中科院城市环境研究所在砷的人为循环研究中取得新进展|研究

导读

该研究以砷的人为循环及其驱动力为研究对象，构建了一个定量刻画砷的人为循环的研究框架并核算了1990-2010年期间我国大陆地区砷的各种流量和存量。该框架将砷的使用划分为有目的使用和无目的使用，尝试探索与砷的两种使用方式相关的过程及驱动机制。研究为建立更加全面的砷排放清单及提高相应的环境与健康风险预警能力作出了贡献。

文/陈伟强（中国科学院城市环境研究所研究员、博导）   

来源：土壤观察—作者赐稿（2017年2月19日）

日前，中国科学院城市环境研究所“资源代谢及其环境效应研究组（陈伟强团队）”和“城市土壤与城市生物地球化学研究组（朱永官团队）”的最新研究成果“Anthropogenic arsenic cycles: A research framework and features（砷的人为循环：研究框架及特征）”和“Anthropogenic cycles of arsenic in mainland China: 1990-2010（1990-2010年中国大陆砷的人为循环）”先后在国际学术期刊《Journal of Clean Production（清洁生产杂志）》和《Environmental Science & Technology（环境科学与技术）》上在线发表。

砷—一个困扰人类健康的致癌物

砷（Arsenic, As）是一种具有毒性的类金属元素，广泛地分布于自然界中，对生态系统和人类健康具有危害作用。当前由于人类活动引起的砷的流通量已经超过人类圈砷的流通量的50%，并且导致了相应的环境与健康问题。

作为一种伴生元素，砷主要是在铜矿、铅矿和锌矿等有色金属矿的开采过程中作为副产品进入人类圈，并且通过大气、废水排放与固体废弃物堆积的方式重新返回自然环境。在受到人类活动影响而进入人类圈的砷中，仅有少部分得到了收集利用（从有色金属冶炼的烟气中），这些砷首先被冶炼为三氧化二砷，进而用于各种含砷产品的生产。

然而，由于砷的毒性和环境效应，砷的有目的用途在过去近百年时间里经过多次转变。以美国为例，1901-1920年间，三氧化二砷主要用于玻璃工业。此后，越来越多的砷用于生产农业化学品如除草剂、干燥剂、脱叶剂；然而，由于美国环境保护局和美国职业安全健康管理局的管制，自20世纪70年代以来，砷化合物在农业中的应用急剧下降。80年代，用于处理木材的铬化砷酸铜（CCA）型木材防腐剂成为砷的主要用途；2003年，使用三氧化二砷生产CCA型木材防腐剂的禁令颁布后，美国砷的使用量突降；此外，用于合金和电子产品的砷在2003年之前仅占使用总量的不足5%，尽管如此，合金、电池、半导体、电子等产品仍是金属砷的主要用途。

全球砷矿资源的分布很不均衡，其中70%的探明储量集中在我国。21世纪初，中国代替美国成为全球最重要的砷生产和消费国，同时也是砷污染最为严重的国家之一；然而，除国内使用外，我国砷的出口规模和去向也成为重点关注的问题。

研究方法：元素人为循环的分析模型

陈伟强等人在2012年开展的一项关于元素物质流分析的调查中发现：用于元素物质流分析的各种模型各有不同，取决于其研究目的和数据的可获得性。其中，耶鲁大学Thomas Graedel教授带领的课题组所开发的模型Stocks and Flows framework（STAF）在针对金属元素的研究中取得了广泛的认同，被成功应用于金属元素如铁、铝、铜、镍等的人为循环研究中。

本研究借鉴该模型，构建了一个定量刻画砷的人为循环的研究框架，该框架将砷的使用划分为有目的使用和无目的使用：前者指直接利用砷元素为人类社会提供产品和服务，例如使用砷生产木材防腐剂等产品；后者指在对其他材料的使用过程中不可避免的对作为杂质存在的砷的使用，例如煤炭采掘和燃烧过程砷的采掘和排放。

首先，本研究综合考虑了国家尺度上包含矿石开采、化学加工、产品制造、产品使用、废弃物管理、煤炭燃烧多个环节的全生命周期过程，然后定量核算了我国大陆地区1990-2010年全生命周期过程中砷的各种流量和存量（核心是使用环节的使用存量）。值得指出的是，本研究特别关注与贸易相关的流量，通过识别各个环节对应的砷元素的不同形态产品，核算其相应的贸易流量。

人为系统有目的使用和无目的使用砷循环研究框架

研究成果简介

研究表明，我国大部分的砷是以金属矿伴生元素的形式进入人类圈的，同时几乎所有有目的使用的砷都是不可回收再利用的，这成为导致砷排放的重要原因。近二十年来，我国砷循环的规模不断增长，目前已成为全球最大的砷生产和使用国。

2010年进入我国人类圈的砷达到300,000±57,000吨；其中超过90%的砷或以尾矿的形式堆积回到土壤环境或排放到大气和水体环境中，仅有不到6%的砷被用于玻璃、木材防腐、电池、半导体、合金等有目的的用途，其余3%的砷则以各种产品出口到其他地区。特别地，我国已成为全球最大的金属砷和氧化砷的净出口国，为发达经济体对砷的使用承担了在生产环节的所带来的巨大环境代价。

值得注意的是，我国在农药、肥料、玻璃、木材防腐剂、电池、半导体、砷相关合金等多种有目的用途上对砷的使用呈现同步增长的态势，由这些用途导致的砷排放与由燃煤导致的大气砷排放在同一个数量级，但是在现有的排放清单核算中这些砷排放基本被忽略了。因此，本研究在建立更加全面的砷排放清单及提高相应的环境与健康风险预警能力方面推进了重要的一步。 

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