污水处理厂重金属污染特点及潜在风险

材料与方法

2.1 污泥样品的采集与预处理

污泥取自北京市某污水处理厂污泥脱水车间，为均匀反映污泥重金属含量情况，连续取样7 d并分别标记为S1~S7.每次取样500 g于聚乙烯自封袋取回，样品在通风阴凉处自然风干后混匀，用四分法多次筛选后取30 g 污泥样品，研磨过150 μm尼龙筛(100目)，装入密封袋标号备用.

2.2 样品处理与测试

2.2.1 含量分析

称取样品0.2 g，置于聚四氟乙烯消解罐中，滴加2~3滴去离子水润湿，加6 mL硝酸、6 mL氢氟酸及2 mL盐酸，设定微波消解程序消解，消解后在电热板上加热赶酸，冷却加1%硝酸定容至50 mL，于4 ℃下保存待测.

2.2.2 重金属形态分析方法

常用的形态分析方法包括Tessier逐级提取法和BCR逐级提取法，Tessier提取法分级更详细，但BCR提取法重现性相对较好.重金属元素化学形态分析采用欧共体修正的BCR顺序提取法：

①酸可提取态：称取0.50 g土壤到50 mL离心管中，加入20 mL 0.11 mol · L-1醋酸(HOAc)，室温振荡16 h，在3000 r · min-1的转速下离心20 min，取上清液待测，残渣留存;

②可还原态：向上一步的残渣中加0.5 mol · L-1的NH2OH · HCL溶液(盐酸羟胺)20 mL，室温振荡16 h，在3000 r · min-1的转速下离心20 min，取上清液待测，残渣留存;

③可氧化态：向上一步的残渣中加30%的H2O2 5 mL，室温反应1h，偶尔振荡，(85±2)℃下水浴硝化1 h，蒸发至体积少于2 mL，补加5 mL H2O2，重复上述操作，体积减少到大约1 mL;冷却后加1.0 mol · L-1 NH4OAc溶液25 mL，室温下振荡16 h，在3000 r · min-1转速下离心20 min，取上清液待测，残渣留存;

④残渣态：方法同全量检测方法.

2.3 分析方法

2.3.1 污泥重金属污染评价

单因子指数法：单因子指数法是国内外普遍采用的方法之一，是对土壤中某一污染物的污染程度进行评价，其计算公式为：

 

　　式中，Pi为土壤中污染物i的环境质量指数;Ci为污染物i的实测含量(mg · kg-1);Si为污染物i的环境质量标准(mg · kg -1).

内梅罗综合污染指数法：内梅罗综合污染指数法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最严重的污染物给环境造成的危害，其计算公式为：

 

　　式中，P为监测点的综合污染指数;Pimax为 i 监测点污染物单污染指数中的最大值;Piave为 i 监测点所有污染物单污染指数平均值.依据单因子指数法和内梅罗综合污染指数法可将土壤重金属污染划分为5 个等级，具体如表 1所示.

表1 土壤重金属污染分级标准

 

　　GB15618—1995土壤环境质量标准提供的土壤环境质量标准如表 2所示，本次研究选用国家土壤质量Ⅰ级标准为评价标准.

表2 土壤环境质量执行标准值

 

　　2.3.2 土壤重金属潜在生态风险指数计算

沉积物重金属潜在生态风险评价采用瑞典科学家Hakanson 提出的评价方法，该方法综合考虑了多元素协同作用、毒性水平、污染浓度及环境对重金属污染敏感性等因素，消除了区域差异及异源污染的影响，已成为目前沉积物重金属污染质量评价应用广泛的一种方法计算公式如下：

 

　　式中，Cfi 为重金属i 相对参比值的污染系数;Csi 为重金属i 的实测含量;Cni为重金属i 的评价参比值;Eri 为第i 种重金属环境风险指数;Tri 为重金属i 毒性响应系数;RI 为多元素环境风险综合指数.在本研究中，8 种土壤重金属毒性响应系数Tri参照文献(表 3);为方便同类研究结果间比较，评价参比值Cni采用Hakanson 提出的工业化前全球土壤(沉积物)背景值，由于Hakanson 未提供元素Ni 的评价参比值，用土壤质量Ⅰ级标准值替代.潜在环境风险指数评价结果分级见表 4.

表3 不同重金属的毒性效应系数

 

　　表4 不同生态风险水平的划分

 

　　2.3.3 重金属健康风险评价

参考土壤重金属评价模型，本研究设定2种暴露途径：①通过手-口直接摄入;②通过皮肤接触摄入.其中，手-口摄食途径和皮肤接触途径下的摄入量(AOD)计算公式分别如式(6)和(7)所示.

 

　　式中，C为污泥中重金属含量(mg · kg-1);IR为摄取速率(mg · d-1);CF为转换因子(kg · mg-1);EF为暴露频率(d · a-1);ED为暴露年限(a);BW为受体体重(kg);AT为平均作用时间(a);SA为可能接触的皮肤面积(cm2 · d-1); SL 为皮肤对土壤的吸附系数(mg · cm-2); ABS为皮肤对化学物的吸附系数.相关参数取值见表 5.

表5 健康风险评价模型暴露参数

 

 　　毒性评估指分析受试物引起暴露人群不良健康反应的各种证据，估计暴露强度与不良反应增加的可能性和不良健康反应程度之间的关系，对人体健康危害进行定性和定量估算，分为致癌和非致癌毒性评估.

单个污染物单一暴露途径的非致癌风险以 HQ表示，多污染物多途径联合非致癌风险以 HI表示，计算公式分别如下：

 

　　式中，CDIij为第i种污染物第j种暴露途径的平均每日单位暴露量(mg · kg-1 · d-1);RfDij为第i种污染物第j种暴露途径的慢性参考剂量(md · d · mg-1);n1为非致癌影响的污染物个数;n2为暴露途径的个数.

污染物致癌风险值则以R表示，当暴露人群处于低风险水平(估算风险值在0.01以下)时，采用线性低剂量致癌风险模型，计算公式见式(10);当暴露人群处于高风险水平(估算风险值高于0.01)时，采用一次冲击模型，计算公式见式(11).

 

　　多个污染物多种暴露途径的联合致癌风险计算公式分别如下：

 

　　本次研究相关的污染物的毒性数据主要来源于国际癌症研究机构(IARC)和世界卫生组织(WHO)，As、Cd 为化学致癌物，其致癌强度斜率因子(SF值)和评价模型各重金属RfD 值如表 6所示.

表6 SF和RfD 参考值