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,∑Wi=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101第2期 金　艳等:重金属污染评价研究进展侧重单一金属,不能反映整体污染水平。

此外,还有回归过量分析法[18]、模糊集理论[19]、脸谱图法[20]、底栖生物评价法[21-22]。

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。

113　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[23]。

(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。