高砷背景土壤風(fēng)險分級與管控技術(shù)研究

何 肖

（深圳市環(huán)境工程科學(xué)技術(shù)中心有限公司，廣東 深圳 518001）

引言

土壤，生態(tài)環(huán)境的基石，承載著生態(tài)穩(wěn)定和人類健康的重要責(zé)任。它的健康狀況直接影響到我們所依賴的食物鏈和生物多樣性。但在快速工業(yè)化和人類活動的推動下，土壤污染已成為一個日益加劇的全球問題。華南地區(qū)由于其特殊的地理和工業(yè)特點，面臨著尤為嚴(yán)重的高砷背景土壤問題。砷，這種天然存在但具有高毒性的重金屬，當(dāng)其在土壤中的濃度超出某一閾值時，可能會對環(huán)境和生物造成不可逆的傷害。面對這一挑戰(zhàn)，如何科學(xué)地對高砷背景土壤進(jìn)行風(fēng)險評估、分級并制定有效的管控策略，已成為環(huán)境科學(xué)家和決策者的共同關(guān)注點。因此，本文致力于對這一問題進(jìn)行深入探討，希望為相關(guān)領(lǐng)域的研究者和實踐者提供有價值的見解和策略建議。

1 高砷背景土壤的風(fēng)險分析

1.1 土壤中砷的來源及其分布特點

砷是一種在地殼中天然存在的元素，特別是在華南地區(qū)以赤紅壤和紅壤為主的土壤類型中，砷的高含量是土壤自然組成的一部分，而不僅僅是人類活動導(dǎo)致的污染物。砷的來源可以大致分為兩類：自然來源和人為來源。自然來源包括巖石風(fēng)化、火山活動和森林火災(zāi)，這些過程會將砷釋放到大氣、水和土壤中。人為來源則主要包括礦業(yè)活動、農(nóng)業(yè)活動（如使用砷酸鹽作為農(nóng)藥）和工業(yè)排放。在土壤中，砷主要以不同的化合物形式存在，其分布特點受到許多因素的影響，如土壤的pH值、有機質(zhì)含量和其他礦物質(zhì)的存在。在酸性土壤中，砷更容易被植物吸收；而在堿性土壤中，砷則以不溶性的形式存在，較難被植物吸收。此外，土壤中的鐵、錳等礦物質(zhì)也會與砷形成穩(wěn)定的復(fù)合物，影響其在土壤中的分布[1]。

1.2 高砷背景土壤對環(huán)境和人體的潛在影響

高砷背景土壤對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生多種影響。首先，砷會影響土壤微生物的活性和多樣性，進(jìn)而影響土壤的肥力和結(jié)構(gòu)。其次，砷會通過食物鏈進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，影響各個營養(yǎng)級的生物。例如，植物吸收砷后，被動物食用，從而導(dǎo)致砷在食物鏈中被生物放大。對于人體來說，長時間攝入高砷食物或水會導(dǎo)致多種健康問題。砷是一種已知的致癌物質(zhì)，長時間攝入會增加皮膚、肺和膀胱癌的風(fēng)險。此外，砷還會影響心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致多種非癌性疾病[2]。

1.3 高砷背景土壤的風(fēng)險評估方法

高砷背景土壤的風(fēng)險評估通常涉及多個步驟，包括數(shù)據(jù)收集、風(fēng)險識別、風(fēng)險估算和風(fēng)險評價。首先，需要收集相關(guān)數(shù)據(jù)，如土壤中的砷含量、土壤的物理化學(xué)性質(zhì)、植物和動物的砷含量等。然后，基于這些數(shù)據(jù)，識別可能的風(fēng)險途徑，如土壤-植物-動物-人的食物鏈途徑。接下來，通過風(fēng)險估算模型，估計不同途徑的風(fēng)險程度。這些模型通常基于動物實驗數(shù)據(jù)和人群流行病學(xué)數(shù)據(jù)，可以估計不同攝入量下的健康風(fēng)險。最后，根據(jù)風(fēng)險估算的結(jié)果，進(jìn)行風(fēng)險評價。評價結(jié)果可以為政府和公眾提供決策依據(jù)，如是否需要進(jìn)行土壤修復(fù)、如何管理高砷背景土壤等[3]。

2 高砷背景土壤的風(fēng)險分級

2.1 風(fēng)險分級的標(biāo)準(zhǔn)與方法

風(fēng)險分級在環(huán)境科學(xué)和健康評估領(lǐng)域中是一個核心概念，它為我們提供了一個系統(tǒng)化的方法來評估和管理潛在的環(huán)境危害。特別是在處理土壤砷污染這類復(fù)雜問題時，風(fēng)險分級為我們提供了明確的、有針對性的管理策略。對于高砷背景土壤，風(fēng)險的評估和分類需要考慮多種因素。首先，土壤中砷的濃度是一個關(guān)鍵指標(biāo)。但僅憑濃度并不能完全描述風(fēng)險，還需考慮砷的生物可利用性。這是因為某些砷的形態(tài)對生物體更易吸收，從而可能導(dǎo)致更大的健康風(fēng)險。此外，暴露途徑和頻率也是評估風(fēng)險的重要參數(shù)，它們決定了生物體攝入砷的量和方式。基于上述因素，常見的風(fēng)險分級方法是將土壤按照砷的濃度劃分為低、中、高三個級別。這些閾值不是隨意確定的，而是基于大量的實驗室研究和流行病學(xué)數(shù)據(jù)，確保它們反映了砷的真實毒性和對生態(tài)系統(tǒng)、人類健康的影響。然而，單一的濃度閾值并不能全面描述所有風(fēng)險。例如，某些土壤的砷濃度可能處于“低風(fēng)險”范圍內(nèi)，但如果這些砷大部分都是高生物可利用性的形態(tài)，那么它們可能對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們基于濃度預(yù)期的風(fēng)險。因此，風(fēng)險分級應(yīng)當(dāng)是一個綜合考慮砷濃度、形態(tài)、生物可利用性以及其他相關(guān)因素的動態(tài)過程[4]。

2.2 不同風(fēng)險級別的土壤特點與影響

土壤砷污染的風(fēng)險分級體現(xiàn)了砷在土壤中的濃度、形態(tài)和生物可利用性等因素對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康的潛在影響。根據(jù)這些因素，土壤可被劃分為低、中、高三個風(fēng)險級別，每個級別都有其獨特的特點和相關(guān)的風(fēng)險。低風(fēng)險土壤的主要特點是砷的濃度相對較低，并且絕大部分存在于不易被生物吸收的形態(tài)，如不溶性或低生物可利用性的形式。這意味著這類土壤對生態(tài)系統(tǒng)和人體的直接威脅較小。然而，由于環(huán)境條件的變化可能導(dǎo)致砷的釋放和轉(zhuǎn)化，對這類土壤仍需進(jìn)行長期的監(jiān)測和管理，確保砷不會因積累或形態(tài)轉(zhuǎn)變而增加風(fēng)險。中風(fēng)險土壤中砷的濃度處于一個中間值，或者即使?jié)舛炔桓撸捎谄涓呱锟衫眯曰蛱囟ǖ谋┞锻緩剑蛊錆撛陲L(fēng)險提高。這類土壤的砷可能對某些較為敏感的植物和微生物產(chǎn)生直接的毒性效應(yīng)。同時，通過食物鏈，砷可能進(jìn)一步影響到上層食物鏈的生物，如昆蟲、小型動物甚至人類。高風(fēng)險土壤則是重點關(guān)注的，因為這類土壤中的砷濃度高并且大部分都是生物可利用的形態(tài)。這意味著它們對整個生態(tài)系統(tǒng)，包括土壤微生物、植物、動物和人類都構(gòu)成了直接的威脅。高砷濃度可能導(dǎo)致土壤的生物活性降低、植物生長受到抑制、動物健康出現(xiàn)問題，并最終通過食物鏈影響到人類健康[5]。

2.3 風(fēng)險分級的實際應(yīng)用與效果評估

風(fēng)險分級作為一種科學(xué)的管理工具，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)和健康風(fēng)險管理領(lǐng)域，為決策者提供了清晰、分層的風(fēng)險信息，以指導(dǎo)實際操作和資源分配。在環(huán)境污染的應(yīng)對策略中，風(fēng)險分級為各種污染場景提供了針對性的解決方案。例如，對于被評定為高風(fēng)險的土壤，可能需要采取緊急的修復(fù)措施，如化學(xué)修復(fù)或生物修復(fù)，以迅速降低砷的濃度和生物可利用性。而對于中等或低風(fēng)險的土壤，更多的是進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，評估其風(fēng)險變化，并在必要時進(jìn)行干預(yù)。風(fēng)險分級的實際效果評估是確保管理措施有效性的關(guān)鍵。在實施了某項修復(fù)或管理措施后，需要定期對土壤的砷濃度、形態(tài)轉(zhuǎn)化、生物可利用性進(jìn)行檢測，同時監(jiān)測其對生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響。這不僅可以評估措施的即時效果，還能確保其長期的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。此外，風(fēng)險分級還在風(fēng)險溝通和公眾參與方面發(fā)揮了重要作用。將風(fēng)險分為清晰、可理解的級別，能夠幫助公眾更好地認(rèn)識到問題的嚴(yán)重性，從而更加主動地參與到風(fēng)險管理的決策過程中。這種透明度和參與性不僅增強了風(fēng)險管理的社會可接受性，還為有效的風(fēng)險管理提供了更廣泛的社會支持[6]。

3 高砷背景土壤的管控技術(shù)研究

3.1 砷的化學(xué)性質(zhì)及其在土壤中的遷移途徑

砷，作為地殼中廣泛分布的元素，其特有的化學(xué)性質(zhì)為其在土壤及其他環(huán)境介質(zhì)中的行為和命運奠定了基礎(chǔ)。它可以存在于多種氧化態(tài)，尤其是三價（As（Ⅲ））和五價（As（V））形態(tài)，這兩種形態(tài)在環(huán)境中最為常見。這些化學(xué)形態(tài)決定了砷與土壤中其他組分的互作，進(jìn)而影響其在土壤中的分布和遷移。具體地說，砷可以以無機或有機的形式存在，或與土壤礦物形成固定化合物。這些不同的形態(tài)決定了砷的生物可利用性，也影響了它對生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險。在土壤中，砷的遷移是一個復(fù)雜的過程，受到多種因素的控制。從土壤到水的遷移通常涉及砷的溶出、吸附和沉淀過程，這些過程又受到土壤pH值、有機質(zhì)含量以及其他土壤化學(xué)性質(zhì)的影響。例如，酸性條件下，砷更容易被釋放到土壤溶液中。而從土壤到植物的遷移則涉及植物根部的吸收過程。這一過程受到砷的化學(xué)形態(tài)、植物種類以及生長環(huán)境的影響。有些植物可以積累大量的砷，而其他植物則對砷的吸收顯示出抗性。至于土壤到大氣的遷移，這一過程相對較少，但在某些條件下，例如干燥、風(fēng)化等，砷可能會以氣態(tài)或顆粒物的形式進(jìn)入大氣。

3.2 現(xiàn)有的土壤砷去除技術(shù)

砷污染的土壤對環(huán)境和生物健康構(gòu)成了顯著威脅。為應(yīng)對這一問題，研究者和工程師們已開發(fā)了多種砷去除技術(shù)，每種技術(shù)都有其獨特的優(yōu)點和局限性。

3.2.1 化學(xué)沉淀法

這是最直接的處理方法之一，涉及向受污染的土壤中添加特定的化學(xué)試劑，如鐵鹽或鋁鹽。這些試劑與土壤中的砷反應(yīng)，形成不溶性的沉淀物，進(jìn)而隔離和固定砷。該技術(shù)的優(yōu)點在于快速有效，但可能會改變土壤的某些化學(xué)性質(zhì)，影響土壤健康。

3.2.2 吸附法

吸附法利用特定的材料，如活性炭、硅膠或某些天然礦物，將土壤中的砷吸附到其表面。這種技術(shù)尤其適用于低濃度的砷污染場景，但需注意，隨著時間的推移，吸附劑可能會飽和，需要更換。

3.2.3 電動力修復(fù)法

這是一種創(chuàng)新技術(shù)，通過施加電場，使土壤中的砷沿電場方向遷移，從而集中并去除。這種方法可以迅速去除土壤中的大部分砷，但由于可能會改變土壤的其他性質(zhì)，如pH和離子濃度，需要進(jìn)行后續(xù)的土壤恢復(fù)處理。

3.2.4 植物修復(fù)法

植物修復(fù)利用某些能夠吸收和積累砷的植物，如蘆葦或莎草，從土壤中提取砷。隨后，這些植物可以被收割并安全處理，從而將砷從土壤中移除。這種方法的優(yōu)勢在于它是生態(tài)友好的，能夠恢復(fù)土壤的生態(tài)功能，并有助于提高土壤的健康性。

選擇哪種技術(shù)取決于多種因素，如污染的嚴(yán)重程度、土壤類型、經(jīng)濟預(yù)算等。綜合應(yīng)用多種技術(shù)可能會獲得最佳的去除效果。

3.3 新型管控技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

隨著土壤砷污染問題的加劇，傳統(tǒng)的修復(fù)方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)實需求。因此，多種新型的管控技術(shù)應(yīng)運而生，為砷污染土壤的修復(fù)提供了新的思路和方法。

3.3.1 納米技術(shù)

納米技術(shù)在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注。特別是利用納米材料，如納米零價鐵、納米硫化物等，可以高效地吸附和固定土壤中的砷。由于納米材料具有大的比表面積和獨特的化學(xué)活性，它們對砷的去除效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的吸附材料。此外，納米材料還可以與其他修復(fù)技術(shù)結(jié)合，如生物修復(fù)，進(jìn)一步提高去除效果。

3.3.2 生物技術(shù)

微生物在砷的去除和轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。某些細(xì)菌和真菌可以有效地吸附土壤中的砷或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為不同的化學(xué)形態(tài)，從而降低其毒性。例如，某些微生物能夠?qū)⑸榈亩拘孕螒B(tài)轉(zhuǎn)化為低毒或無毒的形態(tài)，或通過生物礦化過程產(chǎn)生不溶性的砷化合物。這種生物技術(shù)不僅能夠去除砷，還能恢復(fù)土壤的生態(tài)功能[7]。

3.3.3 組合技術(shù)

為了提高土壤砷的去除效率，研究者們已經(jīng)開始探索多種技術(shù)的組合應(yīng)用。例如，化學(xué)沉淀可以先用于去除大部分砷，然后使用植物修復(fù)進(jìn)一步減少殘留砷的濃度。或者，納米技術(shù)和生物技術(shù)可以結(jié)合使用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。

總的來說，新型管控技術(shù)為砷污染土壤的修復(fù)提供了更多的可能性。這些技術(shù)不僅提高了修復(fù)效率，還對保護(hù)和恢復(fù)土壤生態(tài)環(huán)境起到了積極作用。

3.4 管控技術(shù)的效果評估與優(yōu)化

對于任何環(huán)境治理技術(shù)，僅僅實施并不足夠，確保技術(shù)的有效性和持久性是至關(guān)重要的。這就需要對施行的管控技術(shù)進(jìn)行精確的效果評估和持續(xù)的優(yōu)化。

3.4.1 效果評估

土壤砷濃度監(jiān)測：這是評估的基礎(chǔ)，需要定期采樣并利用先進(jìn)的儀器技術(shù)（如原子吸收光譜法）進(jìn)行濃度測定。

砷形態(tài)分析：不同形態(tài)的砷對生態(tài)系統(tǒng)的影響差異巨大。需要了解治理后土壤中砷的化學(xué)形態(tài)，評估其生物可利用性及潛在的生態(tài)風(fēng)險。

生態(tài)和健康風(fēng)險評估：除了直接測量土壤砷濃度外，還需要對其可能帶來的生態(tài)和健康風(fēng)險進(jìn)行評估，如評估土壤砷對土壤微生物、植物、土壤動物和人體健康的潛在影響。

3.4.2 技術(shù)優(yōu)化

參數(shù)調(diào)整：對于化學(xué)、物理或生物技術(shù)，其效果很大程度上取決于操作參數(shù)。例如，化學(xué)沉淀的反應(yīng)時間、溫度、試劑種類和添加量都可能影響沉淀效果。

材料選擇：選擇更高效的吸附材料或具有高砷吸收能力的植物種類，可以顯著提高去除效率。

方法組合：有時單一技術(shù)可能難以達(dá)到預(yù)期的效果，結(jié)合兩種或多種技術(shù)可能會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)更高的去除效率。

總之，對高砷背景土壤的管控不僅僅是一個技術(shù)實施的問題，更是一個持續(xù)的、系統(tǒng)的工程。只有不斷地評估和優(yōu)化，才能確保技術(shù)的有效性和可持續(xù)性，為土壤健康和人類健康提供長期的保障。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)化的推進(jìn)和人類活動的擴展，土壤砷污染已成為華南地區(qū)乃至全球的一個突出環(huán)境問題。通過對高砷背景土壤的風(fēng)險分析，我們深入了解了砷在土壤中的來源、分布特點以及其對環(huán)境和人體的潛在影響。針對這一問題，本研究還提出了風(fēng)險分級的標(biāo)準(zhǔn)和方法，并對不同風(fēng)險級別的土壤特點和影響進(jìn)行了詳細(xì)描述。在管控技術(shù)方面，除了對傳統(tǒng)的土壤砷去除技術(shù)進(jìn)行了深入探討之外，本文還關(guān)注了新型的管控技術(shù)，如納米技術(shù)、生物技術(shù)和組合技術(shù)，并對其效果進(jìn)行了評估與優(yōu)化。這些技術(shù)在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了良好的效果，為高砷背景土壤的修復(fù)和管理提供了新的思路。總體上，本研究為高砷背景土壤的風(fēng)險管理和技術(shù)創(chuàng)新提供了有力的支持。然而，土壤砷污染是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，仍需要進(jìn)一步的研究和探討。建議未來的研究應(yīng)更加關(guān)注砷污染的長期效應(yīng)、污染源的控制以及跨學(xué)科的綜合管理策略，以期為實現(xiàn)土壤的可持續(xù)管理和人類健康的保障提供更為堅實的科學(xué)依據(jù)。