重金属污染评价研究进展.pdf

第5 9 卷第2 期 2007 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．2 M a y 20 07 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4 10 0 8 3 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，阐述了莺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X 8 2 0 ．3 ；X 5 0 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 2 0 1 0 0 0 5 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尉。K ．G r u i z [ 1J 等报道，多瑙 河匈牙利境内的重金属污染严重，尤其是A s ，Z n ， H g ，C d ，C r ，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R i o G r a n d e 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旧j 。 据统计我国受镉污染的农田达1 ．2 万h m 2 1 3 J 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C d 、H g 最为严重，农产品中主要超标元素为P b ， 沈阳近郊的白菜超标最严重，P b 超标率达1 0 0 ％， 最高超标倍数达3 ．9 M j 。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C u ，C r ，Z n ，C d ，P b ，H g 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。 收稿日期2 0 0 5 1 1 ～0 2 基金项目国家自然科学基金 2 0 4 7 7 0 5 9 ；教育部高等学校博士点 专项科研基金 2 0 0 4 0 5 3 3 0 4 8 作者简介金艳 1 9 8 2 一 ，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 1 9 6 8 一 ，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。 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。 1 ．1 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 咱】、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 f ，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 j i i 1 ～扎 和算术平均法I 1 ／n J i i 1 ～咒 。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J [ ≥砭] m i 1 ～札 ，适用于某 种污染因子严重超标的情况。权平均法I ∑w i f i ，∑W ； 1 i l ～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l J 7 J 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 万方数据 第2 期金艳等重金属污染评价研究进展1 0 1 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。陈东景旧J 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。 1 ．2 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一J 。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。1 9 6 9 年德国海德堡大学沉 积物研究所的科学家M u l l e r 提出[ t oJ ，其公式为f 。 l 0 9 2 [ C 。／ 1 ．5xB 。 ] ，式中C 。是指元素7 z 在沉积 物中的含量；B 。是指沉积岩中的地球化学背景值； 1 ．5 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T o m l i n s o n 等人于1 9 8 0 年 提出，评价指标有单一金属最高污染系数C F I ，某点 污染负荷指数P L 工，某区域 流域 的污染负荷指数 P L I 。⋯其关系式为[ n 1 2 ] C F i C i ／C o ；P L I C F l C F 2 ．．．C F 。 “”；P L ，。。。 P L J l P L j 2X ⋯P L j ，。 1 ／“。其中C i 为元素i 的实测 值，C o i 为元素i 的评价标准；咒为评价元素的个数； 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。1 9 8 0 年瑞典科学家 H a k a n s o n 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[ 1 3 ] 。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 R I 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 ；，多金属污染度白，不同金属生物毒性相应因子 E ，单一金属潜在生态风险因子E ；，多金属潜在生 态风险指数R j ，其关系为口 C i ／c ；c d ∑q i 1 ～，z ；E T ；C } ；R I ∑E ≯ ≥r tX 讲 i 1 ～咒 。其中C i 为污染物实测浓 度，晓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[ 1 4 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[ 1 6 ] 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 。 与存在于原生相中重金属的百分含 量 M 州。 的比值来反映沉积物中重金属的污染水 平K M 。／M p 砌。。 为了反映重金属的来源，贾振邦1 1 7J 提出了次生 相富集系数法 S P E F ，公式为K s e e F [ M 。 。 ／M p 砌 。 ] ／[ M 。 6 ／M p 砌 6 ] 。其中 K S P E F 为次生相富集系数；M 。 。 为次生相中重金 属的含量；M 。一。，口 为原生相中重金属的含量； M 。 6 为未受污染点次生相中重金属的含量； M 州。 6 为未受污染点原生相中重金属的含量。 K S P E F ≤1 表明未受污染，K S P E F 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 万方数据 1 0 2有色金属第5 9 卷 侧重单一金属，不能反映整体污染水平。 此外，还有回归过量分析法L l 引、模糊集理 论[ 1 9 ] 、脸谱图法[ 2 0 ] 、底栖生物评价法[ 2 1 ～2 引。前三 种方法由于自身存在的缺陷目前应用很少，如回归 过量分析法只能判断重金属污染的相对程度，而不 能确定污染级别。底栖生物评价法是生物评价法的 一种，能比较可靠地反映重金属污染的生物效应，具 有较好的应用前景，但评价方法有待进一步完善。 1 ．3 重金属土壤污染评价法 重金属土壤污染评价与重金属废水类似，一般 采用指数法如单因子质量指数法、多因子综合指数 法等，把受众多因素影响的土壤环境用比较明确的 界线加以区分，但所得结论与实际情况存在一定的 差异。目前对重金属土壤污染评价多采用模糊数学 法、层次分析法、灰色聚类法，这三种方法能较好地 克服指数法的不合理性和不科学性，是比较符合客 观实际的评价方法。模糊数学评价方法见前重金属 废水评价，下面仅阐述层次分析法和灰色聚类法。 1 层次分析法。先建立土壤环境质量层次结 构模型，构造两两比较判断矩阵，计算矩阵的最大特 征根及其对应的特征向量，然后根据综合权重的最 大权重值所对应的级别作为土壤环境质量级别。孟 宪林等考虑到下 上 一级别的值域对上 下 一级的 权重彼此都有贡献，对该法进行了改进，即在确定质 量级别时不用“最大原则法”而是根据“大于其上一 级别之和”的分类原则进行判断，取得了较为可信的 评价结果[ 2 3 』。 2 灰色聚类法。该法认为，土壤重金属污染各 因子的“重要性”隐含在其分级标准中，因而同一因 子在不同级别的权重以及不同因子在同一级别的权 重都可能不同。通过计算不同因子在不同级别中的 权重，确定聚类系数，再根据“最大原则法”或“大于 其上一级别之和”的原则确定土壤环境质量级 别[ 2 4 ] 。 1 ．4 生物评价法 不管是重金属的废水、沉积物，还是受重金属污 染的土壤，其评价结果不仅与重金属的形态、毒性有 关，而且与受污染的区域环境特征有关。基于重金 属污染的复杂性和不确定性，近年来提出了生物评 价法。生物行为 吸收、附着、排泄、尸体 对重金属 的富集运移有着重要的作用，从而影响环境中重金 属的含量。不同生物、生物的不同部位对重金属的 敏感程度不一，从而影响生物对重金属的吸收累积。 利用生物的累积性可以较好地评价环境的重金属污 染。A ．A ．O t i t o l o j u 和K ．N ．P o n P e d r o 通过对 玉黍螺体内重金属的分析发现，它对z n 、P b 具有很 强的富集能力。J ．E ．M o r g a n 和A ．J ．M o r g a n [ 2 6 J 研 究了C d ，C u ，P b ，Z n 和C a 在蚯蚓体内的不同累积情 况，发现不同的蚯蚓种类对同一种重金属的累积能 力不同，不同来源的同一种元素在同一种蚯蚓体内 的累积也不同，即重金属的累积程度不仅与重金属 本身的存在形态有关，而且与可被生物吸收性也有 关。 重金属的生物累积性、生物有效性和生物毒性 是当前重金属评价研究的热点问题之一。重金属的 生物评价主要有三方面一是通过测定生物体内重 金属的含量来判断重金属污染程度，并获得不同生 物体对不同重金属的不同富集能力的有关数据；二 是通过进行生物毒理试验，研究重金属元素对生物 的联合作用、生物抗秸作用以及环境因子对重金属 元素化学毒性的影响，并为致毒机理的研究积累资 料；三是通过生态学分析，研究重金属对生物群落之 间的相互关系，并对重金属污染进行生态危害评价。 2 重金属污染评价展望 1 各种污染评价方法都有一定的局限和不足 之处，采用单一的方法不可能得到全面的结果，采用 多种方法结合的综合评价是解决实际问题的有效途 径。 2 目前重金属的污染评价主要集中在研究各 种元素的总含量，对于其不同存在形态对环境的不 同影响研究的比较少且不深人，对单种金属元素的 评价研究多，而多种金属的总体评价研究少。对重 金属而言，只有可被生物吸收的才有可能对生物产 生潜在的毒性，因而今后需要特别重视对重金属生 物评价的研究。 3 重金属的生物评价是一项十分复杂的工作， 它涉及重金属的存在形态、生物可累积性和有效性 等方面。由于环境中重金属的存在形式多种多样， 不同形态的同一种重金属元素在生物体内的累积以 及对生物体的影响是不同的，同一形态的同种元素 在不同生物体内的累积及其产生的生物效应也是不 同的。因而用何种生物指标建立重金属污染评价标 准是目前急需解决的问题。 万方数据 第2 期金艳等重金属污染评价研究进展1 0 3 参考文献 [ 1 ] G r u i zK ，M u 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n dm o d e l sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e di nt h r e ea s p e c t so fw a s t ew a t e r ， s e d i m e n ta n ds o i lp o l l u t e db yh e a v ym e t a l ，t h ea p p l i e ds c o p ea n dd i s a d v a n t a g eo fd i f f e r e n ta s s e s s i n gm e t h o d sa n d m o d e l sa r ea st h ek e yp o i n t s ．I ti si n d i c a t e db yt h ec o m p a r i s o na n a l y s i st h a tt h eb i o e v a l u a t i o ni sm o r ei d e a la n d s u i t a b l ef o rp r e d i c t i n gz o o l o g ye f f e c tt o w a r dt h ec o m p l i c a c ya n du n c e r t a i n t yo fh e a v ym e t a lp o l l u t i o n ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；h e a v ym e t a lp o l l u t i o n ；r e v i e w ；a s s e s s i n gm e t h o d ；b i o e v a l u a t i o n 上接第7 8 页，C o n t i n u e df r o mP ．7 8 [ 9 ] 刘小丽，周德培．有软弱夹层岩体边坡的稳定性评价[ J ] ．西南交通大学学报，2 0 0 2 ，3 7 4 3 8 2 3 8 6 [ 1 0 ] 唐春安，王述红，傅字方．岩石破裂过程数值试验[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 3 4 8 5 8 ． [ 1 1 ] 朱万成．混凝土断裂过程的细观数值模型及其应用[ D ] ．沈阳东北大学，2 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c t u r e s u r f a c ep r e s e n t st h ed i v e r s i f i c a t i o no fr a n k ，a si sa c t i v e l ys i g n i f i c a n c ef o rl e a r n i n gt h ed i s t o r t i o no fw h o l es l o p e t h r o u g hd e t e c t i n gd i s p l a c e m e n tc h a n g eo fr o c ks l o p ei ns e c u r es i t e s ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；r o c kb e d d e ds l o p e ；R F P A - s l o p e ；w e a ks t r u c t u r es u r f a c e ； d ；v e r s i f i c a t i o no fr a n k 万方数据