廣州市生活垃圾典型重金屬污染及生態風險評價*

唐志華，呼和濤力，熊祖鴻，郭華芳，陳 勇,，房科靖

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 常州大學，江蘇 常州 213164）

0 引 言

生活垃圾來源于人類活動，是人們在日常生活中或者為日常生活提供服務的活動中產生的固體廢物，主要包括居民生活垃圾、集市貿易與商業垃圾、公共場所垃圾、街道清掃垃圾及企事業單位垃圾等[1]。生活垃圾的重金屬含量與特征是影響垃圾處理工藝的一個極為重要的指標，生活垃圾的填埋、焚燒發電及堆肥處理均需考慮重金屬對周邊水土環境的影響，如果處置不當，極易造成重金屬污染[2-13]，危害人類健康與生態環境安全[14-16]。因此，及時、動態地掌握生活垃圾中重金屬含量與特征，對生活垃圾的處理、資源化與能源化利用具有重要的意義。

生活垃圾中的重金屬元素既來源于垃圾體中金屬制品或鍍金制品，如廢電池、廢燈管、廢舊電器及表面鍍金屬的各種生活資料，也來源于含重金屬成分的各類原材料，如含重金屬的紙張、油漆、油墨及染料等[17]。目前，我國多個省市的生活垃圾出現了重金屬污染。哈爾濱韓家洼子垃圾埋填場的生活垃圾中，Mn含量超過土壤環境質量標準3倍、Hg含量超過土壤環境質量標準29倍[18]。武漢市生活垃圾中 Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Pb、As等重金屬含量均高于當地土壤背景值[19]。北京城市生活垃圾中的Hg、Cd和Cu元素含量均超過了北京土壤背景值和土壤環境質量標準的最高允許值[20]。上海市生活垃圾中Cd和Hg的含量超出土壤環境標準限值1倍左右[21]。王瑜堂等[15]研究了我國12個省份 72個典型村鎮生活垃圾的重金屬污染特征，發現部分村鎮生活垃圾中重金屬Hg、Pb、Cd、Cr的含量超出《城鎮垃圾農用控制標準》。劉育辰[22]發現四川地區垃圾中的Cu、Cd、Zn、Hg和Cr的含量均不同程度地超出了土壤環境質量標準。安曉雯等[1]發現大連市生活垃圾中Cd、Cr、Pb和Zn污染嚴重，垃圾滲濾液中重金屬污染超過排放標準從數倍到近40倍。銀燕春等[23]發現成都地區生活垃圾重金屬濃度普遍高于當地土壤背景值，且呈現出夏季高于冬季的趨勢。王春銘等[24]研究發現廣州增城垃圾填埋場內土壤中Cd元素含量超過珠三角土壤背景值，處于輕污染狀態。廣州市是國內首個制訂垃圾分類管理規章的城市，但前人對廣州市生活垃圾的研究主要集中在垃圾分類及收儲運管理體系及處理方式[25-26]，對生活垃圾重金屬含量與污染特征研究較少。

本研究以廣州市生活垃圾為研究對象，進行垃圾組分分析及典型重金屬（Hg、Cd、Pb、Cr）含量測試，并采用統計分析、污染指數評價、潛在生態風險指數評價和皮爾森相關性分析等方法，評價廣州市生活垃圾中典型重金屬的污染特征及潛在生態風險，并探討其可能來源，研究結果可為廣州市生活垃圾處置、資源化與能源化利用過程中的重金屬污染控制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣方案設計

廣州市是擁有1 350.11萬常住人口的超大城市，全市共11個區，平均每天產生生活垃圾約1.38萬t，2016年共清運處理生活垃圾504.35萬t，其中無害化處理484.67萬t，生活垃圾無害化處理率96.1%[27]。根據廣州市生活垃圾轉運站點及垃圾處理場的地理位置分布，綜合考慮生活垃圾的物流情況和樣品的代表性，共設計22個采樣點，樣品編號及采樣點位置描述如表1和圖1所示。

表1 生活垃圾樣品編號及采樣點位置描述Table 1 The sample number of municipal solid waste and description of sampling sites

圖1 研究區域及采樣點分布Fig. 1 Study area map with location of sampling sites of MSW

1.2 樣品采集與測試

所有樣品于2017年采集，遵照中華人民共和國城市建設部《城市生活垃圾采樣和物理分析方法》（CJ/T 313 -2009），對每一樣品進行多點采集，將采集的生活垃圾混合、攪拌均勻后堆成圓形或方形，進行必要的垃圾分揀后，用4分法采集50 kg樣品，將樣品帶回實驗室后經自然風干、破碎、過篩，以圓錐四分法制樣。生活垃圾干基組分的質量分數，是將垃圾干基組分分類后，通過天平稱重測試獲得。

本次測試選取重金屬指標為與人類健康密切相關的Hg、Cd、Pb和Cr，其中Cd、Pb和Cr的測定采用環境行業標準推薦的《危險廢物鑒別標準—浸出毒性鑒別》（GB 5085.3-2007）附錄A測試方法，用電感耦合等離子體原子發射光譜儀ICP（IRIS-1000）進行分析測試；Hg的測定是根據《城市生活垃圾汞的測定冷原子吸收分光法》（CJ/T 98-1999）測試方法，用美國冷原子雙光束測汞儀Hydra II C）進行測試，所有分析測試工作在中國科學院廣州能源所研究所的測試中心完成。

1.3 數據處理方法

采用SPSS19.0對生活垃圾干基組分及Hg、Cd、Pb和Cr元素的測試數據進行統計分析和皮爾森相關分析；采用單因子污染指數法和內羅梅綜合污染指數法對生活垃圾進行重金屬污染評價；采用潛在生態風險因子和潛在生態風險指數法進行重金屬的潛在生態風險評價。

目前尚無統一的生活垃圾重金屬污染評價標準，有的學者選取土壤環境質量三級標準（GB 15618-1995）規定的重金屬濃度限值為評價標準[1]，有的學者選取國家土壤環境質量二級標準（GB 15618-1995）規定的重金屬濃度限值[20]或研究區域A層土壤重金屬背景值[28]作為評價標準。本文選取國家土壤環境質量二級標準進行生活垃圾重金屬污染評價與潛在生態風險評估。

1.3.1 單項污染指數

單項污染指數法是利用實測數據和污染標準進行對比分類，來評價某一重金屬元素污染程度的方法，其計算式如下[29]：

式中：Pi為污染指數；Ci為實測濃度值，mg/kg；Si為污染評價標準，mg/kg；i=1，2，……，n為元素編號。Pi＜1，表示未污染；1.0 ≤ Pi＜ 2.0 為輕度污染；2.0≤Pi＜3.0 為中度污染；Pi≥ 3 為重度污染[15]。

1.3.2 綜合污染指數

內羅梅綜合污染指數法是一種兼顧極值和均值的計權型多因子環境質量指數，反映生活垃圾多金屬復合污染的程度，其計算式如下[15]：

式中，PI為綜合污染指數；(Ci/Si)max為各重金屬元素污染指數的最大值；(Ci/Si)ave為各重金屬污染指數的算術平均值。PI＜ 1.0 表示未污染；1.0 ≤ PI＜ 2.0表示輕度復合污染；2.0 ≤ PI＜ 3.0表示中度復合污染；PI≥ 3表示重度復合污染[30]。

1.3.3 生態風險評價

生態風險評價采用HAKANSON提出的潛在生態風險指數法對單金屬元素的潛在生態風險因子和重金屬污染物的整體生態風險進行評價，該方法結合了各重金屬元素的毒害系數，將重金屬的生態環境效應與毒理學相聯系，從而定量地劃分出潛在生態風險的程度，其計算式如下[29,31]。

潛在生態風險因子：

潛在生態風險指數：

式中：為元素i的潛在生態風險因子；為元素i的毒性系數，Hg、Cd、Pb和Cr分別取值為40、30、5和2[31]；Ci為元素i的實測濃度值，mg/kg；Si為元素i的污染評價標準，mg/kg；RI是重金屬污染物的潛在生態風險指數。

表2 重金屬污染潛在生態風險指數和等級劃分[15,29]Table 2 Indices and grades of potential ecological risk of heavy metal pollution[15,29]

重金屬污染的潛在生態風險因子和潛在生態風險指數的風險等級劃分標準如表2所示。

2 結 果

2.1 廣州市生活垃圾的組分特征

生活垃圾干基組分的質量分數統計結果如表 3所示。結果表明，廣州生活垃圾主要由沙土、玻璃、金屬、紙、塑料、布、草木、廚余垃圾和白塑料組成，其中沙土占6.23% ～ 19.90%，均值為11.41%；玻璃占 0 ～ 16.83%，均值為 5.68%；金屬占 0 ～10.81%，均值為3.23%；紙類占6.45% ～ 22.82%，均值為13.94%；塑膠占12.31% ～ 31.00%，均值為19.63%；布類占2.23% ～ 19.63%，均值為8.87%；草木占 2.58% ～ 17.24%，均值為 8.44%；廚余占18.25% ～ 32.14%，均值為24.00%；白塑料占0.47% ～16.44%，均值為 4.81%。從變異系數來看，廚余垃圾的變異系數最小，說明生活垃圾中的廚余組分比較穩定，數據波動較??；金屬成分的變異系數較大，說明生活垃圾樣品中的金屬組分不穩定，數據離散程度較大。

表3 生活垃圾組分統計結果Table 3 Statistical results of MSW components

2.2 廣州市生活垃圾典型重金屬含量特征

廣州市22個生活垃圾樣品的典型重金屬Hg、Cd、Pb和 Cr含量分析結果如表 4所示。數據分析結果顯示，廣州市生活垃圾中 Hg、Cd、Pb和Cr濃度的平均值分別為0.435 mg/kg、1.487 mg/kg、71.865 mg/kg和136.088 mg/kg。Hg和Cd的濃度值高于國家土壤環境質量二級標準，但低于城鎮垃圾農用控制標準；Pb和Cr的濃度值低于國家土壤環境質量二級標準和城鎮垃圾農用控制標準。極大值顯示，Hg、Cd、Pb和Cr的極大值均高于國家土壤環境質量二級標準；除Hg以外，Cd、Pb和Cr的極大值同時也高于城鎮垃圾農用控制標準。極小值顯示，部分樣品中Hg和Cd的含量低于檢測限。

表4 22個生活垃圾樣品的重金屬元素含量統計分析結果Table 4 Statistical results of heavy metal contents in 22 MSW samples

3 分析與討論

3.1 廣州市生活垃圾重金屬污染評價

單因子污染指數（Pi）是針對單一重金屬元素進行污染評價時所采用的一般方法，其數值大小反映了單一重金屬的污染情況；內羅梅綜合污染指數（PI）綜合考慮了多種重金屬元素，其數值大小反映了多金屬復合污染的程度。根據式（1）和式（2），結合污染等級標準進行污染評價，各采樣點單因子污染評價和綜合污染評價結果分別如圖2和圖3所示。

圖2 重金屬單項污染指數評價Fig. 2 Assessment on single contamination index of heavy metal Hg, Cd, Pb and Cr

圖2顯示，有5個樣品出現了Hg污染，其中1個樣品（LJ-17）為輕度污染，1個樣品（LJ-13）為中度污染，3個樣品（LJ-11、LJ-12和LJ-15）為重度污染，點位超標率為22.7%；有9個樣品出現了Cd污染，其中1個樣品（LJ-19）為輕度污染，8個樣品（LJ-1、LJ-2、LJ-16 ～ LJ-18 和 LJ-20 ～ LJ-22）為重度污染，點位超標率為40.9%；僅有1個樣品（LJ-15）出現 了Pb的輕度污染，點位超標率為4.5%；有 4個樣品（LJ-4、LJ-7、LJ-10和 LJ-12）出現了Cr的輕度污染，點位超標率為18.1%。

圖3顯示，共有14個樣品出現了多金屬復合污染，其中有2個樣品（LJ-10和LJ-19）為輕度復合污染，2個樣品為中度復合污染（LJ-13和LJ-15），10 個樣品（LJ-1 ～ 2、LJ-11 ～ 12、LJ-16 ～ LJ-18 和LJ-20 ～ LJ-22）為重度復合污染，綜合污染指數的點位超標率為63.6%。

圖3 重金屬綜合污染指數評價Fig. 3 Assessment on compound contamination index of multimetal pollutants

污染樣品的空間分布顯示，Hg污染主要出現在黃埔區和增城區；Cd污染主要出現在天河區、越秀區、荔灣區、番禺區和花都區；Pb污染出現在黃埔區；Cr污染主要出現在增城區。從污染程度看，廣州市生活垃圾的Hg和Cd污染比較嚴重，對綜合污染指數的貢獻最大；Pb和Cr污染程度較低，只有個別樣品出現了輕度污染。

3.2 廣州市生活垃圾重金屬潛在生態風險評價

潛在生態風險因子 Eri反映了單一重金屬污染物的潛在生態風險，其數值越大，則潛在生態風險等級越高。潛在生態風險指數（RI）是多種重金屬污染物的潛在生態風險因子總和，其數值大小反映了重金屬污染物的整體潛在生態風險。根據式（3）和式（4）的計算結果，結合表2所列的生態風險指數等級標準進行潛在生態風險評價，各采樣點潛在生態風險因子Eri和綜合潛在生態風險指數RI的評價結果分別如圖4和圖5所示。

潛在生態風險因子（圖 4）顯示，生活垃圾中的Hg在5個樣品中出現了不同程度的潛在生態風險。樣品LJ-17出現了低的潛在生態風險，樣品LJ-13和LJ-15出現了中等潛在生態風險，樣品LJ-12出現了高的潛在生態風險，樣品 LJ-11出現了很高潛在生態風險，點位超標率為22.7%。生活垃圾中的Cd在9個樣品中出現了不同程度的潛在生態風險。采樣點LJ-19出現了低的潛在生態風險，采樣點LJ-2、LJ-16 ～ LJ-18、 LJ-20和LJ-21出現了高的潛在生態風險，采樣點LJ-1和LJ-22出現了很高潛在生態風險，點位超標率為40.9%。生活垃圾中的 Pb和 Cr均無潛在生態風險。

潛在生態風險指數（圖5）顯示，共有10個樣品的重金屬污染物出現了不同程度的生態風險，其中有 5個樣品（LJ-2、LJ-12、LJ-16、LJ-18、和 LJ-21）出現了低的潛在生態風險，3個樣品（LJ-11、LJ-17、和LJ-20）出現了中等潛在生態風險，2個樣品（LJ-1和 LJ-22）出現了高潛在生態風險，點位超標率為45.5%。

圖4 重金屬污染潛在生態風險因子評價Fig. 4 Assessment on potential ecological risk factor of heavy metal Hg, Cd, Pb and Cr

圖5 重金屬污染物潛在生態風險指數評價Fig. 5 Assessment on compound potential ecological risk indices of heavy metal pollutants

3.3 廣州市生活垃圾中重金屬的來源

為分析生活垃圾各組分與重金屬含量之間的關系，探討廣州市生活垃圾中重金屬元素的可能來源，對測定的 22個生活垃圾樣品的組分數據和重金屬含量數據進行了皮爾森相關分析，結果如表5所示。

皮爾森相關分析顯示，生活垃圾中金屬的質量分數與生活垃圾中Cd和Pb的濃度顯著正相關，說明 Cd和 Pb可能主要來源于生活垃圾中的金屬成份，如廢電池、廢舊電器件、易拉罐、金屬禮品盒、罐頭蓋、金屬瓶蓋等，可能主要受居民生活垃圾影響。生活垃圾中紙和白塑料的質量分數分別與Cr和Hg的濃度顯著正相關，說明Cr和Hg可能分別主要來源于生活垃圾中的紙類成份和白塑料成分；近年來，隨著網購業務和快餐業務的快速發展，產生了大量的包裝垃圾和快餐垃圾，使城市生活垃圾中紙類和白塑料成分增加，因此，Hg和Cr污染可能主要受企事業單位、集貿市商業和公共場所產生的包裝垃圾和快餐垃圾影響。此外，生活垃圾中紙的質量分數與Cd和Pb的濃度呈顯著負相關，說明隨著生活垃圾中的紙類成分增加，Cd和Pb的濃度反而降低；生活垃圾中金屬的質量分數與Cr的濃度顯著負相關，說明隨著生活垃圾中的金屬成分增加，Cr的濃度反而降低。

總體而言，廣州市生活垃圾的重金屬污染情況不容樂觀。通過上述分析發現，生活垃圾中Cd的污染最嚴重，潛在生態風險也最高；Hg次之；Pb和Cr的污染程度較低，無潛在生態風險。Cd和Hg對綜合污染指數的貢獻最大，大部分生活垃圾樣品均出現了多金屬復合污染，由于其生態毒性很強，是重金屬污染的重點防控目標。國內外已經發生多起大面積Cd和Hg中毒事件，如湖南瀏陽的Cd污染事件和日本的痛痛病事件等。為了防止類似事件再次發生，在生活垃圾處理、資源化和能源化利用過程中要做好重金屬防治與處理工作，如生活垃圾衛生填埋時要做好防滲漏和對滲濾液進行回收處理；對垃圾堆放場和垃圾填埋場進行土地還原時要做好土壤改良和重金屬修復工作；生活垃圾焚燒發電要對煙氣和爐渣進行處理，防止重金屬通過煙氣和爐渣進入環境系統；生活垃圾堆肥前要進行重金屬含量測試，預防重金屬進入農業土壤和食物鏈。此外，要做好生活垃圾的源頭治理和分類回收工作，特別是生活垃圾中的金屬成分、快餐垃圾和包裝垃圾。

表5 生活垃圾組分與重金屬含量的皮爾森相關系數Table 5 Pearson correlation coefficients between heavy metal contents and MSW components

4 結 論

（1）廣州市生活垃圾干基組分中沙土、玻璃、金屬、紙、塑料、布、草木、廚余垃圾和白塑料的平均質量分數分別為 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濃度的平均值分別為 0.435 mg/kg、1.487 mg/kg、71.865 mg/kg和136.088 mg/kg。Hg和Cd的濃度平均值高于國家土壤環境質量二級標準，Pb和Cr的濃度平均值均低于國家土壤環境質量二級標準，Hg、Cd、Pb和 Cr濃度的平均值均低于城鎮垃圾農用控制標準。

（2）廣州市生活垃圾中 Cd的污染最嚴重，Hg次之，Pb和 Cr的污染程度較低；Hg、Cd、Pb和Cr的點位超標率分別為 22.7%、40.9%、4.5%和18.1%；Cd和 Hg對綜合污染指數的貢獻最大，大部分生活垃圾樣品均出現了多金屬復合污染，點位超標率為63.6%。

（3）廣州市生活垃圾中 Cd的潛在生態風險最高，Hg次之，Pb和Cr無潛在生態風險；Hg和Cd的潛在生態風險點位超標率分別為22.7%和40.9%，部分樣品存在很高潛在生態風險；重金屬污染物綜合潛在生態風險指數的點位超標率為 45.5%，部分樣品出現高的潛在生態風險。

（4）生活垃圾中Cd和Pb的濃度與金屬成分的質量分數顯著正相關，可能主要來源于居民生活垃圾中的廢電池、廢舊電器件、易拉罐和金屬瓶蓋等金屬成份；生活垃圾中Cr和Hg的濃度分別與紙類成分和白塑料的質量分數顯著正相關，可能主要來源于企事業單位、集貿市商業和公共場所產生的包裝垃圾和快餐垃圾。因此，一定要對生活垃圾中的金屬、紙類和塑料成分進行分類回收和處理。

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