重金属污染评价研究进展

重金属污染评价研究进展

金　艳,何德文,柴立元,彭　兵,王云燕,闵小波

(中南大学冶金学院环境工程系,长沙　410083)

摘　要:从重金属废水、重金属沉积物和重金属土壤污染三个方面,阐述了重金属污染的不同评价方法及模型,着重比较了

各种评价方法的适用范围及优缺点。通过分析比较表明,生物评价法从重金属污染生态效应着手,可解决重金属污染的复杂性和不确定性问题,是重金属污染评价中较理想、有效的方法之一。

关键词:环境工程;重金属污染;综述;评价方法;生物评价

中图分类号:X82013;X502　文献标识码:A 文章编号:1001-0211(2007)02-0100-05

收稿日期:2005-11-02

基金项目:国家自然科学基金(20477059);教育部高等学校博士点

专项科研基金(20040533048)

作者简介:金　艳(1982-),女,浙江金华市人,硕士生,主要从事

环境评价与规划等方面的研究;

联系人:何德文(1968-),男,湖南永州市人,副教授,博士后,主

要从事环境评价与规划、污染控制技术研究。

随着全球经济和社会的发展,人类社会对重金

属资源需求量迅速增长,在生产、加工和使用过程中产生大量含重金属及其化合物的废弃物,如果其含量超过了一定限量,便会造成重金属污染,严重影响生态系统的结构、功能和资源的利用。近年来,不论是国外还是国内,随着工农业以及经济的迅猛发展,重金属污染也日趋加剧。K 1Gruiz [1]等报道,多瑙河匈牙利境内的重金属污染严重,尤其是As ,Zn ,Hg ,Cd ,Cr ,在靠近城市、工业区及主要支流的重金

属浓度尤其高。在美国与墨西哥交界带的Rio Grande 流域由于沿河两岸的矿产开采和冶炼废水

的污染,水体及沉积物中重金属含量严重超标[2]。据统计我国受镉污染的农田达112万hm 2[3],其他重金属污染也相当严重。张勇报道沈阳地区土壤污染Cd 、Hg 最为严重,农产品中主要超标元素为Pb ,沈阳近郊的白菜超标最严重,Pb 超标率达100%,最高超标倍数达319[4]。此外,重金属污染若不加加以控制,在土壤中积累和在作物中残留的重金属通过食物链将进入人体,最终危害人类健康。

从国内外重金属污染现状可以看出,重金属污染主要包括Cu ,Cr ,Zn ,Cd ,Pb ,Hg 等,其主要来源有化工、采矿、金属冶炼及加工、电镀、农用杀虫剂以及城市生活污水。

1　重金属污染评价的现状

重金属污染评价方法多种,但可以概括为重金

属废水、沉积物和土壤三个方面,下面分别阐述重金属污染评价的方法和模型,比较各种评价方法的适用范围及优缺点。111　重金属废水评价目前国内外对重金属废水的评价方法主要有指数法[5-6]、模糊数学法、因子分析法等。

(1)指数法。指数法分为单因子质量指数评价模型和多因子综合指数评价模型。单因子评价公式为I i =C i /S i ,其中C i 是第i 种评价因子的实测浓度;S i 是第i 种评价因子的评价标准;I i 是第i 种评价因子的单项质量指数。该模型只考虑了单个因子的影响,不能反映废水的整体污染情况。

多因子综合评价指数模型以单因子质量指数为基础,反映各污染因子对废水的影响,常用的方法有直接加和法I =

∑I i

(i

=1～n )和算术平均法I

=1/n ・

∑I i

(i

=1～n )。这两种方法把各污染因

子对废水的影响均一化,掩盖了主要污染因子的作

用。

下面两种评价方法考虑了主要污染因子的影

响。向量模法I =[∑I i 2]1/2

(i =1～n ),适用于某种污染因子严重超标的情况。权平均法I =

∑W i I i

,∑W

i

=1(i =1～n ),其中W i 是第i 种

评价因子的权重,该方法考虑了各个污染因子的不

同影响,但权重值带有主观性。

(2)模糊数学法。模糊数学法[7]是基于重金属元素实测值和污染分级指标之间的模糊性,通过隶属度的计算首先确定单种重金属元素在污染分级中

第59卷　第2期2007年5月

有　色　金　属Nonferrous Metals Vol 159,No 12

May 2007

所属等级,进而经权重计算确定每种元素在总体污染中所占的比重,最后运用模糊矩阵复合运算,得出污染等级。

(3)因子分析法。陈东景[8]等曾用因子分析法对甘肃酒泉地区的水质污染情况作出了评价。因子分析法是统计分析法的一种,该方法把一些具有复杂的变量归结为少数几个综合因子,然后对综合因子所组成的向量集合进行分析,求出各个综合因子的权重,最后确定整个水域的污染等级。

112　重金属沉积物评价法

大量研究表明,在受纳水体中重金属污染物不易溶解,绝大部分迅速地由水相转入固相,即迅速地结合到悬浮物和沉积物中,结合到悬浮物中的重金属在随水搬运过程中,当负荷超过搬运能力时,便沉积下来进入沉积物中。沉积物中重金属含量比相应水体中的高,并进一步积累,表现出明显的分布规律。因而许多学者认为沉积物是水体污染的指示剂,其环境质量反映着水体的污染状况[9]。目前对其评价常用的方法有地积累指数法、污染负荷指数法、潜在生态危害指数法等。

(1)地积累指数法。1969年德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller提出[10],其公式为I geo =log2[C n/(115×B n)],式中C n是指元素n在沉积物中的含量;B n是指沉积岩中的地球化学背景值; 115为一常数,是由于考虑到成岩作用可能会引起背景值的变动。地积累指数共分为7级,0～6级表示污染程度由无至极强。

地积累指数法考虑了人为污染因素、环境地球化学背景值,还特别考虑到由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素。其优点是给出很直观的重金属污染级别,是用来反映沉积物中重金属富集程度的常用指标,但其侧重单一金属,没有考虑生物有效性、各因子的不同污染贡献比及地理空间差异。

(2)污染负荷指数法。该模型由英国从事重金属污染水平分级研究的Tomlinson等人于1980年提出,评价指标有单一金属最高污染系数CF i,某点污染负荷指数PL I,某区域(流域)的污染负荷指数PL I zone,其关系式为[11-12]:CF i=C i/C0i;PL I= (CF1×CF2×111×CF n×)1/n;PL I zone=(PL I1×PL I2×111×PL I m×)1/m。其中C i为元素i的实测值,C0i为元素i的评价标准;n为评价元素的个数; m为评价点的个数。

该指数由评价区域所包含的多种重金属成份共同构成,能直观地反映各个重金属对污染的贡献程度以及重金属在时间、空间上的变化趋势,应用比较方便,但不能反映重金属的化学活性和生物可利用性。

(3)潜在生态危害指数法。1980年瑞典科学家Hakanson基于元素丰度和释放能力的原则,提出了潜在生态危害指数法[13]。该评价假设,的前提条件:元素丰度响应,即潜在生态风险指数(RI)随沉积物重金属污染程度的加重而增加;多污染物协同效应,即沉积物的金属生态危害具有加和性,多种金属污染的潜在生态风险更大,铜、锌、铅、镉、铬、砷、汞是优先考虑对象;各重金属元素的毒性响应具有差异,生物毒性强的金属对R I具有较高的权重。在这些前提条件下产生评价指标:单一金属污染系数C i f,多金属污染度C d,不同金属生物毒性相应因子T i r,单一金属潜在生态风险因子E i r,多金属潜在生态风险指数R I,其关系为:C i f=C i/C i n;C d=∑C i f(i=1～n);E i r=T i r×C i f;R I=∑E i r=∑T i r×C i f(i=1～n)。其中C i为污染物实测浓度,C i n为沉积物污染物背景参考值。

潜在生态风险指数(R I)体现了生物有效性和相对贡献比例及地理空间差异等特点,是综合反映重金属对生态环境影响的指标,广泛地应用于分析评价重金属的潜在生态影响,但其毒性加权系数带有主观性[14-15]。

(4)沉积物富集系数法。沉积物富集系数法通过测定沉积物中重金属的含量来反映污染程度。考虑到沉积物中重金属的背景值,陈静生[16]提出次生相与原生相分布比法,把沉积物中的原生矿物称为原生相,把原生矿物的风化产物和外来的次生物质统称为次生相,并用存在于各次生相中重金属的百分含量(M sec)与存在于原生相中重金属的百分含量(M prim)的比值来反映沉积物中重金属的污染水平:K=M sec/M prim。

为了反映重金属的来源,贾振邦[17]提出了次生相富集系数法(SPEF),公式为K S PEF= [M sec(a)/M prim(a)]/[M sec(b)/M(prim(b)]。其中: K S PEF为次生相富集系数;M sec(a)为次生相中重金属的含量;M prim(a)为原生相中重金属的含量; M sec(b)为未受污染点次生相中重金属的含量; M(prim(b)为未受污染点原生相中重金属的含量。K S PEF≤1表明未受污染,K S PEF>1说明有人为污染。该法能反映重金属污染的来源、化学活性,但只

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第2期 金　艳等:重金属污染评价研究进展