铬渣堆场周边土壤中重金属污染及风险(共6页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018.04.018铬渣堆场周边土壤中重金属污染及风险评估王兵(湖南有色金属研究院，长沙 )摘要：以铬渣堆场周边土壤为研究对象，分层分区采集土壤样品，采用地累积指数、潜在生态风险指数法和人体健康风险评价模型，对土壤中Cr(VI)、Cr、Pb、As等重金属进行风险评估。结果表明，土壤中Cr(VI)、Cr、Pb、As含量的平均值分别为567.19、9 055.61、457.19、66.80 mg/kg。研究区土壤均处于中度偏强的生态风险等级，且铬污染受人为污染影响严重。研究区土壤中的Cr(VI)和As存在致癌风险，主要是经手口摄入途径暴露所致。研究区土壤的非致癌风险非常严重，且主要贡献来源于铬元素。关键词：铬渣堆场；土壤；重金属污染；风险评估中图分类号：X53文献标志码：A文章编号：1007-7545（2018）04-0000-00Pollution and Risk Assessment of Heavy Metals in Surrounding Soil of Chromium Slag Stock DumpWANG Bing(Hunan Research Institute for Nonferrous Metals, Changsha , China)Abstract：Risk assessment of heavy metals of Cr(), Cr, Pb, and As in surrounding soil of chromium slag stock dump was conducted by index of geoaccumulation, potential ecological risk index and human health risk assessment model applying surrounding soils of chromium slag stock dump as research object. The results show that average content of Cr(), Cr, Pb, and As in soil is 567.19, 9 055.61, 457.19 and 66.80 mg/kg respectively. The ecological risk level of the studied area is beyond medium danger, and pollution of Cr largely comes from human activities. Carcinogenic risk of Cr() and As in the studied soil mainly comes from exposed contact and eating. No carcinogenic risk of the studied area is extremely serious, which mainly coms from Cr.Key words：chromium slag stock dump; soil; heavy mental pollution; risk assessment土壤重金属污染问题是当前国内外研究的热点，尤其是随着经济的快速发展，城市化进程的加快，一些重污染企业搬离市区后，其废渣堆场周边的土壤污染问题受到广泛关注1-4。为预防土壤重金属污染，国家制定了一系列政策，重金属污染综合防治“十三五”规划中提出要深入实施大气、水、土壤污染防治三大行动计划。铬渣堆场是一种典型的工业污染场地，其六价铬的化合物具有很强的氧化性、毒性和致癌性，进入环境后会对人体健康及周边生态环境造成持续的危害。国家环境保护总局发布的铬渣污染治理环境保护技术规范(暂行)（HJ/T 3012007）中规定，工业企业实行停产和搬迁并需要对原有场地进行再开发利用时，必须进行场地污染评估与治理，并对修复场地进行防护监测。本文以某破产化工厂的铬渣堆场（铬渣已无害化处理）为研究对象，对Cr(VI)、Cr、Pb、As等重金属含量进行分析监测，以了解其主要污染物的分布特征，并评估其潜在生态风险。1 试验部分1.1 样品采集与分析样品的采集以铬渣堆场下土壤及周边土壤为主，根据场地环境监测技术导则（HJ25.2-2014）的采样点要求，采用系统随机布点法进行现场采样布点，共设置了9个采样点。对同一采样点的不同深度进行取样，分析垂直方向土壤中污染物浓度的分布，根据土壤采集场所的实际情况，每个采样点的垂直采样深度为10 m，分别在表层（02 m）、中层（25 m）、底层（510 m），样品采集后装入密封袋中，贴好标签，并记录采样位置。样品采集后在自然条件下风干，除去土壤中异物，研磨过筛后混匀备用。土壤中Cr、Pb、As等重金属含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪测定，Cr(VI)采用二苯碳酰二肼分光光度法测定。1.2 评价方法1.2.1 地累积指数法5-6地累积指数法即Muller指数法，以地累积指数（Igeo）来表示，并根据Igeo的数值来判断污染程度，具体标准参见文献7。收稿日期：2017-11-06基金项目：国家高技术研究发展计划项目（2012AA06A202）；湖南省科技重大专项（2014FJ1011）作者简介：王兵（1983-），男，湖南长沙人，工程师.1.2.2 潜在生态危害指数法8重金属对周边生态环境的风险评估通常采用Hakanson潜在生态危害指数（RI）法，其表达式为：其中，Ei为某污染物的潜在生态风险系数；Ti为某污染物的毒性系数；Ci和Cn分别表示某污染物的实际测定浓度和计算的参比值。根据Ei值和RI值对污染程度进行分类，参见文献7。1.2.3 健康风险评价根据土壤在城市空间环境中的迁移转化特征，土壤中的重金属可通过手口直接摄入、皮肤接触和呼吸吸入等3种途径进入人体。其计算公式分别为：手口途径日均摄入量呼吸途径日均摄入量皮肤接触日均摄入量；式中：Ci表示某污染物实际测定浓度；IngR表示摄入土壤频率(mg/d)，成人为100，儿童为200；CF表示转化因子(10-6 kg/mg或m3/cm3)；EF表示暴露频率(d/a)，180；ED表示暴露周期(a)，成人为24，儿童为6；BW表示受体体重(kg)，成人为62.0，儿童为15.9；AT表示平均效应时间(d)，致癌风险为70×365，非致癌风险为ED×365；InhR表示呼吸频率(m3/d)，成人为14.7，儿童为7.63；PEF表示灰尘排放因子(m3/kg)，1.36×109；SA表示暴露皮肤面积(cm2)，成人为16 000，儿童为2 800；SL表示皮肤黏着度(mg·cm-2·d-1)，0.2；ABS表示皮肤吸收因子，无量纲，0.001。健康风险评价9主要是分析与预测环境污染物对人体健康产生有害影响可能的过程，包括致癌风险和非致癌风险两种不同的健康影响风险模型。本研究中的Cr(VI)、Cr、Pb、As都具有非致癌风险，其中Cr(VI)和As则同时具有致癌风险。重金属各暴露途径的致癌和非致癌效应的计算公式如下：土壤中重金属i的致癌风险CRi土壤中重金属的总致癌风险TCR土壤中重金属i非致癌风险HQi土壤中重金属的总非致癌风险HI式中：CDIij表示重金属i在第j种暴露途径下的日均摄入量(mg·kg-1·d-1)；SFij表示重金属i在第j种暴露途径下的致癌风险斜率因子(mg·kg-1·d-1)；RfDij表示重金属i在第j种暴露途径下的慢性参考剂量(mg·kg-1·d-1)。TCR表示Cr(VI)、Cr、Pb、As等重金属通过手口直接摄入、皮肤接触和呼吸吸入等3种暴露途径所导致的总致癌风险，当CRi或TCR在10-610-4时，认为该物质不具备致癌风险，CRi或TCR10-4时，认为该物质具有致癌风险；HI表示Cr(VI)、Cr、Pb、As等重金属通过手口直接摄入、皮肤接触和呼吸吸入等3中暴露途径所致的总非致癌风险，当HQi或HI1时，认为该物质为可忽略非致癌风险，HQi或HI1时，表示该物质存在非致癌风险。本研究中选择的Cr(VI)、Cr、Pb、As等重金属都是土壤中有毒有害且关注度很高的物质，其致癌风险斜率因子和慢性参考剂量如表1所示10-12。表1 重金属参考剂量和致癌斜率因子Table 1 Reference dosage of heavy metals and slope factor of carcinogenic /(mg·kg-1·d-1)元素RfDingRfDinhRfDdermSFiPb3.5E-033.5E-035.2E-04-As0.3E-030.3E-031.2E-0315.1Cr0.3E-042.9E-050.6E-04-Cr(VI)3.0E-032.3E-060.3E-02422 土壤重金属含量分析2.1 土壤重金属基本参数统计性描述采用SPSS软件进行土壤重金属基本参数的统计分析，其统计描述如表2所示。土壤样本中Cr(VI)、Cr、Pb、As含量的平均值分别为567.19、9 055.61、457.19、66.80 mg/kg；Cr(VI)、Cr、Pb、As的变异系数均较大，达到了0.60以上，属较强变异性，这反映了土壤中的Cr(VI)、Cr、Pb、As受到外界干扰比较显著，有较大的空间分异。表2 土壤重金属基本参数统计描述Table 2 Descriptive statistic parameters of heavy metals in soil重金属数值/(mg·kg-1)变异系数算术平均值最小值最大值Cr(VI)567.1916.081664.500.93Cr9 055.61899.0022 400.000.73As66.8018.95154.150.68Pb457.1944.751 152.71.462.2 土壤重金属含量垂直分布同一点位Cr(VI)、Cr、Pb、As在垂直方向上的分布见图1。可以看出，各点位中Cr(VI)和Cr的含量变化在垂直方向基本一致，均是表层中层底层；各点位中铅和砷的含量在垂直方向的变化无明显规律，但总体上来讲，铅浓度的垂直分布为：底层表层中层，砷浓度的垂直分布为：表层底层中层。 图1 土壤重金属空间分布曲线Fig.1 Spatial distribution of heavy metals in soil3土壤重金属污染评价及潜在生态风险评估3.1 地累积指数法铬渣堆场周边土壤中Cr、Pb、As等重金属地累积指数如图2所示。对比分析可以发现，9个采样点中As的Igeo为02，属于清洁偏中度污染水平；Pb的Igeo中，有3个点位的值为02，属于清洁偏中度污染水平，3个点位的值为23，属于中强度污染水平，另外有2个点位的值为35，属于强度污染水平；Cr的Igeo为510，属于极严重污染水平。综上所述，研究区域中人为因素引起导致的重金属富集程度中Cr最高，其次是Pb，As最小。图2 土壤中重金属元素地累积指数分布特征Fig.2 Igeo distribution of heavy metals in soil3.2 土壤重金属的生态风险表3为重金属潜在生态风险分级表。铬渣堆场周边土壤中不同重金属潜在生态危害的顺序依次为CrPbAs。As的生态风险指数介于0到80之间，属于轻度偏中度生态危害等级；Pb的生态风险评价指数中，有5个点位是轻微生态危害等级，1个点位是中度生态危害等级，2个点位属于强度生态危害等级，1个点位属于很强生态危害等级；Cr的生态风险指数介于300到1 200之间，属于强度至很强生态危害等级。铬渣堆场周边土壤均处于中度偏强的生态风险等级。表3 重金属潜在生态风险分级表Table 3 Classification of potential ecological risk of heavy metals采样点位单个重金属潜在生态风险系数及等级多种重金属潜在生态危害指数Cr等级Pb等级As等级RI等级1268.3535.3425.50329.202237.1511.0517.22265.423202.5325.3244.63272.484211.1556.1731.83299.155150.7383.2950.18284.216224.76207.2270.77502.767159.21119.6245.77324.608147.7034.0659.23234.989215.5515.7455.64286.933.3 土壤重金属的健康风险评价考虑Cr(VI)和As的致癌风险，土壤中Cr(VI)、Cr、Pb、As等重金属的致癌风险和非致癌风险计算结果如图3和表4所示。由此可知，铬渣堆场周边的土壤中均存在Cr(VI)和As的致癌风险，其致癌风险主要是经手口摄入途径暴露所致，其中Cr(VI)的平均致癌风险成人为0.006 7、儿童为0.012 7，分别超过10-6可接受的致癌风险值34个数量级，As的平均致癌风险成人为0.000 284、儿童为0.000 537，分别超过10-6可接受的致癌风险值2个数量级。随着土壤深度的增加，致癌风险呈现逐渐减少的趋势，在底层土壤中，Cr(VI)和As的致癌风险比表层和中层低，但仍超过10-6可接受的致癌风险值。图3 土壤中重金属致癌风险Fig.3 Cancer Risk (CR) of heavy metals in soil表4 土壤重金属非致癌风险和总非致癌风险Table 4 Hazard Quotient (HQ) and total Hazard Index (HI) of heavy metals in soil重金属取样深度类别HQingHQinhHQdermHICr(VI)表层成人0.285 60.040 30.009 10.335 0儿童2.226 90.081 50.006 22.314 6中层成人0.142 50.020 10.004 60.167 2儿童1.111 60.040 70.003 11.155 4底层成人0.023 10.003 30.000 70.027 1儿童0.179 90.006 60.000 50.187 0Cr表层成人438.132 80.049 07.010 1445.191 9儿童3 416.884 40.099 24.783 63 421.767 2中层成人210.397 50.023 53.366 4213.787 3儿童1 640.835 50.047 62.297 21 643.180 3底层成人71.756 90.008 01.148 172.913 1儿童559.613 70.016 20.783 5560.413 4Pb表层成人0.078 90.000 50.017 00.096 4儿童0.615 20.001 00.011 60.627 8中层成人0.045 40.000 30.009 80.055 5儿童0.354 00.000 60.006 70.361 3底层成人0.187 40.001 20.040 40.229 0儿童1.461 60.002 40.027 51.491 5As表层成人0.244 06.59E-060.002 00.246 0儿童1.903 21.33E-050.001 31.904 6中层成人0.091 22.46E-060.000 70.091 9儿童0.711 04.99E-060.000 50.711 5底层成人0.196 15.30E-060.001 60.197 7儿童1.529 41.07E-050.001 11.530 5由表4可知，铬渣堆场周边土壤Cr(VI)、Cr、Pb、As等4种元素对成人和儿童的平均总非致癌风险HI分别达到了244和1 878，高于人体可接受的上限1.0，说明研究区的土壤非致癌风险非常严重，且表层、中层和底层土壤中的非致癌风险都十分严重，其中Cr元素的非致癌风险比Cr(VI)、Pb、As等元素要高34个数量级，Cr(VI)、Pb、As等元素对成人的非致癌风险HQ和总非致癌风险HI均小于1，在可接受非致癌风险范围内。Cr(VI)、Cr、Pb、As等元素对人群的非致癌风险具有同样的规律，成人的非致癌风险HQ均低于儿童的，这说明铬渣堆场周边土壤中重金属元素对儿童造成的健康影响更大，儿童是更加敏感的致癌风险受体。Cr(VI)、Cr、Pb、As等元素通过手口直接摄入、皮肤接触和呼吸吸入等3种暴露途径所导致非致癌风险HQ的贡献值大小不一样，手口直接摄入呼吸吸入皮肤接触。4 结论1）铬渣堆场周边土壤中的Cr(VI)、Cr、Pb、As含量的平均值分别为567.19、9 055.61、457.19、66.80 mg/kg，且具有较强的变异性；Cr(VI)、Cr、As的污染最严重的是表层，Pb污染最严重的是底层。2)研究区内Cr的Igeo为510，受人为活动影响比较大，属于极严重污染水平；生态风险评估表明，铬渣堆场周边土壤均处于中度偏强的生态风险等级，不同重金属的生态危害大小不同，由强至弱依次为CrPbAs。3）铬渣堆场周边各层土壤中的Cr(VI)和As均存在致癌风险，其致癌风险主要是经手口摄入途径暴露所致；研究区土壤的非致癌风险非常严重，且主要贡献来源于Cr元素的影响。土壤中儿童的非致癌风险值和致癌风险值均高于成人的，对儿童的健康风险应更加严格控制和管理。参考文献1 陈能场，郑煜基，何晓峰，等. 全国土壤污染状况调查公报探析J. 农业环境科学学报，2017，36(9)：1689-1692.2 SONG W，CHEN B M，LIU L. 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