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长株潭市区近地表灰尘中重金属分布污染研究

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2010年第4期

论文作者:龙永珍 邹海洋 戴塔根

文章页码:1633 - 1638

关键词:灰尘;重金属;污染评价;长株潭地区

Key words:dust; heavy metal; pollution assessment; Chang-Zhu-Tan region

摘    要:在长沙、株洲、湘潭(即长株潭)地区系统采集近地表灰尘样品155件,用ICP-MS法、聚类分析、相关分析、X线衍射法及尼梅罗综合污染指数法等方法对其重金属的含量、空间分布特征、主要污染物来源及污染程度进行研究。研究结果表明:本区灰尘中Cd,Cu,Pb和Zn的平均含量分别为29.93,149.10,926.40和1 759.00 mg/kg,分别是长株潭土壤背景值的57.56,1.57,24.31和19.19倍;Cd,Cu,Pb和Zn 污染空间分布特征表现为在株洲、湘潭工业区、长沙及湘潭内环交通繁忙区严重,尤其是与有色金属生产有关的工业区最为突出;灰尘中较高的Cu,Cd,Pb和Zn主要源于有色金属工业生产及交通工具的应用;Cd,Pb和Zn平均污染水平达到严重污染级别,总体污染程度由大至小为Cd,Pb,Zn和Cu;灰尘中的Cu,Cd,Pb和Zn污染以重度污染和极度污染为主,在进行城市规划和建设时,应注意住宅区远离工业区。

Abstract: 155 dust samples were collected around Chang-Zhu-Tan area, the levels of heavy metals in dust were determined, and the characteristics of spatial distributions and main sources of heavy metals were investigated. Moreover, the pollution assessment of heavy metals was conducted by way of ICP-MS, cluster analysis, correlation analysis and X-ray diffraction analysis. The results show that the average contents of Cd, Cu, Pb and Zn in dust are 29.93, 149.10, 926.40 and 1 759.00 mg/kg, which are 57.56, 1.57, 24.31 and 19.19 times of the soil background values respectively. The dusts are polluted by Cd, Cu, Pb, Zn which are much higher in the industrial estate and busy roads of Changsha and Xiangtan, particularly in industrial estate of non-ferrous metal production. The pollution of Cu, Cd, Pb and Zn is primarily due to the production of nonferrous metals industry and transport applications. The pollution of Cd, Pb, Zn and Cu in this region reaches severe pollution level and the pollution degree from large to small is Cd, Pb, Zn and Cu. Therefore, while working out an overall city plan for this region, residential areas should be away from industrial areas.



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长株潭市区近地表灰尘中重金属分布污染研究

龙永珍,邹海洋,戴塔根

(中南大学 地学与环境工程学院,湖南 长沙,410083)

摘  要:在长沙、株洲、湘潭(即长株潭)地区系统采集近地表灰尘样品155件,用ICP-MS法、聚类分析、相关分析、X线衍射法及尼梅罗综合污染指数法等方法对其重金属的含量、空间分布特征、主要污染物来源及污染程度进行研究。研究结果表明:本区灰尘中Cd,Cu,Pb和Zn的平均含量分别为29.93,149.10,926.40和1 759.00 mg/kg,分别是长株潭土壤背景值的57.56,1.57,24.31和19.19倍;Cd,Cu,Pb和Zn 污染空间分布特征表现为在株洲、湘潭工业区、长沙及湘潭内环交通繁忙区严重,尤其是与有色金属生产有关的工业区最为突出;灰尘中较高的Cu,Cd,Pb和Zn主要源于有色金属工业生产及交通工具的应用;Cd,Pb和Zn平均污染水平达到严重污染级别,总体污染程度由大至小为Cd,Pb,Zn和Cu;灰尘中的Cu,Cd,Pb和Zn污染以重度污染和极度污染为主,在进行城市规划和建设时,应注意住宅区远离工业区。

关键词:灰尘;重金属;污染评价;长株潭地区

中图分类号:X142         文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2010)04-1633-06

Heavy metal pollution in dust of Chang-Zhu-Tan city region

LONG Yong-zhen, ZOU Hai-yan, DAI Ta-gen

(School of Geoscience and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: 155 dust samples were collected around Chang-Zhu-Tan area, the levels of heavy metals in dust were determined, and the characteristics of spatial distributions and main sources of heavy metals were investigated. Moreover, the pollution assessment of heavy metals was conducted by way of ICP-MS, cluster analysis, correlation analysis and X-ray diffraction analysis. The results show that the average contents of Cd, Cu, Pb and Zn in dust are 29.93, 149.10, 926.40 and 1 759.00 mg/kg, which are 57.56, 1.57, 24.31 and 19.19 times of the soil background values respectively. The dusts are polluted by Cd, Cu, Pb, Zn which are much higher in the industrial estate and busy roads of Changsha and Xiangtan, particularly in industrial estate of non-ferrous metal production. The pollution of Cu, Cd, Pb and Zn is primarily due to the production of nonferrous metals industry and transport applications. The pollution of Cd, Pb, Zn and Cu in this region reaches severe pollution level and the pollution degree from large to small is Cd, Pb, Zn and Cu. Therefore, while working out an overall city plan for this region, residential areas should be away from industrial areas.

Key words: dust; heavy metal; pollution assessment; Chang-Zhu-Tan region

                                         

灰尘是由细干而成粉末的土或其他物质的粉粒所组成。它不同于土壤,在一定的外动力条件下较易扬起,一方面通过呼吸道和皮肤被人体吸收或直接摄入,对人体健康产生危害;另一方面,在降水的冲刷作用下进入土壤、河流及地下水系,对人类造成直接危   害[1]。城市灰尘在城市中普遍存在,是城市的重要污染源,其主要化学成分可分为可溶性成分(大多数无机离子)、有机成分、微量元素和碳元素。目前,在城市灰尘中富集较明显且研究较多的常见微量元素包括Cd,Cu,Pb和Zn等重金属元素[2]。重金属元素是一种持久性有毒污染物,进入环境或生态系统后极难降解,可在介质中累积、存留,并参与其中的物质循环过程[3-4]。目前,人们对灰尘中重金属的研究主要集中在重金属含量、来源、空间分布规律及污染评价等方面[5-10]。就其来源来说,Napiera等[8]认为英国大气环境中重金属污染主要来源于交通工具的使用;Swietlicki等[9]利用元素的主成分分析方法对中欧地区气溶胶的污染源进行了研究,认为其金属污染物主要来源为钢铁厂或有色金属冶炼厂;史贵涛等[10]用Pearson相关分析和主成分分析法,对上海公园土壤和灰尘中重金属的积累进行分析,认为工业和交通污染其最主要的污染源;李海雯等[2]对上海城市灰尘重金属空间分布特征进行了研究,认为工业区、商业区以及交通繁忙区是重金属累积的主要区域[5]。长株潭地区灰尘污染的研究很少。长株潭地区位于东经110?53′至114?15′、北纬26?3′至28?40′范围内,包括长沙、株洲、湘潭3座城市,其中:长沙是湖南省省会,也是湖南省政治、经济、科技、文化中心和交通枢纽;株洲是中国的老工业基地,也是湖南省最大的工业城市,市内有亚洲最大的有色金属冶炼基地、硬质合金研发和制造基地,其硬质合金、铅、锌和二氧化硫等10多种工业品产量位居全国第一,电锌、电铅的出口量居全国首位;湘潭是湖南省乃至全国重要的工业基地。随着长株潭一体化进程的加快,城市生态系统不断扩大,对本区灰尘中重金属元素进行研究将是长株潭生态环境领域中不可忽视的问题。

1  样本布点及样品采集

在1?5万的地形图上布置采样点,图上GPS定点位置误差不大于2 mm;采用GPS定位,实测距离不大于10 m。在长株潭城区以2 km×2 km的网格划分采样单元,在近城区以4 km×4 km的网格划分采样单元,包括商业区、工业区和办公区等,在典型工业区加密采样。于2005年6月23—28日,在每个采样站位内选取3个平行采样点,用毛刷和玻璃瓶采集中、低层居民楼二楼窗户上的灰尘样品,然后,将采来的3个样品等量均匀混合,作为1个采样站位的近地表灰尘样品[5],共采集有效样品155个(每个样品质量≥10 g),其中:长沙市69个样品,株洲市45个样品,湘潭市41个样品。将所有样品在实验室内自然干燥, 用1 mm 尼龙分样筛将样品过筛以剔除杂物,然后,放入聚乙烯塑料袋中密封保存[11]

将所采样品于35 ℃条件下烘干后,用玛瑙碾钵研磨成粉末,过125 μm尼龙网筛,测定Cd,Cu,Pb和Zn含量。样品中重金属元素用 HNO3-HF-HClO4 微波消解,仪器型号为MPR-300/12S medium pressure rotor微波处理系统;用ICP-MS法进行测定,仪器型号为美国热电VG PQ EXCELL ICP-MS。测定方法:用意大利Milestone ETHOS 天平准确称取0.100 00 g样品放入Tefon 溶样罐中,用少量水湿润,加入2 mL HNO3预消化过夜,然后,加入5 mL HF(40%)和2 mL HClO4进入微波消解,完全消解后,定量地转入干净的100 mL PTFE烧杯中;于200 ℃恒温电热板上加热至近干,用2 mL HClO4去除HF 2次,再用1 mL HNO3去除1次;之后,转入100 mL新聚丙烯容量瓶中,用2%的HNO3稀释至刻度,摇匀,待测,控制标样为GBW 07401。试剂Cd,Cu,Pb和Zn单元素水溶液均为高纯溶液(北京化学试剂研究所生产);水是电阻为18.4 MΩ的纯水。在重金属元素的分析测定中,采用国家标准土壤样品(GBW07401)进行全过程质量控制,相对标准偏差均小于3%。

2  结果与讨论

2.1  灰尘中重金属元素含量特征

本区155个灰尘样品中重金属元素Cd,Cu,Pb和Zn的平均含量分别为29.93,149.10,926.40和     1 759.00 mg/kg,与长株潭土壤背景值相比较,Cd,Pb和Zn的富集度均较大,尤以Cd富集度最大,其富集度高达57.56倍,平均含量均高于纽约、汉城和香港[5]灰尘中的含量;长沙、湘潭、株洲灰尘中重金属元素含量差异明显,其中,株洲灰尘中重金属元素含量最高,湘潭含量次之,长沙含量最低。

从不同人为活动类型对重金属元素富集强度影响来看,灰尘中重金属元素含量最高的是冶炼厂,其次是交通繁忙区(市中心汽车站),城区灰尘中重金属元素含量明显比近城区的含量高,其中,Cd在城区较近城区富集了4倍多,其他元素富集1~2倍(表1)。

2.2 灰尘中重金属元素空间分布特征

不同功能区灰尘重金属含量见表2。从表2可见:长株潭地区Cd的含量均明显高于上海市公园灰尘中Cd的含量及本区土壤背景值,其中,株洲工业区重金属含量最高均值为114.70 mg/kg,长沙三环的重金属含量最低,其均值为2.36 mg/kg;除长沙三环的重金属Cu含量40.41 mg/kg低于本区土壤背景值外,其余重金属含量均值均高于土壤背景值,其中,Cu含量最高的为株洲工业区均值347.10 mg/kg;Pb的含量是长株潭土壤背景值的2.53~112.26倍,株洲工业区的Pb含量最高,均值为4 277.00 mg/kg,长沙三环的Pb含量最低,均值为96.23 mg/kg,除长沙二环、三环及外,其余功能区的Pb含量均值均高于上海城市公园的Pb含量;Zn的含量均高于长株潭土壤背景值,是土壤背景值的7.15~87.61倍,其中,株洲工业区Zn含量最高,均值为5 280.00 mg/kg,长沙三环Zn含量最低,均值为430.70 mg/kg。本区各个城市灰尘重金属的空间分布特征如下。

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