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协办:广西轻工协会
      广西酿酒协会
编辑/出版:《广西轻工业》编辑部
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国际标准刊号:ISSN2095—3518
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定价:人民币15元
刊期:月刊

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广西二轻工业技工学校
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郑州主干道沉积物重金属污染调查及评价

2010年第1期(总第134期)
王 琪1,路新燕2,陈 纯1,何占航2(1.河南省环境监测中心站,河南 郑州 450004;2.郑州大学,河南 郑州 450052)
 
  【摘 要】 对郑州主干道的沉积物中Cu、Pb、Cd、Mn、Zn、Ni六种重金属的污染情况进行了研究,研究结果显示,生活区范围内道路沉积物中Cd、Zn、Cu、Pb含量分别为0.496mg/kg、209.1mg/kg、156.8mg/kg、41.37mg/kg,分别为A层土壤算术平均值的29.70、3.48、7.96、2.11倍;而商业区内,它们的算术平均值则为0.495mg/kg、299.0mg/kg、78.82mg/kg、65.43mg/kg,分别为A层土壤算术平均值的29.64、4.98、4.00、3.34倍。使用地累积指数法和潜在生态危害指数法对它们的污染水平及潜在生态危害进行评价,结果表明,存在有Cd、Zn、Cu、Pb的污染,其中Cd污染属于强污染,商业区和生活区分别有超过70%的样点受到中等及中等以上生态危害。
  【关键词】 重金属;道路沉积物;污染评价
 
  道路沉积物是城市扬尘的重要来源,影响着城市空气的质量;容易通过呼吸道和皮肤被人体吸收或直接摄入,对人体健康产生危害[1];而且通过地面径流影响水生生态系统[2]。城市扬尘中的铅也是城市儿童血铅的重要污染源。汽车尾气、道路运输、轮胎磨损等是城市交通干道沉积物中的重金属的主要来源[3]。本文调查研究了道路沉积物中的重金属含量情况,并用地累积指数(Muller)法和潜在生态危害指数法对沉积物中重金属的污染程度予以评价,这对于城市建设、环境保护措施的制定实施及居民身体健康具有重要意义。
 
1 实验部分
1.1  样品采集及预处理
  本研究于2009年春季展开。选择在郑州商业中心区的主干道——中原路作为代表性交通干道,采集路边沉积物7份,生活区主干道——金水路采集沉积物9份;选择山西晋城作对比城市,在商业区与生活区各取1份。
  采集的样品背阴自然晾干,除杂物后过100目分样筛。
1.2  样品前处理及分析
  样品于烘箱中105℃下烘2小时,称样量约0.1000g,同时称标准土ESS-2、ESS-3作质控。
采用HNO3-HF-HClO4消解酸体系,于无机样品全自动消解仪(ASD)上设定程序消解。消解液用纯水定容后于Agilent 7500cx ICP-MS测定分析。
1.3  评价方法
  为综合考量城市交通干道沉积物的污染程度和潜在危险,本文主要采用地累积指数(Muller)法和潜在生态危害指数法(The potential Ecological Risk Index,简称RI)来对道路沉积物中的重金属污染状况及潜在危险进行评价。
  地累积指数法是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller在1969年提出来的,被国内外众多学者用来考查人为活动在多种生态环境区域造成的重金属污染[4]。地累积指数评价方法表达式如下:
   
  式中:Cn为样品中元素n的质量比,BEn为元素n的背景值,1.5为修正系数。
  潜在生态危害系数法用于考量道路沉积物中重金属对生态环境的影响程度。是瑞典地球化学家Hakanson在1980年提出的一种评价重金属污染程度的方法,它结合环境化学,生物毒理学,生态学等方面的内容,以定量的方法划分重金属污染的危害程度[5]。其评价方法的表达式如下:
  Eri=Tri×Cri=Tri×Ci/Cni
  RI=∑Eri=∑Tri×Cri
  式中:RI为某一点沉积物多种重金属综合潜在生态危害指数,Ci为沉积物中重金属的实测值,Cni为该元素的背景值。本文采用河南省A层土壤算术平均值[6]作为背景值,Cri为单个元素的污染系数,Tri为各金属的毒性响应系数,一般用毒性系数代替,本文六种重金属采用的毒性系数值为Hakanson,徐争启计算整理得到的值[7],Cd=1,Ni=Pb=Cu=5,Zn=Mn=1。
 
2 结果与讨论
2.1  沉积物中重金属的含量
  质控样标准土ESS-2的分析结果如表1所示Cu、Pb、Cd、Mn四种元素的测定值均在保证值范围内,Zn、Ni稍偏离保证值,偏离的相对误差分别为17.16%、1.25%。为保证样品中Zn、Ni的测定结果的准确性,以相对误差为依据对样品的测定值进行修正。
              表1  ESS2的测定值与保证值
元素
Cu
Pb
Zn
Cd
Ni
Mn
测定值(mg/kg)
27.9
24.7
78.5
0.050
31.6
1077
保证值(mg/kg)
27.6±1.0
24.6±1.0
63.5±3.5
0.041±0.011
33.1±1.1
1063±36
 
  郑州生活区和商业区主干道沉积物样品16份,分别计算其平均值,相对标准偏差(RSD),平均值对A层土壤算术平均值的倍数,如表2所示。
  结果表明,无论在生活区还是商业区Cd的平均值对A层土壤算术平均值的倍数都是最大的,分别为29.70、29.64倍,说明沉积物中Cd的含量已经大大高于背景值的含量;生活区沉积物Cu的含量值为商业区的两倍,为背景值的7.96倍;生活区沉积物中Pb、Zn、Ni含量分别为背景值的2.11、3.48、1.16倍,商业区的为3.34、4.98、1.72倍;两区Mn的含量值均低于背景值。由此可知,除Mn外,其他五种重金属元素都存在污染。
  由表2中各元素的RSD值可知,生活区变异系数最大的为Cu,其值为113.5%,商业区的为Ni,其值为126.4%;两区变异系数最小的均是Mn。
              表2  沉积物中的重金属含量
元素
生活区
商业区
A层土壤算术平均值
平均值(mg/kg)
RSD%
倍数
平均值(mg/kg)
RSD%
倍数
Cu
156.8
113.5
7.96
78.82
44.17
4.00
19.7
Pb
41.37
30.75
2.11
65.43
37.45
3.34
19.6
Zn
209.1
23.44
3.48
299
42.09
4.98
60.1
Cd
0.496
81.71
29.70
0.495
53.54
29.64
0.0167
Ni
30.85
31.77
1.16
45.88
126.4
1.72
26.7
Mn
455
13.27
0.78
411
26.94
0.71
579
2.2  地累积指数评价
2.2.1  沉积物中重金属的Muller 指数值
  以河南省A层土壤算术平均值作为背景值,根据地累积指数公式,计算各样品的重金属Muller指数值,以此评价重金属的污染程度。
  由表3可知,郑州商业区沉积物中Cu、Pb、Cd、Zn的Muller级数均为2级,属中等污染,Mn、Ni为无污染。而对照城市晋城商业区沉积物中,Cd的Muller级数比郑州商业区的高两级,属强度污染;Cu、Pb、Mn则高一级,属中等污染—强度污染,Ni的Muller级数与郑州商业区的一样,属无污染。
  郑州生活区沉积物中Cu、Cd、Zn的Muller级数均为2级,属中等污染,Pb的Muller级数为1级,属中等污染—强度污染,Ni、Mn为无污染。晋城城郊Cu、Ni的Muller级数为4级,分别比郑州生活区的高2级、4级,属中等污染、强度污染;Pb、Mn分别属中等污染—强度污染、轻度污染—中等污染,Muller指数值分别比郑州生活区高2级、1级;Zn的Muller级数比郑州生活区低一级,属轻度污染—中等污染;Cd为无污染,而郑州生活区沉积物中Cd则属中等污染。
            表3  沉积物中的重金属的Muller 指数值
元素
Cu
Pb
Zn
Cd
Ni
Mn
指数值
级数
指数值
级数
指数值
级数
指数值
级数
指数值
级数
指数值
级数
郑州商业区
1.27
2
1.63
2
1.59
2
1.91
2
<0
<0
晋城商业区
2.78
3
2.08
3
1.67
2
3.22
4
<0
0.96
1
郑州生活区
1.80
2
0.44
1
1.18
2
1.54
2
<0
<0
晋城城郊
3.42
4
2.08
3
0.99
1
< 0
3.10
4
0.29
1
  注:郑州商业区与生活区的值分别为所有样品的平均值;“﹣”代表无污染
2.2.2  沉积物中重金属的污染分布
  如表4所示,生活区与商业区16个点位中,六种重金属中Zn在两区的污染率均达到了100%;Cu在生活区的污染率达到100%,在商业区的污染率也超过了85%;Pb在两区的污染率分别是89.9%和85.7%;Cd在商业区的污染率为100%,在生活区的污染率也达到了77.8%;Ni在生活区与商业区的污染率分别是22.2%、28.6%;Mn是六种重金属中唯一一个百分百未污染的元素,在两区的污染率分别是0.0%。
  Cu、Zn、Cd在生活区分别有77.8%、77.8%、66.7%的点位污染,程度达到中等及中等以上;这三种金属在商业区均有85.7%的点位达到中等污染以上(包括中等污染);Pb在生活区、商业区中等污染以上(包括中等污染)的点位分别占到22.2%、71.4%;生活区所有的Ni污染点,占所有点位的22.2%,污染水平均在轻度污染—中等污染之间,在商业区所有点中,污染点的比例为28.6%,50%的污染点受到Ni的中等污染,另外50%的污染点的污染水平在轻度污染—中等污染之间。
                 表4  沉积物中的重金属污染分布
元素
生活区
商业区
≥1级(%)
≥2级(%)
≥3级(%)
≥4级(%)
≥1级(%)
≥2级(%)
≥3级(%)
≥4级(%)
Cu
100.0
77.8
33.4
11.2
85.7
85.7
14.3
0.0
Pb
89.9
22.2
0.0
0.0
85.7
71.4
0.0
0.0
Zn
100.0
77.8
0.0
0.0
100.0
85.7
14.3
0.0
Cd
77.8
66.7
66.7
22.3
100.0
85.7
57.1
0.0
Ni
22.2
0.0
0.0
0.0
28.6
14.3
0.0
0.0
Mn
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
2.3  潜在生态危害指数法评价
2.3.1  生活区道路沉积物重金属的潜在生态危害评价
  由表5可知,9个生活区样品中44.4%的样点的六种重金属的综合生态危害指数(RI)的值大于300,属于强生态危害等级,RI最大值达到515.27;44.4%样点的样点的RI值在150与300之间,潜在生态危害属中等水平,剩下11.2%的生活区样点属于轻微生态危害,六种重金属的综合生态危害指数小于150,最小RI值为38.02。六种重金属的单项潜在生态危害系数(Eri)值,除Cd、Cu外,另外四种重金属在生活区所有样点的Eri值均小于40,即Zn、Pb、Ni、Mn的单项潜在生态危害等级属轻微生态危害。
  所有生活区样品中66.7%的样点Cd的潜在危害系数Eri≥160,样点受到Cd很强的生态危害,这其中有2个样点甚至为极强生态危害,剩下33.3%的样点中22.2%为中等生态危害、11.1%为轻微生态危害。22.2%的生活区样点受到Cu的强生态危害,80≤Eri<160,剩下的样点Cu的Eri均小于40,属轻微生态危害。由六种重金属的单项潜在生态危害系数Eri值可知,生活区污染最严重的为Cd,其次为Cu,之后依次为Pb、Ni、Zn、Mn。说明综合生态危害指数RI值的主要权重来自于Cd的潜在生态危害系数(Eri)的贡献,对RI值贡献最小的为Mn的Eri
       表5  生活区沉积物中重金属的潜在危害系数(Eri)和危害指数(RI)
样点
Eri
RI
Cu
Pb
Zn
Cd
Ni
Mn
1
20.03
9.38
3.08
319.08
5.20
0.72
357.49
2
140.90
8.50
3.30
0.00
5.00
0.83
158.53
3
17.28
7.43
5.25
0.00
7.24
0.82
38.02
4
8.86
9.21
2.52
50.35
3.58
0.74
75.26
5
18.00
17.09
2.74
212.08
4.27
0.89
255.07
6
18.44
8.92
3.63
361.45
4.41
0.71
397.56
7
29.90
9.65
3.08
469.03
3.02
0.59
515.27
8
14.23
9.75
3.71
187.87
8.08
0.88
224.52
9
90.63
15.05
4.01
211.99
5.70
0.90
328.28
平均值
39.81
10.55
3.48
200.87
5.17
0.79
260.67
 
2.3.2商业区道路沉积物重金属的潜在生态危害评价
  由表6可知,7个商业区样品中42.9%的样点的六种重金属的综合生态危害指数(RI)的值大于300,属于强生态危害等级,RI最大值达到385.16;RI值在150≤RI<300,RI<150区间的商业区样点比例分别为28.6%,28.6%,即28.6%样点受到中等生态危害,28.6%的样点受到轻微生态危害。最小RI值为120.41。
  六种重金属的单项潜在生态危害系数(Eri)值,除Cd外,另外五种重金属在生活区所有样点的Eri值均小于40,即Zn、Pb、Ni、Mn的单项潜在生态危害等级属轻微生态危害。所有商业区样品中57.1%的样点Cd的潜在危害。
  系数Eri≥160,即57.1%的样点受到Cd很强的生态危害,Eri值在80≤Eri<160,40≤Eri<80区间的商业区样点比例分别为28.6%,14.3%,即28.6%的样点受到Cd强生态危害,14.3%的样点受到Cd中等生态危害。说明100%的商业区样点受到Cd中等以上的生态危害(包括中等生态危害)。由六种重金属的单项潜在生态危害系数Eri值可知,商业区污染最严重的为Cd,之后依次为Cu、Pb、Ni、Zn、Mn。说明综合生态危害指数RI值的主要权重来自于Cd的潜在生态危害系数(Eri)的贡献,对RI值贡献最小的为Mn的Er
       表6  商业区沉积物中重金属的潜在危害系数(Eri)和危害指数(RI)
样点
Eri
RI
Cu
Pb
Zn
Cd
Ni
Mn
1
6.38
6.29
1.63
118.36
2.21
0.39
135.26
2
17.19
19.96
5.19
315.03
0.57
0.88
358.82
3
19.47
20.60
3.91
46.77
28.85
0.82
120.41
4
33.60
17.39
8.58
252.94
8.57
0.90
322.16
5
16.50
9.63
5.23
137.54
5.74
0.70
175.34
6
18.25
20.12
4.50
338.54
3.24
0.52
385.16
7
28.65
22.87
5.80
195.83
4.36
0.76
258.26
平均值
20.01
16.69
4.98
200.71
7.67
0.71
250.77
 
3 结论
  郑州市主干道沉积物中,Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Mn六种重金属,除Mn外均受到不同程度的污染。
  与河南省地区A层土壤算术平均值相比,除Mn外,郑州生活区道路沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Ni的含量平均值分别是其7.96、2.11、3.48、29.70、1.16倍;商业区的分别是其4.00、3.34、4.98、29.64、1.72倍;即含量均远大于土壤的算术平均值。Cd、Ni两区含量相当,商业区沉积物中Pb、Zn的含量大于生活区的,沉积物中Cu的含量是生活区的大于商业区的。由变异系数(RSD)值知,除生活区沉积物中的Zn外,两区沉积物中的其他受到污染的样点中Cu、Pb、Zn、Cd、Ni的RSD值均大于30%,其含量分布变异性明显。
  Muller指数法评价的结果显示,和对照城市晋城的道路沉积物相比,工业城市晋城的道路沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Mn六种重金属的Muller级数,除商业区沉积物中的Mn、生活区沉积物中的Cd、Zn外,郑州市区道路沉积物中的重金属的Muller级数均低于晋城的道路沉积物中重金属的Muller级数。即晋城道路沉积物中重金属污染水平高于郑州市的。
  采样样点中污染率达到100%的为生活区的Cu、Zn和商业区的Zn、Cd。Mn在所有样点均为无污染。商业区中受到Cu、Pb、Zn、Cd、Ni中等污染以上(包括中的污染)的样点的所占比例分别为85.7%、71.4%、85.7%、85.7%、14.3%;生活区的分别为77.8%、22.2%、77.8%、66.7%、0.0%。商业区沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd的污染严重;生活区Cu、Zn、Cd的污染严重。商业区中受到Cu、Pb、Zn、Cd、Ni中等污染以上(包括中的污染)的样点的所占比例均高于生活区的比例,即郑州市商业区道路沉积物中的Cu、Pb、Zn、Cd、Ni的污染状况比生活区的严重。
  潜在生态危害指数法评价六种重金属的污染程度从重到轻依次为Cd、Cu、Pb、Ni、Zn、Mn。潜在生态危害指数(RI)法评价结果显示,两区受到六种重金属的综合潜在生态危害指数在强生态危害的级别的样点均超过了40%,超过70%的样点受到中等以上潜在生态危害(包括中等生态危害)。两区单项潜在生态危害系数Eri值均是Cd的最高,生活区88.9%的样点受到Cd的中等以上潜在生态危害(包括中等生态危害),商业区100%的样点受到Cd的中等以上潜在生态危害(包括中等生态危害);生活区77.8%的样点受到Cu的轻微生态危害,商业区所有点受到Cu的轻微生态危害;两区所有点受到Pb、Ni、Zn、Mn的轻微生态危害。所以对道路沉积物的具有潜在生态危害的重金属主要是Cd。
 
参考文献
[1]李凤全等.城市灰尘重金属污染特征及生态危害评价[J].安徽农业科学,2008,36(6):2495-2498.
[2]Sutherland R.A Lead in grain size fractions of road deposited sediment[J].Enviromental Pollution,2002,121:229-237.
[3]王学松等.城市路边沉积物Pb、Cu污染调查与评价[J].环境监测管理与技术,2004,16(3):1 4-16.
[4]李娟娟等.应用地累积指数法和富集因子法对铜矿去土壤重金属污染的安全评价[J].中国安全科学学报,2006,16(12):631-931.
[5]Lars Hakanson.An ecological risk index for aquantic pollution control—a sedimentological approach[J].Water Research,1980,14:975.
[6]中国环境监测站.中国土壤元素背景值[M].北京:中国环境科学出版社,1990.
[7]徐争启等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J].环境科学与技术,2008,31(2):112-115.
 
作者简介:王琪(1982-),女,河南长垣人,助理工程师,从事环境监测工作。
   
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