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Study on the status and detection technology of heavy metal pollution in water environment
CHEN Huiming, LIU Min, XIAO Nanjiao, LUO Yong
(Jiangxi Environmental Monitoring Center, 330039, Nanchang, PRC)
Abstract: this paper summarizes the current situation of heavy metal pollution in water environment in China .It has been found that many bays and rivers have been polluted by heavy metals in China, and they are mostly compound pollution. The author also introduces some detective methods, such as electrochemical analytical methods and spectral methods and etc. The research results can be used for providing technological support for detection of heavy metal and protection of ecological environment.
Key words: water environment; heavy mental pollution; detection
前言
若金属元素的原子密度超过每立方厘米五克,即可认为其是重金属。如铜、铅、锌、镉铁、锰等,均属于重金属,共有四十五种。若水体内排入的重金属物质,无法结合自净能力将其净化,而最终导致水体的性质、组成等发生改变,影响水体内生物生长,并对人的健康、生活产生不良影响的,即属于水环境重金属污染。在工业、农业快速发展的同时,许多污染物被排入河流内,其中也包含重金属,最终导致水质恶化,也由此产生了一系列严重后果。不论是在何种环境中,重金属污染物的降解都极为困难,并且能够积累在植物、动物体内,并结合食物链不断富集,最终进入人体,对人体健康产生危害,这类污染物也是对人体产生最大危害的一种污染物[1]。
1、目前我国水环境中重金属污染的现状
1.1我国水环境重金属污染的范围比较广
不论是海南的三亚湾、还是广东地区的北江、亦或是武汉的东湖、连云港的排淡河、山东地区的胶州湾、长春的松花江等,都体现出了极为显著的重金属污染特征。
1.2我国水环境中重金属污染大多为复合污染
对比国家相关的水质标准来看,山东曲阜的大沂河、包头段黄河内,均出现了极为严重的Cu等重金属的污染。Cd污染,则主要出现在香港的四大重点河流之中;就黄浦江上游的饮用水源来看,不论是支流、还是干流,Hg的平均浓度均超过了地表水环境质量标准(GB3838-2002)的Ⅲ类水标准,而对比Ⅲ类水标准后可以发现,不论是干流、还是支流的As浓度相对较低[2]。
1.3重金属的含量与水环境的盐度及pH值等有关
若盐度偏高,则重金属元素在水中的含量相对较高、水底沉积物内则不会出现较高的金属含量;若盐度偏低,则恰好相反。当pH值相对偏高时,重金属元素含量偏低的为水体,而偏高的则为水底沉积物;若pH值较低时,则正好相反[3]。
1.4重金属含量一般表现为近岸高,中部低;沉积物中高,水相中较低
第二松花江中下游河段,水中重金属平均含量都不高,且远未达到国家制定的相关地表水水质标准;对比河段水中的重金属含量来看,沉积物内的重金属含量则明显偏高。在巢湖湖区、支流沉积物内重金属含量的对比方面来看,支流的Cd、Zn等含量更高。
1.5重金属的潜在生态风险较高
处于第二松花江中下游区域的沉积物,其重金属含量目前已达到中等偏强的生态风险等级,且主要为Cd以及Hg。长江口表层水体内存在的类金属以及重金属,就采样点位来看,重金属含量相对较低,但仍有潜在风险存在。香港重点河流,基本都面临生态危害,有个别区域目前的生态危害已相对较强。此外,水量、季节的变化等,也都会导致水环境内重金属含量产生变化。
2、水环境中重金属的检测技术方法研究与发展
因为不论是人体、还是环境,都将因重金属元素受到影响,所以检测重金属工作就显得极为关键。当前,对重金属进行检测的方法主要有:电化学法、光谱法等。
2.1电化学分析法
结合电极上、溶液内物质的化学性质,由此形成的一种分析方法,即为电化学分析法。结构简单、小巧、操作便捷,都是该方法的主要优点,能够进行连续、自动化分析,分析方法较为准确、便捷[4]。具体方法包括如下:
2.1.1伏安法和极谱法
结合电解过程,不论是极谱法、还是伏安法,都可对流-电位、电位-时间曲线进行分析,其区别在于:前者运用的是表面可周期更新的滴汞电极、后者则为表面无法更新、固体电极等液体电极。伏安法内还包括了吸附溶出、阴极溶出伏安法等,其检测下限极低,这也是伏安法的主要优势,能够在现场、在线运用,同时也可实现多元素识别[5]。
2.1.2电位分析法
若此时的电流为零,电位分析法可对电池的电极电位、电动势等进行测定,由此结合浓度以及电极电位的关系,实现物质浓度的测定。该方法的优点较多,如试样需求较少、较好的选择性,同时不会破坏试液,因此在分析珍贵试样时,较为适用。这种方法能够实现快速测定、操作相对简单,因此连续化、自动化也可实现。
2.1.3电导分析法
结合对溶液电导值的测量,获得其中离子浓度的方法,即被认为是电导分析法,大致可分为两种,分别是电导滴定法以及直接电导法。其优势在于便捷、快速,后者的灵敏度相对较高,缺点则是电导值的测定,为所有电导的总和,而不能对其中具体离子的含量进行测定和区分,由此影响选择性。
2.2光谱法
2.2.1原子荧光光谱法
其原理在于,原子蒸气对特定波长的光辐射进行吸收,由此得以激发,当原子被激发以后,结合该过程发射出特定波长的光辐射,即原子荧光。在相应的实验条件下,不论荧光类型是什么,其辐射强度均与被分析物质的原子浓度为正比关系,按照波长分布可开展定性分析。这种方法的选择性较强、灵敏度相对较高,方法相对简单。其欠缺之处在于,应用范围并不广泛,因为许多物质的荧光产生,需要结合试剂加入才能实现[6]。另外,还需要深入的对化合物结构、荧光产生过程的关系进行探究。
2.2.2原子发射光谱法
结合电激发、热激发之下,试样内的不同离子、原子发射特征的电磁辐射,而开展的针对元素的定量、定性分析的方法,即为原子发射光谱法。其优势在于,有较好的选择性、分析速度相对较快,随待测元素的多少,会对准确度存在影响。其缺陷在于,设备相对昂贵,而如硫等非金属元素,则无法较为灵敏的加以分析。一般以元素分析为主,但就样品内上述元素的化合物状态,则无法确定。
2.2.3原子吸收光谱法
以蒸汽相内被测元素的基态粒子为基础,测定原子共振辐射的吸收强度、被测元素含量的一种方式,即为原子吸收光谱法。火焰原子吸收光谱法的检测限可达到10-9g/L,石墨炉原子吸收光谱法的检测限可达到10-10~10-14g/L[7]。此种方式的优势在于:良好的选择性、较高的准确性、易于消除、干扰相对较少;缺陷则在于:无法直接对许多非金属元素加以测定,对一种元素分析之后,就需要对元素灯进行更换,对不同元素的测定,则需要对不同的元素灯进行更换,无法完成同时对各类元素的测定,若试样相对复杂,则会产生严重干扰,仪器较为昂贵。
2.2.4电感耦合等离子体光谱法
在当前应用的AES光源中,应用最为广泛的当属电感耦合等离子体光源。对比上述方法来看,这种方法具备如下优势,干扰相对较少、分析速度相对较快、较宽的线性范围,能实现多种被测元素特征光谱的同时读取,此外还可以对多种元素同时进行定量、定性分析。其缺陷在于,操作以及设备费用相对较高,就部分元素而言,也不存在显著优势。
2.2.5质谱法
通过对待测物质进行分子到带电粒子的转化,结合交变电场、稳定磁场的利用,让上述粒子可结合质量大小的顺序排序,并对此进行分离,形成具备一定规则,同时能够检测的质量谱,即为质谱法。和其他方式对比来看,这种方法具有如下优势:动态范围相对宽泛、分析精密度相对较高、可同时对多种元素进行测定,其能够精确的对同位素信息进行提供[8]。但是,这类仪器的造价相对过高,就目前而言,本方法的应用依然以研究领域为主,并且,在预处理检测样品方面,步骤相对较多,对仪器自动化带来了诸多困难。
此外,包括生物传感器、酶抑制法等相关检测方法,伴随着检测技术的逐渐发展,也在检测水环境重金属方面,发挥了越来越关键的作用。
3、结论
重金属污染能够不断富集,并最终对动植物、人体以及环境产生一定负面影响,具备潜在的危险性,因此这也是一个不容忽视的问题。工业污染是重金属污染的主要来源,企业的排放要达标,管理要严格,最为关键的是当前国家的管理机制尚未健全,仍需继续完善。在水环境监测工作方面,重金属检测工作能够为此提供一定依据。近年来,伴随着多种分析仪器的开发,重金属检测也逐步体现出准确性、灵敏度高等优势。各类检测方法都具备各自的特点以及适用的范围,如电感耦合等方法,具有较高的灵敏度,能够在几乎所有重金属检测方面运用,但就处理样品以及检测进程来看,相对复杂,因此若想实现在线、现场检测,则相对困难,不论是使用仪器、还是安装设备,都具有较高要求。
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关键词 土壤;重金属污染;现状;修复技术
中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2013)09-0229-03
重金属是指比重大于5.0 g/cm3的金属元素,包括Cu、Zn、Ni、Pb、Cr、Cd、Hg、As、Fe、Mn、Mo、Co等。通常自然界中重金属元素的背景值很低,其暴露不会对周围环境造成影响。但由于工业生产规模扩大,城镇化迅速发展,在农业生产中,污水灌溉和化肥、农药的使用量加大,导致土壤系统中重金属不断累积,明显高于其背景值,从而恶化了生态环境的质量,并通过食物链直接危害人体健康。据统计,全世界平均每年排放Hg约1.5万t,Cu 340万t,Pb 500万t,Mn 1500万t,Ni 100万t[1]。随着重金属污染问题的日益突出,土壤污染防治工作已在“十一五”期间被提上中国环境保护工作的重要议程,并成为第1个“十二五”国家规划。针对上述情况,笔者结合我国土壤重金属污染的现状,对当前土壤重金属污染的修复技术及其作用机理进行分析,并总结其各自的优势与不足,以期为综合治理土壤重金属污染提供参考依据。
1 我国土壤重金属污染现状
我国面临着相当严峻的土壤重金属污染问题。农业部调查数据显示[2],我国约140万hm2的农业用地采用污水灌溉,受到重金属污染的土地面积占污染总面积的64.8%。据有关资料表明,我国重金属污染的农业土地面积为2 500 hm2左右,导致粮食减产逾1 000万t,并造成1 200万t以上的粮食被重金属污染,将各项经济损失进行合计,至少高于200亿元[3]。污染土地中,严重污染面积占8.4%,中度污染面积占9.7%,轻度污染面积占46.7%。Hg 和Cd 的污染面积最大。如上海农田耕层土壤Hg、Cd含量增加了50%,江西大余县污灌引起的Cd污染面积达5 500 hm2,沈阳张士灌区Cd污染面积达2 533 hm2。我国农田土壤污染除Cd、Hg污染外,Pb、As、Cr和Cu的污染也比较严重。以保定市污水灌区为例,其Zn、Cu、Pb、Cd的检出超标率分别达到100.0%、27.5%、50.0%、87.5%[4]。此外,我国菜地土壤重金属污染也较为严重[5-7]。广州市蔬菜地Pb污染最为普遍,As污染次之;重庆近郊蔬菜基地土壤重金属Hg和Cd出现超标,超标率分别为6.7%和36.7%;珠三角地区近40%菜地重金属污染超标,其中10%属严重超标。近年来,由于工业“三废”、机动车废气和生活垃圾等污染物的排放,我国城市土壤普遍受到不同程度的重金属污染,主要污染元素为Pb、Cd、Hg。且城市土壤中大部分重金属污染含量普遍高于郊区农村土壤,并具有明显的人为富集特点[8]。
2 土壤重金属污染修复技术
2.1 物理修复
物理修复是指通过各种物理过程将污染物从土壤中去除或分离的技术,主要包括土壤淋洗法、工程措施法、电热修复法等。
2.1.1 土壤淋洗法。该方法是应用最多、应用最早、技术最成熟的物理修复方法。采用淋洗液(包括无机溶液清洗剂、复合清洗剂、清水、表面活性剂、有机酸及其盐清洗剂、螯合剂等)对土壤进行淋洗,使固相重金属转化为液相,重金属从土壤中转移到废水,再通过对废水进行回收处理,从而实现土壤的修复。Wasay et al[9]研究发现,EDTA和DTPA能有效地去除土壤中Hg以外的重金属元素,同时也提取出大量土壤营养元素。土壤淋洗法简便、成本低、处理量大、见效快,适用于大面积重度污染土壤治理,尤其是轻质土和砂质土。但这种方法在去除重金属的同时,易造成地下水污染及土壤养分流失。因此,既能提取各种形态重金属又不破坏土壤结构的淋洗液,将为该方法修复重金属污染土壤提供广阔的应用前景。
2.1.2 工程措施法。该方法是较为经典和传统的土壤重金属污染修复方法,包括深耕翻土、换土、客土等。深耕翻土与污土混合,或者通过换土和客土等手段,可以使土壤中重金属的含量有效降低,从而降低其对植物的毒害。不同的方式适宜于不同污染程度的土壤,重污染区的土壤宜使用换土和客土方法改良,而轻度污染的土壤则适宜于采用深耕翻土的方法进行修复。工程措施法的优势在于效果稳定和彻底,但是也存在一定的不足,如费用高、工程量大、易降低土壤肥力和破坏土壤结构,还有换出的污染土壤也存在二次污染的隐患,应妥善处理。据报道,对1 hm2面积的污染土壤进行客土治理,每1 m深土体需耗费高达800万~2 400万美元[10]。因此,工程措施不是一种理想的污染土壤修复方法。
2.1.3 电热修复法。该方法利用高频电压产生电磁波,再通过电磁波作用而产生热能,从而促使土壤中挥发性重金属得以分离,实现土壤的修复和改良。目前,该方法适用于修复受Hg或Se等可挥发性重金属污染的土壤。有研究表明,采用该法可使砂性土、黏土、壤土中Hg含量分别从15 000、900、225 mg/kg降至107、112、115 μg/kg,回收的Hg蒸气纯度达99%[11-12]。这种方法虽然操作简单、技术成熟,但能耗大、操作费用高,也会影响土壤有机质和水分含量,引起土壤肥力下降,同时重金属蒸气回收时易对大气造成二次污染。
2.2 化学修复
化学修复也是一种原位修复技术,即通过向重金属污染土壤中添加改良剂,以调节和改变土壤的理化性质,使重金属发生沉淀、吸附、拮抗、离子交换、腐殖化和氧化还原等一系列化学反应,降低其在土壤中的迁移性和被植物所吸收的可能性,从而达到治理和修复污染土壤的目的。常用的改良剂有石灰性物质[13-15]、磷酸盐化合物[16-17]、硅酸盐化合物[18]、金属及其氧化物[19-20]、黏土矿物[21-23]、有机质[24-26]等,其作用机理见表1。这种方法虽然简单易行,但其不足在于它只是改变了重金属在土壤中的存在形态,却没有把重金属从土壤中真正分离出来,如果土壤环境发生变化,容易造成其再度活化,引起“二次污染”。
2.3 生物修复
生物修复是利用生物(主要是微生物、植物和动物)的新陈代谢作用吸收去除土壤中的重金属或使重金属形态转化,降低毒性,净化土壤。该方法是运用生物技术治理污染土壤的一种新方法,具体包括微生物修复法、植物修复法、动物修复法等。由于该方法效果好、易于操作,日益受到人们的重视,已成为污染土壤修复研究的热点。
2.3.1 微生物修复。该方法是通过微生物进行作用,将土壤中重金属元素进行沉淀、转移、吸收、氧化还原等,从而对污染土壤进行修复。如柠檬酸菌能够与Cd形成CdHPO4沉淀;无色杆菌、假单胞菌能够使亚砷酸盐氧化成砷酸盐,从而降低As的转移和毒性;还有些微生物能够把剧毒的甲基汞降解为毒性小、可挥发的单质Hg[3]。尽管微生物修复引起极大重视,但大多数技术仍局限在科研和实验室水平,很少有实例报道。但随着分子生物学的发展,一些如细菌表面展示技术、噬菌体抗体库技术、酵母表面展示技术等[27],有望在治理土壤重金属污染中发挥重要作用。
2.3.2 植物修复。植物修复广义上是指利用植物提取、吸收、分解、转化、固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物技术的总称;狭义上是指利用耐性和超富集植物将污染土壤中的重金属浓度降低到可接受的水平。根据其修复过程和机理,植物修复法可分为以下4种:①根部过滤[28],即通过耐性植物根系对重金属的吸收并保持在根部。常用的植物有水生植物、半水生植物以及个别陆生植物,如向日葵、耐盐野草、宽叶香蒲等。该法多应用于修复水体的重金属污染。②植物稳定[29],即利用植物根际的一些特殊物质,使土壤中污染物转化为相对无害物质的方法。常用的植物有印度芥菜、油菜、杨树、苎麻等。该法多应用于治理废弃矿场和重金属污染严重地区。③植物挥发[30],即利用植物吸收土壤中的重金属,并将其转化为可挥发状态,通过植物叶片等部位挥发出去,以降低土壤中重金属的含量。常用的植物有印度芥菜以及湿地上的一些植物。该法多应用于修复污染土壤中含有挥发性的重金属(如Hg、Se等),但易造成大气污染。④植物提取[31],即利用超富集植物从土壤中吸取重金属,并将其转移、贮存到地上部,然后通过收获,从而达到去除污染土壤中重金属的目的。目前,已发现超富集植物有700种以上,且广泛分布于约50科中,并主要集中在十字花科。该法适用面广,对于修复多种重金属污染土壤均有效。
植物修复法成本低,对环境扰动小,能绿化环境,具有良好的社会、经济、环境综合效益,适用于大规模污染土壤的修复,属于真正意义上的绿色修复技术。但该方法也有一定的缺点:一是超富集植物生长缓慢,常受土壤类型、气候、水分、营养等环境条件限制,导致修复污染较严重土壤的周期长;二是修复过程局限在超富集植物根系所能伸展的范围内;三是超富集植物只能积累某一种重金属,而土壤污染大多是重金属的复合污染;四是超富集植物需收割并作为废弃物妥善处置,将对生物多样性存在一定的威胁。
2.3.3 动物修复。动物修复是利用土壤中的某些低等动物(如蚯蚓等)吸收重金属的特性,在一定程度上降低受污染土壤的重金属比例,以达到修复重金属污染土壤的目的。有研究表明[32],蚯蚓在其耐受浓度范围内,对重金属的富集量随着重金属浓度的增加而增加,同时对重金属的选择性受其体内酶的影响。但这种修复方法不足在于低等动物吸收重金属后可能再次释放到土壤中,造成二次污染。
2.4 农业生态修复
农业生态修复是近几年新兴的修复技术,它是通过改变耕作制度、调整作物品种、调控土壤化学环境(包括土壤pH值、水分、氧化还原电位等)、改变土地利用类型、增施有机肥(堆肥、厩肥、植物秸秆等)、控施化肥等措施,以减轻重金属对土壤的危害[33]。我国在这一方面研究较多[34-36],并取得了一定的成效。这种方法具有投资少、无副作用等特点,适用于中轻度污染土壤,但也存在修复周期较长、效果不太显著等不利因素。
3 结语
综上所述,目前重金属污染土壤的修复技术很多,但就单一技术来看,任何一种修复技术都有其局限性,难以达到预期效果,进而无法大力推广。而且土壤重金属污染修复作为一项系统工程,不仅需要土壤学、植物生理学、遗传学、环境工程学、分子生物学等多个学科的共同努力,还需要多种修复技术的综合应用,即将物理修复、化学修复、生物修复科学地结合起来,取长补短,才能达到更好的效果。
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【关键词】重金属污染;现状;存在问题;对策
0.引言
重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染,在矿产开采、加工、冶炼等过程中不可避免的会产生一些废水、废气、含重金属废物等,如不妥善处置必将会对环境造成不利影响。随着我国工业化进程加快,近年来长期积累的重金属污染问题开始逐渐显露,从浙江湖州市血铅超标事件,陕西凤翔儿童铅超标事件,甘肃徽县群体性血铅超标事件及重金属污染“镉米”等等,可见重金属污染已影响到我们的生活环境。
1.白银市重金属污染现状
白银市重金属污染主要集中于白银区。白银区位于白银市西部,黄河上游中段,是白银市的政治、经济和文化中心,是我国重要的有色金属基地之一和甘肃省重要的能源化工基地,素有“铜城”之名。长期的矿产开采、加工以及工业化进程中积累形成的重金属污染问题十分突出。
白银市重金属污染现状调查和分析,以白银区为基本数据单元,以2007年全国污染源普查数据为基础。
1.1废水
2007年,全市含重金属工业废水产生总量为1271.6509万吨,其中白银区含重金属工业废水产生量为1168.2493万吨。全市含重金属工业废水中汞、镉、六价铬、铅、砷的产生量分别为480.41千克、164658.79千克、2437.14千克、175177.14千克和249796.93千克。2007年,全市含重金属工业废水排放量为752.0921万吨,其中其中白银区含重金属工业废水排放量为650.6993万吨。全市含重金属工业废水中汞、镉、铬、铅、砷的排放量分别为43.09千克、1997.5千克、90.44千克、6559.79千克和915.27千克。
1.2废气
2007年,全市含重金属工业废气产生总量为1523727.142万m3,其中白银区废气产生量为1200496.02万m3。全市含重金属工业废气中汞、镉、六价铬、铅、砷的产生量分别为0千克、24315.374千克、1780千克、7268067.51千克和101078.21千克。2007年,全市含重金属工业废气的排放量为1513139.38万m3,其中白银区含重金属废气排放量为1190204.08万m3。全市含重金属工业废气中汞、镉、铬、铅、砷的产生量分别为0千克、4689千克、1780千克、483216千克和2069千克。
1.3固废
2007年,全市含汞、铬、镉、铅、砷的危险废物产生量为1502686.45吨,白银区产生量为1466163.77吨。其中综合利用量为411709.82吨,白银区综合利用量为391506.72吨。处置量为39284.08吨,主要集中在白银区。贮存量为1051692.58吨,主要集中在白银区,为1035373吨。含汞、铬、镉、铅、砷的危险废物的排放量均为0。
2.存在的主要问题
白银市因矿设市,由于历史原因,缺乏统一规划,工业布局不合理,至今仍存在污染企业分散式发展。产业结构不合理,结构性污染突出,部分有色金属企业还存在资源综合利用率低、能耗高、生产工艺技术落后的问题。同时由于环境检测基础工作薄弱,重金属环境质量监测技术能力不足滞后于污染防控的需求。
3.对策分析
3.1严格分区,加大重点区域防控
目前白银市涉重企业主要集中在白银区,目前分布有涉重企业5家。为此,作为白银市重金属污染防治的重点区域白银区,其重金属污染防控工作应从以下几个方面着手进行:
①查清现状、清理遗留。白银市是一座因矿设市的城市,伴随着大规模矿产资源开发,出现了主导优势资源枯竭、环境污染严重的突出问题。因此,必须要对重金属污染现状有一个清醒的认识。目前应积极着手对现状进行认真分析,切实查清重金属污染现状,同时对区域内遗留历史问题进行一次摸底排查,在此基础上有针对性的制定污染防治工作技术路线和实施方案。
②分工明确、责任明确,落实白银区重金属污染防治工作的主体包括白银市政府、白银区政府、相关企业等三级机构。三级主体应具有明确的工作分工各负其责。其中市政府作为牵头和责任主体,负责制定和落实重金属污染防治规划、相关政策和规定,进行统筹规划和把握;区政府主要职责是协助市政府督促企业认真落实市政府制定的相关防治政策和措施。重金属防治工作的绝大部分内容会落实到相关的企业中,各相关企业应积极响应政府指定的各项污染防治政策。
③加大公众参与的力度,在白银市重点区域内应进一步加强公众参与工作,实现“群防群策”。普及相关知识,通过参观、讲座、设置展板、发放宣传单等途径让公众真正了解重金属污染的一些基本知识,重金属对人体的污染途径、防范措施等;设置联络,可在基层政府、企业、居民区等设置联络人,负责及时了解周边各阶层公众的意见、建议和要求,并对公众的意见定期进行汇总、反馈,同时对国家、政府的有关政策进行“上传下达”,使得公众意见有合理、合法的渠道及时的反映到有关部门和单位。
3.2 优化结构,加大重点企业防控
针对白银市重金属污染防控的重点排污企业,做好如下几方面的工作:
①全面推行清洁生产审核。推行清洁生产审核是从源头控制污染的有效手段之一,现有企业应全部进行强制清洁生产审核,所有涉重企业清洁生产水平必须达到国内甚至国际先进水平,否则应立即进行技术改造,以提高全行业的清洁生产水平,切实从源头上防控重金属污染。
②严格执行行业准入条件。以国家的有关产业政策、准入条件等为依据,依法坚决淘汰落后工艺,加快全行业在产能、工艺技术、污染防治水平等方面的改造升级步伐和速度。通过加快产业结构调整、优化产业布局等途径,从根本上实现涉重行业的重点防控。
3.3 实施严格的重金属污染源监管
①加强对涉重企业污染源稳定达标排放监管。对区内涉重企业进行加密监管。对废气排放口、车间废水排放口及企业总排口等,除按照监测计划定期进行监测外,还应采取加密监测、不定期抽查等措施增加污染物排放监督性监测和现场执法检查频次,以敦促相关企业切实保障相关污染治理设施稳定正常运行,确保污染源稳定达标排放。
②加强日常监管。应进一步加强涉重企业日常环境管理的规范化,要求做到:有专业管理机构和人员、有完整的管理制度、有完整的污染治理设施运行记录(台账)、有持续的管理人员培训教育计划、有规范的档案管理。
3.4 加大重金属综合治理力度
①加强重金属环境风险应急管理能力。在认真分析总结重金属环境风险事故的发生特点、危害方式等的基础上,制定严谨的重金属污染防治应急管理体系,应包括重金属风险管理机构、重金属环境风险应急预案等。组织体系应涵盖政府、企业、员工及周边群众等层面,提高高危企业人员的污染隐患意识和环境风险意识,进一步明确责任,克服麻痹大意思想。
②积极推动深度治理,提高重金属污染物的去除效率。在现有污染源全部实现达标排放的基础上,积极引进先进的污染治理技术和工艺,通过增加污染治理设施级数、改革工艺等手段实现重金属污染物的深度处理,提高去除率、进一步削减排放量。对积极主动对污染治理设施进行深度处理技术改造的企业,政府应采取一定的鼓励性政策,如低息贷款、减免税收等。同时应对那些设施陈旧、不能稳定达标排放的重污染企业以及可能存在环境安全隐患的企业,进行限期整改,问题严重的,坚决实行停产整顿。
3.5 加强重金属环境监管能力建设
①设立常规监测点位。在白银区东北涉重污染企业相对集中区域,按照相关技术规范的规定设立环境空气、土壤、地下水、地表水、农作物等常年固定监测点位,定期进行监测,并对监测结果进行统计分析,及时掌握区内重金属污染动态变化情况。为重金属环境污染防治工作提供可靠的基础依据。
②及时建立监控网络。重金属污染环境监控网络体系应当涵盖当地政府、环保监测、疾病控制中心、农林、国土等相关主管部门,形成全方位、多角度的监控体系。对相关监测资料应逐步实现共享、相互印证,以便得出最终科学合理的结论。
③积极推广人体健康普查。重金属污染重点防控区域内应适时开展较为普遍的定期人体普查制度。普查对象应涵盖企业生产一线职工、周边长住居民代表等,以便及时掌握周边人群健康受影响状况,并及时采取针对性防范措施。
【参考文献】
[关键词] 农田土壤 重金属污染 现状 方法
[中图分类号] S158.4 [文献标识码] A [文章编号] 1003-1650 (2013)09-0037-02
土壤是由一层层厚度各异的矿物质成分所组成的。土壤和母质层的区别表现在形态、物理特性、化学特性以及矿物学特性等方面。由于地壳、大气和生物圈的相互作用,土层由矿物和有机物混合组成。疏松的土壤微粒组合起来,形成充满间隙的土壤形式。相对密度在4.5g/cm3以上的金属称作重金属。土壤中的重金属累积后对人体的危害相当大,能引起人的头痛、头晕、失眠、健忘、神经错乱、关节疼痛、结石、癌症(如肝癌、胃癌、肠癌和畸形儿)等。
一、土壤重金属污染的定义
土壤重金属污染是指由于人类活动,土壤中的微量金属元素在土壤中的含量超过背景值,过量沉积而引发的问题统称为土壤重金属污染。过量重金属可引起植物生理功能紊乱、营养失调,此外汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动,影响氮素供应。重金属污染物在土壤中移动性很小,不易随水淋滤,不为微生物降解,通过食物链进入人体后,潜在危害极大。一些矿山在开采中尚未建立石排场和尾矿库,废石和尾矿随意堆放,致使尾矿中富含难溶解的重金属进入土壤,加之矿石加工后余下的金属废渣随雨水进入地下水系统,造成严重的土壤重金属污染[1]。
二、重金属污染物的来源
污染土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)等元素。主要来自于固体废物,如乱扔旧电池、电子线路板;工业选矿垃圾等的堆集;含重金属的废水未达标排放,被污染地下或地表水径流、渗透;重金属粉尘的沉降等。如汞主要来自含汞废水,镉、铅主要来自冶炼排放和汽车废气沉降,砷则来源于杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂和除草剂。
三、土壤重金属污染的特点
1.隐蔽性和滞后性
大气污染、水体污染和废弃物污染等一般通过感官就能发现,而农田土重金属污染往往要通过对土壤样品的分析化验、对农作物残留检测,甚至通过研究人畜健康状况后才能确定。因此农田土重金属污染从产生到问题出现通常会经过较长的时间,并具有一定的隐蔽性。
2.不可逆性和难治理性
如果大气和水体受到了污染,切断污染源后通过稀释作用和自净化作用也可能会使污染问题逆转。但是累积在农田土中的难降解重金属则很难靠稀释作用和自净化作用来加以消除。某些被重金属污染的土壤可能需要 100~200年的时间才能恢复原状。因此土壤重金属污染一旦发生后通常很难治理,而且其治理成本比较高、治理周期也比较长。
3.表聚性
农田土中的重金属污染物大部分残留于土壤耕层中,很少向土壤下层移动。这是由于土壤中存在有机胶体、无机胶体和有机-无机复合胶体,它们对重金属有较强的吸附能力和螯合能力,这就限制了重金属在土壤中的迁移。因此农田土中的重金属污染物很少向土壤下层移动,大部分残留在土壤耕层,这就导致农作物污染,进而危害人类的健康。
四、我国土壤重金属污染现状
我国的土壤重金属污染物主要来源于污水灌溉、工业废渣和城市垃圾等。污水中占有较大比例的工业废水的成分比较复杂,不同程度地含有微生物难以降解的多种重金属,是土壤重金属污染物的主要来源。
目前我国因农药和重金属污染的土壤面积已经达到上千万公顷,污染的耕地约有一千万公顷,占耕地总面积的10%以上。全国每年受重金属污染的粮食高达l200万吨,因重金属污染而导致的粮食减产高达1000多万吨,经济损失至少有200亿元。华南有的地区接近50%的农田遭受镉、砷、汞等重金属污染;广州近郊因为污水灌溉而污染的农田有2700公顷,因使用污泥造成1000多公顷的土壤被污染;上海的农田耕层土壤汞、镉含量增加了50%;天津市近郊因污水灌溉而导致超过两万公顷农田受重金属污染。国内蔬菜重金属污染的调查结果显示,我国菜地土壤重金属污染形势严峻,珠三角地区接近40%菜地重金属含量超标,其中10%属“严重”超标;重庆市的蔬菜重金属污染程度为镉>铅>汞,近郊蔬菜基地的土壤重金属汞和镉出现超标情况,超标率分别为6.7%和36.7%;广州市的蔬菜地铅污染最为普遍,砷污染次之[2]。
五、土壤重金属污染的危害
重金属污染与其他有机化合物的污染不同。不少有机化合物可以通过自然界本身物理的、化学的或生物的方式净化,使有害性降低或解除。而重金属具有富集性,很难在环境中降解。即使有益的金属元素浓度超过某一数值也会有剧烈的毒性,使动植物中毒,甚至死亡。金属有机化合物(如有机汞、有机铅、有机砷、有机锡等)比相应的金属无机化合物毒性要强得多;可溶态的金属又比颗粒态金属的毒性要大;六价铬比三价铬毒性要大等。
重金属在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用,使它们失去活性,也可能在人体的某些器官中富集,如果超过人体所能耐受的限度,会造成人体急性中毒、慢性中毒等,对人体会造成很大的危害。有关专家指出,重金属对土壤的污染具有不可逆转性,已受污染土壤没有治理价值,只能调整种植品种来加以回避。
六、重金属污染土壤的修复
土壤被污染后,为了避免其对植物的生长和通过食物链对人类造成危害,需要将其从土壤中清除掉。重金属污染土壤的修复技术主要有两种,一是改变重金属元素在土壤中的存在形式,使其由活化态转变为稳定态;二是从土壤中去除重金属元素,使土壤中重金属元素的浓度接近或达到背景含量的水平[3,4]。当前采用的治理方法主要有以下三种:
1.工程治理
即用物理(机械)原理治理重金属污染的土壤,主要有热处理技术、淋滤法、洗土法以及深翻法;
2.生物修复
即针对土壤中的重金属具有生物迁移这一特点而提出的一项净化措施,即利用某种特殊的植物、动物或者微生物能吸收土壤中的重金属污染物从而达到净化的目的;
3.改良剂
即投入各种土壤的改良剂,主要用于调节酸碱度和化学组分,使重金属能够以生物有效性低,毒害程度弱的形式存在。
国内对于土壤污染的治理已有过不少探索,从治理的手段上可以分为物理、化学和生物措施。物理和化学措施主要采用直接换土法、电化法、稳定固化法等方式。但物理和化学措施只适用于有限时空的土壤治理,大规模采用该方式成本太高,也不便于实施。而生物措施则主要利用动物、植物、微生物的生物作用,所用设施相对简单,成本低廉,更适合大规模应用。传统的植物修复技术是利用重金属超富集植物(多为草本植物)的种植吸收土壤内的重金属元素,但在实际应用中存在较大限制,且需要每年进行种植和收割,增加了土壤修复的成本。所以,寻找和培育重金属高富集能力的木本植物成为一个亟待解决的问题。
七、结束语
土壤重金属污染具有污染范围广、持续时间长、污染隐蔽性、难被生物降解等主要特点,并可能通过食物链不断地在生物体内富集,甚至可转化为毒害性更大的甲基化合物,对食物链中某些生物产生毒害,或最终在人体内积累而危害健康。为了预防土壤重金属污染,我们应当树立环保意识,充分认识其危害性,从小事做起,在根本上去除污染来源,杜绝废水、废气的任意排放,及时处理城乡垃圾,不滥用化肥农药。如何恢复重金属污染地区的本来面目也是一个长期性的课题,需要我们不断努力作进一步的探讨。
参考文献
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关键词:城市土壤;重金属污染;土壤环境
中图分类号:X53 文献标识码:A
前言
因城市土壤吸收了工业污染源、燃煤污染源及交通污染源等释放的重金属,在一定程度上对人类的健康造成影响,且对地表水及地下水等水生生态系统造成污染,导致水质系统紊乱,所以土壤重金属污染问题在城市土壤研究中占据重要地位。目前,对城市土壤重金属污染采取有效的管理及治理措施是必要的,避免土壤重金属污染导致大气和地下水质量的进一步恶化及循环。
1 我国城市土壤重金属污染危害分析
回顾性分析导致城市土壤出现重金属污染问题,其“罪魁祸首”多是由于人类日常活动造成的,如不同工矿企业生产对土壤重金属的额外输入及农业生产活动影响下的土壤重金属输入、交通运输对土壤重金属污染的影响等。自然成土条件也会对土壤重金属污染造成影响,如风力与水力的自然物理、化学迁移过程等带来的影响,又如成本母质的风化过程对土壤重金属本底含量的改变[1]。目前,我国很多大城市的土壤仍旧面临着铅、贡及镉等主要污染元素的继续污染,例如,北京、上海、重庆、广州等,土壤都受到不同程度的重金属污染。随着工业、城市污染的加剧以及农业使用化学药剂的增加,城市重金属污染程度日益严重,有关研究统计,目前我国受铅、镉、砷及铬等重金属污染的耕地及城市环境面积共约2000万hm2,占总耕面积的20%。随着土壤重金属污染面积的扩大,我国大量植物生长受到影响,植株叶片失绿,出现大小不等的棕色斑块,同时,根部的颜色加深,导致根部发育不良,形成珊瑚状根,阻碍植株生长,甚至死亡。此外,大量研究证实,土壤重金属污染影响农业作物的产量与质量,人类通过食用这些农作物产品会对健康及生命造成一定威胁。例如,体内重金属镉含量的增加会导致人类出现高血压,从而引发心脑血管疾病;基于铅属于土壤污染中毒性极高的重金属,临床验证一经进入人体,将难以排出,从而影响身体健康,其能对人的脑细胞造成危害,尤其是处于孕期中的胎儿,其神经系统受到影响,导致新生儿智力低下;再者,重金属砷具有剧毒,人类长期接触少量的砷,会导致身体慢性中毒,是皮肤癌产生的明确因素。
2 防治措施与发展展望
2.1 综合措施的运用
应对城市土壤重金属污染问题采取必要的措施,现阶段采用物理化学法结合生物修复法的综合措施进行干预。顾名思义,物理化学法即是运用物理、化学的理论知识研究出治理土壤重金属污染的有效方法。基于土壤重金属污染前期,污染具有集中的特点,易采取的方法为电动化学法、物理固化法。通常采用物理化学法治理重金属污染重且面积较小的土壤,过程中能体现物理化学法效果显著且迅速的特点。例如,我国对城市园林土壤重金属污染,采用物理化学法进行干预,减少了园林植株受损的数量。但对于重金属污染面积过大的城市园林不易采用物理化学法,因土壤污染面积过大,致使人力与财力的投入量增加,且易破坏土壤结构,从而降低土壤肥力。利用生物的新陈代谢活动降低土壤重金属的浓度,使土壤的污染环境得到大部分或彻底恢复,这一过程称为生物修复。实践中,生物修复具有效果佳,无二次污染的优点,且能降低投资费用,便于管理,利于操作[2]。随着生物修复在治理污染问题中的技术运用逐渐推进,已纳入土壤污染修复方法中的焦点行列。
2.2 发展趋势
现阶段,基于我国土壤重金属污染治理法中的生物修复法尚处于初级阶段,有待于提升其应用价值。就我国领土拥有丰富的植被资源而言,为尽可能保护植被资源,应尽快从植被中选取出能抵抗超量重金属的植物,并从能抵抗超量重金属的植物种类中选取相对应的突变体,从而构建起能抵抗超量重金属的植物数据库,并依次对数据库中的植物进行生理及生化的研究。在研究中,采用先进信息技术GPS加强城市区域土壤重金属镉、铅、砷及铬等含量的空间变异与分布控制研究。同时,对土壤中复合重金属污染中各元素间的作用与关系进行研究,从而不断优化物理化学法。
有关文献表明,我国城市土壤重金属污染治理在未来将会面向以下几方面发展,其发展趋势具有极大突破点。以我国各个城市土壤重金属污染的数据为依据,建立起综合的城市土壤数据库,以便于全面且彻底的开展城市土壤重金属污染的调查,有关内容包括:重金属的种类、含量、分布地段及其来源;着手于我国各个城市土壤中污染物质的含量研究,分析生物效应以及人类健康风险,从而为治理土壤污染问题奠定基础;土壤重金属污染涉及面较广,除影响生物及人类健康之外,对土壤、水质、空气质量及大自然整个生态系统都造成了不可避免的影响。因此,将这一课题纳入研究中是必要的,未来将面向对土壤重金属污染与地表及地下水、空气可吸入颗粒物含量与其性质存在的关系进行研究[3];不断优化判断重金属污染来源的相关技术;我国区域城市土壤重金属污染研究主要依据的工具是可视化计算机软件(GIS),利用其强大的空间分析功能与空间数据管理功能运用在判断重金属污染源及其分布地段的研究中,同时能对我国区域城市重金属污染的风险评估进行分析。
3 结语
综上所述,对土壤生态系统的结构、功能与水、土、气、生等其他生态系统的友好关系进行维护是污染治理的前提。目前,我国土壤重金属污染治理正处于上升阶段,面向深化研究,势必探讨出更有成效的治理方法,使人们的生活及健康得到保障。
参考文献
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论文关键词:城市土壤,重金属污染,污染治理
引言
城市是人类社会经济发展的必然产物。从18世纪以来人口不断向城市集中。如今随着各国工业迅猛增长,社会经济飞速发展,城市的数目和规模均不断扩大[1]。而城市环境是一个以人为中心的城市经济、社会生态的复合生态系统。目前,城市人口剧增,人类活动频繁污染治理,使得组成这个环境的水、空气和土壤时刻处于被污染的状况之下,影响着城市的可持续性发展中国。所以,建设一个绿色健康的城市环境是城市可持续发展的必然方向。
城市土壤是指受多种人为活动的强烈影响,原有继承特性遭到强烈改变的厚度大于或等于50cm的城区或郊区土壤[2],是城市环境的重要组成部分,是城市生态系统地球化学循环的重要环节[3],也是城市赖以存在发展的物质基础。当大量的重金属随着各种各样的人类活动进入城市土壤中,便造成这些元素在土壤中的积累。一般认为,土壤中污染物累积总量达到土壤环境背景值的2或3倍标准差时,说明土壤中该污染元素或化合物含量异常,已属土壤轻度污染;当土壤污染物含量达到或超过土壤环境基准或环境标准时污染治理,说明该污染物的输入、富集的速度和强度已超过土壤环境的净化和缓冲能力,则属重度土壤污染。由于城市人口密集,人类活动频繁,与土壤接触的机率很高,所以城市土壤的重金属污染更容易通过大气、水体或食物链而直接或间接地进入人体,威胁着人类的健康甚至生命。因此,研究城市土壤重金属污染现状并提出相应的治理对策是可持续发展城市所必需进行的重要的基础工作。
1.城市土壤重金属污染的现状
2.1 空间分布特征
由于城市土壤受人类各种活动的强烈影响,因此其重金属污染分布也呈现出
显著的空间差异。一般地,人口聚集的城市中心区域土壤重金属含量明显高于郊区和农田。对纽约市“市区-郊区-农区”土壤研究发现,重金属离子总量、重金属离子多样性等随着距市中心距离的增加而降低,重要污染重金属Pb、Cu、Ni、Cr的含量下降非常明显[4]。
在城市不同的功能区污染治理,重金属分布呈现出一定的规律性。一般的规律表现为:Pb的浓度为老工业区>老居民区>商业区>开发区>其它;Zn的浓度为老居民区>商业区>老工业区>其它;Cu的浓度为老居民区>商业区>其它;Cd的浓度为老工业区>老居民区>其它[5 - 7]中国。
城市公园是人们与土壤直接接触较多的特殊区域。北京城区三十多个公园土壤Pb质量分数调查表明,尽管大多数公园土壤污染程度轻,但客流量大的故宫、颐和园等著名公园污染指数却远远高于其它公园[8]。
城市土壤重金属污染的另一特征是公路两侧一般为城市土壤重金属污染最严重的地带,且呈明显的带状分布[9]。在50 m~80 m内公路两侧土壤中铅污染相当严重,100 m外土壤中的铅含量没有明显增加[10]。
此外,建筑物的建设、垃圾的堆积填埋等严重破坏了自然土壤结构,土壤层次凌乱,重金属在其垂直剖面方向分布变异较大,不同功能区重金属元素在土壤中各层的聚集状况没有规律可循[11,12] 。
2.2城市土壤重金属污染的来源
矿产冶炼加工、电镀、塑料、电池、化工等行业是排放重金属的主要工业源,其排放的重金属可以气溶胶形式进入到大气,经过干湿沉降进入土壤;另一方面污染治理,含有重金属的工业废渣随意堆放或直接混入土壤,潜在地危害着土壤环境[13]。随着城市化发展,大量污染企业搬出城区,原有的企业污染用地成为城市土壤重金属污染的突出问题[14]。
燃煤释放也是土壤重金属重要来源之一, 195年中国燃煤排放汞302.9吨,其中向大气排放量为213.8吨,北京、上海等超大城市排汞强度较高[15]。虽然近些年燃料使用及供暖方式的改变已明显改善这些城市的空气污染状况,但过去燃煤释放并已沉降至城市土壤中的重金属对城市生态系统、环境及人体健康仍会产生长期效应。
随着城市化发展,交通工具的数量急剧增加,汽车轮胎及排放的废气中含有Pb、Zn、Cu等多种重金属元素[16,17],进入周围的土壤环境污染治理,成为土壤重金属污染的主要来源之一。此外,雨水淋洗也会使市区内堆放的垃圾中的重金属以有效态形式[18]渗漏释放到土壤中,使城市土壤局部重金属含量增加中国。而表生条件下以有效态形式存在的金属元素几乎不可能再结合为残渣态,重金属在土壤中迁移能力增加,进而污染地下水。
2.3城市土壤重金属污染影响人体健康的途径
城市郊区是市区蔬菜的主要供应基地。因此,土壤-蔬菜系统是城市人群暴露土壤重金属污染的主要途径之一。目前研究发现中国城郊菜地土壤已受到不同程度的重金属污染[19,20],其供应的许多蔬菜中重金属含量已超过相应的标准。而西班牙的Nadal等通过建立评价模型发现工业地区甜菜中Cr的积累与摄入有可能导致癌症发生率增加[21]。
城区内,土壤中主要种植的是观赏性或净化空气的植物,通过土壤-植物食物链对人体造成健康危害的可能性不大。但公园土壤与游人皮肤接触[22]、儿童摄取[22]、风起扬尘被人体直接吸入等成为城市土壤直接接触人体危害健康的又一个主要途径。研究发现[23,24]沙尘暴时,扬尘中来源于土壤的重金属元素Pb、Zn、Cd、Cu等的浓度比平常高出3~12倍,可吸入颗粒物的质量浓度极高污染治理,人体吸入重金属的量因此增加。
2.城市土壤重金属污染的治理对策
城市土壤是城市生态环境的重要组成部分,是地球环境中进行物质、能量、信息交换的重要环节。当其中的重金属含量超过其环境承载力后,将通过地表径流、淋溶、大风扬尘等途径对地表水、地下水和大气环境产生危害。为了保证人类和谐地生活在高速发展的城市中和人类社会的可持续发展,寻找控制治理城市土壤重金属污染的有效方法势在必行中国。
3.1减少或切断重金属污染源,提高城市环境质量
在可持续发展理论和生态优先的原则下,改进生产工艺,实现绿色生产和循环经济,充分回收转换工业生产过程中产生的重金属有害物质,减少三废排放,禁止任意堆放工业生产的废渣,防止其中的重金属物质下渗到土壤或挥发到大气中。
减少煤的使用污染治理,开发清洁能源新技术,调整能源结构及能源供给方式,也是有效降低城市土壤重金属污染的有效措施。
分类收集处理城市垃圾,回收其中有用的重金属元素,在垃圾重金属不超标的情况下才能进行填埋、堆肥和焚烧。
3.2修复污染土壤,降低对人体的危害
由于土壤扬尘已成为城市大气重金属污染的主要来源。因此,可采取化学方法去除土壤中重金属。实验研究发现采用EDTA溶液淋溶去除土壤重金属的同时还可以回收利用这些物质,因此其成为去除城市土壤重金属的一种极有应用前景的方法。
当然,生物修复污染土壤有着工程措施无法相比的优势。种植植物不仅可以覆盖城市土壤,减少土壤扬尘的机会,而且还美化城市景观污染治理,净化空气,同时根据污染城市土壤的重金属元素种类有目的地选择植物种类合理搭配,可切实有效地从根源上修复城市土壤中的重金属污染。
3.3 建立城市土壤重金属健康评价标准
我国尚未制定出城市土壤重金属健康评价标准,不易界定城市土壤重金属污染,这不利于城市土壤不同功能的开发,因此应结合人体健康评估、土地利用方式和土壤中重金属赋存状态加大对城市土壤重金属健康评价体系研究的力度,尽快建立相应完整的评价标准,实现对城市土壤正确的评价,以便帮助政府相关部门制定出合理的法规,有效地保护、管理城市土壤和正确指导城市土壤的合理开发。
参考文献
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关键词:中药;重金属;评价方法;述评
DOI:10.3969/j.issn.1005-5304.2016.02.040
中图分类号:R282 文献标识码:A 文章编号:1005-5304(2016)02-0134-03
Research Status of Heavy Metal Pollution and Evaluation Methods of Traditional Chinese Medicine ZHAO Rong, YANG Hui-xia, PU Jin, WANG Dan-jie, ZENG Guang (Beijing University of Chinese Medicine, Beijing 100029, China)
Abstract: Heavy metal pollution in traditional Chinese medicine has become a concerned hot issue both at home and abroad. Understanding and mastering the situation of heavy metal pollution in traditional Chinese medicine is not only beneficial to the general situation of judgment of heavy metal pollution, but also provides the data foundation for the development of relevant policies. In this article, the current heavy metal pollution of traditional Chinese medicine and its evaluation methods were summarized, in order to provide supports for the follow-up systemtic evaluation of heavy metal pollution in traditional Chinese medicine.
Key words: traditional Chinese medicine; heavy metal; evaluation methods; review
土壤是中药材生长最基本的要素,为其生长提供了有机质和矿物营养元素。因此,一般说来土壤重金属污染越严重,中药材受重金属污染也就越严重,其产量和品质也越差。为此,笔者对近十几年的相关研究进行总结,为进一步系统评价我国中药材重金属污染提供参考。
1 中药材重金属污染研究
1.1 现状
近几年的研究表明,我国中药材重金属超标的严峻形势不容忽视。2011年,邹氏等[1]对“浙八味”品种生长调查发现,浙贝母、温郁金、白术、白芍镉(Cd)超标情况相对严重,尤其温郁金100%超标,有的甚至超过标准数倍。冯氏等[2]对100种中药材进行测定,结果显示铅(Pb)、Cd、砷(As)等有害重金属元素存在于大部分的中药材中。王氏等[3]对金银花、山楂、红花等10种中药材所含As、Cd、铜(Cu)、汞(Hg)、Pb进行了测定,发现除山楂外,其余9种中药材均超标。其中金银花As超标率为24%,Hg超标率为47%,Cd超标率为24%,Pb超标率为6%;积雪草Cd超标
通讯作者:曾光,E-mail:zengg1234@163.com
率为100%,As和Pb超标率为18%,Cu超标率为9%。杨氏等[4]对黔东南州9种中药材重金属污染情况进行了评价,结果7个品种重金属超标,其中金银花Pb和Cd含量超标、黄柏Pb含量超标。颜氏等[5]对陕西和山东产丹参进行了重金属检测,结果两地产丹参均含As、Hg、Cu、Cd、Pb等,其中Cu超标相对较为普遍。陈氏等[6]对医院药房常用10种中药饮片进行了As、Hg、Pb、Cd、镍(Ni)测定,结果在35个样本中有18个样本的重金属含量超标,占总样品量的51.4%。其中泽泻、白术Cd超标,黄芪、丹参、甘草、泽泻Hg超标,丹参、柴胡、甘草、当归Ni超标;按品种计,10个品种有7个受污染,比例达70%。采自药店的10个样品中有4个受重金属污染,比例为40%。
由此可见,目前我国中药材重金属污染形势十分严峻,尤其是近30年来,随着城市化和工业化的快速发展,大量未经处理的生活污水和工业废弃物任意排放,以及不合理使用化肥农药,导致我国中药材重金属超标现象严重,品质不断下降。因此,解决中药材重金属污染的问题迫在眉睫。
1.2 污染来源
1.2.1 中药材自身特性 中药材对某些金属元素具有生物富集能力,在按自身需要特定比例主动吸收同时,对土壤中富集元素也会相应地被动吸收,这是导致中药材重金属超标的重要途径。如顾氏等[7]研究了川附子与土壤中重金属元素的关系,发现重金属的存在形态决定了川附子对土壤中重金属的吸收。
1.2.2 工业废弃物 这是土壤重金属污染的主要来源之一。工业废弃物对中药材重金属污染主要表现为:一方面,工业生产将大量含重金属的有害气体排放到空气中,植物叶面通过主动或被动吸收,将废气中的有害物质吸收;另一方面,含有重金属的废水、固体废弃物通过灌溉,造成中药材的间接污染[8]。
1.2.3 农药和化肥 农药一般含有As、Hg、Pb、Cu等重金属元素,用于喷洒中药材时,易被其吸收并渗透于根茎、叶片及果皮等组织内,造成重金属污染。此外,中药材在种植过程中需使用肥料,其中磷肥的大量使用,会明显增加土壤Cu、Cd等重金属元素的含量,导致中药材被污染[9]。
1.2.4 其他 因容器或辅料含有重金属,中药材在加工、炮制过程中也可能被污染。顾氏等[7]研究发现,炮制后的川附子在As、Cu等重金属元素的含量高于炮制前。另外,为防治鼠害、霉变等,中药材在存储前会使用重金属制品的熏蒸剂,这也是造成中药材重金属污染的原因之一。
2 中药材重金属污染评价方法
笔者通过查阅近十几年文献,发现目前对中药材重金属污染的常用评价方法有2种:一是以2001年国家颁布实施《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》[10]重金属限量值或《中华人民共和国药典》[11]重金属限量值为标准,评价中药材重金属的超标率;另一种方法是评价中药材重金属污染程度的大小,因中药材重金属污染可能既是单一元素也是多元素共同作用的结果,因此,须相应采用单项污染指数或综合污染指数法评价中药材重金属污染程度。
2.1 超标率的计算
中药材重金属超标率,是指所取样本中重金属含量超过了《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》或《中华人民共和国药典》中重金属限量值标准的样本的百分数,是反映中药材重金属污染状况的指标之一。评价标准参照《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》或《中华人民共和国药典》重金属的限量值,两者关于重金属限量值是一致的,即Pb≤5 mg/kg,As≤2 mg/kg,Hg≤0.2 mg/kg,Cd≤0.3 mg/kg,Cu≤20 mg/kg。
在我国,计算重金属超标率是评价中药材重金属污染普遍使用的一种方法。叶氏等[12]参照《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》,对贵州省4个种植基地的5种中药材所含Pb、Cd、Hg、As、Cu等重金属含量进行了测定分析。结果Cd的超标率最严重,茎叶类药材Cd的超标率最高达84%;其次是Cu,茎叶类药材超标率为76%,花果类药材超标率为60%。李氏等[13]对中药材41种无机元素的总含量进行了测定,并参照《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》分析了重金属元素超标情况,结果Cu、Pb、As、Cd、Hg的超标率分别为5.2%、4.7%、2.4%、20.0%、1.3%。高氏[14]测定7个主产地甘草中Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb、铋共8种重金属的含量,并将测定结果与《中华人民共和国药典》重金属限量标准进行对比,结果发现As、Hg、Pb是造成甘草重金属超标的主要因素。
2.2 单项污染指数和综合污染指数法
中药材的重金属污染可能由单一重金属元素所致,也可能是由多种重金属元素共同作用的结果。目前单项污染指数是国内普遍采用的方法之一,但单项污染指数只能反映某一种重金属元素对中药材的污染。为了能够全面反映各重金属对中药材的作用,并突出高浓度重金属元素对中药材质量的影响,还需采用综合污染指数法对中药材重金属污染进行评价。
2.2.1 单项污染指数法 单项污染指数定义为Pi=Ci÷Si,式中Pi为中药材中重金属元素i的污染指数,Ci为中药材中重金属元素i的实测浓度,Si为中药材中重金属元素i的限量标准值(通常以《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》或《中华人民共和国药典》重金属的限量值为评价标准)。当Pi≤1时,表示中药材未受污染;Pi>1时,表示中药材受到污染,且Pi越大则中药材受到的污染越严重。
2.2.2 综合污染指数法 综合污染指数能全面反映重金属对中药材的污染,并突出了高浓度重金属元素对中药材的影响。其定义为P综合= ,式中Pave为中药材中各单项污染指数之和的平均值,Pmax为中药材中各单项污染指数中的最大值。当P综合≤1时,表示未受污染;P综合>1时,表示受到污染,且P综合越大则表示受到污染越严重。
迄今,有不少学者采用单项污染指数和综合污染指数法对中药材重金属污染情况进行过研究。如褚氏等[15]研究了河北省安国市种植区中药材重金属污染情况,结果发现As含量0.04~1.02 mg/kg,未发现超标样品,但紫菀平均污染指数最高为0.28;Hg含量0~0.244 mg/kg,有一产地为安国北郊的白芷样品超标,其污染指数为1.22;Pb含量0.06~7.10 mg/kg,有一产地为西王奇的北沙参样品超标,其污染指数为1.42。杨氏等[4]对黔东南州9种中药材重金属污染情况进行了评价,结果显示其重金属平均污染指数相差较大,综合污染指数相差较小。在平均污染指数中,Pb最大,其最大值高达4.94;其次为Cd,最大值2.40;而Hg和As的平均污染指数均<1.0。说明黔东南州部分地区中药材的主要污染因子是Pb,其次是Cd,而Hg和As则基本无污染。另外,从综合污染程度看,9种中药材中钩藤受到中度污染,杜仲、金银花受到轻微污染,其余6种未受到污染。秦氏等[16]对贵州省11个“中药材生产质量管理规范”(GAP)基地的26种155批道地中药材样品重金属含量进行了测定与评价,结果平均污染指数大小顺序为Cd>Cu>As>Pb>Hg,茎叶类的艾纳香和块根类的羊藿根综合污染指数均>1,说明在所调查的样品中只有艾纳香和羊藿根受到重金属轻微污染,大部分未受到污染。由此可见,单项/综合污染指数法应用于评价中药材重金属污染程度是一种较为可靠的方法。
3 小结
【Key words】Electroplating industry soil remediation bioremediation combined remediation plants and microorganisms
1 前言
土壤重金属污染是我国亟待解决的环境问题。电镀行业是产生重金属污染的主要行业之一。由于电镀行业使用了大量强酸、强碱、重金属等有毒有害化学品,在工艺过程中排放了高毒物质和危害人类健康的废水、废气和废渣,对人类的生存环境产生了巨大危害。尤其是重金属镍污染后果相当严重,镍可引起接触性皮炎,直接进入血液的镍盐毒性较高,胶体镍或氯化镍毒性较大,可引起中枢性循环和呼吸紊乱,使心肌、脑、肺、肾出现水肿、出血和变性,长期接触、吸入或注射镍化物均有致癌作用。电镀企业关闭后遗留的重金属污染土壤对环境构成严重威胁。然而如何针对性地有效进行修复治理,是人类面临的又一大问题。电镀厂污染场地属于重污染行业污染场地,急需进行环境综合治理与土壤修复[1]。
本文通过对某电镀厂厂区土壤样品监测结果的分析研究和修复治理方法的探讨,为进一步开展污染土壤修复工作以及合理规划和利用该场地提供科学的理论依据,同时,对于改善和提高当地城镇环境质量、保障人体健康和维护社会稳定也将具有重大意义。
2 企业基本情况
该电镀厂于2003年3月投产,厂区面积约3500m2,主要从事各种五金件产品的来料电镀加工。全厂共3个电镀车间,8条电镀生产线,其中7条半自动电镀生产线、1条全自动电镀生产线。主要镀种为镀锡、镀镍、镀铬、镀锌。电镀加工产品方案见表1。
使用的主要原辅料有金属镍板、硫酸镍、氯化镍、电解铜、硫酸铜、硫酸、盐酸、铬酐、氰化钠、氰化亚铜、氰化钾等。产生的电镀废水经废水处理站处理达标后排放。根据当地电镀行业环境整治要求,该电镀厂已停产待迁。
3 土壤污染现状及成因分析
为了解该电镀厂所在地土壤污染现状,委托澳实分析检测(上海)有限公司对其厂区土壤进行了监测。
3.1 监测项目
pH值、总氰化物、锑、砷、铍、镉、铬、铜、铅、镍、硒、银、铊、锌、汞等。
3.2 监测地点
厂区废水处理站边和电镀车间旁各设一个采样点,编号分别为Z1、Z2。按0~20cm、40~60cm、80~100cm采样深度各采一个样品,对应样品编号Z1-1~Z1-3和Z2-1~Z2-3。
3.3 监测结果
厂区土壤样品监测结果见表2和图1。
表2 厂区土壤监测结果
图1 土壤监测结果对比分析图
土壤样品监测结果表明,除镍指标外,其余指标监测值均符合《浙江省污染场地风险评估技术导则》(DB33/T892-2013)表A.1部分关注污染物的土壤风险评估筛选值中的住宅及公共用地筛选值。
土壤监测结果镍超标原因主要为企业生产过程中涉及到镀镍等工序,生产废水和废气中含有镍等重金属。车间地面、排水沟渠等没有按规范进行防渗处理,镀镍废水没有进行有效收集容易渗漏到地面,等等,各种因素导致土壤受到重金属污染。根据《浙江省污染场地风险评估技术导则》(DB33/T892-2013)以及有关文件要求,企业场地需要进行土壤污染修复治理。
4 土壤重金属污染治理方法
目前针对土壤重金属污染修复方法较多,主要包括物理方法、化学方法和生物方法[3]。生物修复方法因其效果好、投资省、费用低、易于管理和操作、不产生二次污染等被公认为是生态友好型原位绿色修复技术[4]。生物修复方法主要有植物修复、微生物修复、植物与微生物联合修复。
4.1 植物修复
植物修复技术主要有植物稳定、植物提取、植物挥发等类型[5]。植物稳定是利用植物来降低重金属在土壤中的迁移,但是随着时间或环境的改变,可能仍会发生渗漏和扩散,这种方法并没有减少重金属的含量,只是改变了重金属的存在形态;植物提取是指利用对重金属富集能力强的超积累植物吸收土壤中的重金属,并将重金属转运储存在地上部分,然后通过收获地上部分进行焚烧,来达到去除重金属的目的;植物挥发是指利用植物吸收、转运、积累、挥发来去除土壤中一些挥发性的重金属[6]。
4.2 微生物修复
微生物修复技术是利用土壤中某些微生物对重金属的吸收、沉淀、氧化还原等作用,以达到降低土壤重金属的毒性。某些微生物能代谢产生柠檬酸、草酸等物质[7]。这些代谢产物能与重金属产生螯合或形成草酸盐沉淀,从而减轻重金属的伤害。Siegel等研究表明,真菌可以通过分泌氨基酸、有机酸以及其他代谢产物来溶解重金属以及含重金属的矿物[8]。微生物修复的局限性在于:微生物有些情况下不能将污染物全部去除;微生物对环境的变化响应比较强烈,环境条件的改变能大大影响微生物修复效果。
4.3 植物与微生物联合修复
鉴于植物修复和微生物修复各自在重金属污染修复中的不足,植物与微生物联合技术通过发挥植物和微生物各自的优点,最大限度弥补其在重金属污染修复中的不足,有效提高植物修复的效果。土壤中许多细菌不仅能够刺激并保护植物的生长,而且还具有活化土壤中重金属污染物的能力。最近俄罗斯科学家培育出一种耐重金属污染并保护植物生长的细菌,这种细菌能够在Zn、Ni、Cd和Co存在的条件下产生抗生素细菌的细胞不具备稳定的基因,但是位于染色体外能够自动复制的环状DNA分子,可以有效阻止重金属离子进入细胞,同时能够刺激并保护植物的生长[9];Ma等成功地从Ni污染土壤中分离得到耐受重金属污染的细菌,并发现这些细菌在较高水平重金属污染的土壤中能够促进植物生长;Idris等在遏蓝菜属植物Thlaspigoesingense根际分离出大量对Ni耐受性较强细菌,包括Cytophaga、F lexibacter、Bacte2roides等,这些细菌可以明显提高Thlaspigoesingense对Ni的富集能力[10]。虽然菌根化植物抗逆性强、吸收降解能力强,但不容易获得,因此,菌根与植物修复体系的选择与建立有非常广阔的应用价值,也是重金属污染土壤生态恢复的一个新的研究方向[11]。
5 结论与展望
关键词:固废拆解;土壤污染;污染修复
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2016.14.100
0 引言
本文是以固废拆解对土壤所造成的污染及采取的治理方法为研究对象。首先我们以台州市路桥区固废拆解集中区域作为我们的实验基地,对该区域进行了长时间的调查研究,了解了固废拆解的现状,并对土壤进行了监测,了解了固废拆解对土壤所造成的主要污染物及污染程度,然后提出治理方案,并通过分析比较确定了土壤污染的修复目标、修复方法,随后进行了土壤修复实验,达到预期效果。最后针对治理过程中存在的问题提出改进建议。
1 土壤污染状况监测情况
1.1 布点设置
我们对已污染的选定区域表层土壤进行了调查筛选,通过网格法均匀布点取样检测,确定重点区块,并重新根据污染源调查情况,采取污染源为中心的放射状布点,对每个重点区块进行布点采样分析。
1.2 现状监测结果
根据监测分析结果,路桥区表层耕地土壤镉超标率最高,超标率达到41.7%;其次为铜,超标率达到32.3%;铅和锌的超标率分别达到20.5%和15.0%。在各乡镇街道中,超标情况最为严重的是峰江街道,其次为新桥镇,再次为主城区(包括路桥、路北、路南三个街道)。各乡镇街道及重点区域土壤重金属浓度如下:
2 污染土壤修复
2.1 修复方法
污染土壤的修复,不同污染类型的污染土壤具有不同的修复方法。针对有机污染土壤,国内外采用较多的方法有化学淋洗技术、热脱附技术、生物堆制技术、原位生物修复技术、热解焚烧技术等;针对重金属污染土壤,采用较多的技术有淋洗/浸提技术、生物修复技术、固化/稳定化技术等[2]。
本实验对选定区域土壤修复采用原位生物修复(动物、植物强化复合工艺)工艺为主,生物处理(化学淋洗)为辅的工艺技术。高浓度的地块预先采用化学淋洗的措施,达到中度或轻度污染浓度后再采用动物修复;修复动物为“大平二号”蚯蚓;中度和轻度污染采取作物试种,选择的植物修复品种为超积累植物芥菜。
2.2 修复实施效果
土壤污染修复后重金属浓度见下表3。
根据上表:第一阶段修复后植物修复区和动物修复区土壤中重金属铬、铜、铅的浓度均低于第一阶段修复目标值,达到了第一阶段预期目标;动物修复区,动物修复后蚓体中的重金属铬、铜、铅的浓度含量较高,修复后土壤中重金属铬、铜、铅的浓度明显降低,说明“大平二号”蚯蚓对重金属的吸附效果比较明显,在中度污染的地块采用动物修复技术是比较成功的。
3 结论
本研究通过对台州市路桥区固废拆解业的调查与了解,选定了主要拆解基地作为试验基地,对他们的土壤进行了监测,在全面了解台州市路桥区固废拆解业对土壤造成的污染现状的前提下,我们提出了生态修复方法,目前均取得了一定的成效。
参考文献: