基于重金屬形態和三角模糊評價模型的污泥土地利用風險評估模型
【摘要】隨著國家循環經濟、生態文明腳步的加快，污泥土地利用被認為是最有希望突破的處置方向之一。目前我國的污泥處置從“提出技術路線、開發重大裝備、完善標準規范、建設示范工程”發展目標逐步轉化為“全鏈條能力提升、建立產業化模式”的發展需求。
現階段厭氧消化、好氧堆肥是國內污泥處理的重要方式，土地利用是主要處置方向之一，而重金屬成為了污泥土地利用安全處置的主要“限制性”因素。2009年住建部發布實施《城鎮污水處理廠污泥處置 農用標準》（CJ/T309-2009），對8種重金屬提出了限制要求，2018年國家市場監管總局基于以上標準修改發布了《農用污泥污染物控制標準》（GB4284-2018），同樣對8種重金屬提出了限制要求，較CJ/T309-2009更加嚴格。現行指標限值相對城市污泥性質而言偏嚴格，管理部門對污泥土地利用“談泥色變”，導致土地利用始終看不見“曙光”。
現行的土壤環境管理體系常用《土壤環境質量標準》和區域土壤環境背景值來快速評判污泥土地利用對土壤的污染程度，其主要方法包括單因素指數法、內梅羅指數法、地累積指數法、潛在生態危害指數法等。對于上述評價模型，存在一定缺陷：①未充分考慮重金屬各形態導致的生物利用性差異帶來的風險；②未綜合考慮重金屬之間的生物毒性差異和環境背景值。基于以上分析，本文建立基于重金屬生物可利用性和土地利用方式的土壤重金屬層次風險評價方法，評價剩余污泥處理效果和土地利用重金屬風險，為污泥土地利用進一步發展提供參考。
污泥農用風險評價
環境風險評估得到的結果并非絕對，污泥農用的環境風險同樣是相對的。不同污泥農用樣品以及相同樣品不同取樣時間的變化均對環境風險存在不同的影響，污泥農用風險評估是定性與定量指標相結合的綜合體系。因此，針對污泥農用重金屬污染程度的“模糊”特性，本部分選用模糊綜合評價法對農用重金屬污染風險進行評價。本模糊評價方法分別通過建立重金屬評估對象，測定各重金屬元素不同提取態，對評估指標進行權重分析，利用地累積指數評價模型計算不同污泥樣品農用重金屬的風險評估值。
地累積指數評價模型
地積累指數法是由德國科學家Muller于1969年提出的，運用地累積指數法一方面可以定性判定人為活動對土壤環境中重金屬的影響，另一方面表達了重金屬累積的自然分布特征。該方法不僅考慮了自然成巖作用對背景值造成的影響，而且也考慮了人為活動對重金屬造成的影響。
式中Ci為污染物檢測實測值，mg/kg。Ci為重金屬元素i土地利用施用區域地球化學背景值，mg/kg。k是為了修正造巖運動引起的背景波動而設定的系數。依據地累積指數可把土壤中重金屬污染程度分為7個等級。
由于重金屬的地球化學背景值選擇差異會帶來一定的不確定性，將其表示為三角模糊數：
式中B2為背景值，B1和B3分別對應背景值賦予的±10%的變化幅度。選取上海市土壤環境背景值，先將地球化學背景值進行三角模糊化：
重金屬自身的生物毒性權重系數
取Hakanson制定的標準化重金屬毒性系數為重金屬自身的生物毒性權重系數（μi），μi是基于重金屬的地球化學豐度而制定，可以很好地表征不同重金屬的生物毒性差異，并已廣泛用于實際污染危害評價中。分別定義各重金屬自身的生物毒性權重系數為：μAs=10，μNi=μPb=μCu=5，μCr=2，μZn=1。利用毒性權重系數建立判斷矩陣，通過算術平均值計算權重，得：QAs=0.38，QNi=0.17，QPb=0.17，QCu=0.17，QCr=0.07，QZn=0.04。
重金屬不同化學形態的生物毒性權重系數
目前，經典的重金屬形態分析方法是Tessier等提出的，按此方法可將土壤重金屬分為五種化學賦存形態：可交換態、碳酸鹽結合態、鐵-錳氧化物結合態、有機絡合態和殘渣態。其中，可交換態是指被土壤膠體表面非專性吸附且可被中性鹽取代，易于遷移轉化，同時也是易于被植物根部“攝入”的重金屬部分；碳酸鹽結合態指以沉淀的形式存在于碳酸鹽中的重金屬部分，并且pH對此形態穩定性有關鍵影響，在酸性條件下易于釋放；鐵錳氧化結合態是指吸附于土壤中氧化鐵錳或黏粒礦物的專性交換位置的重金屬部分，其不能被中性鹽溶液所交換，只能被親和力相似或更強的金屬離子置換，當氧化還原電位降低時容易釋放出來；有機絡合態是指通過化學鍵形式被土壤有機質專性吸附的重金屬部分，在有機質分解時會釋放；殘渣態是結合在土壤硅鋁酸鹽礦物晶格中的重金屬部分，其在一般情況下很難釋放且也難以被植物吸收。綜上，重金屬各形態中可交換態重金屬的生物毒活性風險性最大，其它依次為碳酸鹽結合態＞鐵-錳氧化物結合態＞有機絡合態＞殘渣態，結合專家咨詢法將重金屬5種不同形態的潛在生物毒活性分別以5個級別的生物毒活性權重系數（Qk）對應表示，并將其三角模糊化為：
基于生物毒性雙權重的模糊評價模型評估
根據地累積指數法，可得到基于隨機模糊的土壤重金屬污染評價方法：
式中，Ω是重金屬i的生物毒性雙權重模糊值；Qik是重金屬i的k形態的生物毒活性權重系數；Wik是重金屬i中k形態的含量對總含量百分貢獻率；μi是土壤中重金屬i自身的生物毒性權重系數；Iim是重金屬i的隨機模糊污染評價m次模擬得到的數據集；Ci是重金屬i的實測含量值，mg/kg。
堆肥數據實例計算
① 某膜覆蓋好氧堆肥5次取樣重金屬形態分析結果：
② 將上述數據帶入公式（3）和（4）計算評價模糊值，結果見下表：
③ 利用層次分析法及計算得到的各重金屬權重，計算樣品的土地利用風險值：
樣品1=（1.67，2.13，2.41）；樣品2=（1.12，1.64，1.95）；
樣品3=（1.54，2.02，2.30）；樣品4=（1.65，2.16，2.46）；
樣品5=（1.43，1.94，2.24）。
以樣品1為例，樣品44.6%的可能性屬于輕度污染，65.4%的可能性屬于中度污染。
通過以上模型的建立，可以充分考慮污泥的不同價態生物毒性的差異，利用總量、形態和土壤背景值的相互關系，在三角模糊評價和地累積指數評價的基礎上，避免了低估有些濃度低但主要以高生物可利用性形態存在的重金屬污染作用或者高估那些濃度高但主要以低生物可利用性形態存在的重金屬污染作用，為污泥農用提供了數字化的評價方式。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
