【煤矿周边土壤重金属含量特征及健康风险评价实证探究（论文）7300字】

煤矿周边土壤重金属含量特征及健康风险评价实证研究—以淮北煤田芦岭煤矿为例摘要为了研究煤矿影响区以下的土壤重金属的含量污染特征，测试了土壤中Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni、和Zn7种重金属的含量，采用单因子污染指数法（Pi）以及地累积指数法（Igeo）对土壤重金属含量污染特征做出了评价，之后采用人体暴露风险评价模型对人体的健康风险进行分析。研究结果表明，煤矿影响区土壤7种重金属中，Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn的平均含量超过了安徽省土壤元素背景值；Cd的单因子污染指数最大，有16个样本达到了警戒限度，As次之，有6个样本达到了警戒限度；Cd的地累积指数最大，全部处于轻微污染范围；As次之，87%的样品处于轻微污染范围；从手口摄入是重金属进入人体的主要途径，并且在3种途径下的暴露量模型中儿童的暴露风险均大于成人；7种重金属元素的非致癌风险都低于阈值1，且总体非致癌风险也是低于阈值，单一元素的致癌风险都小于10-6，TCR也小于标准值。关键词：土壤重金属；含量特征；污染水平；健康风险评价；目录TOC\o"1-3"\h\u172310引言 1188301材料与方法 231371.1研究区概况 2237461.2样品采集与预处理 257881.3重金属污染评价 3182781.3.1单因子污染指数 3145131.3.2地累积指数 3158171.4健康风险评价 4142821.4.1暴露量模型 4126321.4.2健康风险值计算 4173232结果与讨论 7119522.1土壤重金属含量特征 7273492.2土壤重金属污染水平 7218212.2.1单因子污染指数分析 7138702.2.2地累积污染指数分析 8319492.3土壤重金属健康风险评价 9201682.3.1非致癌风险 91932.3.2致癌风险 11263143结论 129665参考文献： 130引言煤炭的开采推动世界工业的发展，煤仍是我国目前主要的能源。煤矿开采所引起的重金属污染问题日渐突出，引起众多学者所关注[1-5]。重金属可通过水体、固体废物、大气等途径进入土壤，造成明显的区域土壤环境污染[6-8]。煤矸石通常被大量堆积在露天的土地上或充填沉陷区，通过淋溶作用、风力作用以及自燃等因素使煤矸石中重金属进入到土壤[9]。重金属在土壤中很难被微生物降解，并且在土壤中容易大量积累，通过粉尘作用、食物链传递等方式进入人体，对人体造成损伤。因此，对煤矿矿业工程影响区土壤重金属对人体造成的健康风险的评价显得尤为重要。近些年来，前人在煤矿周边土壤重金属的污染问题上，已经采用了多种方法，对土壤重金属的含量特征、生态风险及健康风险等做了大量研究。如HaiminSu等测定了宿州市煤矿周围土壤中Zn、Cr、Cd、Pb、Cu、As和Hg的含量，利用潜在生态风险指数对土壤重金属污染进行了评价发现：除Zn、Cu外，其余元素含量均高于国家环境质量标准；4个煤矿的土壤重金属污染的潜在生态风险处于中等水平，Cd和Hg是最严重的生态危害因子[10]。XingmingWang等对新庄子煤矿矸石堆周围土壤中Zn、Pb、Cd、Cu的浓度进行了分析，结果表明：在20~40cm深度土壤中，Zn、Pb的浓度均低于淮南省土壤的背景值，在0~20cm和20~40cm深度的土壤中，Cd和Cu的浓度最高，分别比淮南土壤的背景值高106.76%和0.46%[11]。RenxinZhao等研究了内蒙古包头市石盖区煤矸石堆周围Cr、Cu、Ni、Zn、Mn和Fe的浓度，分析结果表明：不同地区的土壤受到不同程度的Cr、Cu、Ni、Zn、Mn和Fe的污染，污染程度依次为:Cu>Cr>Fe>Zn>Ni>Mn，且路边土壤重金属污染最严重[12]。QinFanxin等根据美国环境保护署(EPA)推荐的健康风险模型，对土壤中重金属的健康风险进行了评估，结果表明：土壤中重金属的非致癌风险排序为As>Pb>Cr>Ni>Cu>Hg>Cd>Zn，As的非致癌风险值高于阈值1，对成人和儿童有较高的潜在健康风险，As的致癌风险值高于阈值，说明As对成人和儿童的致癌风险较高[13]。黄大伟等为研究淮北煤田宿南矿区土壤重金属含量特征，测试了土壤中重金属Fe、Mn、Cd、Cr、Pb、Ni、Zn和Cu的含量，结果表明，Cd、Cr、Pb、Ni、Zn和Cu的均值含量不超过土壤环境质量二级标准；综合评价结果显示，Cd污染累积程度明显，且Cd是最主要的生态风险因子[14]。煤矿的开采以及煤炭资源的利用方式的不同，对煤矿周边的环境影响不一。本文选择宿南矿区开采历史最长、开发规模最大且有坑口电厂的芦岭煤矿为研究对象，分析研究周边土壤中的什么什么元素的含量特征、污染水平及健康风险等，以期为煤矿周边居民的生活健康提出预防意见。1材料与方法1.1研究区概况宿南矿区芦宁煤矿属安徽省宿州市芦宁镇北，东经117°10′-117°11′，北纬33°32′-33°31′位于宿州市东南30公里，芦宁地区属于暖温带半湿润季风性气候，夏季高温多雨，冬天寒冷干燥，风向以东南风为主。芦宁煤矿为华东煤矿大型矿井，矿区面积23km2，煤矿年生产能力240万吨。矿石年产量高，煤矸石采出量大，大部分煤矸石在矿区土地外堆积，部分则供于矿区旁边的芦宁煤矿发电厂作为发电燃料。1.2样品采集与预处理在野外环境调查的基础上，2019年8月在宿州市宿南矿区的芦宁煤矿旁采集了21个0~20cm的表层土壤，5个垂直深层土壤。每个样品的点位都用GPS工具箱进行记录（图1）。表层土壤采集面积为25cm×25cm，垂直深层采样间隔为10cm，取出的土样放进密封袋并贴好标签。图1芦宁煤矿周边土壤采样图将所采的土样带回实验室，经过自然风干、清减杂质、研磨过200目筛，密封保存。在YC-24T手动粉末压片机上压片处理。利用射线荧光光谱仪（EDXRFSPECTROMETER）检测土壤样品中7种重金属铬（Cr）、镉（Cd）、镍（Ni）、砷（As）、锌（Zn）、铜（Cu）、铅（Pb）元素的含量。1.3重金属污染评价1.3.1单因子污染指数单因子污染指数是评价土壤污染情况、土壤环境质量等级的一种相对的无量纲指数方法，能够比较直观地反映单个金属的污染程度[15]。它是指以土壤污染实测值和评价标准相比计算土壤各项污染物的污染指数，污染的评价指数见表1，公式见式1：（1）式（1）中：Pi为土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为土壤中污染物的实测浓度（mg/kg）；Si为污染物i的评价标准（mg/kg），国家土壤环境质量二级标准作为污染物评价标准为本次本研究标准（表2）。表1单因子污染指数污染程度分级标准等级划分Pi污染等级1Pi＜0.7安全20.7＜Pi≤1.0警戒线31.0＜Pi≤2.0轻度污染42.0＜Pi≤3.0中度污染5Pi＞3.0重度污染表2国家土壤环境质量二级标准（mg/kg）项目PH范围CdAsPbCrCuNiZn标准1)PH≤6.50.3409015050702006.5＜PH≤7.50.330120200100100250PH＞7.50.625170250100190300背景值2)0.0979.00026.60066.50020.40029.80062.000注：1）代表国家土壤环境质量二级标准[19]；2）安徽省表层土壤背景值[20]1.3.2地累积指数地累积指数（Igeo）该方法污染的影响因素，可用来定量评价沉积物和土壤中重金属污染累积程度[16]，其计算公式见式（2）： （2）式（2）中：Cn为所测样品中元素的实测含量，mg·kg-1；Bn为研究区域的元素背景值，本文取安徽省背景值作为该研究区域的元素背景值，mg·kg-1；k为考虑各地岩石差异以及人为活动影响可能会引起背景值的变动而取的系数(一般取值1.5)[17]。Igeo评价分级标准见表3。表3Igeo评价分级标准[18]Igeo污染等级污染程度≤00无污染0＜Igeo≤11轻微污染1＜Igeo≤22轻度污染2＜Igeo≤33中度污染3＜Igeo≤44偏重污染4＜Igeo≤55重度污染5＜Igeo≤66严重污染1.4健康风险评价1.4.1暴露量模型本文土壤重金属对健康风险评价，采用的是美国环境保护部所推行的人体暴露风险评价模型标准[21-23]。根据土壤重金属对人体健康危害的三个途径（手—口摄入、呼吸系统吸入、皮肤接触吸入）进行暴露模型的计算。再分致癌风险和非致癌风险进行健康风险评价。三种暴露途径非致癌风险的计算公式见式（3）—（5）： （3） （4） （5）上式中：ADDoral、ADDinh和ADDdermal分别表示手-口直接摄入、呼吸系统吸入和皮肤接触吸收三种途径的日平均暴露剂量［mg·（kg·d）-1］；C为土壤重金属质量浓度(mg·kg-1)；IRoral表示经手-口摄入土壤灰尘速率（mg·d-1），IRinh表示呼吸速率（m3·d-1）；EF表示暴露频率（d·a-1）；ED表示暴露年限（a）；BW表示体重（kg）；AT为平均暴露时间（d）；PEF为颗粒物排放因子（m3·kg-1）；SA为暴露皮肤面积（cm2）；SL为皮肤黏着度［mg·(cm2·d)-1］；ABS为皮肤吸收因子。在对个体的致癌风险评价中，需要将个体在儿童期和成人期的总暴露量，平摊到整个的生命周期中[24]，致癌风险暴露量的计算见式（6）： （6）式（6）中：LADD表示人体生命周期平均日暴露剂量［mg·（kg·d）-1］；ARchild和ARaudlt为儿童与成人的吸收率（m3·d-1）。手-口摄入方式，AR=IRoral；呼吸吸入方式，皮肤接触吸收方式，AR=SA×SL×ABS。AT为致癌物的平均暴露时间（d）。1.4.2健康风险值计算暴露参数的取值关系重大，暴露量计算的正确性、科学性对于健康风险评价的合理性、正确性有着重要影响。目前我国在暴露量参考值这方面的研究相对较少。虽然本文选用的美国环境保护部（USEPA）健康风险评价标准中给出了一些暴露参数的参考数值，但因为他更多的是符合国外个体的暴露参数，部分数值不能作为我国的参考数据。因此在USEPA所给的参考基础上，根据本国个体的特点制定了符合我国人民的暴露量参数。具体暴露参数见表4。非致癌风险的计算通过危害商进行度量[26]，非致癌风险的公式见式（7）-（8）： （7） （8）上式中：HQij表示第i种污染物在第j种暴露途径下的危害商；ADDij和RfDij分别表示第i种金属在第j种暴露途径下的暴露量和参考剂量；HI表示污染物在多种污染途径下总的非致癌风险；当HI＜1时，认为致癌风险太小或可以忽略；若HI＞1，则代表存在非致癌风险。致癌风险的度量是通过终生日平均暴露剂量和致癌斜率因子的乘积，计算式见式（9）-（10）： （9） （10）上式中：RT表示多种污染物元素在多种暴露途径下的致癌风险之和[26]；LADDij和SFij分别表示第i种元素在第j种暴露途径下的暴露量和致癌斜率因子；当10-6＜RT＜10-4，或RT＜10-6时，可认为没有致癌风险；不同暴露途径的参考剂量和致癌斜率因子见表5。表4暴露量模型参考值参数意义成人儿童C重金属浓度/(mg·kg-1)平均值平均值IRoral土壤灰尘摄入速率/（mg·d-1）150250IRinh呼吸速率/（m3·d-1）12.87.63EF暴露频率/（d·a-1）180180ED暴露年限/a246BW体重/kg58.615AT（非致癌）平均暴露时间/dED×365ED×365AT（致癌）平均暴露时间/d70×36570×365PEF颗粒物排放因子/（m3·kg-1）1.36×1091.36×109SA暴露皮肤面积/cm221451150SL皮肤黏着度/［mg·(cm2·d)-1］0.070.2ABS皮肤吸收因子0.0010.001表5不同暴露途径的参考剂量和致癌斜率因子1类别元素CrPbCdCuNiZnAsReferencedoes_手口3.00E-033.50E-031.00E-034.00E-022.00E-023.00E-013.00E-04Referencedoes_呼吸2.86E-053.52E-031.00E-034.02E-022.06E-023.00E-013.01E-04Referencedoes_皮肤6.00E-055.25E-041.00E-051.20E-025.40E-036.00E-021.23E-04Slopefactor_手口1.50E+00Slopefactor_呼吸3.66E+00Slopefactor_皮肤4.20E+016.30E+008.40E-011.51E+012结果与讨论2.1土壤重金属含量特征研究区土壤重金属含量统计数据见表6，呈正偏态分布有Zn和Pb，其余元素为正态分布。Cr、Cd、Ni、As、Zn、Cu、Pb的平均含量分别为77.32、0.22、21.57、17.97、62.77、24.23、36.89mg/kg。除Ni外的其他元素的平均浓度都高于安徽省背景值，相对污染较轻的Cr的浓度是背景值的1.16倍，Zn的实测平均浓度是背景值的1.01倍，接近背景值。Cd、As、Cu、Pb的实测浓度依次是背景值的2.24倍、1.99倍、1.88倍、1.38倍。背景值是指未受人为活动影响的土壤环境中的重金属元素的天然值，实测重金属含量高出背景值反映了人为活动所造成的污染。通过变异系数可以得出，Ni、As、Cu属于中等程度变异，表明重金属分布不均匀，可能受外界影响。根据实地调查芦宁矿区南偏西9°方向有一宿州同创电子厂，产品的加工与生产对当地土壤中As等重金属含量有所影响。表6芦宁矿区土壤重金属参数基本统计统计参数重金属含量/mg·kg-1CrCdNiAsZnCuPb最大值/mg·kg-188.7000.27035.54025.21093.98039.34049.220最小值/mg·kg-162.8000.16011.05011.20052.97012.06033.800平均值/mg·kg-177.3160.21821.56717.97262.76724.23436.889标准差/mg·kg-16.3160.0238.2823.6899.7357.0053.398变异系数0.0820.1060.3840.2050.1550.2890.092偏度系数-0.601-0.2870.3870.0891.9870.5022.444峰度系数0.0071.575-1.276-0.7424.285-0.3047.51195%UCL/mg·kg-180.260.2325.4319.6967.3127.538.47安徽省背景值/mg·kg-166.5000.09729.8009.00062.00020.40026.6002.2土壤重金属污染水平2.2.1单因子污染指数分析单因子污染评价结果如图2所示。总体上看，矿区附近土壤中As和Cd的污染指数相对较大，达到了警戒限度。Cr、Ni、Cu、Zn、Pb处于安全限度内。Cd的污染指数较大，有16个样本达到了警戒限度，其最大值为0.91，有一定的积累程度。其次是As的污染指数相对较高，有6个样本达到了警戒限范围，最大的为0.84，可以看出其有一定的污染累积趋势。Ni的单因子指数相对较小，最低的只有0.11。图2单因子污染评价2.2.2地累积污染指数分析地累积指数评价的关键是背景值的选取，本文所采用的是安徽省重金属土壤背景值。地累积指数结果见图3。由图3可知，Cd的地累积指数最大，全部处于轻微污染范围；As次之，85%的样品处于轻微污染范围，最大值为0.9，最小值是-0.27；Cu和Pb的地累积指数分别有21%和13%超过安全限度达到轻微污染标准，Cu的最高地累积指数达到了0.36，Pb的最大值为0.05；Cr、Ni、Zn的地累积指数分别为-0.67～-0.17、-2.02～-0.33、-0.81～0.02，都在安全范围内，与单因子指数评价的结果相符。图3地累积指数箱型图2.3土壤重金属健康风险评价2.3.1非致癌风险目前，对暴露模型中的重金属浓度的取值有所争议，USEPA所推定的标准是实测暴露浓度的95%（95%的置信上限）[23]，但一些学者认为用95%的置信上限来计算暴露量模型会影响致癌风险的结果。因此，本文在计算暴露模型试所取的是实测重金属浓度的平均值。芦宁周边土壤重金属的非致癌风险见表7，表7为不同暴露途径下非致癌风险的计算值，Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb的单一元素的非致癌风险都是低于参考标准值1的，且总的HI是0.819小于1，表示其不会对儿童的健康造成明显的危害。在图4中儿童的非致癌风险要远远大于成人的非致癌风险。并且总致癌风险（HI）也远远高于成人。手口直接摄入途径的非致癌风险要远远高于呼吸摄入途径和皮肤直接接触途径。三种接触途径的非致癌风险顺序依次是手口接触、皮肤接触途径、呼吸接触。由表7也可看出As和Cr的非致癌风险明显大于其他元素1~2个数量级，说明要对这两种金属的来源做追踪，并且要加大力度去预防和控制，避免长时间积累达到非致癌风险，从而对儿童造成伤害。图4芦宁煤矿周边土壤重金属非致癌风险图对成人来说单一元素的非致癌风险都是小于1，由表7可以看出成人的HQ大多都小于儿童，且7种重金属的总非致癌风险（HI）为0.126，远小于儿童的HI，表明7种重金属的非致癌影响对成人的并不显著。因此对儿童的预防和控制措施要加大力度。表7不同暴露途径下成人与儿童的非致癌风险类别元素CrNiCuZnAsCdPbHQ_childoral2.12E-018.86E-034.98E-031.72E-034.92E-014.47E-058.66E-02HQ_childinh4.97E-041.93E-071.11E-073.85E-081.10E-054.00E-081.93E-06HQ_childdermal9.74E-033.02E-051.53E-057.91E-061.10E-031.64E-045.31E-04HQ_child2.22E-018.89E-035.00E-031.73E-034.94E-012.09E-048.72E-02HI_child8.19E-01HQ_adultoral3.25E-021.36E-037.63E-042.64E-047.52E-022.74E-041.33E-02HQ_adultinh2.14E-048.29E-084.77E-081.66E-084.73E-061.72E-088.30E-07HQ_adultdermal1.62E-035.03E-062.54E-061.32E-061.84E-042.74E-058.85E-05HQ_adult3.43E-021.36E-037.66E-042.65E-047.54E-023.02E-041.34E-02HI_adult1.26E-012.3.2致癌风险致癌风险的计算是将个体接受的污染平分在成人和儿童两个阶段。芦宁煤矿周边土壤重金属的致癌风险如表8示，其中Cr、Ni、As、Cd的致癌风险分别为1.4×10-7、7.78×10-10、1.17×10-8、7.85×10-12，都低于10-6～10-4之间，且芦宁煤矿四种重金属总的致癌风险为1.52×10-7，表示芦宁地区土壤重金属致癌风险总体较低，对人体不会造成健危害。图5芦宁煤矿周边土壤重金属致癌风险图从图5能够看到Cr元素对总致癌风险（TCR）的贡献最大，所以要加强Cr元素的管控。并且根据非致癌风险与致癌风险相结合来观看，Cr和As元素，两种金属的HQ以及CR都比较接近标准值，需要预防这两种重金属的累积，找到源头进行控制。表8芦宁周边地区重金属致癌风险致癌风险元素CrNiCuZnAsCdPbLADDoral8.79E-052.45E-052.76E-057.14E-052.04E-052.47E-074.20E-05LADDinh3.32E-099.27E-101.04E-092.70E-097.72E-109.35E-121.58E-09LADDdermal1.46E-074.07E-084.57E-081.18E-073.39E-084.10E-106.96E-08CR1.40E-077.78E-101.17E-087.85E-12TCR1.52E-073结论与安徽省土壤元素背景值相比，7种重金属元素中除Ni外，其他6种重金属元素的平均含量都在背景值之上，说明这6种重金属元素受人类活动的影响较大，造成一定程度的累积。Cr、Cu、Pb、Zn的含量是背景值的1～1.5倍，Cd的含量为背景值2.24倍，As则是背景值1.99倍。Ni、As、Zn、Cu的变异系数均大于15%，说明受人为干扰的影响较大。（2）通过单因子污染指数分析发现，As和Cd的污染指数达到了警戒范围。Cr、Ni、Cu、Zn、Pb处于安全限度内。Cd的污染指数较大，有16个样本达到了警戒限度，其最大值为0.91，有一定的积累程度。其次是As的污染指数相对较高，有6个样本达到了警戒限度，最大的为0.84，可以看出其有一定的污染累积趋势。（3）地累积指数评价分析结果表明，Cd的地累积指数最大，全部处于轻微污染范围；As次之，85%的样品处于轻微污染范围，最大值为0.9，最小值是-0.27；Cu和Pb的地累积指数分别有21%和13%超过安全限度达到轻微污染标准，Cu的最高地累积指数达到了0.36，Pb的最大值为0.05；Cr、Ni、Zn的地累积指数分别为-0.67～-0.17、-2.02～-0.33、-0.81～0.02，都在安全范围内，与单因子指数评价的结果相符。（4）健康风险评价结果表明，重金属进入人体的主要途径是手口摄入，并且在3种途径下的暴露量模型中儿童的暴露风险均大于成人。7种重金属元素的非致癌风险都低于标准值1，处于安全范围内，且总体非致癌风险也是低于阈值，单一元素的致癌风险都小于10-6，TCR也小于标准值。说明芦宁煤矿周边土壤中重金属元素不会对人体造成明显的危害。参考文献：[1]SijinLu,YeyaoWang,YanguoTengandXuanYu.Heavymetalpollutionandecologicalriskassessmentofthepaddysoilsnearazinc-leadminingareainHunan[J].EnvironMonitAssess.2015,187(10):627-629.[2]ShuangXiong,HerongGui,ManliLinandWeihuaPeng.Contentsandpollutioncharacteristicsofheavymetalsinsoilfromcoalminingarea:AcasestudyinLinhuanmini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