu>Cr>Cd，含量最高的Zn平均濃度為125.85 μg·L-1；含量最低的Cd平均濃度為6.00 μg·L-1。。融雪已不能作為Ⅱ、Ⅲ類水體使用，但融雪可以排入自然水體，不會對自然水體造成污染。

(2)呂梁市降雪中Cr的來源主要來自地殼，Mn受到人為活動的影響，屬于中度富集，Cu、Zn、Cd、Pb的富集系數(shù)均大于100，屬于嚴重富集，說明這些元素的來源主要為人為源。

(3)潛在生態(tài)危害評價顯示，降雪中重金屬的潛在生態(tài)風險為中等生態(tài)風險水平，其中Cd的生態(tài)危害指數(shù)最高。