挪威克里斯蒂安桑城市地球化学

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1、引言

克里斯蒂安桑是欧盟国家地质调查联盟地球化学专家组发起的“城市地球化学”(URGE)项目的参与城市之一。该项目旨在对反映欧洲城市土壤质量的化学元素和其他参数进行填图,以确定污染来源,并与当地卫生管理部门合作使用基于人体健康的标准来对毒性最强的元素进行健康风险分类。

1981年的《挪威污染控制法》对污染和相关废弃物的防治作出了规定。原则上由污染者来付费;对于土壤污染,当前土地所有者仅需承担调查和修复费用。二十世纪九十年代初,挪威地质调查局(NGU)与地方管理部门密切合作,在挪威各大城市启动了城市土壤地球化学填图计划。当时的土壤质量标准遵循Hauge和Breedveld(1991)提出的方案。十年后,重新启动了一项旨在调查儿童保健中心和公共游乐场土壤特征的大型调查。此次调查遵循挪威公共卫生研究所于2007年颁布的新的土壤质量标准。目前,已经完成了挪威几乎所有较大城市的土壤质量填图,同时一些城市(例如特隆赫姆)已经重复填图。

1.1 研究区域

克里斯蒂安桑是挪威的第五大城市,截至2015年1月,其居民数为87446人。克里斯蒂安桑也是挪威最南端的县—西阿格德尔郡—的一个自治城市和行政中心,西接罗加兰郡、东北方向与东阿格德尔相邻,南临斯卡格拉克海。克里斯蒂安桑市的景观特点是发育裸露的基岩、或由薄层腐殖土或泥炭覆盖层构成的圆形丘陵。在丘陵间的洼地和山谷中,保存有冰碛物或其他表土沉积物。有关研究区盛行风向的文献很少,但通过对靠近城市中心地区的技术审查发现,该地区夏季盛行风向为西北风,而从秋季到春季则盛行东南风。风速很少大于“强风”。

1.2 《挪威污染控制法》(N-PCA)

挪威环境署牵头,与挪威地质调查局、Norconsult公司、挪威公共卫生研究所、挪威农业和环境研究所及Aquateam公司一起制定了污染土壤分类准则(TA2553/2009)。该准则是对挪威“污染控制法”(1981年3月13日有关污染和废弃物防治问题的6号法案)的补充。土壤可分为五个等级,从未污染土壤到严重污染土壤(表1)。准则中仅包括被证明会影响居民健康的最常见的有毒元素(表1)。元素浓度高于5级的土壤就被定义为危险废弃物。

1.3 无需遵守《污染控制法》(N-PCA)的克里斯蒂安桑工厂

只有通过申请,挪威环境署才会对可能引起污染的活动颁发许可证。在克里斯蒂安桑,仅有两家公司获得了向大气中排放无机元素的许可证。它们都是位于克里斯蒂安桑市中心西部工业区的冶金公司。位于Fiskå的生产电极糊和太阳级硅的公司获得了排放汞(10千克/年)、砷(400千克/年)、镉(20千克/年)、铅((300千克/年)及镍(200千克/年)的许可。位于Hannevika的镍冶炼厂累计可向大气中排放镍(1700千克/年)、铜(1900千克/年)和钴(260千克/年)。该冶炼厂也被允许向海洋中排放砷、镉、铁、铅和锌。但是,这些元素中的一部分也被排放到了大气中。因此,该公司根据N-PCA 及其补充规定和上述准则,制定了这些元素向大气中排放的排放控制指令(“污染防治条例”)。

1.4. 修复工作

Misund和Tvedt(1990)对西阿格德尔郡(包括克里斯蒂安桑市在内)进行了第一次针对污染土壤和特殊类型废物处置场地的系统填图工作。当时得出的结论是,克里斯蒂安桑地区有许多场地还需要进一步调查。通过“克里斯蒂安桑峡湾试点项目”,在克里斯蒂安桑进行的大多数修复工作已降低了克里斯蒂安桑和Topdal峡湾的污染程度。Berge等(2007)概述了从2004年到2007年间在该地区开展的修复工作,这些修复工作旨在防止有害元素从陆上受污染的土壤中流入到港口区和海洋中。

2、材料与方法

2.1 采样

2009年和2010年在克里斯蒂安桑市及其邻近的大部分地区的300个位置采集了表层土样品。取样策略遵循一个非常宽松的基于网格设计方案。在人口最密集的地区,约50 km2的项目区域用1 km×1 km的网格覆盖,依据人口密度,在每个网格中采集3~5个样品。在克里斯蒂安桑市中心,采样密度极高,可达到每平方千米25个采样点。同时,也沿着主要道路采集了一些样品。土壤采样位置见图1中所示。在大约每隔20个样品的位置采集重复样品,共计采集了12个重复样品。作为URGE项目的一部分,样品采集都遵守欧盟国家地质调查联盟地球化学专家组的采样规定。

图1 克里斯蒂安桑市及附近的研究区和土壤分类图

2.2. 样品制备

所有的土样一旦被送到特隆赫姆市的挪威地质调查局实验室,都要在30°C温度下风干。随后,使用小于2 mm的尼龙网筛选这些土样,并保留过筛样品以供分析。在向实验室提交样品以前,所有样品都打乱了顺序,并以实验室不能分辨的方式插入了项目标准物质(URGE项目内部参考材料)和重复样品。

2.3 实验室分析

将所有样品的分样都运送到特隆赫姆市的挪威地质调查局实验室进行分析。在微波系统(Milestone 公司的UltraClave IV)中利用硝酸(7N)进行酸提取,以溶解掉这些土样。在氮气压力下对这些土样进行加热,直到温度升至250°C。加热期间,压力从50巴的初始压力上升至约120巴。然后冷却到室温,使用Whatman折叠式过滤器来过滤样品中的酸提取物。残渣主要由难溶解的硅酸盐组成,后者除非使用强酸(如氢氟酸)才会溶解。上述方法在美国环境保护署的方法3051A(美国环境保护署,2007)的基础上进行了修改。元素Al、B、Ba、Be、Ca、Ce、Co、Cr、Cu、Fe、K、La、Li、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、P、Sc、Sr、Ti、V、Y、Zn和Zr均通过Perkin Elmer公司的Optima 4300双视图电感耦合等离子源发射谱仪(ICP-AES)来测定,而汞则通过冷蒸汽原子吸收法(CVAA;CETAC M-6000A汞分析仪)量化表示,As、Cd和Pb通过石墨炉原子吸收谱仪(GF-AAS;Perkin Elmer公司的SIMAA 6000)量化表示。这里使用的所有分析方法的定量限(QL),均根据国际纯粹与应用化学联合会推荐的方法来计算,即采用10次独立测量的真正的净值(浓度)的十倍标准偏差。

2.4 质量控制

通过野外重复样品和两种不同的参考材料来保证数据的质量:即项目标准物质(URGE项目内部参考材料,IRM)和MESS-3,后者是微量金属和其他成分的海洋沉积物参考材料(由加拿大国家研究委员会提供)。对均匀而随机地插入其他样品中间的URGE项目标准物质分析了6次。而实验室质量控制样品MESS-3则测定了13次并插入到不同的分析批次中。

3、结论

克里斯蒂安桑郡是一个航运业历来都很重要的旧贸易区。1990年后,出现了迄今仍然存在的重要冶金活动。目前,该地区包含一个生产镍和钴的冶金厂和一家生产电煅无烟煤以及铸造工业所用电极和压糊料的公司。尽管该地区的冶金工业有着悠久的历史,但对城市表层土的可查明影响仅限于围绕镍冶炼厂半径小于1.5 km的区域,且对东北方向上的影响最大。镍冶炼厂附近的居民区也应特别注意与镍、铜、砷和钴排放相关的空气质量和土壤质量。仅郊区表层土样中的几个独立取样点显示镍值较高,但是,这并非由于工业活动引起,而是由于存在含硫化物条带状片麻岩导致局部背景值升高造成的。表层土中的汞和镉的浓度都不超过2级(表1)。

总的来看,该市的土壤质量较好且对人体健康无直接危害。但是,当整修旧的木质房屋时,必须采取预防措施以避免对当地土壤造成新的污染,并防止将油漆中的有毒元素排放到克里斯蒂安桑峡湾中。此外,从城市污染最严重的地区挖出的土壤应当在重新用于居民区土地填埋之前进行分析。

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