广州市生活垃圾典型重金属污染及生态风险评价*

唐志华，呼和涛力，熊祖鸿，郭华芳，陈 勇,，房科靖

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 常州大学，江苏 常州 213164）

0 引 言

生活垃圾来源于人类活动，是人们在日常生活中或者为日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，主要包括居民生活垃圾、集市贸易与商业垃圾、公共场所垃圾、街道清扫垃圾及企事业单位垃圾等[1]。生活垃圾的重金属含量与特征是影响垃圾处理工艺的一个极为重要的指标，生活垃圾的填埋、焚烧发电及堆肥处理均需考虑重金属对周边水土环境的影响，如果处置不当，极易造成重金属污染[2-13]，危害人类健康与生态环境安全[14-16]。因此，及时、动态地掌握生活垃圾中重金属含量与特征，对生活垃圾的处理、资源化与能源化利用具有重要的意义。

生活垃圾中的重金属元素既来源于垃圾体中金属制品或镀金制品，如废电池、废灯管、废旧电器及表面镀金属的各种生活资料，也来源于含重金属成分的各类原材料，如含重金属的纸张、油漆、油墨及染料等[17]。目前，我国多个省市的生活垃圾出现了重金属污染。哈尔滨韩家洼子垃圾埋填场的生活垃圾中，Mn含量超过土壤环境质量标准3倍、Hg含量超过土壤环境质量标准29倍[18]。武汉市生活垃圾中 Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Pb、As等重金属含量均高于当地土壤背景值[19]。北京城市生活垃圾中的Hg、Cd和Cu元素含量均超过了北京土壤背景值和土壤环境质量标准的最高允许值[20]。上海市生活垃圾中Cd和Hg的含量超出土壤环境标准限值1倍左右[21]。王瑜堂等[15]研究了我国12个省份 72个典型村镇生活垃圾的重金属污染特征，发现部分村镇生活垃圾中重金属Hg、Pb、Cd、Cr的含量超出《城镇垃圾农用控制标准》。刘育辰[22]发现四川地区垃圾中的Cu、Cd、Zn、Hg和Cr的含量均不同程度地超出了土壤环境质量标准。安晓雯等[1]发现大连市生活垃圾中Cd、Cr、Pb和Zn污染严重，垃圾渗滤液中重金属污染超过排放标准从数倍到近40倍。银燕春等[23]发现成都地区生活垃圾重金属浓度普遍高于当地土壤背景值，且呈现出夏季高于冬季的趋势。王春铭等[24]研究发现广州增城垃圾填埋场内土壤中Cd元素含量超过珠三角土壤背景值，处于轻污染状态。广州市是国内首个制订垃圾分类管理规章的城市，但前人对广州市生活垃圾的研究主要集中在垃圾分类及收储运管理体系及处理方式[25-26]，对生活垃圾重金属含量与污染特征研究较少。

本研究以广州市生活垃圾为研究对象，进行垃圾组分分析及典型重金属（Hg、Cd、Pb、Cr）含量测试，并采用统计分析、污染指数评价、潜在生态风险指数评价和皮尔森相关性分析等方法，评价广州市生活垃圾中典型重金属的污染特征及潜在生态风险，并探讨其可能来源，研究结果可为广州市生活垃圾处置、资源化与能源化利用过程中的重金属污染控制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样方案设计

广州市是拥有1 350.11万常住人口的超大城市，全市共11个区，平均每天产生生活垃圾约1.38万t，2016年共清运处理生活垃圾504.35万t，其中无害化处理484.67万t，生活垃圾无害化处理率96.1%[27]。根据广州市生活垃圾转运站点及垃圾处理场的地理位置分布，综合考虑生活垃圾的物流情况和样品的代表性，共设计22个采样点，样品编号及采样点位置描述如表1和图1所示。

表1 生活垃圾样品编号及采样点位置描述Table 1 The sample number of municipal solid waste and description of sampling sites

图1 研究区域及采样点分布Fig. 1 Study area map with location of sampling sites of MSW

1.2 样品采集与测试

所有样品于2017年采集，遵照中华人民共和国城市建设部《城市生活垃圾采样和物理分析方法》（CJ/T 313 -2009），对每一样品进行多点采集，将采集的生活垃圾混合、搅拌均匀后堆成圆形或方形，进行必要的垃圾分拣后，用4分法采集50 kg样品，将样品带回实验室后经自然风干、破碎、过筛，以圆锥四分法制样。生活垃圾干基组分的质量分数，是将垃圾干基组分分类后，通过天平称重测试获得。

本次测试选取重金属指标为与人类健康密切相关的Hg、Cd、Pb和Cr，其中Cd、Pb和Cr的测定采用环境行业标准推荐的《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》（GB 5085.3-2007）附录A测试方法，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪ICP（IRIS-1000）进行分析测试；Hg的测定是根据《城市生活垃圾汞的测定冷原子吸收分光法》（CJ/T 98-1999）测试方法，用美国冷原子双光束测汞仪Hydra II C）进行测试，所有分析测试工作在中国科学院广州能源所研究所的测试中心完成。

1.3 数据处理方法

采用SPSS19.0对生活垃圾干基组分及Hg、Cd、Pb和Cr元素的测试数据进行统计分析和皮尔森相关分析；采用单因子污染指数法和内罗梅综合污染指数法对生活垃圾进行重金属污染评价；采用潜在生态风险因子和潜在生态风险指数法进行重金属的潜在生态风险评价。

目前尚无统一的生活垃圾重金属污染评价标准，有的学者选取土壤环境质量三级标准（GB 15618-1995）规定的重金属浓度限值为评价标准[1]，有的学者选取国家土壤环境质量二级标准（GB 15618-1995）规定的重金属浓度限值[20]或研究区域A层土壤重金属背景值[28]作为评价标准。本文选取国家土壤环境质量二级标准进行生活垃圾重金属污染评价与潜在生态风险评估。

1.3.1 单项污染指数

单项污染指数法是利用实测数据和污染标准进行对比分类，来评价某一重金属元素污染程度的方法，其计算式如下[29]：

式中：Pi为污染指数；Ci为实测浓度值，mg/kg；Si为污染评价标准，mg/kg；i=1，2，……，n为元素编号。Pi＜1，表示未污染；1.0 ≤ Pi＜ 2.0 为轻度污染；2.0≤Pi＜3.0 为中度污染；Pi≥ 3 为重度污染[15]。

1.3.2 综合污染指数

内罗梅综合污染指数法是一种兼顾极值和均值的计权型多因子环境质量指数，反映生活垃圾多金属复合污染的程度，其计算式如下[15]：

式中，PI为综合污染指数；(Ci/Si)max为各重金属元素污染指数的最大值；(Ci/Si)ave为各重金属污染指数的算术平均值。PI＜ 1.0 表示未污染；1.0 ≤ PI＜ 2.0表示轻度复合污染；2.0 ≤ PI＜ 3.0表示中度复合污染；PI≥ 3表示重度复合污染[30]。

1.3.3 生态风险评价

生态风险评价采用HAKANSON提出的潜在生态风险指数法对单金属元素的潜在生态风险因子和重金属污染物的整体生态风险进行评价，该方法结合了各重金属元素的毒害系数，将重金属的生态环境效应与毒理学相联系，从而定量地划分出潜在生态风险的程度，其计算式如下[29,31]。

潜在生态风险因子：

潜在生态风险指数：

式中：为元素i的潜在生态风险因子；为元素i的毒性系数，Hg、Cd、Pb和Cr分别取值为40、30、5和2[31]；Ci为元素i的实测浓度值，mg/kg；Si为元素i的污染评价标准，mg/kg；RI是重金属污染物的潜在生态风险指数。

表2 重金属污染潜在生态风险指数和等级划分[15,29]Table 2 Indices and grades of potential ecological risk of heavy metal pollution[15,29]

重金属污染的潜在生态风险因子和潜在生态风险指数的风险等级划分标准如表2所示。

2 结 果

2.1 广州市生活垃圾的组分特征

生活垃圾干基组分的质量分数统计结果如表 3所示。结果表明，广州生活垃圾主要由沙土、玻璃、金属、纸、塑料、布、草木、厨余垃圾和白塑料组成，其中沙土占6.23% ～ 19.90%，均值为11.41%；玻璃占 0 ～ 16.83%，均值为 5.68%；金属占 0 ～10.81%，均值为3.23%；纸类占6.45% ～ 22.82%，均值为13.94%；塑胶占12.31% ～ 31.00%，均值为19.63%；布类占2.23% ～ 19.63%，均值为8.87%；草木占 2.58% ～ 17.24%，均值为 8.44%；厨余占18.25% ～ 32.14%，均值为24.00%；白塑料占0.47% ～16.44%，均值为 4.81%。从变异系数来看，厨余垃圾的变异系数最小，说明生活垃圾中的厨余组分比较稳定，数据波动较小；金属成分的变异系数较大，说明生活垃圾样品中的金属组分不稳定，数据离散程度较大。

表3 生活垃圾组分统计结果Table 3 Statistical results of MSW components

2.2 广州市生活垃圾典型重金属含量特征

广州市22个生活垃圾样品的典型重金属Hg、Cd、Pb和 Cr含量分析结果如表 4所示。数据分析结果显示，广州市生活垃圾中 Hg、Cd、Pb和Cr浓度的平均值分别为0.435 mg/kg、1.487 mg/kg、71.865 mg/kg和136.088 mg/kg。Hg和Cd的浓度值高于国家土壤环境质量二级标准，但低于城镇垃圾农用控制标准；Pb和Cr的浓度值低于国家土壤环境质量二级标准和城镇垃圾农用控制标准。极大值显示，Hg、Cd、Pb和Cr的极大值均高于国家土壤环境质量二级标准；除Hg以外，Cd、Pb和Cr的极大值同时也高于城镇垃圾农用控制标准。极小值显示，部分样品中Hg和Cd的含量低于检测限。

表4 22个生活垃圾样品的重金属元素含量统计分析结果Table 4 Statistical results of heavy metal contents in 22 MSW samples

3 分析与讨论

3.1 广州市生活垃圾重金属污染评价

单因子污染指数（Pi）是针对单一重金属元素进行污染评价时所采用的一般方法，其数值大小反映了单一重金属的污染情况；内罗梅综合污染指数（PI）综合考虑了多种重金属元素，其数值大小反映了多金属复合污染的程度。根据式（1）和式（2），结合污染等级标准进行污染评价，各采样点单因子污染评价和综合污染评价结果分别如图2和图3所示。

图2 重金属单项污染指数评价Fig. 2 Assessment on single contamination index of heavy metal Hg, Cd, Pb and Cr

图2显示，有5个样品出现了Hg污染，其中1个样品（LJ-17）为轻度污染，1个样品（LJ-13）为中度污染，3个样品（LJ-11、LJ-12和LJ-15）为重度污染，点位超标率为22.7%；有9个样品出现了Cd污染，其中1个样品（LJ-19）为轻度污染，8个样品（LJ-1、LJ-2、LJ-16 ～ LJ-18 和 LJ-20 ～ LJ-22）为重度污染，点位超标率为40.9%；仅有1个样品（LJ-15）出现 了Pb的轻度污染，点位超标率为4.5%；有 4个样品（LJ-4、LJ-7、LJ-10和 LJ-12）出现了Cr的轻度污染，点位超标率为18.1%。

图3显示，共有14个样品出现了多金属复合污染，其中有2个样品（LJ-10和LJ-19）为轻度复合污染，2个样品为中度复合污染（LJ-13和LJ-15），10 个样品（LJ-1 ～ 2、LJ-11 ～ 12、LJ-16 ～ LJ-18 和LJ-20 ～ LJ-22）为重度复合污染，综合污染指数的点位超标率为63.6%。

图3 重金属综合污染指数评价Fig. 3 Assessment on compound contamination index of multimetal pollutants

污染样品的空间分布显示，Hg污染主要出现在黄埔区和增城区；Cd污染主要出现在天河区、越秀区、荔湾区、番禺区和花都区；Pb污染出现在黄埔区；Cr污染主要出现在增城区。从污染程度看，广州市生活垃圾的Hg和Cd污染比较严重，对综合污染指数的贡献最大；Pb和Cr污染程度较低，只有个别样品出现了轻度污染。

3.2 广州市生活垃圾重金属潜在生态风险评价

潜在生态风险因子 Eri反映了单一重金属污染物的潜在生态风险，其数值越大，则潜在生态风险等级越高。潜在生态风险指数（RI）是多种重金属污染物的潜在生态风险因子总和，其数值大小反映了重金属污染物的整体潜在生态风险。根据式（3）和式（4）的计算结果，结合表2所列的生态风险指数等级标准进行潜在生态风险评价，各采样点潜在生态风险因子Eri和综合潜在生态风险指数RI的评价结果分别如图4和图5所示。

潜在生态风险因子（图 4）显示，生活垃圾中的Hg在5个样品中出现了不同程度的潜在生态风险。样品LJ-17出现了低的潜在生态风险，样品LJ-13和LJ-15出现了中等潜在生态风险，样品LJ-12出现了高的潜在生态风险，样品 LJ-11出现了很高潜在生态风险，点位超标率为22.7%。生活垃圾中的Cd在9个样品中出现了不同程度的潜在生态风险。采样点LJ-19出现了低的潜在生态风险，采样点LJ-2、LJ-16 ～ LJ-18、 LJ-20和LJ-21出现了高的潜在生态风险，采样点LJ-1和LJ-22出现了很高潜在生态风险，点位超标率为40.9%。生活垃圾中的 Pb和 Cr均无潜在生态风险。

潜在生态风险指数（图5）显示，共有10个样品的重金属污染物出现了不同程度的生态风险，其中有 5个样品（LJ-2、LJ-12、LJ-16、LJ-18、和 LJ-21）出现了低的潜在生态风险，3个样品（LJ-11、LJ-17、和LJ-20）出现了中等潜在生态风险，2个样品（LJ-1和 LJ-22）出现了高潜在生态风险，点位超标率为45.5%。

图4 重金属污染潜在生态风险因子评价Fig. 4 Assessment on potential ecological risk factor of heavy metal Hg, Cd, Pb and Cr

图5 重金属污染物潜在生态风险指数评价Fig. 5 Assessment on compound potential ecological risk indices of heavy metal pollutants

3.3 广州市生活垃圾中重金属的来源

为分析生活垃圾各组分与重金属含量之间的关系，探讨广州市生活垃圾中重金属元素的可能来源，对测定的 22个生活垃圾样品的组分数据和重金属含量数据进行了皮尔森相关分析，结果如表5所示。

皮尔森相关分析显示，生活垃圾中金属的质量分数与生活垃圾中Cd和Pb的浓度显著正相关，说明 Cd和 Pb可能主要来源于生活垃圾中的金属成份，如废电池、废旧电器件、易拉罐、金属礼品盒、罐头盖、金属瓶盖等，可能主要受居民生活垃圾影响。生活垃圾中纸和白塑料的质量分数分别与Cr和Hg的浓度显著正相关，说明Cr和Hg可能分别主要来源于生活垃圾中的纸类成份和白塑料成分；近年来，随着网购业务和快餐业务的快速发展，产生了大量的包装垃圾和快餐垃圾，使城市生活垃圾中纸类和白塑料成分增加，因此，Hg和Cr污染可能主要受企事业单位、集贸市商业和公共场所产生的包装垃圾和快餐垃圾影响。此外，生活垃圾中纸的质量分数与Cd和Pb的浓度呈显著负相关，说明随着生活垃圾中的纸类成分增加，Cd和Pb的浓度反而降低；生活垃圾中金属的质量分数与Cr的浓度显著负相关，说明随着生活垃圾中的金属成分增加，Cr的浓度反而降低。

总体而言，广州市生活垃圾的重金属污染情况不容乐观。通过上述分析发现，生活垃圾中Cd的污染最严重，潜在生态风险也最高；Hg次之；Pb和Cr的污染程度较低，无潜在生态风险。Cd和Hg对综合污染指数的贡献最大，大部分生活垃圾样品均出现了多金属复合污染，由于其生态毒性很强，是重金属污染的重点防控目标。国内外已经发生多起大面积Cd和Hg中毒事件，如湖南浏阳的Cd污染事件和日本的痛痛病事件等。为了防止类似事件再次发生，在生活垃圾处理、资源化和能源化利用过程中要做好重金属防治与处理工作，如生活垃圾卫生填埋时要做好防渗漏和对渗滤液进行回收处理；对垃圾堆放场和垃圾填埋场进行土地还原时要做好土壤改良和重金属修复工作；生活垃圾焚烧发电要对烟气和炉渣进行处理，防止重金属通过烟气和炉渣进入环境系统；生活垃圾堆肥前要进行重金属含量测试，预防重金属进入农业土壤和食物链。此外，要做好生活垃圾的源头治理和分类回收工作，特别是生活垃圾中的金属成分、快餐垃圾和包装垃圾。

表5 生活垃圾组分与重金属含量的皮尔森相关系数Table 5 Pearson correlation coefficients between heavy metal contents and MSW components

4 结 论

（1）广州市生活垃圾干基组分中沙土、玻璃、金属、纸、塑料、布、草木、厨余垃圾和白塑料的平均质量分数分别为 11.41%、5.68%、3.23%、13.94%、19.63%、8.87%、8.44%、24.00%和4.81%。生活垃圾干基中Hg、Cd、Pb和Cr浓度的平均值分别为 0.435 mg/kg、1.487 mg/kg、71.865 mg/kg和136.088 mg/kg。Hg和Cd的浓度平均值高于国家土壤环境质量二级标准，Pb和Cr的浓度平均值均低于国家土壤环境质量二级标准，Hg、Cd、Pb和 Cr浓度的平均值均低于城镇垃圾农用控制标准。

（2）广州市生活垃圾中 Cd的污染最严重，Hg次之，Pb和 Cr的污染程度较低；Hg、Cd、Pb和Cr的点位超标率分别为 22.7%、40.9%、4.5%和18.1%；Cd和 Hg对综合污染指数的贡献最大，大部分生活垃圾样品均出现了多金属复合污染，点位超标率为63.6%。

（3）广州市生活垃圾中 Cd的潜在生态风险最高，Hg次之，Pb和Cr无潜在生态风险；Hg和Cd的潜在生态风险点位超标率分别为22.7%和40.9%，部分样品存在很高潜在生态风险；重金属污染物综合潜在生态风险指数的点位超标率为 45.5%，部分样品出现高的潜在生态风险。

（4）生活垃圾中Cd和Pb的浓度与金属成分的质量分数显著正相关，可能主要来源于居民生活垃圾中的废电池、废旧电器件、易拉罐和金属瓶盖等金属成份；生活垃圾中Cr和Hg的浓度分别与纸类成分和白塑料的质量分数显著正相关，可能主要来源于企事业单位、集贸市商业和公共场所产生的包装垃圾和快餐垃圾。因此，一定要对生活垃圾中的金属、纸类和塑料成分进行分类回收和处理。

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