沈北新区粉煤灰重金属污染潜在生态风险评价

张 刚, 陈秋颖, 康艳红, 韩 丽

(沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034)



资源与环境

沈北新区粉煤灰重金属污染潜在生态风险评价

张 刚, 陈秋颖, 康艳红, 韩 丽

(沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034)

为揭示粉煤灰重金属元素的污染程度与潜在的生态风险,采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法对沈北新区粉煤灰中镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、铅(Pb)、砷(As)等5种污染元素进行了分析,研究了沈北新区粉煤灰重金属污染程度与潜在的危害性。结果表明,环境质量评价中,沈北新区潜在的综合污染程度指数为1.74～11.91,平均值为5.78,潜在重度污染程度,土壤作物均受潜在重度污染水平。潜在生态风险评价中,重金属综合潜在风险指数为122.33～953.77,平均值为458.88,属于强生态危害,样品地区14.29%达到中等生态危害,71.42%达到强生态危害,14.29%达到很强生态危害。各重金属的环境质量指数和潜在生态风险指数由高到低的顺序均为Cd>Hg>As>Cr>Pb。

重金属; 环境质量评价; 潜在生态风险

0 引 言

由于重工业的发展与冬季取暖的需要,我国燃煤量一直很大,大量的粉煤灰废弃物已成为处理难题,据统计,2007年我国工业固体废物产生量已达到38.52吨[1]。粉煤灰中含有Cr、Cd、Hg、Pb、As等重金属元素,这些元素具有不被生物降解,但被生物富集的特性[2],会对土壤和周围环境造成破坏;还可通过土壤-作物系统迁移累积,被人体摄入,对人类健康产生严重危害。

目前,关于重金属在农田土壤[3-5]、河流水体、沉积物[6-7]中的分布特征及生态风险的研究已有较多报道。其中刘琼峰等[8]采用层次分析法和模糊综合评价法对农田土壤重金属Pb、Cd进行评价,得到土壤理化特性和土壤区位特征。樊文华等[9]采用潜在生态风险指数法研究了复垦土壤中重金属元素,揭示了其潜在的污染特征。齐雁冰[10]等采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法对污灌区土壤-作物系统重金属积累特征和环境影响进行评价。董苗等[11]采用地累积指数法和潜在生态风险评价法评价了污灌区土壤重金属污染,说明多种评价方法联合使用,使评价结果更准确,更符合实际。Mofarrah[12]等对飞灰中重金属元素进行分析与评价,得出大多数重金属元素很容易进入自然环境中,且富集程度受环境影响较大。Margallo[13]等采用生命周期评估方法对底灰中重金属元素进行评价,给出了自然资源的可持续性与环境负担的可持续性。Ukwattage[14]等对粉煤灰填埋土壤的食品安全进行评价,表明用粉煤灰填做土壤改良剂不仅节约经济同时还能保证食品安全。

上述研究存在以下几个问题,首先,对多种重金属元素的协同作用考虑不充分;其次,只考虑了当前的环境质量诊断与评价,忽略了重金属元素对未来环境的潜在影响;再次,对已污染的区域给予定性评价,起不到预防的作用。基于此,本研究以沈北新区大学城地区为代表,采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法等3种评价方法,对粉煤灰的污染程度与潜在的生态风险进行评价,揭示粉煤灰重金属的环境质量与环境污染的潜在变化特征,为粉煤灰的堆放和处理和粉煤灰中污染物的风险管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域

沈北新区是连接吉林、黑龙江和内蒙古三省区的黄金通道和"东北城市走廊"的枢纽重地。坐标介于东经123°16′～48′,北纬41°54′～42°11′之间。冬季由于供暖的需要,会出现明显的煤炭使用量高峰期,粉煤灰的产出量明显增加,在各大高校中尤为明显。因此本文选取沈北大学城为代表区域,以位于黄河北大街的道路两旁的各高校或其燃煤供暖单位为粉煤灰的采样点,经实地考察,得出各采样点的燃煤量,其中东泰新热源有限公司每年约8万吨,沈阳航空航天大学每年约21 000吨,辽宁大学约3 000吨,沈阳工程学院约3 000吨,沈阳师范大学约24 000吨,沈阳医学院约8 000吨。

1.2 样点布设及粉煤灰采集

根据实际情况,在沈阳沈北新区与皇姑区交界处,以燃煤量较大的公路沿线两旁的各大学以及燃煤供电公司为采样点,共设有7个采样点,用密封袋装好带回实验室,共采集28组样品。

1.3 粉煤灰重金属含量测定方法

粉煤灰样品经自然风干处理后,进行研磨和过筛,贮存备用。

采用硝酸-氢氟酸-高氯酸高温溶解粉煤灰样品进行消解,DER电感耦合等离子原子发射光谱仪测定粉煤灰样品中Cr、Cd、Hg、Pb、As等元素含量。

1.4 评价方法

单因子指数法适用于单一因子污染的特定区域的评价,是其他评价方法的基础,其表达式为

式中:pi为土壤中污染i的环境质量指数;ci为污染物i的实测含量;si为污染物i的评价标准。分级标准为pi≦1,非污染;1≦pi≦2,轻污染;23,重污染。

当土壤被多种污染物同时污染时,可采用内梅罗综合污染指数法进行评价,该方法的表达式为

式中:p为土壤综合污染指数;pi(max)为土壤中单项污染物i的最大污染指数;n为污染物个数。p的分级标准见表1。

表1 土壤内梅罗环境质量评价分级标准Tab.1 The pollution grade of the integrate pollution index

潜在生态危险指数法是Hakanson[15]提出的沉积物中重金属危害性的评价方法,其表达式为

表2 土壤环境质量标准Tab.2 The standard of Soil environmental quality mg/kg

表3 潜在生态危害系数和危害指数与污染程度的关系Tab.3 The relation between, RI and degree

2 结果与分析

2.1 粉煤灰重金属含量

研究区粉煤灰共有28组样品,样品pH值均大于7.5,粉煤灰各重金属含量值见表4。Cr、Cd、Hg、As、Pb的含量(mg/kg)分别是3.42～16.01、0.82～9.99、1.47～9.85、56.17～150.17和0.76～2.33,平均值分别为8.16、4.78、4.44、105.24和1.31。对比土壤环境质量国家二级标准数据可以看出,Cd、Hg、As等重金属元素明显超过背景值。

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

2.2 粉煤灰重金属的环境质量评价

采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法,由表5可见,Cr的单因子环境质量指数为0.01～0.06,平均值为0.03,小于1,属于非污染。Cd的单因子环境质量指数为16.65～1.37,平均值为7.97,大于3,属于重污染。Hg 的单因子环境质量指数为1.47～9.85,平均值为4.44,大于3,属于重污染。As的单因子环境质量指数为2.25～6.01,平均值为4.21,大于3,属于重污染。Pb的单因子环境质量指数为0.002～0.01,平均值为0.004,小于1,属于非污染。综合污染指数范围1.74～11.91,平均值为5.78,大于3,处于重度污染程度,土壤作物均受到重度污染水平。对比数据可以看出,在5种重金属污染物中,样品地区中Cr、Pb属于非污染,但由于Cd的含量较高,在综合污染指数评价时,使整体呈现重度污染。对比5种重金属单因子污染指数,其污染程度大小顺序为Cd>Hg>As>Cr>Pb。在单因子指数法中,样品地区Cr和Pb非污染率为100%。Cd轻污染率为3.57%,中污染为率3.57%,重污染率为92.86%。Hg非污染率为3.57 %,中污染率为25%,重污染率为71.43%。As中污染率为14.29%,重污染率为85.71%。在综合污染指数法中,样品地区中度污染率为7.14%,达到土壤作物均受中度污染水平,重度污染率为92.86%,达到土壤作物均受重度污染水平。

表5 重金属污染指数Tab.5 The pollution indexes of heavy metals

2.3 粉煤灰的潜在生态风险评价

采用Hakanson潜在生态风险指数法进行粉煤灰重金属评价,由表6可见,Cr的潜在生态风险系数为0.02～0.12,平均值为0.06,属于轻微生态危害。Cd的潜在风险系数为41～499.5,平均值为239.1,属于很强生态危害。Hg的潜在风险系数为58.8～394,平均值为177.6,属于很强生态危害。As的潜在生态风险系数为22.5～60.1,平均值为42.1,属于中等生态危害。Pb的潜在生态风险系数为0.01～0.05,平均值为0.02,属于轻微生态危害。综合生态风险指数为122.33～953.77,平均值为458.88,属于强生态危害。由上述5种重金属的潜在风险系数的平均值来看,其潜在生态风险程度大小顺序为Cd>Hg>As>Pb>Cr。样品地区14.29%达到中等生态危害,71.42%达到强生态危害,14.29%达到很强生态危害。另外Cd、Hg在潜在综合潜在风险指数中毒性系数较大,可能与Cd的潜在生态危害较大有关。

表6 粉煤灰重金属潜在生态风险指数Tab.6 The potential ecological risk index of heavy metals

背景值的选取依据,在进行环境质量评价与潜在生态风险评价时,均涉及背景值的选取,选择的标准不同会呈现不同的结果,由于缺少对粉煤灰在环境评价方面的研究,对比其他文献,大部分研究以国家二级土壤标准为背景值进行计算,因此本文选取国家二级土壤标准为背景值。此外,环境质量评价方法的选取,本研究选取单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法,既体现了单一污染元素对环境影响,也体现了5种污染元素共同作用的环境影响,在应用内梅罗综合污染指数法时,由于Cd的含量较大,使综合污染指数达到重污染,主要是因为内梅罗综合污染指数法夸大了最大值的作用,在后续的研究中这一问题仍需深入探讨。

3 结 论

采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法3种方法建立了粉煤灰重金属污染综合评价模型,能够更全面、具体、真实地表征评价区域粉煤灰重金属污染特征和其潜在的生态危害,主要结论如下:

1) 样品地区粉煤灰总体呈现重度污染,土壤作物均受潜在重度污染,达到潜在强生态危害程度。

2) 沈北新区粉煤灰中各重金属的环境质量指数由高到低的顺序为Cd>Hg>As>Cr>Pb,潜在生态风险指数由高到低的顺序为Cd>Hg>As>Cr>Pb,粉煤灰的环境质量评价与潜在生态风险评价具有较好的吻合性。

因此,在进行粉煤灰污染评价时,先进行环境质量评价,再进行潜在生态风险评价,一方面可反映重金属的富集程度及其环境质量危害,另一方面将生态效应、环境效应与毒理学联系在一起,更客观的反应出重金属潜在影响和危害,使评价结果更加准确、符合事实。但目前关于粉煤灰重金属污染评价的评价模型较少,应用该体系对粉煤灰重金属的污染程度与潜在生态风险评价所得结论同其他研究结果互为补充与借鉴。因此,在评价中还有很多要考虑的因素,仍需进一步研究。

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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。

辽宁省科技厅科学技术计划项目(201202198)。

张 刚(1990-),男,辽宁开原人,沈阳师范大学硕士研究生; 通信作者: 康艳红(1968-),女,辽宁沈阳人,沈阳师范大学副教授,博士。

1673-5862(2016)03-0291-05

X752

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.03.008