西南大学学报 (自然科学版)  2017, Vol. 39 Issue (8): 146-152.  DOI: 10.13718/j.cnki.xdzk.2017.08.021
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  • 铅蓄电池厂遗留场地污染分析与风险评价    [PDF全文]
    孙荣基1, 陈志莉2, 盛利伟3     
    1. 后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系,重庆 401311;
    2. 后勤工程学院 国防建筑规划与环境工程系,重庆 401311;
    3. 兰州军区工程环境质量监督站,兰州 730000
    摘要:以重庆地区某铅蓄电池厂搬迁遗留污染场地为研究对象,采用单项污染指数法、Hankanson潜在生态危害指数法和健康风险评价法,对场地污染进行了分析评价.结果表明,场地Pb的质量浓度为15~166 000 mg/kg,均值为8 774.98 mg/kg;通过单项污染指数法评价得到污染主要集中在极板生产、化成车间及堆放区域;内梅罗指数评价得到铅为重度污染,As为中度污染;场地铅的生态危害为较强,砷为轻微危害;场地重金属污染的健康风险评价结果表明,As的致癌风险HI为3.21×10-5,超可接受的阈值10-6;危害熵HQ为3.56,大于阈值1,对人体存在较严重的致癌和非致癌危害风险;使用IEUBK模型计算得到儿童受体血铅质量浓度超过100 μg/L的概率为99.756%,大于安全概率5%,铅污染的区域存在较高环境健康风险,场地必须经过修复治理才能规划利用.
    关键词单项污染指数法    内梅罗指数    生态风险    健康风险评价    

    城市土壤是城市生态环境的主要组成部分,具有重要的生态、环境和经济功能,也是城市污染物的源和汇.随着工业发展和城市化推进,一些城市土壤环境质量日益恶化,直接或间接影响了城市居住环境与居民身体健康[2].对此国家经济体制进行了改革,实施“退二进三”产业调整政策.许多城市都对其产业结构与城市布局进行调整[3],位于城市中心地带或工商业聚集区的污染土地[4]被遗弃、闲置或改变用途后变为具有潜在风险的污染场地.近些年,各地铅蓄电池行业的重金属污染造成许多污染事件等,如陕西凤翔血铅事件、湖北武冈铅中毒事件,这些事件让人们认识到了重金属污染的危害.为减少土地重金属污染危害,国务院于2011年2月18日,正式批复《重金属污染综合防治“十二五”规划》,中国陆续搬迁和关闭了一大批铅蓄电池厂,遗留下来以铅为主要重金属污染物的场地处置成为难题[5].因为铅污染土壤具有隐蔽性、毒害性、累积性、长期性等特点,被污染的土壤通过环境暴露、地下水和生物富集作用直接或间接地影响人类健康[6],人体积累过量的铅会导致人体神经系统、造血系统、消化系统以及生殖系统紊乱[7~9],尤其对儿童的危害最大[10].因此开展对典型铅污染场地的污染特征和环境风险研究非常必要,本文以重庆地区某铅蓄电池厂搬迁遗留场地为研究对象,依据污染场地土壤采样标准进行采样测定,分析场地污染的分布和富集情况,并对场地进行环境影响评价与风险分析,以期为场地土壤的规划利用与修复提供科学依据.

    1 材料与方法 1.1 生产工艺分析

    研究选取的是一家有60多年生产历史的铅酸蓄电池厂搬迁场地,铅酸蓄电池的生产是多物料、多工序、劳动密集型的生产过程,影响因素较多,企业主要生产少维护型电池、免维护型电池和动力蓄电池3种类型的电池.产污工艺环节有熔铅、和膏、刷片、浇铸、化成等,主要污染物有铅烟、铅尘、铅渣和含酸与含铅废水.

    1.2 土壤样品的采集与处理

    本场地地形起伏,区域功能划分明确,故将场地划分为5个区域,采用三角布点与经验布点相结合的方法共布设73个采样点位,具体分布见图 1.结合场地踏勘资料与地质资料,依据污染场地的监测技术导则规范标准,使用四分法采集0~20,20~50,50~100 cm 3个土层的土壤样品.采集的样品放入聚乙烯塑料袋送实验室,剔除土样中的杂草、碎石等异物,置于通风处风干,玛瑙研钵研磨,过100目尼龙筛,密封保存待测.

    图 1 采样点分布图
    1.3 分析方法

    pH值用土水比1:5的电位法测定;土壤样品用三酸消化法(HNO3+HClO4+HF)进行消解处理,然后利用微波消解仪进行消解,使用Agilent Technologies 700Seriers型电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES)进行砷和铅含量的测定,数据分析采用Origin9.0与SPSS19.0软件进行.

    1.4 土壤重金属污染评价方法及分级标准 1.4.1 单项污染指数法

    单项污染指数法是一种通用的重金属污染评价方法,国内对土壤、水、大气重金属污染的评价经常使用该方法[11-13].单项污染指数的计算公式为

    $ {{P}_{i}}={{C}_{i}}/{{S}_{i}} $

    其中Pi为污染物i的单项污染指数;Ci为污染物i的实测值;Si为土壤环境质量标准.考虑到土壤重金属的复杂性[14],综合比较实测值与自然背景值、人体健康土壤限制值(二级标准)、植物正常生长的土壤临界值(三级标准),利用下面的分段函数进行评价[15].计算公式如下:

    $ 土壤单项污染指数{P_i} = \left\{ \begin{array}{l} {C_i}/{S_1}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{C_i} < {S_1}\\ 1 + ({C_i} - {S_1})/({S_2} - {S_1})\;\;\;\;\;\;\;\;{S_2} > {C_i} > {S_1}\\ 2 + ({C_i} - {S_2})/({S_3} - {S_2})\;\;\;\;\;\;\;{S_3} > {C_i} > {S_2}\\ 3 + ({C_i} - {S_3})/({S_3} - {S_2})\;\;\;\;\;\;\;\;{C_i} > S \end{array} \right. $

    其中S1S2S3分别为国家环境质量标准中的一级、二级和三级标准值.计算结果若Pi≤1,土壤未受污染;若1<Pi≤2时,土壤轻度污染;若2<Pi≤3时,土壤中度污染;若Pi>3,土壤重度污染.

    1.4.2 内梅罗污染指数法

    内梅罗污染指数既反映污染物对土壤的作用,同时考虑高浓度污染物对土壤环境质量的影响,其计算公式为

    $ {{P}_{N}}=\sqrt{(P_{i\text{ave}}^{2}+P_{i\max }^{2})/2} $ (1)

    式中,PN为内梅罗综合污染指数,PiavePimax分别为单项污染指数的算术平均值和最大值.根据内梅罗指数将土壤质量分为四级:PN≤1.0,未污染;1.0<PN≤2.0,轻度污染;2.0<PN≤3.0,中度污染;PN>3.0,重度污染.

    1.5 土壤生态风险评价及健康风险评价

    场地生态风险评价采用Hakanson潜在生态危害指数法,该方法综合考虑重金属生态环境效益与毒理学的关系、基于元素丰度与释放原则,进行土壤和沉积物中重金属污染的分级评价[16].计算公式如下:

    $ RI=\sum {{E}_{i}} $ (2)
    $ {{E}_{i}}={{T}_{i}}\times {{C}_{i}}/{{C}_{o}} $ (3)

    其中Ci为监测浓度、Co为参比浓度,以国家土壤环境质量标准(GB15618-1995) 为参比浓度;Ti为毒性响应系数反映重金属在水相、沉积相和生物相之间的响应关系;Eii种重金属的潜在生态危害指数.该方法中铅和砷的毒性响应系数分别为5和10.依据计算结果对土壤生态危害进行分级,见表 1.

    表 1 潜在生态危害指数分级

    本研究中健康风险评价方法参照《污染场地风险评估技术导则》(HJ25.3-2014) 的方法和美国环保署开发的血铅评价模型进行.

    2 结果与分析 2.1 场地中各指标的测定结果

    污染场地各污染因子测定结果的统计分析见表 2. pH值范围较大,最低值为3.87,最高值12.6,平均值为8.25,总体偏碱性,个别位置偏酸性.重金属污染Pb的质量分数范围15~166 000 mg/kg,变化范围大,平均值为8 774.98 mg/kg,大于中值810.5 mg/kg;As质量分数的范围2.5~76.8 mg/kg,平均值为13.37 mg/kg,大于中值9.2 mg/kg.其中重金属Pb质量分数均值超过《展览会用地土壤环境环境质量标准》(HJ350-2007) 中规定的A级标准(140 mg/kg).

    表 2 场地采样检测结果统计分析

    变异系数是反映统计数据波动特征的参数,变异系数大说明数据离散程度高,变异系数小,说明数据的离散程度低,可在一定程度上描述污染因子污染状况的特征.根据分析结果可知,pH值和As含量的变异系数较小分布较集中,但是As的毒性较大对环境影响严重,必须进行详细评价和分析;Pb含量的变异系数较大,空间分布显著,受蓄电池生产影响较大.

    2.2 土壤重金属污染环境质量评价

    按照土壤环境质量国家标准GB15618-1995中相关标准值,对各采样点Pb和As污染物的污染指数进行计算,结果进行统计分析见表 3.从分析结果看,Pb污染比例为88.1%明显高于As的15.9%,说明场地的主要污染因子为Pb;铅各区污染比例大小顺序依次为:3区、4区、2区、整体、5区、1区,3区为铅蓄电池的主要生产、堆放、废弃物处理区,蓄电池在极板加工、废铅堆放、电池组装、废弃极板拆解处理、铅粉制造等过程产生大量的铅烟、铅尘、铅渣和含铅废水,长期的生产已经使该区域的土壤发生严重的铅污染.从整体看As污染比例较低为15.9%,1区与5区处于未污染状态,污染区域主要集中在2、3、4区内蓄电池的生产、组装、堆放区域.

    表 3 单项污染指数评价结果统计

    各区铅与砷污染等级分布比例见图 2,各区铅的污染等级主要集中在重度污染和轻度污染,而中度污染比例较小.分析原因是生产过程污染源固定,生产历史较长,而铅在土壤中的迁移率较小,使得聚集作用明显,污染等级表现为严重,必须进行合理的评价与修复治理才能实现土地的再利用. As的污染等级主要分布为未污染.

    图 2 各区采样点重金属污染等级分布图

    场地污染物浓度含量较高,选取内梅罗指数法进行评价,评估结果见表 4.各区域Pb污染等级处于重度污染,As污染部分处于重度污染等级.与单项污染指数分析相比,As污染内梅罗指数评价结果偏严重,原因是As污染分布不均匀,高浓度值点位少但含量大,对评估产生误差. Pb高浓度值点位较多,相反是低浓度值较小且点位较少,所以对铅的评价中采用内梅罗指数法评价效果较好.

    表 4 场地土壤质量内梅罗指数评价结果
    2.3 场地土壤重金属潜在生态风险危害

    使用潜在生态危害指数法进行生态风险评价,并对结果进行统计分析,结果见表 5.从计算得到生态风险指数的均值可看出Ei(Pb)大于Ei(As),厂区整体的单因子生态危害指数Ei(Pb)均值水平处于较强危害区间,1区为轻微危害、5区为中等危害、2区与4区为较强危害,而3区属于强危害区;厂区整体与各区域的单因子生态危害指数Ei(As)均值水平都处于轻微危害水平.

    表 5 各区域潜在生态危害指数描述统计表

    对土壤生态危害指数计算结果进行频数分析,结果见表 6.重金属铅的危害比重金属砷严重,各危害等级均有分布,铅的生态风险主要处于轻微分布,部分区域点位生态风险处于强与极强危害水平,呈两头重中间轻的分布;重金属砷危害主要分布在轻微危害区间,部分分布在中等危害,中等危害的2个点分布在蓄电池组装堆放的4区,从分析的结果来看重金属砷对环境生态危害较小,但是砷毒性较大,存在的健康风险不容忽视.

    表 6 单因子生态危害指数频数分析
    2.4 污染场地的健康风险评价

    本场地计划规划为居民住宅区属敏感用地,使用《污染场地风险评估技术导则》(HJ25.3-2014) 对重金属砷进行健康风险评价,重金属铅的风险研究选用美国环保署探索以血铅浓度为评价和预测标准而开发的IEUBK模型(integrated exposure uptake biokinetic model for lead).

    场地暴露途径主要有经口摄入、皮肤接触、颗粒物的吸入,计算在不同危害方式下各暴露途径的暴露量如表 7,单位为:kg/(kg·d);参照导则中推荐的污染物毒性参数与外推计算模型,计算得到污染物As的毒性参数如表 8;表层土壤直接与空气与河流等环境生态因素接触,存在物质和能量交换,所以对表层土壤的健康风险研究是认识和搞清表层土壤污染对环境生态和人体健康影响的前提条件.通过分析表层土壤污染物的分布满足对数正态分布,所以用浓度的均值与最大值进行计算.得到重金属As在最大值情况下总致癌风险指数为1.82×10-4,总危害熵为20.27;在均值情况下总致癌风险指数为3.21×10-5,总危害熵为3.56. As的致癌风险值均超人体可接受阈值10-6,非致癌风险大于阈值1,对人体存在较严重的致癌和非致癌效应的健康危害.

    表 7 土壤污染物在不同暴露途径下的暴露量
    表 8 污染物As的毒性参数

    铅的健康风险评价使用IEUBK模型进行.模型参数通过采样检测、文献查询和调研的方法确定,这里的参数是指暴露参数和人体生理参数.暴露参数是描述人体经消化道、呼吸道和皮肤暴露于环境污染物的行为和特征的参数[17].受人力和客观条件的限制,文章仅对研究区域土壤铅浓度进行检测,其他环境介质铅含量通过文献和手册获取,空气浓度选用GB3095-2012《环境空气质量标准》中规定的年平均值0.50 μg/m3.饮用水浓度参照《重庆嘉陵江流域水中有毒重金属铅、铬的研究》中嘉陵江水中Pb含量4 μg/L.选用蒋宝、崔骁勇[18]等对西南地区的儿童行为模式的IEUBK本土化研究,杨彦、于云江[19]等对拆解电池污染场地健康风险的研究成果,对IEUBK涉及到的食物、饮水、土壤、灰尘铅含量及孕妇血铅等参数进行选定.

    将场地土壤铅质量浓度的均值8 774.98 mg/kg带入IEUBK模型,计算人体血铅浓度超过100 μg/L的概率.计算结果显示污染居住区内儿童受体中血铅浓度超过100 μg/L的概率为99.756%,大于安全概率5%,场地中铅污染的区域存在较高的环境健康风险.

    3 结论

    监测结果显示:场地Pb质量浓度范围为15~166 000 mg/kg,变化范围大,平均值为8 774.98 mg/kg,超过《展览会用地土壤环境环境质量标准》(HJ350-2007) 中规定的A级标准(140 mg/kg),污染程度较高;污染主要集中在极板生产、化成车间以及堆放区域.利用单项污染指数评价得到场地重金属Pb受污染比例为88.1%明显高于As的15.9%.内梅罗指数评价得到各区Pb污染等级为重度污染,As为中度和重度污染,评价结果偏高.通过Hankanson潜在生态危害指数法的评价,得到场地铅的生态危害为较强,重金属砷主要为轻微危害.场地重金属污染的健康风险评价结果表明,As的致癌风险HI为3.21×10-5,超人体可接受的阈值10-6,危害熵HQ为3.56,大于阈值1,对人体存在较严重的致癌和非致癌危害风险.使用IEUBK模型计算儿童受体血铅质量浓度超100 μg/L的概率为99.756%,大于安全概率5%,场地中被铅污染的区域存在较高的环境健康风险,必须经过修复治理才能规划再利用.

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    Pollution Analysis and Risk Assessment of the Remaining Site of a Relocated Lead Acid Battery Factory
    SUN Rong-ji1, CHENG Zhi-li2, SHENG Li-wei3     
    1. Department of Military Oil Application and Management & Environmental Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China;
    2. Department of National Defense Architecture Planning & Environmental Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China;
    3. Engineering Environmental Quality Supervision Station of Lanzhou Military Region, Lanzhou 730000, China
    Abstract: A lead (Pb) acid battery factory in Chongqing was relocated and left behind a polluted site. In this study, the single pollution index, Hankanson potential ecological risk index and health risk assessment methods were used to analyze and evaluate this polluted area. The content of Pb at the site varied from 15 to 166 000 mg/kg, with a mean of 8 774.98 mg/kg. Based on the method of single factor pollution index, pollution was mainly concentrated at the former plate production and formation workshops and the stacking area, According to the results of Nemerow index evaluation, Pb pollution of the site was "hazardous" and arsenic (As) pollution was "moderate". Health risk assessment of As showed that the carcinogenic risk index HI was 3.21×10-5, exceeding the acceptable threshold value 10-6; and the hazard quotient HQ was 3.56, exceeding the threshold value 1, suggesting a serious risk to the human body. A calculation based on the IEUBK model showed a probability of 99.756% of children blood lead level of > 100 μg/L, being much greater than the safety probability 5%. In conclusion, the lead polluted site presents a high environmental health risk and should not be utilized until remediated.
    Key words: the single contamination index method    Nemerow index    ecological risk    health risk assessment    
    X