苯并_a_芘的环境多介质迁移和归宿模拟

第2卷　第2期环境工程学报Vol.2,No.2

2008年2月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringFeb.2008

苯并(a)芘的环境多介质迁移和归宿模拟李　静1,2　吕永龙1＊　王铁宇1　焦文涛1,2　史雅娟1　罗　维1汪　光1,2　王　斌1,2(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;2.中国科学院研究生院,北京100039)

摘　要　利用LevelIII逸度模型,模拟分析了苯并(a)芘在天津地区气、水、土和沉积物多介质相间的浓度分布、迁移通量和累积趋势,结果表明:气、水相的平流输入是该区域苯并(a)芘的主要来源,土壤和沉积物是其最大的储库,占总残留量的99.38%;在气、水、土和沉积相中的浓度分别为1.96×10-10mol/m3、3.26×10-6mol/m3、1.34×10-3mol/m3和7.74×10-3mol/m3时,模型估测结果与同期实测浓度吻合较好,验证了模型的可靠性,并通过灵敏度分析,确定了模型的关键参数。关键词　苯并(a)芘　逸度模型　多介质迁移　归宿

中图分类号　X592 文献标识码　A 文章编号　1673-9108(2008)02-0279-06Simulationofmulti-mediatransferandfateofbenzo[a]pyrene

LiJing1,2　LuYonglong1　WangTieyu1　JiaoWentao1,2　ShiYajuan1　LuoWei1WangGuang1,2　WangBin1,2(1.StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085;2.GraduateSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing100039)

Abstract　PhysicalenvironmentparametersinTianjinwereinputtoLevelIIIfugacitymodeltocalculatetheconcentrationsofbenzo[a]pyreneinair,soil,waterandsediment,andmulti-interfacetransferfluxandcu-mulativetrendinTianjin.Theresultsindicatedthat(1)thereliabilityofthemodelwasverifiedbythecoinci-denceofthecalculatedandthemeasuredconcentrationinthesameperiod;(2)inair,water,soilandsedimentbulks,theconcentrationsofbenzo[a]pyrenewere1.96×10-10mol/m3,3.26×10-6mol/m3,1.34×10-3mol/m3and7.74×10-3mol/m3,respectively;(3)advectioninflowsinairandwaterwerethemajorsourcesofbenzo[a]pyreneinthisarea;(4)soilandsedimentservedasthelargeststorageofbenzo[a]pyrene,accountingfor99.38%ofthetotalamountofresiduals.Thekeymodelparameterswereidentifiedthroughsensitivityanaly-sis.Keywords　benzo[a]pyrene;fugacitymodel;multi-mediatransfer;fate

基金项目:国家重点基础研究发展“973”项目(2007CB407307);中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KZCX2-YW-420-5)收稿日期:2007-08-15;修订日期:2007-11-19作者简介:李静(1984～),女,硕士研究生,主要从事环境管理方面的研究工作。E-mail:lijing cadx@163.com＊通讯联系人,E-mail:yllu@rcees.ac.cn

作为一种全球性的环境污染物,多环芳烃(PAHs)因其分布广、稳定性强、生物富集率高、致癌性强的特性,对环境和人类健康构成了极大的威胁,其中苯并(a)芘(BaP)是美国环保局(EPA)公布的优先检测的16种PAHs中危害最大的一种[1],引起各国环境科学家的极大关注。已有大量研究表明,化石燃料的不完全燃烧是环境中PAHs的主要来源[2,3],绝大部分PAHs先以气体和颗粒物形态进入大气,然后通过迁移、沉降等作用进人水体、土壤等介质形成跨介质污染,直接危害人类健康。研究PAHs在多介质中的迁移转化行为对于预测其变化趋势和预防其引发的环境污染具有重要意义,同时也为区域风险评估提供基础数据。Schnoor等[4]提出了有毒物质迁移模型,Burns等[5]提出了暴露分析模拟系统,Yoshida等[6]提出了多相非稳态平衡模型,而Mackay等[7]提出的逸度模型由于其模拟结果可以更好地揭示有机化学品在环境各相中的迁移和归趋,而且具有算法简单、所需参数环境工程学报第2卷少、结果表示直观等优点而得到广泛应用。近些年,国外利用逸度模型开展了一系列有关POPs环境行为的研究[8,9],国内学者围绕粤港澳地区PAHs、北京地区有机氯农药以及天津六六六和PAHs的环境行为利用逸度模型也开展了一定研究[10～13],并取得较好的效果。因此,本研究拟以苯并(a)芘为例,运用加拿大特伦特大学环境模型研究中心提出的III级逸度模型,探讨建立整个天津地区PAHs的跨界面迁移归宿模型框架的可能性,分析有机化学品在环境介质(如空气、水、土壤、沉积物及生物等)中的浓度、质量分布、反应特性及停留的持久性情况,并通过灵敏度分析,确定影响苯并(a)芘在各相中浓度的关键参数。1　研究方法1.1　模型简介及框架逸度模型是一种用逸度代替浓度算法的模型,逸度(fugacity)是一热力学量,它表示物质脱离某一相的倾向性的大小,其单位为压力单位(Pa)。逸度是作为判别各相间一种平衡标准的简便方法。当系统处于相间平衡时,各相的逸度相等。在低浓度时,逸度与浓度存在线性关系,可通过逸度容量(z)来确定。LevelIII为非平衡、稳态、流动系统。本系统考虑物质的稳态输入和输出,假定物质在各相间处于非平衡状态,计及平流迁移、相邻两相间的扩散迁移和物质在相内发生的各种反应(如光解、水解、氧化还原、生物降解等),并假定这些过程均为一级过程。基于三级稳态多介质逸度模型,将天津地区的环境相分为4个主相,即大气、水体、土壤和沉积物,下标依次为1、2、3、4,每个主相中又部分包括气、固和水等子相。大气中包括气相和气溶胶;水体中包括水、悬浮物、鱼(代表水生生物);土壤中包括气相、固相和液相;沉积物中包括固相和液相。根据稳态假设和质量平衡关系可以建立涉及各个主相的迁移量平衡表达式[14]:空气相:E1+GA1cB1+f2D21+f3D31=f1(D12+D13+DR1+DA1)水相:E2+GA2cB2+f1D12+f3D32+f4D42=f2(D21+D24+DR2+DA2)

土壤相:E3+f1D13=f3(D31+D32+DR3)

沉积物相:E4+f2D24=f4(D42+DR4+DA4)

其中:Ei为排放速率,mol/h;GA为平流流入速率,

m3/h;cBi为平流流入浓度,mol/m3;DRi为反应速率D值;DAi为平流速率D值。

1.2　过程和参数的识别苯并(a)芘在研究区域的输入过程包括:气、水平流输入、当地废水和废气的排放;各环境介质间的交换过程包括:气-地、气-水间的干湿沉降和扩散、地表径流侵蚀和水体与沉积物的扩散;输出过程包括苯并(a)芘在各介质中的降解和气、水平流输出。共收集了两套数据分别用于模型的输入和验证。模型的计算过程共涉及到63个输入参数,分为13个描述苯并(a)芘物理-化学性质的参数、44个区域环境参数和6个表征系统输入量的参数。模型参数的取值主要来源于国内外相关的数据手册和相关文献,除少数常数如摩尔质量、辛醇-水分配系数外,每个参数尽可能多搜集数据,或对同类数据作比较分析后选取有代表性的数据,以便尽可能地反映天津地区的实际状况。各参数及数据来源详见表1和表2。

表1　苯并(a)芘的物理-化学性质参数Table1　Physical-chemicalparametersofbenzo[a]pyrene

参数取值来源摩尔质量(g/mol)252.3[1]数据测定温度(℃)25[14]水溶解度(g/m3)

0.0038[14]

饱和蒸汽压(Pa)7×10-7[14]熔点(℃)175[14]辛醇-水分配系数的对数6.04[1,14]大气中的半衰期(h)170[14]水中的半衰期(h)1700[14]土壤中的半衰期(h)17000[14]沉积物中的半衰期(h)55000[14]鱼类中的半衰期(h)1700[14]悬浮物中的半衰期(h)1700[14]气溶胶中的半衰期(h)170[14]

280第2期李　静等:苯并(a)芘的环境多介质迁移和归宿模拟表2　天津地区的区域环境参数Table2　RegionalenvironmentalparametersofTianjin

参数取值来源参数取值来源大气面积(m2)

1.19E+10[15]土壤中固体的有机碳含量(g/g)1.87E-02[12]

大气高度(m)2.00E+03[13]沉积物中固体的有机碳含量(g/g)7.92E-02[12]水体面积(m2

)3.15E+09[15]悬浮物中固体的有机碳含量(g/g)3.80E-02[12]

水体深度(m)1.70E+00[16]鱼类的脂肪含量(g/g)5.00E-02a土壤深度(m)2.00E-01[17]平流大气停留时间(h)1.96E+01[19]沉积物深度(m)5.00E-02[14]平流水停留时间(h)5.28E+01[15]气相中固体的体积分数7.44E-12[12]平流沉积物停留时间(h)2.5E+05[14]水相中固体的体积分数4.55E-05[12]气侧气/水质量迁移系数(m/h)3.00E+00[14]水相中鱼类的体积分数4.10E-05[12]水侧气/水质量迁移系数(m/h)3.00E-02[14]土壤中气子相的体积分数2.00E-01[17]降水速率(m/h)6.39E-05[19]土壤中水子相的体积分数2.50E-01[17]气溶胶干降尘速率(m/h)6.81E+01[12]土壤中固子相的体积分数5.50E-01[17]土壤中气相扩散质量迁移系数(m/h)2.00E-02a沉积物中水子相的体积分数7.00E-01[18]土壤中水相扩散质量迁移系数(m/h)1.00E-05a沉积物中固子相的体积分数3.00E-01[18]土壤/大气边界层质量扩散迁移系数(m/h)1.00E+00[14]大气密度(kg/m3)1.19E+00a沉积物中水相扩散质量迁移系数(m/h)1.00E-02[14]