寶雞地區(qū)冶金廠重金屬排放對(duì)周?chē)寥赖挠绊懛治?/h1>
2021-01-04 03:21:00王兵
中國(guó)金屬通報(bào) 2020年21期
王 兵
（寶雞文理學(xué)院，陜西 寶雞 721013）
土地作為人類賴以生存的重要資源，其健康狀況直接影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，對(duì)人類健康和生態(tài)安全構(gòu)成威脅[1]。近幾年來(lái)，土壤環(huán)境問(wèn)題日益突出，土壤本身就具有比空氣和水更強(qiáng)的轉(zhuǎn)化和吸收有毒物質(zhì)的能力，所以污染物在土壤中停留的時(shí)間一般更長(zhǎng)。重金屬是一種隱蔽性強(qiáng)，容易積聚，不易降解，污染后難以修復(fù)的污染物[2]。當(dāng)前，由于人類活動(dòng)的過(guò)度干預(yù)，土壤已打破了原有的健康狀態(tài)，造成的污染問(wèn)題日益突出，尤其是重金屬污染，已引起社會(huì)的高度重視。大量研究表明，礦業(yè)活動(dòng)是造成土壤重金屬污染的主要原因之一[3]。礦山生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、廢氣、廢渣、廢水和尾礦等會(huì)使重金屬向土壤中遷移，嚴(yán)重污染土壤，也可通過(guò)呼吸、手抓食物、皮膚接觸等方式進(jìn)入人體，嚴(yán)重威脅人體健康。對(duì)寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)r(nóng)田土壤 Pb, Zn, Cu, Mn, Cd, Cr 進(jìn)行了分析，評(píng)估接觸人群的污染狀況及健康風(fēng)險(xiǎn)，為控制重金屬污染、修復(fù)污染農(nóng)田、綜合利用和改善當(dāng)?shù)厣瞽h(huán)境提供參考。利用寶雞市某冶煉廠周?chē)r(nóng)田土壤，對(duì)排放生長(zhǎng)過(guò)程中重金屬污染在土壤中的富集情況進(jìn)行了分析。
1 重金屬來(lái)源及對(duì)重金屬排放周?chē)寥赖挠绊懱攸c(diǎn)分析
1.1 重金屬來(lái)源
寶雞地區(qū)冶金廠排出的粉塵、廢水、廢渣中往往含有較多的重金屬(Pb, Zn, Cu, Mn, Cd, Cr 等)，這些污染物進(jìn)入土壤后會(huì)使土壤重金屬含量增加，是土壤重金屬的重要來(lái)源之一[4]。除冶煉活動(dòng)的影響外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)本身也會(huì)引入污染物，導(dǎo)致土壤重金屬含量升高。冶煉過(guò)程中土壤中重金屬的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：
1.1.1 自然風(fēng)化
在自然風(fēng)化過(guò)程中，土壤母質(zhì)生成鎳、汞等元素，是土壤重金屬的主要來(lái)源。
1.2.2 冶煉活動(dòng)
有色冶煉生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的“三廢”主要包括：
（1）廢水：含有熔渣淬火水，洗滌廢水，爐冷卻水(80% 可回收)，含鉛，鎘，鋅和痕量酸的洗滌廢水；
（2）固體廢物：其中包括燒結(jié)冶煉廢渣、熱解精煉廢渣、電子除塵器粉塵、石膏廢水處理，包括鉛、鎘、硒、銅等金屬及金屬氫氧化物；
（3）廢氣：主要包括焙燒爐料產(chǎn)生的燒結(jié)煙氣，高爐熔煉爐產(chǎn)生的熔煉煙氣，以及渣處理過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，主要包括SO2氣體，Pb, Cd, Se, TE 等金屬。
1.2.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)
除了冶煉活動(dòng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)本身也會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬含量增加，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）肥料施用。農(nóng)作物的生長(zhǎng)與化肥，如磷肥和復(fù)合肥的施用是分不開(kāi)的。研究表明，磷肥原料中含有大量的Cd，長(zhǎng)期施用會(huì)使土壤中不能被植物吸收的Cd 積聚在土壤中，最終導(dǎo)致土壤中 Cd 含量增加。飼喂用添加劑波爾多酒中銅等元素含量超標(biāo)；過(guò)多的銅會(huì)通過(guò)家畜糞便進(jìn)入土壤，最后積聚起來(lái)[5]。
（2）農(nóng)藥的使用。一般情況下，土壤中的除草劑和殺蟲(chóng)劑含有重金屬。除化肥和殺蟲(chóng)劑外，污水灌溉和污泥回用也增加了農(nóng)田土壤的重金屬含量[6]。
1.2 影響特點(diǎn)分析
冶煉過(guò)程中排放的煙塵沉降距離、含塵量隨沉降距離增大而減小，但隨著煙囪高度的增大而減?。涣硗?，上下風(fēng)向?qū)χ亟饘僭诖髿庵蟹e聚的影響較大，地形、徑流等因素對(duì)重金屬分布的影響也較大。在低洼地區(qū)，一般都有重金屬積累[7]。有時(shí)，重金屬會(huì)隨著徑流而污染周?chē)耐寥溃廴疚锏姆植继卣髋c徑流趨勢(shì)相一致。其生物毒性不僅與總量有關(guān)，還與形態(tài)分布密切相關(guān)。各種形態(tài)對(duì)環(huán)境有不同的影響，直接影響著重金屬在自然界中的毒性、遷移和循環(huán)過(guò)程。大部分重金屬都是過(guò)渡元素，其原子具有自身的電子層結(jié)構(gòu)，使其在土壤環(huán)境中的化學(xué)行為具有一系列的特征。
在一定范圍內(nèi)，重金屬可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，且價(jià)態(tài)多變。因價(jià)態(tài)不同，重金屬的活性和毒性也不同；重金屬易在土壤環(huán)境中水解，生成氫氧化物，并與土壤中的某些無(wú)機(jī)酸反應(yīng)生成硫化物、碳酸鹽、磷酸鹽等。其溶解產(chǎn)物相對(duì)較小，使重金屬在土壤中積累而不易遷移。造成污染范圍擴(kuò)大的可能性不大，但造成污染區(qū)域危害周期延長(zhǎng)，危害程度加重。
對(duì)環(huán)境的危害主要包括：被污染土壤直接暴露于環(huán)境中，通過(guò)動(dòng)物或人直接或間接吸收土壤微粒；雨水淋濾會(huì)使土壤重金屬向下緩慢滲入，造成地下水污染；外部環(huán)境條件的變化，如酸雨和土壤添加劑的使用，提高了土壤中重金屬的活性和生物利用率，使得重金屬更容易進(jìn)入食物鏈，被植物吸收利用，有毒，容易下滲，造成地下水污染，給動(dòng)物和人類日常生活及生命造成嚴(yán)重威脅。
2 寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥赖奈廴緺顩r分析
以寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥罏槔? 個(gè)采樣點(diǎn)如圖1 所示。
圖1 寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥? 個(gè)采樣點(diǎn)
寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥罉悠分械闹亟饘俸俊⒆畲笾?、最小值、平均值如? 所示。
表1 土壤樣品中的重金屬含量分析/mg/kg
由表1 可知，寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥? 個(gè)采樣點(diǎn)土 壤 中 的Pb、Zn、Cu、Mn、Cd 和Cr 的 含 量 范 圍 分 別 為：39.10~81.85、65.02~99.82、22.16~30.98、234.15~265.35、1.62~4.65、74.42~218.73，含量均高于陜西省土壤元素背景值。土壤中的重金屬M(fèi)n、Cu/Zn/Pb/Cd/Cr含量依次增大，其中Cr最大，由此可知，寶雞地區(qū)冶金廠重金屬排放對(duì)周?chē)寥赖挠绊懘嬖诿黠@差異。
該區(qū)的東風(fēng)常年盛行，主要風(fēng)向有東風(fēng)、東北風(fēng)和東南風(fēng)。結(jié)合表1 可以看出，2-1 ( 西北) 和3-( 西南) 所含的Pb、Zn、Cu、Mn 含量明顯高于3-( 東南) 所含的Pb、Zn、Cu、Mn 含量。Pb、Zn、Cu、Mn、Cd、Cr含量在7點(diǎn)(西部)時(shí)明顯高于11點(diǎn)(東部)，在8 點(diǎn)( 西北) 時(shí)明顯高于4 點(diǎn)( 東南) ；Pb, Zn, Cu, Mn, Cd 和 Cr在6 點(diǎn)( 西南) 的含量略高于10 點(diǎn)( 東北)。Pb、Zn、Cu、Cd 和 Cr在第9 點(diǎn)( 北) 顯著高于第5 點(diǎn)( 南)，但Mn 含量特征不明顯。一般風(fēng)向下土壤中 Pb、 Zn、 Cu 和 Cd 含量均明顯高于逆風(fēng)，其原因在于冶煉企業(yè)常年排放大量含重金屬元素的氣體和粉塵，造成嚴(yán)重的空氣污染。污染物質(zhì)不斷進(jìn)入土壤和地下水，并且由于自然大氣中塵?；蚪邓牧転V作用而積累，從而使土壤中某些重金屬元素的含量增加。
3 冶金廠重金屬排放對(duì)周?chē)寥赖挠绊懺u(píng)估方法
采用單項(xiàng)污染指數(shù)法，綜合評(píng)估冶金廠重金屬排放對(duì)周?chē)寥赖挠绊?。單一污染物指?shù)是指土壤中某一單一污染物與其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)測(cè)值之比，用來(lái)表示該污染物對(duì)土壤的污染程度，該計(jì)算公式如下所示：
公式（1）中，iC 表示土壤中污染物實(shí)際測(cè)量值；iC 表示污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該方法污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示：
表2 污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
由表2 可知，通過(guò)污染指數(shù)，可確定4 個(gè)污染等級(jí)，在該等級(jí)下，統(tǒng)計(jì)Pb、Zn、Cu、Mn、Cd 和Cr 的排放單項(xiàng)污染指數(shù)，如表3 所示。
表3 重金屬排放單項(xiàng)污染指數(shù)
由表3 可知，Pb 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為1.90~3.98，平均值為2.75，滿足表2 中的2 < Mi≤ 3，屬于中度污染等級(jí)；Zn 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為1.00~1.65，平均值為1.25，滿足表2 中的1 < Mi≤ 2，屬于輕度污染等級(jí)；Cu 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為1.15~1.62，平均值為1.34，滿足表2 中的1 < Mi≤ 2，屬于輕度污染等級(jí)；Mn 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為0.42~0.47，平均值為0.44，滿足表2 中的 Mi≤1，屬于無(wú)污染現(xiàn)象等級(jí)；Cd 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為18.42~50.35，平均值為37.83，滿足表2 中的Mi≥ 3，屬于重度污染現(xiàn)象等級(jí)；Cr 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為1.25~3.50，平均值為2.01，滿足表2 中的2 < Mi≤ 3，屬于中度污染等級(jí)。通過(guò)上述分析結(jié)果可知，Mn 元素不會(huì)對(duì)土壤造成污染，而Cd 對(duì)土壤污染最嚴(yán)重。
4 結(jié)束語(yǔ)
從檢測(cè)分析寶雞地區(qū)冶煉廠周?chē)寥乐亟饘俸康贸鲆韵陆Y(jié)論：不同土壤重金屬含量在冶煉廠周?chē)忻黠@差異。Pb, Zn, Cu, Mn, Cd, Cr 的 平 均 重 金 屬 含 量，從 大 到 小 的 次 序 為Mn>Cu>Zn>Pb>Cd>Cr。Pb, Zn含量變化幅度相對(duì)較小，與 Cr含量變化幅度和變化趨勢(shì)基本一致。Pb, Zn, Cu, CD, Cr在土壤元素中的含量比土壤元素的背景值高；在空間分布特征上，各個(gè)研究區(qū)土壤中Pb, Zn, Cu含量隨風(fēng)向明顯高于風(fēng)向。通過(guò)污染指數(shù)，可確定Mn元素對(duì)土壤不會(huì)造成污染，而Cd對(duì)土壤污染最嚴(yán)重。綜合上述分析結(jié)果，可為后續(xù)重金屬排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定提供數(shù)據(jù)支持。
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王 兵
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1 重金屬來(lái)源及對(duì)重金屬排放周?chē)寥赖挠绊懱攸c(diǎn)分析
1.1 重金屬來(lái)源
寶雞地區(qū)冶金廠排出的粉塵、廢水、廢渣中往往含有較多的重金屬(Pb, Zn, Cu, Mn, Cd, Cr 等)，這些污染物進(jìn)入土壤后會(huì)使土壤重金屬含量增加，是土壤重金屬的重要來(lái)源之一[4]。除冶煉活動(dòng)的影響外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)本身也會(huì)引入污染物，導(dǎo)致土壤重金屬含量升高。冶煉過(guò)程中土壤中重金屬的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：
1.1.1 自然風(fēng)化
在自然風(fēng)化過(guò)程中，土壤母質(zhì)生成鎳、汞等元素，是土壤重金屬的主要來(lái)源。
1.2.2 冶煉活動(dòng)
有色冶煉生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的“三廢”主要包括：
（1）廢水：含有熔渣淬火水，洗滌廢水，爐冷卻水(80% 可回收)，含鉛，鎘，鋅和痕量酸的洗滌廢水；
（2）固體廢物：其中包括燒結(jié)冶煉廢渣、熱解精煉廢渣、電子除塵器粉塵、石膏廢水處理，包括鉛、鎘、硒、銅等金屬及金屬氫氧化物；
（3）廢氣：主要包括焙燒爐料產(chǎn)生的燒結(jié)煙氣，高爐熔煉爐產(chǎn)生的熔煉煙氣，以及渣處理過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，主要包括SO2氣體，Pb, Cd, Se, TE 等金屬。
1.2.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)
除了冶煉活動(dòng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)本身也會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬含量增加，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）肥料施用。農(nóng)作物的生長(zhǎng)與化肥，如磷肥和復(fù)合肥的施用是分不開(kāi)的。研究表明，磷肥原料中含有大量的Cd，長(zhǎng)期施用會(huì)使土壤中不能被植物吸收的Cd 積聚在土壤中，最終導(dǎo)致土壤中 Cd 含量增加。飼喂用添加劑波爾多酒中銅等元素含量超標(biāo)；過(guò)多的銅會(huì)通過(guò)家畜糞便進(jìn)入土壤，最后積聚起來(lái)[5]。
（2）農(nóng)藥的使用。一般情況下，土壤中的除草劑和殺蟲(chóng)劑含有重金屬。除化肥和殺蟲(chóng)劑外，污水灌溉和污泥回用也增加了農(nóng)田土壤的重金屬含量[6]。
1.2 影響特點(diǎn)分析
冶煉過(guò)程中排放的煙塵沉降距離、含塵量隨沉降距離增大而減小，但隨著煙囪高度的增大而減?。涣硗?，上下風(fēng)向?qū)χ亟饘僭诖髿庵蟹e聚的影響較大，地形、徑流等因素對(duì)重金屬分布的影響也較大。在低洼地區(qū)，一般都有重金屬積累[7]。有時(shí)，重金屬會(huì)隨著徑流而污染周?chē)耐寥溃廴疚锏姆植继卣髋c徑流趨勢(shì)相一致。其生物毒性不僅與總量有關(guān)，還與形態(tài)分布密切相關(guān)。各種形態(tài)對(duì)環(huán)境有不同的影響，直接影響著重金屬在自然界中的毒性、遷移和循環(huán)過(guò)程。大部分重金屬都是過(guò)渡元素，其原子具有自身的電子層結(jié)構(gòu)，使其在土壤環(huán)境中的化學(xué)行為具有一系列的特征。
在一定范圍內(nèi)，重金屬可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，且價(jià)態(tài)多變。因價(jià)態(tài)不同，重金屬的活性和毒性也不同；重金屬易在土壤環(huán)境中水解，生成氫氧化物，并與土壤中的某些無(wú)機(jī)酸反應(yīng)生成硫化物、碳酸鹽、磷酸鹽等。其溶解產(chǎn)物相對(duì)較小，使重金屬在土壤中積累而不易遷移。造成污染范圍擴(kuò)大的可能性不大，但造成污染區(qū)域危害周期延長(zhǎng)，危害程度加重。
對(duì)環(huán)境的危害主要包括：被污染土壤直接暴露于環(huán)境中，通過(guò)動(dòng)物或人直接或間接吸收土壤微粒；雨水淋濾會(huì)使土壤重金屬向下緩慢滲入，造成地下水污染；外部環(huán)境條件的變化，如酸雨和土壤添加劑的使用，提高了土壤中重金屬的活性和生物利用率，使得重金屬更容易進(jìn)入食物鏈，被植物吸收利用，有毒，容易下滲，造成地下水污染，給動(dòng)物和人類日常生活及生命造成嚴(yán)重威脅。
2 寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥赖奈廴緺顩r分析
以寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥罏槔? 個(gè)采樣點(diǎn)如圖1 所示。
圖1 寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥? 個(gè)采樣點(diǎn)
寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥罉悠分械闹亟饘俸俊⒆畲笾?、最小值、平均值如? 所示。
表1 土壤樣品中的重金屬含量分析/mg/kg
由表1 可知，寶雞地區(qū)冶金廠周?chē)寥? 個(gè)采樣點(diǎn)土 壤 中 的Pb、Zn、Cu、Mn、Cd 和Cr 的 含 量 范 圍 分 別 為：39.10~81.85、65.02~99.82、22.16~30.98、234.15~265.35、1.62~4.65、74.42~218.73，含量均高于陜西省土壤元素背景值。土壤中的重金屬M(fèi)n、Cu/Zn/Pb/Cd/Cr含量依次增大，其中Cr最大，由此可知，寶雞地區(qū)冶金廠重金屬排放對(duì)周?chē)寥赖挠绊懘嬖诿黠@差異。
該區(qū)的東風(fēng)常年盛行，主要風(fēng)向有東風(fēng)、東北風(fēng)和東南風(fēng)。結(jié)合表1 可以看出，2-1 ( 西北) 和3-( 西南) 所含的Pb、Zn、Cu、Mn 含量明顯高于3-( 東南) 所含的Pb、Zn、Cu、Mn 含量。Pb、Zn、Cu、Mn、Cd、Cr含量在7點(diǎn)(西部)時(shí)明顯高于11點(diǎn)(東部)，在8 點(diǎn)( 西北) 時(shí)明顯高于4 點(diǎn)( 東南) ；Pb, Zn, Cu, Mn, Cd 和 Cr在6 點(diǎn)( 西南) 的含量略高于10 點(diǎn)( 東北)。Pb、Zn、Cu、Cd 和 Cr在第9 點(diǎn)( 北) 顯著高于第5 點(diǎn)( 南)，但Mn 含量特征不明顯。一般風(fēng)向下土壤中 Pb、 Zn、 Cu 和 Cd 含量均明顯高于逆風(fēng)，其原因在于冶煉企業(yè)常年排放大量含重金屬元素的氣體和粉塵，造成嚴(yán)重的空氣污染。污染物質(zhì)不斷進(jìn)入土壤和地下水，并且由于自然大氣中塵?；蚪邓牧転V作用而積累，從而使土壤中某些重金屬元素的含量增加。
3 冶金廠重金屬排放對(duì)周?chē)寥赖挠绊懺u(píng)估方法
采用單項(xiàng)污染指數(shù)法，綜合評(píng)估冶金廠重金屬排放對(duì)周?chē)寥赖挠绊?。單一污染物指?shù)是指土壤中某一單一污染物與其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)測(cè)值之比，用來(lái)表示該污染物對(duì)土壤的污染程度，該計(jì)算公式如下所示：
公式（1）中，iC 表示土壤中污染物實(shí)際測(cè)量值；iC 表示污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該方法污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示：
表2 污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
由表2 可知，通過(guò)污染指數(shù)，可確定4 個(gè)污染等級(jí)，在該等級(jí)下，統(tǒng)計(jì)Pb、Zn、Cu、Mn、Cd 和Cr 的排放單項(xiàng)污染指數(shù)，如表3 所示。
表3 重金屬排放單項(xiàng)污染指數(shù)
由表3 可知，Pb 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為1.90~3.98，平均值為2.75，滿足表2 中的2 < Mi≤ 3，屬于中度污染等級(jí)；Zn 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為1.00~1.65，平均值為1.25，滿足表2 中的1 < Mi≤ 2，屬于輕度污染等級(jí)；Cu 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為1.15~1.62，平均值為1.34，滿足表2 中的1 < Mi≤ 2，屬于輕度污染等級(jí)；Mn 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為0.42~0.47，平均值為0.44，滿足表2 中的 Mi≤1，屬于無(wú)污染現(xiàn)象等級(jí)；Cd 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為18.42~50.35，平均值為37.83，滿足表2 中的Mi≥ 3，屬于重度污染現(xiàn)象等級(jí)；Cr 的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍為1.25~3.50，平均值為2.01，滿足表2 中的2 < Mi≤ 3，屬于中度污染等級(jí)。通過(guò)上述分析結(jié)果可知，Mn 元素不會(huì)對(duì)土壤造成污染，而Cd 對(duì)土壤污染最嚴(yán)重。
4 結(jié)束語(yǔ)
從檢測(cè)分析寶雞地區(qū)冶煉廠周?chē)寥乐亟饘俸康贸鲆韵陆Y(jié)論：不同土壤重金屬含量在冶煉廠周?chē)忻黠@差異。Pb, Zn, Cu, Mn, Cd, Cr 的 平 均 重 金 屬 含 量，從 大 到 小 的 次 序 為Mn>Cu>Zn>Pb>Cd>Cr。Pb, Zn含量變化幅度相對(duì)較小，與 Cr含量變化幅度和變化趨勢(shì)基本一致。Pb, Zn, Cu, CD, Cr在土壤元素中的含量比土壤元素的背景值高；在空間分布特征上，各個(gè)研究區(qū)土壤中Pb, Zn, Cu含量隨風(fēng)向明顯高于風(fēng)向。通過(guò)污染指數(shù)，可確定Mn元素對(duì)土壤不會(huì)造成污染，而Cd對(duì)土壤污染最嚴(yán)重。綜合上述分析結(jié)果，可為后續(xù)重金屬排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定提供數(shù)據(jù)支持。
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