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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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