贵阳市PM2.5中重金属元素的化学形态分析与风险评价

摘要

近年来，随着贵阳市工业发展、汽车保有量增长及煤、石油大量使用等环境污染源的增多，大气中被排放了更多的有毒有害物质，而贵阳地处高原山间盆地，为典型的喀斯特地形地貌，四周环山，多静风、小风和稳定层结构，很不利于大气中PM2.5等污染物的扩散稀释。PM2.5中的重金属等能够通过呼吸作用直接进入人体的肺泡，严重影响人体健康，重金属元素可以以不同的化学形态存在，其在环境中的生物有效性也不同。为了更准确地评价 PM2.5中重金属的生物有效性及对环境、人体的潜在生态危害，本文在贵阳市选取3个采样点，分春、夏、秋、冬四季采集PM2.5样品，采用Fernández和改进BCR两种方法提取Cu、Zn、Mn、Cd、Pb5种重金属元素的化学形态，探讨贵阳市PM2.5中重金属元素的化学形态分布特征和时空变化特征，评价其生物有效性；同时采用 Hkanson生态风险指数评价法评价 PM2.5中重金属的潜在生态风险，根据US EPA提供的人体健康评价模型分析重金属的致癌风险；此外，利用模拟酸雨实验对PM2.5中Cu、Zn、Mn、Cd、Pb的释放过程进行模拟研究，探讨不同pH值酸雨对重金属释放率的影响以及重金属在模拟酸雨作用下的形态转化情况。获得以下主要结论：
　　1、贵阳市PM2.5中Cu、Mn、Zn、Cd、Pb这5种重金属元素的化学形态分布存在差异。Fernández法分析结果表明：Zn、Cd、Pb主要分布在可溶态与可交换态(F1)、碳酸盐态、可还原态与可氧化态(F2)；Mn主要以可溶态与可交换态(F1)、碳酸盐态、可还原态与可氧化态(F2)及残渣态(F4)为主；Cu主要以可溶态与可交换态(F1)、碳酸盐态、可还原态与可氧化态(F2)及有机质、氧化物与硫化物结合态(F3)为主。改进BCR法分析结果表明：超过80％的Zn、Cd和Pb都是弱酸溶态(F1)；Mn主要以弱酸溶态(F1)和残渣态(F4)形式存在；Cu主要分布在弱酸溶态(F1)和可氧化态(F3)。
　　2、各重金属元素的形态分布比例在空间分布上存在差异，表现为：白云师大采样点的重金属在易迁移形态分布比例更高，其次是云岩师大采样点，花溪大学城采样点的重金属在易迁移形态分布比例最小，四个季节重金属元素的不同化学形态占总量百分比大小顺序相同，但各形态分布比例在不同季节存在差异，表现为：采暖季重金属的易迁移形态所占比例高于非采暖季。
　　3、Fernández法与改进BCR法分析重金属元素的化学形态生物有效性评价结果一致，其高低顺序为：Cd>Zn≈Pb>Mn>Cu。其中Cd、Zn和Pb的K>0.8，为生物可利用性元素，Mn、Cu的K值介于0.2～0.8之间，为潜在生物可利用性元素；从空间变化特征来看，白云师大采样点的重金属生物有效性最高，花溪大学城采样点的最低；从季节变化特征来看，采暖季各重金属的生物有效性高于非采暖季。
　　4、PM2.5中Cu、Pb、Mn元素模拟酸雨实验的淋出过程可分为前期快速释放和后期缓慢溶出两个阶段，Cd和Zn因对H+更敏感，释放速度较快，各重金属元素随着pH值的减小释放的重金属量相应增加，经模拟酸雨处理后，重金属释放率大小顺序为：Cd>Zn>Mn>Cu>Pb，释放的重金属大多来自于具有生物有效性形态的转化。
　　5、Fernández法和改进 BCR法提取具有生物有效性的重金属风险评价结果一致。潜在生态风险评价结果表明：PM2.5中Mn的生态危害程度为轻微，Zn的生态危害程度为中等，Pb的生态危害程度为较强，而Cu和Cd的生态危害程度则为极强；潜在生态风险指数最高的地区为白云师大，最低的地区为花溪大学城，但都为极强。人体健康风险评价结果表明，5种重金属非致癌风险强弱顺序为：Mn>Pb>Cu>Cd>Zn，其中Cu、Pb、Cd和Zn经呼吸途径对人体健康不存在非致癌风险，但是Mn对人体存在潜在非致癌风险，尤其对儿童的风险最大。Cd对成年人存在潜在致癌风险，并且成年男性要高于成年女性。

目录

第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3问题的提出

1.4研究目的及意义

1.5研究内容

1.6技术路线图

第二章 实验材料和方法

2.1研究区域概况及采样点的设置

2.2样品的采集与分析

第三章Fernández法提取贵阳市PM2.5中重金属化学形态分布特征研究

3.1 PM2.5中重金属化学形态分布特征

3.2 PM2.5中重金属化学形态空间分布特征研究

3.3 PM2.5中重金属化学形态季节分布特征研究

3.4重金属生物有效性评价

3.5本章小结

第四章 改进BCR法提取贵阳市PM2.5中重金属化学形态分布特征研究

4.1 PM2.5中重金属化学形态分布特征

4.2 PM2.5中重金属化学形态空间分布特征研究

4.3 PM2.5中重金属化学形态季节分布特征研究

4.4重金属生物有效性评价

4.5本章小结

第五章 PM2.5重金属在模拟酸雨中的释放特征及酸雨淋溶后重金属形态的转化研究

5.1 PM2.5中重金属在模拟酸雨中的释放特征

5.2模拟酸雨淋溶后重金属化学形态的转化

5.3本章小结

第六章 重金属的风险评价

6.1潜在生态风险评价

6.2 重金属健康风险评价

6.3 本章小结

第七章 总 结

7.1 本文主要结论

7.2 存在的主要问题

参考文献

作者简介

致谢

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