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污水處理廠重金屬污染特點及潛在風(fēng)險

材料與方法

2.1 污泥樣品的采集與預(yù)處理

污泥取自北京市某污水處理廠污泥脫水車間，為均勻反映污泥重金屬含量情況，連續(xù)取樣7 d并分別標(biāo)記為S1~S7.每次取樣500 g于聚乙烯自封袋取回，樣品在通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干后混勻，用四分法多次篩選后取30 g 污泥樣品，研磨過150 μm尼龍篩(100目)，裝入密封袋標(biāo)號備用.

2.2 樣品處理與測試

2.2.1 含量分析

稱取樣品0.2 g，置于聚四氟乙烯消解罐中，滴加2~3滴去離子水潤濕，加6 mL硝酸、6 mL氫氟酸及2 mL鹽酸，設(shè)定微波消解程序消解，消解后在電熱板上加熱趕酸，冷卻加1%硝酸定容至50 mL，于4 ℃下保存待測.

2.2.2 重金屬形態(tài)分析方法

常用的形態(tài)分析方法包括Tessier逐級提取法和BCR逐級提取法，Tessier提取法分級更詳細，但BCR提取法重現(xiàn)性相對較好.重金屬元素化學(xué)形態(tài)分析采用歐共體修正的BCR順序提取法：

①酸可提取態(tài)：稱取0.50 g土壤到50 mL離心管中，加入20 mL 0.11 mol · L-1醋酸(HOAc)，室溫振蕩16 h，在3000 r · min-1的轉(zhuǎn)速下離心20 min，取上清液待測，殘渣留存;

②可還原態(tài)：向上一步的殘渣中加0.5 mol · L-1的NH2OH · HCL溶液(鹽酸羥胺)20 mL，室溫振蕩16 h，在3000 r · min-1的轉(zhuǎn)速下離心20 min，取上清液待測，殘渣留存;

③可氧化態(tài)：向上一步的殘渣中加30%的H2O2 5 mL，室溫反應(yīng)1h，偶爾振蕩，(85±2)℃下水浴硝化1 h，蒸發(fā)至體積少于2 mL，補加5 mL H2O2，重復(fù)上述操作，體積減少到大約1 mL;冷卻后加1.0 mol · L-1 NH4OAc溶液25 mL，室溫下振蕩16 h，在3000 r · min-1轉(zhuǎn)速下離心20 min，取上清液待測，殘渣留存;

④殘渣態(tài)：方法同全量檢測方法.

2.3 分析方法

2.3.1 污泥重金屬污染評價

單因子指數(shù)法：單因子指數(shù)法是國內(nèi)外普遍采用的方法之一，是對土壤中某一污染物的污染程度進行評價，其計算公式為：

 

　　式中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci為污染物i的實測含量(mg · kg-1);Si為污染物i的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(mg · kg -1).

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法：內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴(yán)重的污染物給環(huán)境造成的危害，其計算公式為：

 

　　式中，P為監(jiān)測點的綜合污染指數(shù);Pimax為 i 監(jiān)測點污染物單污染指數(shù)中的最大值;Piave為 i 監(jiān)測點所有污染物單污染指數(shù)平均值.依據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可將土壤重金屬污染劃分為5 個等級，具體如表 1所示.

表1 土壤重金屬污染分級標(biāo)準(zhǔn)

 

　　GB15618—1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表 2所示，本次研究選用國家土壤質(zhì)量Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn).

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值

 

　　2.3.2 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)計算

沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價采用瑞典科學(xué)家Hakanson 提出的評價方法，該方法綜合考慮了多元素協(xié)同作用、毒性水平、污染濃度及環(huán)境對重金屬污染敏感性等因素，消除了區(qū)域差異及異源污染的影響，已成為目前沉積物重金屬污染質(zhì)量評價應(yīng)用廣泛的一種方法計算公式如下：

 

　　式中，Cfi 為重金屬i 相對參比值的污染系數(shù);Csi 為重金屬i 的實測含量;Cni為重金屬i 的評價參比值;Eri 為第i 種重金屬環(huán)境風(fēng)險指數(shù);Tri 為重金屬i 毒性響應(yīng)系數(shù);RI 為多元素環(huán)境風(fēng)險綜合指數(shù).在本研究中，8 種土壤重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)Tri參照文獻(表 3);為方便同類研究結(jié)果間比較，評價參比值Cni采用Hakanson 提出的工業(yè)化前全球土壤(沉積物)背景值，由于Hakanson 未提供元素Ni 的評價參比值，用土壤質(zhì)量Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)值替代.潛在環(huán)境風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果分級見表 4.

表3 不同重金屬的毒性效應(yīng)系數(shù)

 

　　表4 不同生態(tài)風(fēng)險水平的劃分

 

　　2.3.3 重金屬健康風(fēng)險評價

參考土壤重金屬評價模型，本研究設(shè)定2種暴露途徑：①通過手-口直接攝入;②通過皮膚接觸攝入.其中，手-口攝食途徑和皮膚接觸途徑下的攝入量(AOD)計算公式分別如式(6)和(7)所示.

 

　　式中，C為污泥中重金屬含量(mg · kg-1);IR為攝取速率(mg · d-1);CF為轉(zhuǎn)換因子(kg · mg-1);EF為暴露頻率(d · a-1);ED為暴露年限(a);BW為受體體重(kg);AT為平均作用時間(a);SA為可能接觸的皮膚面積(cm2 · d-1); SL 為皮膚對土壤的吸附系數(shù)(mg · cm-2); ABS為皮膚對化學(xué)物的吸附系數(shù).相關(guān)參數(shù)取值見表 5.

表5 健康風(fēng)險評價模型暴露參數(shù)

 

?　　毒性評估指分析受試物引起暴露人群不良健康反應(yīng)的各種證據(jù)，估計暴露強度與不良反應(yīng)增加的可能性和不良健康反應(yīng)程度之間的關(guān)系，對人體健康危害進行定性和定量估算，分為致癌和非致癌毒性評估.

單個污染物單一暴露途徑的非致癌風(fēng)險以 HQ表示，多污染物多途徑聯(lián)合非致癌風(fēng)險以 HI表示，計算公式分別如下：

 

　　式中，CDIij為第i種污染物第j種暴露途徑的平均每日單位暴露量(mg · kg-1 · d-1);RfDij為第i種污染物第j種暴露途徑的慢性參考劑量(md · d · mg-1);n1為非致癌影響的污染物個數(shù);n2為暴露途徑的個數(shù).

污染物致癌風(fēng)險值則以R表示，當(dāng)暴露人群處于低風(fēng)險水平(估算風(fēng)險值在0.01以下)時，采用線性低劑量致癌風(fēng)險模型，計算公式見式(10);當(dāng)暴露人群處于高風(fēng)險水平(估算風(fēng)險值高于0.01)時，采用一次沖擊模型，計算公式見式(11).

 

　　多個污染物多種暴露途徑的聯(lián)合致癌風(fēng)險計算公式分別如下：

 

　　本次研究相關(guān)的污染物的毒性數(shù)據(jù)主要來源于國際癌癥研究機構(gòu)(IARC)和世界衛(wèi)生組織(WHO)，As、Cd 為化學(xué)致癌物，其致癌強度斜率因子(SF值)和評價模型各重金屬RfD 值如表 6所示.

表6 SF和RfD 參考值