有色金属工业固体废物生态环境效应分析方法研究进展

苏为洪,仝 佳,王向宇,张朝能

(昆明理工大学 环境科学与工程学院,昆明 650500)

0 引言

云南是“一带一路”西南地区有色金属产业聚集区,有色金属产量在整个西南地区占比较大,采选冶与深加工过程将产生大量的固体废物,如尾矿、冶炼渣、处置废气废水的二次渣尘泥、深加工渣等。云南有色金属以锡铅锌铜铝为主[1],典型固体废物包括锡尾矿、锡精冶炼渣(主要是砷铝渣和硫渣)、铜锌冶炼含砷汞尘泥、铝灰渣和废槽衬,有色金属产业具有明显的高污染、高能耗特征。有色金属冶炼是环境中重金属污染物的主要来源[2]。 由于重金属污染具有毒性强、分布广泛性、长期性、累积性、隐蔽性、在环境中不易被降解、难治理、易迁移转化和不可逆性等特点,可通过食物链进入人体某些器官,并在人体中缓慢累积,一旦超过人体对其耐受程度,就会对人体造成严重危害。环境自身的净化作用和微生物也难以将其降解和消除,重金属污染环境的治理成本高且周期长,严重影响了区域大气、水体、土壤环境及人体安全健康,存在较大的生态环境安全隐患, 因此开展环境污染质量评价对重金属污染防治和保障人体安全健康具有重要意义。

生态环境质量是生态环境因子在一定时空范围内对人类的生存繁衍及社会发展的适宜程度的反映,生态环境的优劣程度与人们的生存、生产、生活息息相关,为了系统、全面地了解生态环境质量现状及发展趋势,为国民生态安全提供根本保障,为制定生态环境污染防治方案及环境规划提供科学依据,使生态环境质量状况与人类的生存发展相适应,需对环境质量进行相关评价。

目前,国内外应用较多的生态环境质量评价方法主要有单因子污染指数法、潜在生态危害指数法、地质累积指数法、内梅罗综合污染指数法、富集因子法、内梅罗综合污染指数法及污染负荷指数法等[3],每种方法各有其特点,适用范围、评价标准有一定的差异。本研究归纳总结了环境质量评价的国内外发展历程,介绍了6种指数评价方法并对其进行总结分析对比,选择出适合有色金属工业固体废物对生态环境影响的评价方法。

1 生态环境效应研究进展

生态环境是一个复合生态系统,包括水资源、生物资源、土地资源及气候等资源,这些资源数量与质量的有机组合形成了生态环境,影响人类的生存和经济社会的持续健康发展[4]。

人类为了自身的生存和发展对自然进行利用与改造,其各种生产活动对生态环境会产生不同程度的影响,同时这些影响会反作用于人类的生产和生活。生态环境效应是指生态系统各组成部分在由于人类活动的影响所引发的生态过程变化及响应以及由此引起的区域生态格局的变化[5],这种变化的影响可能是积极的(生态安全)或消极的(生态风险)。生态环境效应按性质可以分为正、负效应[6-7]。正效应是人类生产活动对生态环境所产生的积极有利的效应影响,如土地利用类型的变化可能会促进生态环境质量改善和景观类型演变;反之,负效应是由于人类的行为活动对生态环境所产生的负面的消极的不利的影响,如生态破坏、环境污染等生态危害。

生态环境效应的研究目前主要是针对单一生态环境水文、土壤、大气、生物多样性等的研究,对综合生态效应的研究较少,主要涉及景观生态格局、物质能量循环、生态服务功能等[8]。

齐文强[9]根据已有的理论和数据,以内蒙古自治区鄂托克旗、甘肃省肃南县、青海省乌兰县为分析研究对象,梳理了土壤质量及草地生态环境评价的理论研究,分析了草原生态环境的主要评价指标,揭示了研究区域土壤质量特点,评价了草原生态环境效应,搭建了项目数据库。李叶鑫[10]等对煤矿区土壤裂缝的产生机制和演化规律进行系统的归纳总结,归纳了拉伸型、塌陷型、张拉型裂缝形态特征及影响因素、煤矿区土体裂缝的五种测定方法及其六类相关生态环境效应等方面的最新研究进展,并提出展望,以期为煤矿区土地复垦和生态修复提供科学依据。目前对生态环境效应的研究更多的集中在负生态环境效应方面,而对正生态环境效应的研究相对较少。武强[11]等应用一系列学科如地质学、环境学和采矿学等相关理论,对闭坑矿山的正负生态环境效应进行了综合分析研究,提出了有针对性的开采与预防控制措施。 研究表明,闭坑矿山存在着形成污染矿井(坑)水源、串层污染地下水与地表水、危害城乡供水、造成矿区地表二次塌陷与山体滑坡、矿区高层建筑地基失去稳定性或导致一系列基础设施危害及威胁矿井周围的生产安全等负效应,从储藏和资源效应及提供场地等方面分析综述了一系列正效应。

目前对生态环境效应评价的研究多是关于土地利用类型变化的生态环境效应评价研究[12-14],而其他方面,尤其是固体废物的生态环境效应评价分析方面的研究较少,方法体系也不够完善。

2 生态环境效应分析评价指标体系的构建原则

2.1 目标性和针对性原则

评价方法多种多样,各评价方法的适用范围、评价标准和特点也有差异。应根据不同的评价目的并结合评价区域的实际情况选用合适的评价方法。

2.2 系统综合性原则

生态环境是一个较为复杂的系统,影响环境质量的因素有很多,很多仅反映生态环境质量的一个或几个方面的特征,缺乏全面、客观反映生态环境质量最本质特征的评价方法。在选择评价方法时,应立足于系统综合的观点,遵循系统相关性、层次性、整体性和综合性等原则,兼顾考虑多种因素的影响,从多个评价角度进行分析,虽各评价方法间具有独立性,但应有机结合起来。

2.3 科学性原则

在当代科学发展中,科学性是最基本的原则,在科学探究中需遵循科学规律,尊重客观事实,以客观事实为基础,要有科学依据,用科学的方法及手段反映生态环境中的基本特征。

2.4 代表性原则

有的评价方法缺乏导向性,难以突出问题,从而使评价结果不易得到应用。在选择评价方法时,应考虑其代表性、内涵独立性,选取的指标应客观反映研究区域内的生态环境质量特征,所选取的方法能代表引发生态环境效应的某种因素或效应。

2.5 可操作性原则

在选取评价方法时要考虑该指标的可量化性及可操作性,实用性强,评价结果与实际情况的差距小,能够与真实情况有较好的吻合。有些评价方法其他方面可能都比较合适,但在现有的技术条件下不方便获得或统计和计算复杂,这样的方法不推荐选取。

3 生态环境污染评价方法

工业固体废物流动扩散性和挥发性不强,但数量庞大,种类繁多,成分复杂,受工业生产过程等不同复杂因素的影响,导致处理难度大。除了直接造成的污染,还经常以水、大气和土壤为媒介污染环境,容易造成环境长期持续性的污染,是一个比较缓慢的过程。特别是有色金属行业,能耗高,固体废物排放量大,污染严重,排放的固体废物中经常含有酸性、碱性、毒性或重金属成分,通过淋溶、径流和大气飘尘等作用形式进入周围的大气、水体和土壤环境,受到其污染影响的范围将远远不止固体废物堆置区域和空间。为了更好地开展生态环境污染防治工作,营造健康安全生产生活环境,需要对其进行生态环境质量评价。

在生态环境质量评价工作中,评价方法的选择和确定是工作的核心。国内外生态环境质量评价方法多种多样,不同评价方法的对象及适用范围存在一定的差异。随着国内外学者对理论和评价方法的研究趋于多元化发展,在一般的指数法评价基础上,根据主客观相结合衍生出了一系列评价方法,主要有模糊数学评价法、物元分析法、主成分回归分析法(PCA)、层次分析法(AHP)、秩和比法(RSR)、人工神经网络法(ANN)、灰色系统评价法等[15-16],被广泛应用于环境质量评价研究领域。这些方法特点各异,在评价相同或不同的区域环境时所呈现的优劣程度不同。而环境评价方法未来发展趋势是将多种评价方法结合起来使用并进行优化。目前,国内外常用的生态环境质量评价方法主要是基于指数评价的方法,包括单项污染指数法[17-20]、内梅罗综合污染指数法[21-25]、地累积指数法[26-29]、潜在生态危害指数法[30-33]、富集因子法[34-38]、污染负荷指数法[39-44]。

3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法(Single factor pollution index method)是基于环境质量标准对环境中某单一污染物的污染程度进行评价,具体为参考评价基准逐个对各个单项污染指标进行分析和评定,是最简单、最基础、应用较广泛的评价方法[45]。通过单因子污染指数评价可以判断出所评价区域主要污染物及其污染程度,计算公式为[46]:

Pi=Ci/Si

(1)

式中,Pi为单因子污染指数,Ci为污染物i在评价区域环境中的实测浓度,Si为污染物i的评价标准或参考值。

表1 单因子污染指数分级标准Tab.1 Single factor pollution index classification criteria

若Pi≤1.0,表示没有受到污染,若Pi>1.0,则表示受到污染,指数Pi的值越大表明污染程度越高,污染越严重。

单因子污染指数法只能反映出某一特定评价区域内单一污染因子的污染水平,可以判断环境中的主要污染因子及其污染程度,该方法直观、简便、易于理解、计算简单,还可以清晰表示出评价样本与评价标准之间的比值关系,为其他综合评价方法提供一定的依据[47]。但在实际情况下的环境污染通常是由多个污染因子复合污染导致的,而单因子污染指数法不能做到对评价区域内整体污染情况进行综合评定,仅适用于对特定区域的单一污染因子污染进行评价。

3.2 内梅罗综合污染指数法

一般情况下,当环境中存在多种污染物复合污染时,如果仅用单因子评价法是不能对此区域内的环境污染真实状况进行评估的。为了对环境污染真实情况进行准确评价,需将各单一污染因子污染指数进行综合[48],因此以单因子指数评价为基础发展了多种综合污染指数法。内梅罗综合污染指数法(Nemerow index method)就是其中一种,它能考虑单因子指数法中单一污染因子的均值与最大值,凸显出具有最高污染指数的污染物对环境质量的影响,对不同种类的污染物造成的环境污染程度进行客观、全面、综合性评估,是一种计权型多因子环境质量指数。内梅罗指数法在早期时主要被应用于沉积物和土壤污染质量评价,随着发展也逐渐被用于地表水样品的重金属污染评价[49],计算公式为[50]:

(2)

式中,Pn为内梅罗污染指数,Pi,ave为平均单项污染指数(各单项污染因子污染指数的算术平均值),Pi,max为最大单项污染指数(各单项污染因子中的最大污染指数)。

表2 内梅罗污染指数评价标准Tab.2 Evaluation standard of Nemerow pollution index

内梅罗综合污染指数法考虑了污染物的均值和最大值,避免了加权系数中主观因素对加权过程的影响,可以更加客观地评价环境的污染状况,是目前国内外应用较多的综合评价方法。但不少研究者在实际应用中发现该方法过分强调了在评价区域环境质量中高浓度污染物的影响[51],最终评价结果可能会因此在划分污染程度差异时在一定程度上存在灵敏性不够高、精确度不够好等缺点。

对多种污染因子共同污染的环境进行评价时可采用内梅罗综合污染指数法。与单因子污染指数法相比,内梅罗污染指数法能更好地反映出多类别污染物的总体污染情况,避免由于平均值的作用削弱污染因子的权值[52]。但这种方法的主要问题是过于强调污染指数最大的污染因子的影响和作用,导致难以解释污染物在环境中发生的质变过程。

3.3 地累积指数法

地质累积指数法(Geo-accumulation index method)是德国科学家Muller在1969年首次提出的主要适用于河流沉积物的重金属污染状况的评价方法[53],也被称为Muller指数,后来常被用于土壤重金属污染状况的评价。该方法考虑了自然地质过程中出现的背景值及人为活动对环境的影响,其将上述两个因素结合在一起,更加全面地评价了生态环境质量。该指数不仅可以反映出重金属在自然环境中的分布变化规律,还能根据该指数对人为活动对环境造成的影响进行评价,从而区分人为活动的影响程度,计算公式为[54]:

Igeo=log2[Ci/(K×Bi)]

(3)

式中,Igeo为地质累积指数,Ci为样品中污染物i的实测浓度,Bi为参比值,即污染物i的地球化学背景值(自然本底值),K为修正系数,考虑到背景值会因为自然成岩作用、岩石种类及表面沉积特征等改变,取值一般为1.5。

与其他方法相比,地质累积指数法除考虑背景值、人为污染因素的影响外,还考虑了岩石种类差异及表面沉积特征可能引起背景值变动的因素,因此弥补了其他方法的不足[55]。但该方法仅能计算出评价区域内各采样点单一污染因子的污染指数,并不能对不同具有交互作用的污染物或不同评价区域内的环境质量进行比较分析,故该评价方法并不能全面、客观、系统地评价区域的环境状况。

3.4 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法(Potential ecological hazard index method)是瑞典地球化学家Hakanson从沉积学角度出发,根据重金属性质及环境行为特征提出的评价土壤或沉积物中重金属潜在风险程度的方法。该方法主要探究了重金属数量(种类数)、多种污染元素的协同作用、金属的毒性水平,评价区域环境中重金属浓度及环境对重金属污染的敏感性等因素,不仅反映某一特定环境下各重金属元素对环境的影响,还反映了多种金属元素协同污染环境的状况,因此经常被应用于评价土壤中重金属的生态风险[56],其计算公式为[57]:

(4)

式中,RI多因子综合潜在生态危害指数为各单一污染因子i的潜在生态危害系数之和。Ei为重金属元素i的潜在生态危害系数,Ei=Ti×Pi。Ti为重金属元素i的毒性响应系数,该系数以重金属的毒性系数参考值代替,反映上述的金属毒性水平、多种污染元素的协同作用等因素。表4表述了环境中常见的重金属毒性响应系数的参考值,Pi为重金属元素i的单因子污染指数。

表4 常见重金属的毒性系数参考值[58]Tab.4 Toxicity factor reference values for common heavy metals

表5 潜在生态危害系数与污染程度的关系Tab.5 Relationship of potential ecological hazard values and pollution levels

表6 富集因子与污染程度的关系[64]Tab.6 Relationship of enrichment factors and pollution levels

表8 污染指数评价方法比较Tab.8 Comparison assessment of pollution index methods

潜在生态危害指数法是目前常用的评价土壤或沉积物中重金属污染及其区域生态风险程度的方法。 该方法一方面考虑到了评价区域内多种因素的协同作用,如工业布局、水文地质条件等,另一方面还考虑到了不同重金属元素的生态敏感程度、生物毒性水平、迁移转化规律对环境造成的生态危害也存在差异。为了使评价更侧重于独立方面,还增加了重金属元素的毒性相应系数,以定量方法对其潜在的生态危害进行评价,进而反映出重金属对生态环境的危害程度[59-60]。该方法的适用范围为大尺度范围区域内的生态风险评价,但在确定重金属元素毒性响应系数时也存在一定的主观性。

3.5 富集因子法

富集因子法(Enrichment factor method)是Zoller等[61]于1974年首先被用于南极上空大气颗粒物中化学元素的浓度及来源研究,起初被用于研究大气颗粒物中元素富集程度,判断和评价颗粒物中元素来源,包括自然来源及人为来源。后期通过不断的研究改进,应用范围逐渐扩展到土壤研究领域[62],可对污染程度和污染来源进行定量评价。该方法需要选择满足一定条件的元素作为标准化元素(或称参考元素),采样区域内单一污染元素浓度与参考元素浓度的比值与背景区中该元素的浓度与参考元素的比值的比率,计算公式为[63]:

(5)

式中,EF表示富集因子值。Ci为元素i的浓度,Cr为被选取的标准化元素的浓度。(Ci/Cr)sample表示样品中元素i的相对浓度,(Ci/Cr)background表示地壳中元素i的相对浓度。

EF的值与污染元素富集程度成正比,EF值越大表明富集程度越大。根据富集程度判断其来源,当EF>10时,表明样品中污染元素相对于参考元素被人为活动富集或稀释;当EF≈1时,表明该污染元素主要来源于地壳或土壤。

富集因子法主要用于研究环境中污染元素的富集程度,分析、判断人为来源与自然来源对环境中污染物含量的贡献水平。该方法能够降低地球环境化学背景值的影响,还能判断是否是人为活动造成了重金属污染[52],使评价结果更加科学可靠。

但富集因子在实际应用时会因为其缺点受到一定的限制。由于富集因子受多种因素的影响,因此仅根据富集因子值的大小不能准确地对污染作出判断。对富集因子影响较大的因素主要是在参比元素的选择时没有统一的标准及不同地区背景值的不确定性,因此富集因子的计算结果会受到所选取标准化元素和背景值的影响。标准化元素一般选择地壳中普遍存在的、化学性质稳定、分析结果精确度高、人为污染来源较少、挥发性低、不易受环境和分析测试环节影响的元素。国内外研究中常用参比元素主要有Fe(铁)、Al(铝)、Ti(钛)、Si(硅)、Sc(钪)、Mn(锰)[65]等,但选择不同的标准化元素必然会导致计算结果的差异。在参考元素的选取和背景值选择上,目前国内外还未有统一的标准,具有一定主观性,富集因子会因此产生较大的误差。本方法就不适用于大范围环境理化性质、不同重金属种类及浓度下的区域评价,具有一定的局限性。

3.6 污染负荷指数法

污染负荷指数法(Pollution load index)是由Tomlinson等[66]首先提出用于重金属污染水平分级研究的一种评价方法,可以更直观地反映各种污染物对区域环境污染的贡献程度及污染区域内重金属元素的时空变化趋势,在评价土壤和河流沉积物重金属污染时被广泛应用[67-70],计算公式为[71]:

(6)

式中,PLI表示采样点的污染负荷指数,Pi表示单因子污染指数,n表示污染物种类数。

污染负荷指数也是一种定量评价方法,通过采用一定的统计学方法,量化评估各个采样点的不同污染因子所引起的污染状况,将其划分为不同的污染等级,最终通过对各个点位的污染评估结果来反映该地区整个污染水平。污染负荷指数法能直观反映污染元素在时间上和空间上的变化规律,也能反映不同污染物的污染贡献水平,从而确定污染程度。考虑了各项污染物的污染指数,可以综合反映评价区域内的污染状况[72]。

4 各种评价方法的比较

单因子污染指数评价法为其他污染指数评价方法提供依据,但该方法只能反映单因子污染程度,缺乏综合性。内梅罗污染指数法考虑了单因子污染指数法的最大值和均值,能够较全面地反映各种污染物的协同作用,从而综合地评价各类环境污染因子的污染程度,是环境领域评价环境污染质量常用的方法。地质累积指数法一方面考虑环境地球化学背景值、人为污染因素,另一方面考虑了容易被忽略的自然成岩作用、岩石种类及表面沉积特征可能造成背景值变动的因素,但该方法未涉及综合评价多项污染因子复合污染,导致其系统性、综合性不是很高。潜在生态危害指数法除了考虑了单因子重金属的影响,还综合考虑了多污染因素的协同作用、不同重金属的毒性水平、重金属污染浓度及环境对重金属污染敏感性等因素,具有直观性、定量性和对于潜在生态风险的预测性等特点,因此被广泛应用于评价沉积物、土壤中重金属元素的生态影响效应,但该方法中毒性系数的确定有一定的主观性影响。富集因子法可以分析、判断人为来源与自然来源对环境中污染物含量的贡献水平,减小或避免自然背景值对评价结果的干扰,但评价结果易受多种因素的影响。污染负荷指数法体现了各种重金属含量在时间和空间上的变化规律和各污染物的污染贡献水平,可以综合反映评价区域内的污染状况,但不同污染源所引起的背景值差别并未考虑。

上述几种评价法适用范围和特点各不相同,在对区域环境进行污染质量评价的过程中通常需综合应用多种方法,通过对各种方法的有机结合,更好地识别不同评价区域的污染源和污染程度,更加全面、合理地评价区域的综合污染现状水平。

有色金属工业固体废物污染区域大,污染因子复杂多样,在对有色金属工业固体废物的生态环境影响效应评价分析中,可将几种评价方法根据其适用范围及特点进行有机结合,全面、合理地对有色金属工业固体废物的整体污染现状水平做出综合评价。

5 总结与展望

有色金属工业固体废物排放量最大,其运输、堆存过程中可能会引发的一系列生态环境效应,不仅占用大量土地资源,还对水环境、土壤环境、大气环境造成了污染,间接地对生态系统、人体健康造成威胁,因此对固体废物处理与处置场所周边环境进行生态环境效应分析评价,有利于充分了解固体废物的污染程度及范围,对评价周围环境的质量安全具有现实意义,可为固体废物的监测管理和污染区域的修复提供科学合理的参考。评价方法种类众多,其适用范围和特点存在一定的差异,采用不同的评价方法得出的评价结果必然有差异,因此要在充分了解各方法的基础上采用比较适用合理的评价方法,具体问题,具体分析,尽量做到科学客观。

结合目前关于有色金属工业固体废物生态环境效应的研究现状及固体废物污染的现实问题,对今后的相关研究提出以下建议:

应在当前的评价方法基础上不断创新和改进,及时了解前沿方法并将其应用扩展,进一步完善环境污染质量评价方法体系。随着3S技术的不断发展及其在其他行业的应用,生态环境效应分析评价应和3S技术结合起来,将多种评价方法结合优化。相对于单一方法的评级结果,两种或两种以上评价方法的结合能够更加客观、科学、准确地反映生态环境效应。

对固体废物特别是含有有害元素的固体废物进行生态环境效应分析时,不仅要进行环境质量评价和生态风险评价,对人体健康的风险评价也应加强。

固体废物中重金属的总量不能完全反映重金属的生物可利用性(有效性)和生物毒性,重金属生物可利用性和毒性除了与其总量有关外,与重金属在环境中的化学形态及其迁移转化能力也密切相关,而重金属元素的生物可利用性更能反映出对生态环境产生的效应程度,因此在分析固体废物中的重金属生态环境效应过程中,应关注重金属的化学形态及赋存状态分析及其迁移转化规律的研究。

在固体废物处理与处置过程中,固体废物中重金属等可能渗透进入环境,结合受影响区域的重金属污染物背景值,基于堆场与受污染环境之间重金属存在着同源性或一致性,可进行堆场与受污染环境重金属的相关性分析,了解固体废物中的重金属含量与堆存场周围环境的重金属含量之间的相关性,进而分析固体废物重金属等对区域生态环境的影响效应。