沈北新區粉煤灰重金屬污染潛在生態風險評價

張 剛, 陳秋穎, 康艷紅, 韓 麗

(沈陽師范大學 化學化工學院, 沈陽 110034)

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資源與環境

沈北新區粉煤灰重金屬污染潛在生態風險評價

張 剛, 陳秋穎, 康艷紅, 韓 麗

(沈陽師范大學 化學化工學院, 沈陽 110034)

為揭示粉煤灰重金屬元素的污染程度與潛在的生態風險,采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、潛在生態危害指數法對沈北新區粉煤灰中鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)、鉛(Pb)、砷(As)等5種污染元素進行了分析,研究了沈北新區粉煤灰重金屬污染程度與潛在的危害性。結果表明,環境質量評價中,沈北新區潛在的綜合污染程度指數為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。潛在生態風險評價中,重金屬綜合潛在風險指數為122.33～953.77,平均值為458.88,屬于強生態危害,樣品地區14.29%達到中等生態危害,71.42%達到強生態危害,14.29%達到很強生態危害。各重金屬的環境質量指數和潛在生態風險指數由高到低的順序均為Cd>Hg>As>Cr>Pb。

重金屬; 環境質量評價; 潛在生態風險

0 引 言

由于重工業的發展與冬季取暖的需要,我國燃煤量一直很大,大量的粉煤灰廢棄物已成為處理難題,據統計,2007年我國工業固體廢物產生量已達到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],會對土壤和周圍環境造成破壞;還可通過土壤-作物系統遷移累積,被人體攝入,對人類健康產生嚴重危害。

目前,關于重金屬在農田土壤[3-5]、河流水體、沉積物[6-7]中的分布特征及生態風險的研究已有較多報道。其中劉瓊峰等[8]采用層次分析法和模糊綜合評價法對農田土壤重金屬Pb、Cd進行評價,得到土壤理化特性和土壤區位特征。樊文華等[9]采用潛在生態風險指數法研究了復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法、內梅羅綜合污染指數法對污灌區土壤-作物系統重金屬積累特征和環境影響進行評價。董苗等[11]采用地累積指數法和潛在生態風險評價法評價了污灌區土壤重金屬污染,說明多種評價方法聯合使用,使評價結果更準確,更符合實際。Mofarrah[12]等對飛灰中重金屬元素進行分析與評價,得出大多數重金屬元素很容易進入自然環境中,且富集程度受環境影響較大。Margallo[13]等采用生命周期評估方法對底灰中重金屬元素進行評價,給出了自然資源的可持續性與環境負擔的可持續性。Ukwattage[14]等對粉煤灰填埋土壤的食品安全進行評價,表明用粉煤灰填做土壤改良劑不僅節約經濟同時還能保證食品安全。

上述研究存在以下幾個問題,首先,對多種重金屬元素的協同作用考慮不充分;其次,只考慮了當前的環境質量診斷與評價,忽略了重金屬元素對未來環境的潛在影響;再次,對已污染的區域給予定性評價,起不到預防的作用。基于此,本研究以沈北新區大學城地區為代表,采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、潛在生態危害指數法等3種評價方法,對粉煤灰的污染程度與潛在的生態風險進行評價,揭示粉煤灰重金屬的環境質量與環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險管理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域

沈北新區是連接吉林、黑龍江和內蒙古三省區的黃金通道和"東北城市走廊"的樞紐重地。坐標介于東經123°16′～48′,北緯41°54′～42°11′之間。冬季由于供暖的需要,會出現明顯的煤炭使用量高峰期,粉煤灰的產出量明顯增加,在各大高校中尤為明顯。因此本文選取沈北大學城為代表區域,以位于黃河北大街的道路兩旁的各高校或其燃煤供暖單位為粉煤灰的采樣點,經實地考察,得出各采樣點的燃煤量,其中東泰新熱源有限公司每年約8萬噸,沈陽航空航天大學每年約21 000噸,遼寧大學約3 000噸,沈陽工程學院約3 000噸,沈陽師范大學約24 000噸,沈陽醫學院約8 000噸。

1.2 樣點布設及粉煤灰采集

根據實際情況,在沈陽沈北新區與皇姑區交界處,以燃煤量較大的公路沿線兩旁的各大學以及燃煤供電公司為采樣點,共設有7個采樣點,用密封袋裝好帶回實驗室,共采集28組樣品。

1.3 粉煤灰重金屬含量測定方法

粉煤灰樣品經自然風干處理后,進行研磨和過篩,貯存備用。

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

1.4 評價方法

單因子指數法適用于單一因子污染的特定區域的評價,是其他評價方法的基礎,其表達式為

式中:pi為土壤中污染i的環境質量指數;ci為污染物i的實測含量;si為污染物i的評價標準。分級標準為pi≦1,非污染;1≦pi≦2,輕污染;23,重污染。

當土壤被多種污染物同時污染時,可采用內梅羅綜合污染指數法進行評價,該方法的表達式為

式中:p為土壤綜合污染指數;pi(max)為土壤中單項污染物i的最大污染指數;n為污染物個數。p的分級標準見表1。

表1 土壤內梅羅環境質量評價分級標準Tab.1 The pollution grade of the integrate pollution index

潛在生態危險指數法是Hakanson[15]提出的沉積物中重金屬危害性的評價方法,其表達式為

表2 土壤環境質量標準Tab.2 The standard of Soil environmental quality mg/kg

表3 潛在生態危害系數和危害指數與污染程度的關系Tab.3 The relation between, RI and degree

2 結果與分析

2.1 粉煤灰重金屬含量

研究區粉煤灰共有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。對比土壤環境質量國家二級標準數據可以看出,Cd、Hg、As等重金屬元素明顯超過背景值。

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 粉煤灰重金屬的環境質量評價

采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法,由表5可見,Cr的單因子環境質量指數為0.01～0.06,平均值為0.03,小于1,屬于非污染。Cd的單因子環境質量指數為16.65～1.37,平均值為7.97,大于3,屬于重污染。Hg 的單因子環境質量指數為1.47～9.85,平均值為4.44,大于3,屬于重污染。As的單因子環境質量指數為2.25～6.01,平均值為4.21,大于3,屬于重污染。Pb的單因子環境質量指數為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。對比數據可以看出,在5種重金屬污染物中,樣品地區中Cr、Pb屬于非污染,但由于Cd的含量較高,在綜合污染指數評價時,使整體呈現重度污染。對比5種重金屬單因子污染指數,其污染程度大小順序為Cd>Hg>As>Cr>Pb。在單因子指數法中,樣品地區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%。在綜合污染指數法中,樣品地區中度污染率為7.14%,達到土壤作物均受中度污染水平,重度污染率為92.86%,達到土壤作物均受重度污染水平。

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

2.3 粉煤灰的潛在生態風險評價

采用Hakanson潛在生態風險指數法進行粉煤灰重金屬評價,由表6可見,Cr的潛在生態風險系數為0.02～0.12,平均值為0.06,屬于輕微生態危害。Cd的潛在風險系數為41～499.5,平均值為239.1,屬于很強生態危害。Hg的潛在風險系數為58.8～394,平均值為177.6,屬于很強生態危害。As的潛在生態風險系數為22.5～60.1,平均值為42.1,屬于中等生態危害。Pb的潛在生態風險系數為0.01～0.05,平均值為0.02,屬于輕微生態危害。綜合生態風險指數為122.33～953.77,平均值為458.88,屬于強生態危害。由上述5種重金屬的潛在風險系數的平均值來看,其潛在生態風險程度大小順序為Cd>Hg>As>Pb>Cr。樣品地區14.29%達到中等生態危害,71.42%達到強生態危害,14.29%達到很強生態危害。另外Cd、Hg在潛在綜合潛在風險指數中毒性系數較大,可能與Cd的潛在生態危害較大有關。

表6 粉煤灰重金屬潛在生態風險指數Tab.6 The potential ecological risk index of heavy metals

背景值的選取依據,在進行環境質量評價與潛在生態風險評價時,均涉及背景值的選取,選擇的標準不同會呈現不同的結果,由于缺少對粉煤灰在環境評價方面的研究,對比其他文獻,大部分研究以國家二級土壤標準為背景值進行計算,因此本文選取國家二級土壤標準為背景值。此外,環境質量評價方法的選取,本研究選取單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法,既體現了單一污染元素對環境影響,也體現了5種污染元素共同作用的環境影響,在應用內梅羅綜合污染指數法時,由于Cd的含量較大,使綜合污染指數達到重污染,主要是因為內梅羅綜合污染指數法夸大了最大值的作用,在后續的研究中這一問題仍需深入探討。

3 結 論

采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、潛在生態危害指數法3種方法建立了粉煤灰重金屬污染綜合評價模型,能夠更全面、具體、真實地表征評價區域粉煤灰重金屬污染特征和其潛在的生態危害,主要結論如下:

1) 樣品地區粉煤灰總體呈現重度污染,土壤作物均受潛在重度污染,達到潛在強生態危害程度。

2) 沈北新區粉煤灰中各重金屬的環境質量指數由高到低的順序為Cd>Hg>As>Cr>Pb,潛在生態風險指數由高到低的順序為Cd>Hg>As>Cr>Pb,粉煤灰的環境質量評價與潛在生態風險評價具有較好的吻合性。

因此,在進行粉煤灰污染評價時,先進行環境質量評價,再進行潛在生態風險評價,一方面可反映重金屬的富集程度及其環境質量危害,另一方面將生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起,更客觀的反應出重金屬潛在影響和危害,使評價結果更加準確、符合事實。但目前關于粉煤灰重金屬污染評價的評價模型較少,應用該體系對粉煤灰重金屬的污染程度與潛在生態風險評價所得結論同其他研究結果互為補充與借鑒。因此,在評價中還有很多要考慮的因素,仍需進一步研究。

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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。

遼寧省科技廳科學技術計劃項目(201202198)。

張 剛(1990-),男,遼寧開原人,沈陽師范大學碩士研究生; 通信作者: 康艷紅(1968-),女,遼寧沈陽人,沈陽師范大學副教授,博士。

1673-5862(2016)03-0291-05

X752

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.03.008