2017, Vol. 36文章信息
- 王瑜堂, 张军, 岳波, 王敦球, 於俊颖, 黄启飞, 吴小卉, 靳琪
- WANG Yu-tang, ZHANG Jun, YUE Bo, WANG Dun-qiu, YU Jun-ying, HUANG Qi-fei, WU Xiao-hui, JIN Qi
- 村镇生活垃圾重金属含量及其土地利用中的环境风险分析
- Heavy metal content of the rural solid waste and its land utilization environmental risk analysis
- 农业环境科学学报, 2017, 36(8): 1634-1639
- Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(8): 1634-1639
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2016-1593
文章历史
- 收稿日期: 2016-12-12
2. 中国环境科学研究院, 北京 100012
2. Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
随着我国农村经济发展和农民生活水平提高，农村垃圾产量日益增多。据初步估算，我国农村每年生活垃圾产生量已经达到3亿t [1]，然而，农村的垃圾处理能力并没有相应提高，使得农村生活垃圾大量堆积。生活垃圾在堆积腐败过程中会产生大量酸性和碱性物质，可将垃圾中的无机污染物——重金属淋溶而进入水体和土壤[2]。夏立江等[3]分析了垃圾堆放场区周围土壤，发现其中重金属含量明显高于对照区土壤。王振中等[4]研究表明，垃圾中的重金属可在土壤中富集从而造成垃圾堆放区周围土壤重金属污染。土壤重金属含量超标导致的重金属污染具有潜伏性、长期性和不可逆性，且重金属通过食物链的生物作用，容易被吸收与富集，从而对人体健康造成威胁[5-7]。
在我国农村推广传统的有机垃圾就地分散消纳模式（主要指有机垃圾还田）是有效缓解农村垃圾问题的途径[8]。在传统农业下，生活垃圾几乎可以全部循环，农村绝大部分的有机垃圾（如农作物残留和厨余等）和粪便以堆肥、沤肥、厌氧沼气发酵或直接还田等途径进入土壤生态系统进行自然循环，部分有机垃圾则通过燃烧成草木灰的方式还田，对于周边环境的影响相对较小。随着人们生活水平的提高，包装废物、塑料制品、电子垃圾等大量出现，传统的农村生活垃圾消纳方式已不能满足要求。但是，我国农村生活垃圾收运、处理体系尚未完全建立，目前农村生活垃圾的主要处理方式包括堆存、简单填埋、沤肥和焚烧等，绝大部分的农村生活垃圾将会以堆肥、堆存、填埋、土壤改良剂等土地利用形式再次返回到土壤生态系统。丁湘蓉[9]研究了强制通风堆肥技术处理农村生活垃圾的可行性，李清飞等[10]研究了微生物在农村有机生活垃圾堆肥中的作用。因此，针对我国村镇生活垃圾重金属特性及其污染风险开展研究具有重要意义。
目前对城市生活垃圾重金属的研究报告相对较多。刘晓红等[11]研究发现，延安市区生活垃圾可堆腐物中的重金属元素Pb、Cr、Cd、Hg、As有轻微污染；李仙粉等[12]研究发现各类垃圾中的Hg、Cd元素含量均超过了北京市郊土壤背景值和污染起始值的最高允许含量；刘育辰等[13]研究发现，四川宜宾夏季生活垃圾处于Ⅰ级中度污染水平，四川地区夏冬季总体处于无污染水平，且夏季污染负荷指数略高。
对于我国农村生活垃圾重金属含量开展的大范围、系统的研究较少，而重金属含量对垃圾就地分散消纳过程有至关重要的影响。因此，本文针对全国12个省份、72个典型村镇进行了调查研究和统计分析，阐述了农村生活垃圾重金属含量特征，以期明确我国农村生活垃圾重金属污染状况，为其有效处理提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 采样点在全国12个省市进行村镇生活垃圾采样调查，包括南方6省市（广东、湖南、安徽、湖北、上海、重庆）和北方6省市（北京、河南、山东、甘肃、黑龙江、吉林）。在每个省市选择一个采样地区，每个地区根据经济水平、产业类型等因素选取3个不同的典型乡镇采样，每个乡镇设集镇中心和周边农村两个采样点，共计72个采样点，取样调查时间选取为2015年的4个季度。我国典型村镇新鲜生活垃圾采样点如表 1所示。
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将生活垃圾搅拌均匀后堆成圆形，将其十字四等分，然后随机舍弃对角中的两份，余下部分重复进行前述铺平并分为四等分，舍弃一半，直至垃圾量能够装满4个容量100 L大桶，带回实验室进行分析。
将带回实验室的垃圾样品中大粒径物品破碎至100~200 mm，然后将各种成分分别放在干燥的容器内，置于电热鼓风恒温干燥箱内，在（105±5）℃的条件下烘4~8 h，待冷却0.5 h后称重。重复烘1~2 h，冷却0.5 h后再称重，重复直至两次称量之差小于样品量的百分之一。用研磨仪将烘干后的样品研磨至0.5 mm以下，采用浓HNO3-H2O2法[14]消煮，每个样品做3个平行，稀释定容后，再利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定重金属含量。
1.3 评价方法为了做出准确、客观的评价，参照《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995），分别采用单因子污染指数法、综合污染指数法、潜在生态风险指数法分析典型村镇垃圾中重金属污染状况。
1.3.1 单因子污染指数法计算公式为：
(1) 式中：Pi为污染指数；Ci为污染物实测值；Si为污染物评价标准，取值参考《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）；i代表某种污染物。
分级标准如下：Pi≤1为未污染；1＜Pi≤2为轻度污染；2＜Pi≤3为中度污染；Pi＞3为重度污染。
1.3.2 综合污染指数法采用内梅罗综合污染指数法进行重金属污染状况评价，计算公式为：
(2) 式中：（Ci /Si）max表示各重金属元素污染指数最大值；（Ci /Si）ave表示各污染指数的平均值。
分级标准如下：P综≤1为未污染；1＜P综≤2为轻度污染；2＜P综≤3为中度污染；P综＞3为重度污染。
1.3.3 潜在生态风险指数法本文采用潜在生态风险指数法[15]进行陈腐垃圾重金属生态风险评价。该方法将重金属含量与重金属的生态效应、环境效应与毒理学相联系，定量地划分出潜在生态风险的程度，是目前较多学者采用的方法[16-20]。重金属污染物潜在风险程度评价指标与分级关系见表 2。
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潜在生态风险指数（RI）计算公式为：
(3) 
(4) 式中：Ei为潜在生态风险因子；Ti为重金属毒性响应系数（Hg、Cd、Pb、Cu、Cr、Zn取值分别为40、30、5、5、2、1）；Ci为垃圾中重金属浓度实测值；C0为参比值，取值参考全球工业化前沉积物中重金属的最高背景值（Hg、Cd、Pb、Cu、Cr、Zn依次为0.25、0.5、25、30、60、80 mg·kg-1）[21-22]；RI为重金属的综合潜在生态风险指数。
2 结果与分析 2.1 我国典型村镇生活垃圾重金属含量评价我国典型村镇生活垃圾中重金属元素主要有Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn，其含量分析结果如图 1所示。
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| 图 1 典型村镇生活垃圾重金属含量 Figure 1 Heavy metals content of domestic wastes in typical villages and towns |
由图 1可以看出，典型村镇生活垃圾重金属含量大小依次为Cr＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd＞Hg，其中：Hg含量0.03~4.34 mg·kg-1，平均值为0.74 mg·kg-1；Pb含量0.04~169.15 mg·kg-1，平均值为21.80 mg·kg-1；Cd含量0.07~107.00 mg·kg-1，平均值为3.36 mg·kg-1；Cr含量8.94~1569.10 mg·kg-1，平均值为108.63 mg·kg-1；Cu含量3.22~152.55 mg·kg-1，平均值为36.83 mg·kg-1；Zn含量3.16~945.11 mg·kg-1，平均值为80.09 mg·kg-1。我国典型村镇生活垃圾重金属含量与《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ 332—2006）相比，Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的超标率分别是39.58%、7.32%、2.09%、39.58%、6.97%、3.48%；与《城镇垃圾农用控制标准》（GB 8172—1987）相比，Hg、Pb、Cd、Cr的超标率分别是1.74%、3.44%、14.29%、2.09%；与《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）相比，Cd、Cr、Cu、Hg、Zn的超标率分别是39.7%、7.7%、4.2%、33.1%、7.6%。由全国土壤污染状况调查公报知，全国土壤中Cd、Cu、Pb、Cr、Hg、Zn 6种无机污染物点位超标率分别为7.0%、2.1%、1.5%、1.1%、1.6%、0.9%，经过对比发现除了Pb之外，其余重金属超标率均高于全国土壤重金属的超标率。因此，如若将垃圾进行土地还原必须引起重视，且Cd、Hg超标率较高，毒性大，需予以特别关注。
2.2 村镇生活垃圾重金属单因子污染评价单因子污染指数法是当今研究者们针对单一重金属元素进行污染评价时所使用的一般方法，其数值小说明该重金属污染轻，反之则重。根据公式（1），由重金属的实测含量、重金属的土壤评价标准值计算出Pi的值，Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn的污染指数见表 3。
由表 3可知，Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn的单因子污染指数范围分别是PHg为0.06~8.67、PPb为0~0.85、PCd为0.12~178.34、PCr为0.04~7.85、PCu为0.03~1.53、PZn为0.01~3.78，其中：74.31%的Hg、100%的Pb、55.56%的Cd、92.01%的Cr、97.57%的Cu、96.52%的Zn属于未污染的清洁水平；12.84%的Hg、15.28%的Cd、6.25%的Cr、2.08%的Cu、2.78%的Zn属于轻度污染；4.17%的Hg、7.98%的Cd、0.69%的Cr、0.35%的Cu、0.35%的Zn属于中度污染；8.68%的Hg、20.83%的Cd、0.35%的Cr、0.35%的Zn属于重度污染。Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn的单因子污染指数平均值分别为1.47、0.11、5.59、0.54、0.37、0.32，从单因子污染指数平均值大小可以看出，典型村镇生活垃圾重金属污染程度依次为Cd＞Hg＞Cr＞Cu＞Zn＞Pb，其中PCd＞3，Cd为重度污染，PHg＞1，Hg为轻度污染，其余重金属皆属于清洁水平。
2.3 村镇生活垃圾重金属内梅罗综合污染评价根据公式（2），结合重金属单因子污染指数（表 3）计算出典型村镇生活垃圾中重金属的内梅罗综合污染指数P综值，见表 4。
由表 4可知，典型村镇生活垃圾重金属的内梅罗综合污染指数P综值范围为0.13~178.35，平均值为4.08，属于重度污染，且Cd对P综值的贡献最大，Hg居其次。
2.4 村镇生活垃圾重金属潜在生态风险评价根据公式（3）和（4）计算出典型村镇生活垃圾中的单项潜在生态风险指数Ei、综合潜在生态风险指数RI，具体数值见表 5。
由表 5可知，典型村镇生活垃圾重金属Ei的范围分别是EHg为3.20~966.88、EPb为0.17~37.30、ECd为9.00~9 600.06、ECr为0.15~31.64、ECu为0.16~43.85、EZn为0.01~11.81，其中：32.99%的Hg、100%的Pb、62.85%的Cd、100%的Cr、99.65%的Cu、100%的Zn具有轻微生态危害；34.03%的Hg、15.28%的Cd、0.35%的Cu具有中等生态危害；13.89%的Hg、6.60%的Cd具有强生态危害；9.38%的Hg、5.90%的Cd具有很强生态危害；9.03%的Hg、9.38%的Cd具有极强生态危害。EHg、EPb、ECd、ECr、ECu、EZn平均值分别为117.76、4.36、200.10、3.27、13.34、1.00。由Ei平均值的大小可知，典型村镇生活垃圾中6种重金属污染的潜在生态风险程度依次为Cd＞Hg＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其中Cd具有很强生态危害，Hg具有强生态危害，Cu、Pb、Cr、Zn具有轻微生态危害。Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn的综合潜在生态风险指数RI范围为12.70~10 691.54，平均值为339.82，在300~600范围内，具有强生态危害。
3 讨论总体而言，通过三种评价方法均可发现我国村镇生活垃圾中Cd的污染最严重，Hg次之，其余重金属污染程度较低，依次为Cr＞Cu＞Zn＞Pb；同时，潜在生态风险也是Cd最强，Hg次之，其余重金属只有轻微潜在生态风险，依次为Cu＞Pb＞Cr＞Zn，只是Cr、Cu、Zn、Pb的污染程度与潜在生态风险略有不同。由于Cd、Hg的毒性最大，国内外已发生多起Cd、Hg污染事故，如日本水俣病事件和痛痛病事件、湖南浏阳Cd污染事件，为了避免再次发生类似事件，需要特别注意防控重金属污染，其中Hg主要来源于废弃的电池、荧光灯和尘土，Cd主要来源于尘土、塑料和印刷制品[23]，可以考虑从源头治理，将生活垃圾分类收集处理。本文只针对生活垃圾重金属的环境风险进行了分析，如若进行土地还原处理，同时还应该进一步综合分析有机污染物的环境风险，避免造成二次污染。
4 结论（1）典型村镇生活垃圾重金属Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量分别为（0.74±0.48）、（21.80±17.61）、（3.36±11.01）、（108.63±84.01）、（36.83±10.91）、（80.09±42.24）mg·kg-1，与国内相关标准相比主要是Cd、Hg超标。
（2）从单因子污染指数Pi平均值大小可以看出，典型村镇生活垃圾重金属污染程度依次为Cd＞Hg＞Cr＞Cu＞Zn＞Pb，其中Cd为重度污染，Hg为轻度污染，其余重金属皆属于清洁水平。
（3）典型村镇生活垃圾重金属的内梅罗综合污染指数P综值为4.08，属于重度污染，且Cd对P综值贡献最大，Hg居其次。
（4）典型村镇生活垃圾中6种重金属污染的潜在生态风险程度依次为Cd＞Hg＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其中Cd和Hg分别具有很强和强生态危害；综合潜在生态风险指数为339.82，具有强生态危害。
总体而言，我国村镇生活垃圾重金属污染情况不容乐观，进行土地还原处理时需要特别注意重金属的污染情况以及累积效应（特别是Cd、Hg）。在村镇生活垃圾进行土地还原利用过程中应避免所含重金属进入食物链，可考虑用于花卉、林地等土壤的改良，同时应合理确定施用量和施用频率，防止二次污染。
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