有色金屬工業固體廢物生態環境效應分析方法研究進展

蘇為洪,仝 佳,王向宇,張朝能

(昆明理工大學 環境科學與工程學院,昆明 650500)

0 引言

云南是“一帶一路”西南地區有色金屬產業聚集區,有色金屬產量在整個西南地區占比較大,采選冶與深加工過程將產生大量的固體廢物,如尾礦、冶煉渣、處置廢氣廢水的二次渣塵泥、深加工渣等。云南有色金屬以錫鉛鋅銅鋁為主[1],典型固體廢物包括錫尾礦、錫精冶煉渣(主要是砷鋁渣和硫渣)、銅鋅冶煉含砷汞塵泥、鋁灰渣和廢槽襯,有色金屬產業具有明顯的高污染、高能耗特征。有色金屬冶煉是環境中重金屬污染物的主要來源[2]。 由于重金屬污染具有毒性強、分布廣泛性、長期性、累積性、隱蔽性、在環境中不易被降解、難治理、易遷移轉化和不可逆性等特點,可通過食物鏈進入人體某些器官,并在人體中緩慢累積,一旦超過人體對其耐受程度,就會對人體造成嚴重危害。環境自身的凈化作用和微生物也難以將其降解和消除,重金屬污染環境的治理成本高且周期長,嚴重影響了區域大氣、水體、土壤環境及人體安全健康,存在較大的生態環境安全隱患, 因此開展環境污染質量評價對重金屬污染防治和保障人體安全健康具有重要意義。

生態環境質量是生態環境因子在一定時空范圍內對人類的生存繁衍及社會發展的適宜程度的反映,生態環境的優劣程度與人們的生存、生產、生活息息相關,為了系統、全面地了解生態環境質量現狀及發展趨勢,為國民生態安全提供根本保障,為制定生態環境污染防治方案及環境規劃提供科學依據,使生態環境質量狀況與人類的生存發展相適應,需對環境質量進行相關評價。

目前,國內外應用較多的生態環境質量評價方法主要有單因子污染指數法、潛在生態危害指數法、地質累積指數法、內梅羅綜合污染指數法、富集因子法、內梅羅綜合污染指數法及污染負荷指數法等[3],每種方法各有其特點,適用范圍、評價標準有一定的差異。本研究歸納總結了環境質量評價的國內外發展歷程,介紹了6種指數評價方法并對其進行總結分析對比,選擇出適合有色金屬工業固體廢物對生態環境影響的評價方法。

1 生態環境效應研究進展

生態環境是一個復合生態系統,包括水資源、生物資源、土地資源及氣候等資源,這些資源數量與質量的有機組合形成了生態環境,影響人類的生存和經濟社會的持續健康發展[4]。

人類為了自身的生存和發展對自然進行利用與改造,其各種生產活動對生態環境會產生不同程度的影響,同時這些影響會反作用于人類的生產和生活。生態環境效應是指生態系統各組成部分在由于人類活動的影響所引發的生態過程變化及響應以及由此引起的區域生態格局的變化[5],這種變化的影響可能是積極的(生態安全)或消極的(生態風險)。生態環境效應按性質可以分為正、負效應[6-7]。正效應是人類生產活動對生態環境所產生的積極有利的效應影響,如土地利用類型的變化可能會促進生態環境質量改善和景觀類型演變;反之,負效應是由于人類的行為活動對生態環境所產生的負面的消極的不利的影響,如生態破壞、環境污染等生態危害。

生態環境效應的研究目前主要是針對單一生態環境水文、土壤、大氣、生物多樣性等的研究,對綜合生態效應的研究較少,主要涉及景觀生態格局、物質能量循環、生態服務功能等[8]。

齊文強[9]根據已有的理論和數據,以內蒙古自治區鄂托克旗、甘肅省肅南縣、青海省烏蘭縣為分析研究對象,梳理了土壤質量及草地生態環境評價的理論研究,分析了草原生態環境的主要評價指標,揭示了研究區域土壤質量特點,評價了草原生態環境效應,搭建了項目數據庫。李葉鑫[10]等對煤礦區土壤裂縫的產生機制和演化規律進行系統的歸納總結,歸納了拉伸型、塌陷型、張拉型裂縫形態特征及影響因素、煤礦區土體裂縫的五種測定方法及其六類相關生態環境效應等方面的最新研究進展,并提出展望,以期為煤礦區土地復墾和生態修復提供科學依據。目前對生態環境效應的研究更多的集中在負生態環境效應方面,而對正生態環境效應的研究相對較少。武強[11]等應用一系列學科如地質學、環境學和采礦學等相關理論,對閉坑礦山的正負生態環境效應進行了綜合分析研究,提出了有針對性的開采與預防控制措施。 研究表明,閉坑礦山存在著形成污染礦井(坑)水源、串層污染地下水與地表水、危害城鄉供水、造成礦區地表二次塌陷與山體滑坡、礦區高層建筑地基失去穩定性或導致一系列基礎設施危害及威脅礦井周圍的生產安全等負效應,從儲藏和資源效應及提供場地等方面分析綜述了一系列正效應。

目前對生態環境效應評價的研究多是關于土地利用類型變化的生態環境效應評價研究[12-14],而其他方面,尤其是固體廢物的生態環境效應評價分析方面的研究較少,方法體系也不夠完善。

2 生態環境效應分析評價指標體系的構建原則

2.1 目標性和針對性原則

評價方法多種多樣,各評價方法的適用范圍、評價標準和特點也有差異。應根據不同的評價目的并結合評價區域的實際情況選用合適的評價方法。

2.2 系統綜合性原則

生態環境是一個較為復雜的系統,影響環境質量的因素有很多,很多僅反映生態環境質量的一個或幾個方面的特征,缺乏全面、客觀反映生態環境質量最本質特征的評價方法。在選擇評價方法時,應立足于系統綜合的觀點,遵循系統相關性、層次性、整體性和綜合性等原則,兼顧考慮多種因素的影響,從多個評價角度進行分析,雖各評價方法間具有獨立性,但應有機結合起來。

2.3 科學性原則

在當代科學發展中,科學性是最基本的原則,在科學探究中需遵循科學規律,尊重客觀事實,以客觀事實為基礎,要有科學依據,用科學的方法及手段反映生態環境中的基本特征。

2.4 代表性原則

有的評價方法缺乏導向性,難以突出問題,從而使評價結果不易得到應用。在選擇評價方法時,應考慮其代表性、內涵獨立性,選取的指標應客觀反映研究區域內的生態環境質量特征,所選取的方法能代表引發生態環境效應的某種因素或效應。

2.5 可操作性原則

在選取評價方法時要考慮該指標的可量化性及可操作性,實用性強,評價結果與實際情況的差距小,能夠與真實情況有較好的吻合。有些評價方法其他方面可能都比較合適,但在現有的技術條件下不方便獲得或統計和計算復雜,這樣的方法不推薦選取。

3 生態環境污染評價方法

工業固體廢物流動擴散性和揮發性不強,但數量龐大,種類繁多,成分復雜,受工業生產過程等不同復雜因素的影響,導致處理難度大。除了直接造成的污染,還經常以水、大氣和土壤為媒介污染環境,容易造成環境長期持續性的污染,是一個比較緩慢的過程。特別是有色金屬行業,能耗高,固體廢物排放量大,污染嚴重,排放的固體廢物中經常含有酸性、堿性、毒性或重金屬成分,通過淋溶、徑流和大氣飄塵等作用形式進入周圍的大氣、水體和土壤環境,受到其污染影響的范圍將遠遠不止固體廢物堆置區域和空間。為了更好地開展生態環境污染防治工作,營造健康安全生產生活環境,需要對其進行生態環境質量評價。

在生態環境質量評價工作中,評價方法的選擇和確定是工作的核心。國內外生態環境質量評價方法多種多樣,不同評價方法的對象及適用范圍存在一定的差異。隨著國內外學者對理論和評價方法的研究趨于多元化發展,在一般的指數法評價基礎上,根據主客觀相結合衍生出了一系列評價方法,主要有模糊數學評價法、物元分析法、主成分回歸分析法(PCA)、層次分析法(AHP)、秩和比法(RSR)、人工神經網絡法(ANN)、灰色系統評價法等[15-16],被廣泛應用于環境質量評價研究領域。這些方法特點各異,在評價相同或不同的區域環境時所呈現的優劣程度不同。而環境評價方法未來發展趨勢是將多種評價方法結合起來使用并進行優化。目前,國內外常用的生態環境質量評價方法主要是基于指數評價的方法,包括單項污染指數法[17-20]、內梅羅綜合污染指數法[21-25]、地累積指數法[26-29]、潛在生態危害指數法[30-33]、富集因子法[34-38]、污染負荷指數法[39-44]。

3.1 單因子污染指數法

單因子污染指數法(Single factor pollution index method)是基于環境質量標準對環境中某單一污染物的污染程度進行評價,具體為參考評價基準逐個對各個單項污染指標進行分析和評定,是最簡單、最基礎、應用較廣泛的評價方法[45]。通過單因子污染指數評價可以判斷出所評價區域主要污染物及其污染程度,計算公式為[46]:

Pi=Ci/Si

(1)

式中,Pi為單因子污染指數,Ci為污染物i在評價區域環境中的實測濃度,Si為污染物i的評價標準或參考值。

表1 單因子污染指數分級標準Tab.1 Single factor pollution index classification criteria

若Pi≤1.0,表示沒有受到污染,若Pi>1.0,則表示受到污染,指數Pi的值越大表明污染程度越高,污染越嚴重。

單因子污染指數法只能反映出某一特定評價區域內單一污染因子的污染水平,可以判斷環境中的主要污染因子及其污染程度,該方法直觀、簡便、易于理解、計算簡單,還可以清晰表示出評價樣本與評價標準之間的比值關系,為其他綜合評價方法提供一定的依據[47]。但在實際情況下的環境污染通常是由多個污染因子復合污染導致的,而單因子污染指數法不能做到對評價區域內整體污染情況進行綜合評定,僅適用于對特定區域的單一污染因子污染進行評價。

3.2 內梅羅綜合污染指數法

一般情況下,當環境中存在多種污染物復合污染時,如果僅用單因子評價法是不能對此區域內的環境污染真實狀況進行評估的。為了對環境污染真實情況進行準確評價,需將各單一污染因子污染指數進行綜合[48],因此以單因子指數評價為基礎發展了多種綜合污染指數法。內梅羅綜合污染指數法(Nemerow index method)就是其中一種,它能考慮單因子指數法中單一污染因子的均值與最大值,凸顯出具有最高污染指數的污染物對環境質量的影響,對不同種類的污染物造成的環境污染程度進行客觀、全面、綜合性評估,是一種計權型多因子環境質量指數。內梅羅指數法在早期時主要被應用于沉積物和土壤污染質量評價,隨著發展也逐漸被用于地表水樣品的重金屬污染評價[49],計算公式為[50]:

(2)

式中,Pn為內梅羅污染指數,Pi,ave為平均單項污染指數(各單項污染因子污染指數的算術平均值),Pi,max為最大單項污染指數(各單項污染因子中的最大污染指數)。

表2 內梅羅污染指數評價標準Tab.2 Evaluation standard of Nemerow pollution index

內梅羅綜合污染指數法考慮了污染物的均值和最大值,避免了加權系數中主觀因素對加權過程的影響,可以更加客觀地評價環境的污染狀況,是目前國內外應用較多的綜合評價方法。但不少研究者在實際應用中發現該方法過分強調了在評價區域環境質量中高濃度污染物的影響[51],最終評價結果可能會因此在劃分污染程度差異時在一定程度上存在靈敏性不夠高、精確度不夠好等缺點。

對多種污染因子共同污染的環境進行評價時可采用內梅羅綜合污染指數法。與單因子污染指數法相比,內梅羅污染指數法能更好地反映出多類別污染物的總體污染情況,避免由于平均值的作用削弱污染因子的權值[52]。但這種方法的主要問題是過于強調污染指數最大的污染因子的影響和作用,導致難以解釋污染物在環境中發生的質變過程。

3.3 地累積指數法

地質累積指數法(Geo-accumulation index method)是德國科學家Muller在1969年首次提出的主要適用于河流沉積物的重金屬污染狀況的評價方法[53],也被稱為Muller指數,后來常被用于土壤重金屬污染狀況的評價。該方法考慮了自然地質過程中出現的背景值及人為活動對環境的影響,其將上述兩個因素結合在一起,更加全面地評價了生態環境質量。該指數不僅可以反映出重金屬在自然環境中的分布變化規律,還能根據該指數對人為活動對環境造成的影響進行評價,從而區分人為活動的影響程度,計算公式為[54]:

Igeo=log2[Ci/(K×Bi)]

(3)

式中,Igeo為地質累積指數,Ci為樣品中污染物i的實測濃度,Bi為參比值,即污染物i的地球化學背景值(自然本底值),K為修正系數,考慮到背景值會因為自然成巖作用、巖石種類及表面沉積特征等改變,取值一般為1.5。

與其他方法相比,地質累積指數法除考慮背景值、人為污染因素的影響外,還考慮了巖石種類差異及表面沉積特征可能引起背景值變動的因素,因此彌補了其他方法的不足[55]。但該方法僅能計算出評價區域內各采樣點單一污染因子的污染指數,并不能對不同具有交互作用的污染物或不同評價區域內的環境質量進行比較分析,故該評價方法并不能全面、客觀、系統地評價區域的環境狀況。

3.4 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數法(Potential ecological hazard index method)是瑞典地球化學家Hakanson從沉積學角度出發,根據重金屬性質及環境行為特征提出的評價土壤或沉積物中重金屬潛在風險程度的方法。該方法主要探究了重金屬數量(種類數)、多種污染元素的協同作用、金屬的毒性水平,評價區域環境中重金屬濃度及環境對重金屬污染的敏感性等因素,不僅反映某一特定環境下各重金屬元素對環境的影響,還反映了多種金屬元素協同污染環境的狀況,因此經常被應用于評價土壤中重金屬的生態風險[56],其計算公式為[57]:

(4)

式中,RI多因子綜合潛在生態危害指數為各單一污染因子i的潛在生態危害系數之和。Ei為重金屬元素i的潛在生態危害系數,Ei=Ti×Pi。Ti為重金屬元素i的毒性響應系數,該系數以重金屬的毒性系數參考值代替,反映上述的金屬毒性水平、多種污染元素的協同作用等因素。表4表述了環境中常見的重金屬毒性響應系數的參考值,Pi為重金屬元素i的單因子污染指數。

表4 常見重金屬的毒性系數參考值[58]Tab.4 Toxicity factor reference values for common heavy metals

表5 潛在生態危害系數與污染程度的關系Tab.5 Relationship of potential ecological hazard values and pollution levels

表6 富集因子與污染程度的關系[64]Tab.6 Relationship of enrichment factors and pollution levels

表8 污染指數評價方法比較Tab.8 Comparison assessment of pollution index methods

潛在生態危害指數法是目前常用的評價土壤或沉積物中重金屬污染及其區域生態風險程度的方法。 該方法一方面考慮到了評價區域內多種因素的協同作用,如工業布局、水文地質條件等,另一方面還考慮到了不同重金屬元素的生態敏感程度、生物毒性水平、遷移轉化規律對環境造成的生態危害也存在差異。為了使評價更側重于獨立方面,還增加了重金屬元素的毒性相應系數,以定量方法對其潛在的生態危害進行評價,進而反映出重金屬對生態環境的危害程度[59-60]。該方法的適用范圍為大尺度范圍區域內的生態風險評價,但在確定重金屬元素毒性響應系數時也存在一定的主觀性。

3.5 富集因子法

富集因子法(Enrichment factor method)是Zoller等[61]于1974年首先被用于南極上空大氣顆粒物中化學元素的濃度及來源研究,起初被用于研究大氣顆粒物中元素富集程度,判斷和評價顆粒物中元素來源,包括自然來源及人為來源。后期通過不斷的研究改進,應用范圍逐漸擴展到土壤研究領域[62],可對污染程度和污染來源進行定量評價。該方法需要選擇滿足一定條件的元素作為標準化元素(或稱參考元素),采樣區域內單一污染元素濃度與參考元素濃度的比值與背景區中該元素的濃度與參考元素的比值的比率,計算公式為[63]:

(5)

式中,EF表示富集因子值。Ci為元素i的濃度,Cr為被選取的標準化元素的濃度。(Ci/Cr)sample表示樣品中元素i的相對濃度,(Ci/Cr)background表示地殼中元素i的相對濃度。

EF的值與污染元素富集程度成正比,EF值越大表明富集程度越大。根據富集程度判斷其來源,當EF>10時,表明樣品中污染元素相對于參考元素被人為活動富集或稀釋;當EF≈1時,表明該污染元素主要來源于地殼或土壤。

富集因子法主要用于研究環境中污染元素的富集程度,分析、判斷人為來源與自然來源對環境中污染物含量的貢獻水平。該方法能夠降低地球環境化學背景值的影響,還能判斷是否是人為活動造成了重金屬污染[52],使評價結果更加科學可靠。

但富集因子在實際應用時會因為其缺點受到一定的限制。由于富集因子受多種因素的影響,因此僅根據富集因子值的大小不能準確地對污染作出判斷。對富集因子影響較大的因素主要是在參比元素的選擇時沒有統一的標準及不同地區背景值的不確定性,因此富集因子的計算結果會受到所選取標準化元素和背景值的影響。標準化元素一般選擇地殼中普遍存在的、化學性質穩定、分析結果精確度高、人為污染來源較少、揮發性低、不易受環境和分析測試環節影響的元素。國內外研究中常用參比元素主要有Fe(鐵)、Al(鋁)、Ti(鈦)、Si(硅)、Sc(鈧)、Mn(錳)[65]等,但選擇不同的標準化元素必然會導致計算結果的差異。在參考元素的選取和背景值選擇上,目前國內外還未有統一的標準,具有一定主觀性,富集因子會因此產生較大的誤差。本方法就不適用于大范圍環境理化性質、不同重金屬種類及濃度下的區域評價,具有一定的局限性。

3.6 污染負荷指數法

污染負荷指數法(Pollution load index)是由Tomlinson等[66]首先提出用于重金屬污染水平分級研究的一種評價方法,可以更直觀地反映各種污染物對區域環境污染的貢獻程度及污染區域內重金屬元素的時空變化趨勢,在評價土壤和河流沉積物重金屬污染時被廣泛應用[67-70],計算公式為[71]:

(6)

式中,PLI表示采樣點的污染負荷指數,Pi表示單因子污染指數,n表示污染物種類數。

污染負荷指數也是一種定量評價方法,通過采用一定的統計學方法,量化評估各個采樣點的不同污染因子所引起的污染狀況,將其劃分為不同的污染等級,最終通過對各個點位的污染評估結果來反映該地區整個污染水平。污染負荷指數法能直觀反映污染元素在時間上和空間上的變化規律,也能反映不同污染物的污染貢獻水平,從而確定污染程度。考慮了各項污染物的污染指數,可以綜合反映評價區域內的污染狀況[72]。

4 各種評價方法的比較

單因子污染指數評價法為其他污染指數評價方法提供依據,但該方法只能反映單因子污染程度,缺乏綜合性。內梅羅污染指數法考慮了單因子污染指數法的最大值和均值,能夠較全面地反映各種污染物的協同作用,從而綜合地評價各類環境污染因子的污染程度,是環境領域評價環境污染質量常用的方法。地質累積指數法一方面考慮環境地球化學背景值、人為污染因素,另一方面考慮了容易被忽略的自然成巖作用、巖石種類及表面沉積特征可能造成背景值變動的因素,但該方法未涉及綜合評價多項污染因子復合污染,導致其系統性、綜合性不是很高。潛在生態危害指數法除了考慮了單因子重金屬的影響,還綜合考慮了多污染因素的協同作用、不同重金屬的毒性水平、重金屬污染濃度及環境對重金屬污染敏感性等因素,具有直觀性、定量性和對于潛在生態風險的預測性等特點,因此被廣泛應用于評價沉積物、土壤中重金屬元素的生態影響效應,但該方法中毒性系數的確定有一定的主觀性影響。富集因子法可以分析、判斷人為來源與自然來源對環境中污染物含量的貢獻水平,減小或避免自然背景值對評價結果的干擾,但評價結果易受多種因素的影響。污染負荷指數法體現了各種重金屬含量在時間和空間上的變化規律和各污染物的污染貢獻水平,可以綜合反映評價區域內的污染狀況,但不同污染源所引起的背景值差別并未考慮。

上述幾種評價法適用范圍和特點各不相同,在對區域環境進行污染質量評價的過程中通常需綜合應用多種方法,通過對各種方法的有機結合,更好地識別不同評價區域的污染源和污染程度,更加全面、合理地評價區域的綜合污染現狀水平。

有色金屬工業固體廢物污染區域大,污染因子復雜多樣,在對有色金屬工業固體廢物的生態環境影響效應評價分析中,可將幾種評價方法根據其適用范圍及特點進行有機結合,全面、合理地對有色金屬工業固體廢物的整體污染現狀水平做出綜合評價。

5 總結與展望

有色金屬工業固體廢物排放量最大,其運輸、堆存過程中可能會引發的一系列生態環境效應,不僅占用大量土地資源,還對水環境、土壤環境、大氣環境造成了污染,間接地對生態系統、人體健康造成威脅,因此對固體廢物處理與處置場所周邊環境進行生態環境效應分析評價,有利于充分了解固體廢物的污染程度及范圍,對評價周圍環境的質量安全具有現實意義,可為固體廢物的監測管理和污染區域的修復提供科學合理的參考。評價方法種類眾多,其適用范圍和特點存在一定的差異,采用不同的評價方法得出的評價結果必然有差異,因此要在充分了解各方法的基礎上采用比較適用合理的評價方法,具體問題,具體分析,盡量做到科學客觀。

結合目前關于有色金屬工業固體廢物生態環境效應的研究現狀及固體廢物污染的現實問題,對今后的相關研究提出以下建議:

應在當前的評價方法基礎上不斷創新和改進,及時了解前沿方法并將其應用擴展,進一步完善環境污染質量評價方法體系。隨著3S技術的不斷發展及其在其他行業的應用,生態環境效應分析評價應和3S技術結合起來,將多種評價方法結合優化。相對于單一方法的評級結果,兩種或兩種以上評價方法的結合能夠更加客觀、科學、準確地反映生態環境效應。

對固體廢物特別是含有有害元素的固體廢物進行生態環境效應分析時,不僅要進行環境質量評價和生態風險評價,對人體健康的風險評價也應加強。

固體廢物中重金屬的總量不能完全反映重金屬的生物可利用性(有效性)和生物毒性,重金屬生物可利用性和毒性除了與其總量有關外,與重金屬在環境中的化學形態及其遷移轉化能力也密切相關,而重金屬元素的生物可利用性更能反映出對生態環境產生的效應程度,因此在分析固體廢物中的重金屬生態環境效應過程中,應關注重金屬的化學形態及賦存狀態分析及其遷移轉化規律的研究。

在固體廢物處理與處置過程中,固體廢物中重金屬等可能滲透進入環境,結合受影響區域的重金屬污染物背景值,基于堆場與受污染環境之間重金屬存在著同源性或一致性,可進行堆場與受污染環境重金屬的相關性分析,了解固體廢物中的重金屬含量與堆存場周圍環境的重金屬含量之間的相關性,進而分析固體廢物重金屬等對區域生態環境的影響效應。