Pollution Characteristics and Health Risks of Heavy Metals in Groundwater of a Chemical Industrial Park

Technische Samenvatting: Kenmerken van vervuiling en gezondheidsrisico's van zware metalen in het grondwater van een chemisch industrieel park

Probleemstelling
Chemische industriële parken vormen aanzienlijke risico's voor grondwaterbronnen en de menselijke gezondheid door het potentieel van lekkages van zware metalen tijdens productie- en opslagprocessen. Hoewel eerdere studies verschillende statistische methoden hebben gebruikt om vervuilingskenmerken en -bronnen te analyseren, vertrouwen traditionele beoordelingen van gezondheidsrisico's vaak op vaste blootstellingsparameters, waarbij ze er niet in slagen de gecombineerde toxische effecten van zware metalen of de onzekerheid die inherent is aan blootstellingsscenario's mee te nemen. Bovendien is er een gebrek aan gelokaliseerde gegevens met betrekking tot de dynamische evolutie van verontreinigende stoffen en de aanpasbaarheid van blootstellingsparameters aan specifieke regionale contexten. Deze studie pakt deze hiaten aan door een chemisch industrieel park in Zuid-China te onderzoeken om de vervuiling door zware metalen systematisch te karakteriseren, bronnen te identificeren en een robuuste gezondheidsrisicobeoordeling uit te voeren die rekening houdt met onzekerheid.

Methodologie
Het onderzoek werd uitgevoerd in een chemisch industrieel park in Zuid-China, gekenmerkt door Krijt-ondersteunende en Kwaternaire strata met een grondwaterstroom van west naar oost.

• Monstername en Analyse: In totaal werden 127 grondwatermonsters verzameld en geanalyseerd op 11 zware metalen (Fe, Mn, Al, Zn, Co, Ni, Pb, Cu, Cd, As en Tl).
• Vervuilingsbeoordeling: De studie maakte gebruik van de Single-Factor Pollution Index en de Nemerow Comprehensive Pollution Index om het vervuilingsniveau te evalueren tegenover de Class III-normen van GB/T 14848-2024. De ruimtelijke distributie werd in kaart gebracht met behulp van Inverse Distance Weighting (IDW) interpolatie in ArcGIS 10.8.
• Bronidentificatie: Pearson-correlatieanalyse werd gebruikt om de interne correlaties tussen zware metalen te kwantificeren, wat hielp bij de identificatie van gemeenschappelijke bronnen of geochemische affiniteiten.
• Gezondheidsrisicobeoordeling: De studie koppelde het model van de United States Environmental Protection Agency (USEPA) aan Monte Carlo-simulaties om niet-carcinogene en carcinogene risico's via orale ingestie te beoordelen. Deze aanpak construeerde waarschijnlijkheidsverdelingen voor blootstellingsparameters (bijv. waterinname, lichaamsgewicht, blootstellingsduur) om rekening te houden met onzekerheid, waarbij specifiek de risico's voor zowel volwassenen als minderjarigen werden geëvalueerd.

Belangrijkste Resultaten

• Vervuilingskenmerken: IJzer (Fe) vertoonde de hoogste gemiddelde concentratie (12,16 mg/L), gevolgd door Mangaan (Mn) en Aluminium (Al). Met uitzondering van Koper (Cu) overschreden de gemiddelde concentraties van alle geanalyseerde zware metalen de Class III drinkwaternormen. De Nemerow comprehensive pollution index voor het gebied was 42,78, wat wijst op ernstige algehele vervuiling. Fe, Al, Tl, Pb en Ni werden geclassificeerd als ernstig vervuild, terwijl Cd en Co lichte vervuiling vertoonden.
• Ruimtelijke Distributie: Fe, Mn, Al en Tl waren verspreid over het hele studiegebied met hoge concentraties. In tegen tegenstelling hiertoe vertoonden Cd, Co, Ni en Pb gelokaliseerde hotspots in de noord-centrale regio, terwijl de zuidelijke en oostelijke delen lagere concentraties vertoonden. De oost-centrale regio ervoer de meest ernstige vervuiling door de superpositie van meerdere verontreinigende stoffen.
• Broncorrelaties: Pearson-correlatieanalyse onthulde een sterk positieve correlatiegroep bestaande uit Zn, Al, Cd, Ni en Co (correlatiecoëfficiënten over het algemeen >0,8), wat duidt op een gemeenschappelijke oorsprong of een vergelijkbare geochemische affiniteit. Mn vertoonde significante positieve correlaties met de meeste elementen en fungeerde als een "verbindingsfactor" in migratie en verrijking. Lood (Pb) vertoonde zwakke correlaties met andere metalen, wat wijst op een afzonderlijke bron of verrijkingsmechanisme.
• Gezondheidsrisicobeoordeling:
  • Niet-carcinogeen Risico: De gemiddelde Hazard Index (HI) voor volwassenen was 5,39 en voor minderjarigen 2,25, beide boven de veiligheidsdrempel van 1. Volwassenen liepen een hoger risico dan minderjarigen. Mangaan (Mn) en Kobalt (Co) werden geïdentificeerd als de primaire drijfveren voor het niet-carcinogene risico.
  • Carcinogeen Risico: Het gemiddelde Totale Carcinogene Risico (TCR) was 0,501 voor volwassenen en 0,210 voor minderjarigen. Hoewel de gemiddelde waarden binnen het bereik van "aandacht vereist" (1×10⁻⁶ tot 1×10⁻⁴) vielen, bereikte de maximale TCR voor volwassenen 1,33, wat de veiligheidsdrempel overschreed. Aluminium (Al) werd geïdentificeerd als de kernfactor voor het carcinogene risico.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat deze studie een wetenschappelijke basis biedt voor de gerichte preventie, het beheer en de sanering van regionale grondwatervervuiling door zware metalen. Door Monte Carlo-simulaties te integreren met het USEPA-model, adresseert het onderzoek de tekortkomingen van traditionele beoordelingen met betrekking tot dynamische vervuilingsmonitoring en de kalibratie van gelokaliseerde blootstellingsparameters. De identificatie van specifieke drijfveren (Mn en Co voor niet-carcinogene risico's; Al voor carcinogene risico's) en de afbakening van ruimtelijke hotspots bieden precieze doelwitten voor toekomstig bestuur. Bovendien verheldert de correlatieanalyse de bronkenmerken van zware metalen in het studiegebied, wat ondersteuning biedt voor effectievere bronopsporing en strategieën voor vervuilingsbestrijding binnen chemische industriële parken.