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《山西农业大学》 2018年
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城市污泥重金属源解析及生态风险与健康风险评价

段宝玲  
【摘要】:随着我国经济的快速增长、城市化水平的显著提高和城市居民生活水平的日益提升,城市污水产生量急剧上升。污水处理量的快速上升,势必造成污水处理副产物污泥产生量的急剧增加,污泥处置所导致的环境问题已成为全社会关注的热点。重金属作为一种持久性不可降解的污染物质,一旦进入环境会长期存在、不断累积,对生态环境及人体健康构成威胁,成为污泥农业资源化利用的主要限制因素之一。本研究对山西省158座城市污水处理厂进行资料收集,分析山西省污水回用和污泥处置现状、存在问题及发展趋势;为保证污水处理厂具有代表性,综合权衡山西省产业布局特征、污水处理工艺、污水处理量及污泥产生量等各因素,选取山西省32座城市污水处理厂进行脱水污泥采样,测定污泥重金属Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cr和Cd含量,理清山西省城市污泥重金属含量空间分布特征;采用地累积指数法确定污泥重金属污染性,Pearson相关分析法得出污泥重金属间的相关性,主成分分析法达到污泥重金属来源的三大主成分,将三者结果与区域产业分布特征相结合,对主成分结果进行解译,确定山西省城市污泥重金属来源;采用生态负荷指数法、内梅罗综合指数法与哈坎逊潜在生态风险指数法进行综合评价,确定不同采样点污泥农用重金属潜在生态风险,并明确高风险重金属种类,为污泥安全农用的推广提供理论保障;基于USEPA污泥重金属确定性健康风险评价模型,比较成人/儿童重金属暴露的非致癌风险及致癌风险,并利用蒙特卡罗模型进行重金属不确定性健康风险评价,以验证确定性健康风险评价结论的可靠性。研究结果表明:(1)山西省污水处理级别总体比较低,以二级处理为主,出水水质较差,限制了再生水利用途径,主要以工业用水为主,景观用水为辅。山西省污泥处置的主要方式为土地利用与填埋,建筑材料利用及焚烧处置所占比重较小,仅有很小比例的污泥直接丢弃处置;不同地区采用的污泥处置方式各不相同,晋北地区以填埋处置为主,晋中地区以土地利用为主,晋南地区采用建筑材料利用处置方式在全省中所占比重最大,晋东南地区污泥直接丢弃处置方式所占比重在全省最大;(2)按照重金属含量平均值对其进行排序为ZnCuCrPbAsHgCd,平均含量值分别为 281.31 mg/kg,162.59 mg/kg,152.26 mg/kg,39.56mg/kg,14.83mg/kg,2.09mg/kg 和 1.97mg/kg,以 Zn 的含量最大,Cd 的含量最小。污泥重金属含量最大值与《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284-84)相比较,Cu稍大于标准值,Zn为标准值的1.5倍;与《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)相比较均低于限制值;与发达国家污泥农用重金属限定值相比较,也基本低于限定值。总体来看,山西省城市污泥重金属含量基本符合我国及发达国家污泥农用要求。(3)基于地累积指数法得出供试污泥中Cu、Hg污染最严重,Cd、Cr的污染次之,Zn、As、Pb污染最小;基于皮尔逊相关分析法得出Cu和Hg,Cu和Pb,Hg和Pb之间极显著相关,Zn和As,Zn和Cd,As和Cd之间显著相关,表明其可能为同源污染物;基于主成分分析法得出污泥重金属的第一主成分贡献率为35.65%,相关元素为Cu、Hg和Pb;第二主成分贡献率为29.04%,相关元素为Zn、As和Cd;第三主成分贡献率为16.18%,相关元素为Cr。将污泥重金属污染特征、重金属相关性及区域产业配置状况与主成分分析结果相结合,山西省污泥重金属污染源解译结果为:第一类为冶金、煤焦产业及交通要素,第二类为供水管道系统、家庭生活污水的排放,第三类为特殊产业如皮革制造产业、纺织工业和化学工业等。(4)生态负荷指数法计算结果表明供试污泥农用,Cu、Hg、Cd存在潜在重度污染,Zn、As、Pb、Cr为潜在轻度污染,无污染及轻度污染污泥总数占比达87.5%;内梅罗综合指数法计算结果表明Cu、Zn、Hg和Cd潜在污染程度比其他重金属较严重,而As和Pb为无污染,总体而言,供试污泥重金属的潜在综合污染程度并不严重;哈坎逊潜在生态风险指数法计算结果表明供试污泥中Hg和Cd具有较高的潜在生态风险,其次为Cu和Zn,而As、Pb和Cr潜在生态风险性均较低,但全部供试污泥农用的重金属潜在生态风险均较高。综合三种生态风险评价方法得出的结论可知:山西省城市污泥农用的生态风险并不严重,但在污泥农用过程中需注意Cu、Zn、Hg和Cd四种重金属对生态环境的潜在生态风险;(5)基于USEPA污泥重金属确定性健康风险评价模型得出的结果表明:五种非致癌重金属Cu、Zn、Hg、Pb、Cr对儿童的日均总暴露剂量为成人的8.75倍,As和Cd两种致癌重金属的日均总暴露剂量为成人的1.75倍,且非致癌重金属和致癌重金属的主要摄入途径均为手口摄食;当成人/儿童暴露于单种非致癌重金属时,其风险值均小于风险临界值1,均不具有显著非致癌风险,但同种重金属儿童非致癌风险显著高于成人;当五种非致癌重金属综合作用时,成人不具有显著非致癌风险,儿童具有显著非致癌风险,且手口摄食为主要摄入途径;当成人/儿童暴露于单种致癌重金属时,其风险值介于1×10-6到1×104之间,该风险是可以接受的,但同种重金属儿童致癌风险显著高于成人;当两种致癌重金属综合作用时,成人/儿童总致癌风险指数平均值均未达到显著致癌风险阈值1×10-4,表示污泥重金属对成人/儿童造成的致癌风险并不显著,但儿童为成人的1.75倍;采用不确定性健康风险评价模型对山西省污泥重金属健康风险进行评价,其结果与确定性风险评价模型结论相一致,表明确定性模型结论基本可靠。
【学位授予单位】:山西农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X703;X826

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