基于重金属形态和三角模糊评价模型的污泥土地利用风险评估模型

【摘要】随着国家循环经济、生态文明脚步的加快，污泥土地利用被认为是最有希望突破的处置方向之一。目前我国的污泥处置从“提出技术路线、开发重大装备、完善标准规范、建设示范工程”发展目标逐步转化为“全链条能力提升、建立产业化模式”的发展需求。

现阶段厌氧消化、好氧堆肥是国内污泥处理的重要方式，土地利用是主要处置方向之一，而重金属成为了污泥土地利用安全处置的主要“限制性”因素。2009年住建部发布实施《城镇污水处理厂污泥处置 农用标准》（CJ/T309-2009），对8种重金属提出了限制要求，2018年国家市场监管总局基于以上标准修改发布了《农用污泥污染物控制标准》（GB4284-2018），同样对8种重金属提出了限制要求，较CJ/T309-2009更加严格。现行指标限值相对城市污泥性质而言偏严格，管理部门对污泥土地利用“谈泥色变”，导致土地利用始终看不见“曙光”。

现行的土壤环境管理体系常用《土壤环境质量标准》和区域土壤环境背景值来快速评判污泥土地利用对土壤的污染程度，其主要方法包括单因素指数法、内梅罗指数法、地累积指数法、潜在生态危害指数法等。对于上述评价模型，存在一定缺陷：①未充分考虑重金属各形态导致的生物利用性差异带来的风险；②未综合考虑重金属之间的生物毒性差异和环境背景值。基于以上分析，本文建立基于重金属生物可利用性和土地利用方式的土壤重金属层次风险评价方法，评价剩余污泥处理效果和土地利用重金属风险，为污泥土地利用进一步发展提供参考。

污泥农用风险评价

环境风险评估得到的结果并非绝对，污泥农用的环境风险同样是相对的。不同污泥农用样品以及相同样品不同取样时间的变化均对环境风险存在不同的影响，污泥农用风险评估是定性与定量指标相结合的综合体系。因此，针对污泥农用重金属污染程度的“模糊”特性，本部分选用模糊综合评价法对农用重金属污染风险进行评价。本模糊评价方法分别通过建立重金属评估对象，测定各重金属元素不同提取态，对评估指标进行权重分析，利用地累积指数评价模型计算不同污泥样品农用重金属的风险评估值。

地累积指数评价模型

地积累指数法是由德国科学家Muller于1969年提出的，运用地累积指数法一方面可以定性判定人为活动对土壤环境中重金属的影响，另一方面表达了重金属累积的自然分布特征。该方法不仅考虑了自然成岩作用对背景值造成的影响，而且也考虑了人为活动对重金属造成的影响。

式中Ci为污染物检测实测值，mg/kg。Ci为重金属元素i土地利用施用区域地球化学背景值，mg/kg。k是为了修正造岩运动引起的背景波动而设定的系数。依据地累积指数可把土壤中重金属污染程度分为7个等级。

由于重金属的地球化学背景值选择差异会带来一定的不确定性，将其表示为三角模糊数：

式中B2为背景值，B1和B3分别对应背景值赋予的±10%的变化幅度。选取上海市土壤环境背景值，先将地球化学背景值进行三角模糊化：

重金属自身的生物毒性权重系数

取Hakanson制定的标准化重金属毒性系数为重金属自身的生物毒性权重系数（μi），μi是基于重金属的地球化学丰度而制定，可以很好地表征不同重金属的生物毒性差异，并已广泛用于实际污染危害评价中。分别定义各重金属自身的生物毒性权重系数为：μAs=10，μNi=μPb=μCu=5，μCr=2，μZn=1。利用毒性权重系数建立判断矩阵，通过算术平均值计算权重，得：QAs=0.38，QNi=0.17，QPb=0.17，QCu=0.17，QCr=0.07，QZn=0.04。

重金属不同化学形态的生物毒性权重系数

目前，经典的重金属形态分析方法是Tessier等提出的，按此方法可将土壤重金属分为五种化学赋存形态：可交换态、碳酸盐结合态、铁-锰氧化物结合态、有机络合态和残渣态。其中，可交换态是指被土壤胶体表面非专性吸附且可被中性盐取代，易于迁移转化，同时也是易于被植物根部“摄入”的重金属部分；碳酸盐结合态指以沉淀的形式存在于碳酸盐中的重金属部分，并且pH对此形态稳定性有关键影响，在酸性条件下易于释放；铁锰氧化结合态是指吸附于土壤中氧化铁锰或黏粒矿物的专性交换位置的重金属部分，其不能被中性盐溶液所交换，只能被亲和力相似或更强的金属离子置换，当氧化还原电位降低时容易释放出来；有机络合态是指通过化学键形式被土壤有机质专性吸附的重金属部分，在有机质分解时会释放；残渣态是结合在土壤硅铝酸盐矿物晶格中的重金属部分，其在一般情况下很难释放且也难以被植物吸收。综上，重金属各形态中可交换态重金属的生物毒活性风险性最大，其它依次为碳酸盐结合态＞铁-锰氧化物结合态＞有机络合态＞残渣态，结合专家咨询法将重金属5种不同形态的潜在生物毒活性分别以5个级别的生物毒活性权重系数（Qk）对应表示，并将其三角模糊化为：

基于生物毒性双权重的模糊评价模型评估

根据地累积指数法，可得到基于随机模糊的土壤重金属污染评价方法：

式中，Ω是重金属i的生物毒性双权重模糊值；Qik是重金属i的k形态的生物毒活性权重系数；Wik是重金属i中k形态的含量对总含量百分贡献率；μi是土壤中重金属i自身的生物毒性权重系数；Iim是重金属i的随机模糊污染评价m次模拟得到的数据集；Ci是重金属i的实测含量值，mg/kg。

堆肥数据实例计算

① 某膜覆盖好氧堆肥5次取样重金属形态分析结果：

② 将上述数据带入公式（3）和（4）计算评价模糊值，结果见下表：

③ 利用层次分析法及计算得到的各重金属权重，计算样品的土地利用风险值：

样品1=（1.67，2.13，2.41）；样品2=（1.12，1.64，1.95）；

样品3=（1.54，2.02，2.30）；样品4=（1.65，2.16，2.46）；

样品5=（1.43，1.94，2.24）。

以样品1为例，样品44.6%的可能性属于轻度污染，65.4%的可能性属于中度污染。

通过以上模型的建立，可以充分考虑污泥的不同价态生物毒性的差异，利用总量、形态和土壤背景值的相互关系，在三角模糊评价和地累积指数评价的基础上，避免了低估有些浓度低但主要以高生物可利用性形态存在的重金属污染作用或者高估那些浓度高但主要以低生物可利用性形态存在的重金属污染作用，为污泥农用提供了数字化的评价方式。

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