CN111554361B - 基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算方法，其具体步骤包括：(1)确定化学品足迹核算对象与区域，并确定重金属环境归趋情况；(2)根据所述步骤(1)的核算结果，核算区域自然水体环境重金属污染物的毒性；(3)根据所述步骤(1)与所述步骤(2)的核算结果，核算基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹。通过量化重金属离子毒理性的受影响程度，比较不同环境的重金属离子的毒性作用情况，构建了基于自然环境水体的重金属污染物化学品足迹核算方法，旨在通过该方法来获得相对真实准确的重金属污染物化学品足迹，以优化重金属环境负荷的量化，从而更有效的减少重金属污染问题。

Description

基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算方法
技术领域
本发明属于工业产品生产过程排放的化学品污染物检测领域，具体涉及了基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算方法。
背景技术
中国是世界第一制造大国，2018年中国工业产值在全球占比超过30％，但在工业生产过程中会使用到大量的化学品，并以三废的形式排入到自然环境中，其中不乏铜、铬、铅等重金属离子，通过在食物链中富集，对生物生长发育产生影响，存在生态安全风险。《“十三五”生态环境保护规划》明确指出，要加强有毒有害化学品环境与健康风险评估能力建设，加大重金属污染防治力度。因此针对重金属污染物排放的环境影响量化与评价是生态环境保护亟待解决的问题之一。
化学品足迹是2011年提出的一种足迹类指标，从化学品使用和排放的生态角度量化与评价人类活动造成的环境影响。量化与评价的内容主要包括归趋、暴露以及效应三个方面。归趋是指污染物经过降解、迁移、转化等过程稳定后的位置与形态，由输入与输出相的属性以及化学污染物在各相中的降解率、各相间的分配系数所决定；暴露是指污染物在环境中以一定的途径与生物体接触的过程，它取决于污染物从环境到生物相的分配能力以及富集系数；效应是体现污染物对生物的毒性作用，与污染物的半致死浓度成反比。通过对污染物以上三方面的量化与评价，可以将化学品污染物对环境的毒性影响量化为一定量的环境空间体积。
当前化学品足迹理论中，毒性评价所依据的毒性数据是在实验环境下测得的。但相对于实验环境，自然水体环境中的腐殖质会与一定比例的重金属离子结合，OH-、CO3 2-等离子会影响重金属离子各形态的占比，Na+、Ca2+、Mg2+等离子会与重金属离子竞争生物配位点，影响重金属离子的毒性作用。因此基于现有的重金属化学品足迹核算方法不仅核算结果存在较大偏差，不能真实准确的反映重金属污染物产生的环境负荷，而且不能体现不同区域的差异性。
发明内容
本发明的目的在于提供基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算方法，针对现有核算方法的不足，结合重金属自然水体环境的毒性进行核算，得到能够真实反映具体区域排放重金属污染物的化学品足迹。
为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：
基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)确定化学品足迹核算对象与区域，并确定重金属环境归趋情况；
(2)根据所述步骤(1)的核算结果，核算区域自然水体环境重金属污染物的毒性；
(3)根据所述步骤(1)与所述步骤(2)的核算结果，核算基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹。
优选后，所述步骤(1)的具体过程包括：
1.1根据某地区、组织或产品某时间段内的重金属污染物排放质量、重金属污染物的理化性质以及区域环境参数构建污染物排放清单；
1.2借助环境归趋模型，明确重金属污染物最终分配于区域环境水体的比例；根据区域环境水资源体积核算各重金属污染物最终分配于区域环境水体的浓度。
优选后，所述步骤(2)的具体过程包括：
2.1根据所述步骤(1)的核算结果，即区域环境水体的浓度、实验环境水质离子参数与区域自然水体环境离子参数，借助生物配位模型，得到各重金属离子于实验环境与自然水体环境中的溶解浓度；
2.2根据步骤2.1的核算结果，即溶解浓度，借助USEtox数据库，查找各重金属污染物实验环境测得的毒性，并核算各重金属污染物在自然水体环境中的水生生物系统安全阈值。
优选后，所述步骤1.2中具体的核算步骤为：采用式1计算重金属污染物最终分配于区域环境水体的浓度Cw：
其中，Cwi为重金属污染物i最终分配于区域环境水体的浓度，单位mg/L；Mi为重金属污染物i所排放的质量，单位mg；fi为重金属污染物i最终分配于区域环境水体的比例，无量纲；V为区域水体环境体积，单位为L。
优选后，所述步骤2.2中具体的核算步骤为：采用式2、式3计算水生生物系统安全阈值HC5(NOEC)：
其中，HC50n i为重金属污染物i在自然水体环境中的半致死浓度，单位mg/L；EC50 i为重金属污染物i试验环境测得的半致死浓度，单位mg/L；Disn i为重金属污染物i于自然水体环境中的溶解浓度，单位mg/L；Dise i为重金属污染物i于试验环境中的溶解浓度，单位mg/L；
其中，HC5(NOEC)i为重金属污染物i基于区域自然水体环境的水生生物系统安全阈值，单位mg/L，表示水生生态系统中绝大多数生物(95％)不受影响；γ为半致死浓度向安全阈值的转化系数，取146.97，无量纲。
优选后，所述步骤(3)中具体的核算步骤为：采用式4计算重金属化学品足迹ChF：
其中ChF为重金属化学品足迹，单位L。
由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明为基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算方法，结合重金属自然水体环境的毒性进行核算，得到能够真实反映具体区域排放重金属污染物的化学品足迹。
针对化学品足迹受自然水体环境众多因素影响时金属离子核算结果不真实准确的问题，通过量化重金属离子毒理性的受影响程度，比较不同环境的重金属离子的毒性作用情况，构建了基于自然环境水体的重金属污染物化学品足迹核算方法，旨在通过该方法来获得相对真实准确的重金属污染物化学品足迹，以优化重金属环境负荷的量化，从而更有效的减少重金属污染问题。
具体实施方式
基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算方法，包括如下步骤：
(1)确定化学品足迹核算对象与区域，并确定重金属环境归趋情况：
1.1根据某地区、组织或产品某时间段内的重金属污染物排放质量、重金属污染物的理化性质以及区域环境参数构建污染物排放清单；
1.2借助环境归趋模型，明确重金属污染物最终分配于区域环境水体的比例f；根据区域环境水资源体积核算各重金属污染物最终分配于区域环境水体的浓度Cw，计算公式如式1所示：
其中，Cwi为重金属污染物i最终分配于区域环境水体的浓度，单位mg/L；Mi为重金属污染物i所排放的质量，单位mg；fi为重金属污染物i最终分配于区域环境水体的比例，无量纲；V为区域水体环境体积，单位为L。
(2)核算区域自然水体环境重金属污染物的毒性：
2.1根据所述步骤1.2的核算结果、实验环境水质离子参数与区域自然水体环境离子参数，借助生物配位模型，得到各重金属离子于实验环境与自然水体环境中的溶解浓度Dise与Disn；
2.2根据步骤2.1的核算结果，借助USEtox数据库，查找各重金属污染物实验环境测得的毒性，并核算各重金属污染物在自然水体环境中的水生生物系统安全阈值HC5(NOEC)，计算公式如式2、式3所示：
其中，HC50n i为重金属污染物i在自然水体环境中的半致死浓度，单位mg/L；EC50 i为重金属污染物i试验环境测得的半致死浓度，单位mg/L；Disn i为重金属污染物i于自然水体环境中的溶解浓度，单位mg/L；Dise i为重金属污染物i于试验环境中的溶解浓度，单位mg/L；
其中，HC5(NOEC)i为重金属污染物i基于区域自然水体环境的水生生物系统安全阈值，单位mg/L，表示水生生态系统中绝大多数生物(95％)不受影响；γ为半致死浓度向安全阈值的转化系数，取146.97，无量纲。
(3)根据所述步骤1.2与所述步骤2.2的核算结果，核算基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹，得到某地区、组织或产品该时间段内的重金属化学品足迹ChF，计算公式如式4所示：
其中ChF为重金属化学品足迹，单位L。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明：
以某印染企业为化学品足迹研究对象，核算该企业2017年重金属污染物铜、锌的化学品足迹，选取太湖作为自然环境水体。
该企业的主要生产情况：主要从事各类化纤布的染色、印花以及后加工整理，辅料为分散染料、酸性染料、碱液与助剂等，主要工艺为卷染染色与溢流染色。
步骤(1)
1.1根据该企业废水排放数据与废水重金属污染物检测数据、重金属理化性质数据以及太湖水体环境数据制定太湖重金属污染物化学品足迹排放清单。
1.2将重金属排放数据、重金属理化性质数据、太湖水体环境数据按需求输入到环境归趋模型中得到重金属分配于水相的占比。根据式1核算各重金属最终分配于太湖中的浓度。
核算结果如表1所示。
表1重金属污染物最终分配于太湖中的浓度(浓度单位：μg/L)
步骤(2)
2.1根据表1中的结果、实验环境水离子参数与太湖水体环境离子参数按需求输入生物配位模型，得到各重金属在实验环境与太湖水体环境的溶解浓度Dise与Disn，结果如表2所示。
表2重金属污染物溶解浓度(溶解浓度：mol/L)
2.2结合表2的结果、USEtox数据库中的对应重金属的EC50，根据式2计算得出针对于太湖水体环境的各金属水生生物系统安全阈值，核算结果如表3所示。
表3重金属污染物生生物系统安全阈值(浓度单位：μg/L)
步骤(3)
根据表1与表3的结果，根据式4得到该印染企业2017年重金属污染物铜、锌的化学品足迹，核算结果为2.8621E+12L。
通过实例计算，可以看出，基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算结果能够通过化学品足迹的角度，以体积的形式直观的体现出工业生产活动排放重金属污染物产生的环境负荷。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹核算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)确定化学品足迹核算对象与区域，并确定重金属环境归趋情况；具体过程包括：
1.1根据某地区、组织或产品某时间段内的重金属污染物排放质量、重金属污染物的理化性质以及区域环境参数构建污染物排放清单；
1.2借助环境归趋模型，明确重金属污染物最终分配于区域环境水体的比例；根据区域环境水资源体积核算各重金属污染物最终分配于区域环境水体的浓度；具体的核算步骤为：
采用式1计算重金属污染物最终分配于区域环境水体的浓度Cw：
其中，Cwi为重金属污染物i最终分配于区域环境水体的浓度，单位mg/L；
Mi为重金属污染物i所排放的质量，单位mg；fi为重金属污染物i最终分配于区域环境水体的比例，无量纲；V为区域水体环境体积，单位为L；
(2)根据所述步骤(1)的核算结果，核算区域自然水体环境重金属污染物的毒性；具体过程包括：
2.1根据所述步骤(1)核算的区域环境水体的浓度、实验环境水质离子参数与区域自然水体环境离子参数，借助生物配位模型，得到各重金属离子于实验环境与自然水体环境中的溶解浓度；
2.2根据步骤2.1核算的溶解浓度，借助USEtox数据库，查找各重金属污染物实验环境测得的毒性，并核算各重金属污染物在自然水体环境中的水生生物系统安全阈值；具体的核算步骤为：采用式2、式3计算水生生物系统安全阈值HC5(NOEC)：
其中，HC50ni为重金属污染物i在自然水体环境中的半致死浓度，单位mg/L；EC50i为重金属污染物i试验环境测得的半致死浓度，单位mg/L；Disni为重金属污染物i于自然水体环境中的溶解浓度，单位mg/L；Disei为重金属污染物i于试验环境中的溶解浓度，单位mg/L；
其中，HC5(NOEC)i为重金属污染物i基于区域自然水体环境的水生生物系统安全阈值，单位mg/L，表示水生生态系统中95％生物不受影响；γ为半致死浓度向安全阈值的转化系数，取146.97，无量纲；
(3)根据所述步骤(1)与所述步骤(2)的核算结果，核算基于自然水体环境的重金属污染物化学品足迹，具体的核算步骤为：采用式4计算重金属化学品足迹ChF：
其中ChF为重金属化学品足迹，单位L。
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