酸性礦山廢水對農(nóng)村居民飲用水和灌溉水水質(zhì)的影響

周建利 (長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北荊州434025)

吳啟堂,衛(wèi)澤斌,郭曉方,史學(xué)峰,邵 樂 (華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣東廣州510642)

酸性礦山廢水 (Acid mine drainage,AMD)是指在礦產(chǎn)資源的開采過程中所產(chǎn)生的大量酸性廢水[1]。酸性礦山廢水含有大量的鎘、鉛、鋅、銅等重金屬離子,若不經(jīng)處理直接進入水體,會對人和水中生物造成極大的危害;而且酸性礦山廢水一旦排入礦山附近的河流、湖泊等水體,會導(dǎo)致水體的pH發(fā)生變化,抑制或阻止細(xì)菌及微生物的生長,妨礙水體的自凈;同時重金屬在水體中可以通過懸浮物的沉淀、吸附或離子交換作用進入次生礦物相,進而污染地表及地下水水體、地表土壤,使周邊生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重的破壞[2-6]。目前,針對酸性礦山廢水問題,國內(nèi)外學(xué)者主要是從硫化物氧化機理及影響因素、重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、酸性礦山廢水污染的生態(tài)效應(yīng)、水文地球化學(xué)模擬等方面進行研究[1]。有學(xué)者從酸性礦山廢水對農(nóng)村居民飲用水水質(zhì)的影響以及與人群腫瘤死亡的相關(guān)性方面進行研究[7-8]。本研究以廣東省清遠(yuǎn)市某村莊遭受酸性礦山廢水污染的村邊水溝及3個與水溝距離不同的居民水井水樣為研究對象,通過為期9個月的連續(xù)采樣監(jiān)測,探討了酸性礦山廢水對農(nóng)村居民飲用水和灌溉水的污染風(fēng)險。

1 監(jiān)測方法

1.1 采樣地點和采樣時間

采樣地點位于廣東省清遠(yuǎn)市某村莊,該村莊有一條流經(jīng)村邊的小水溝,枯水期水溝的水量較小,豐水期水量較大。水溝上游約4km處有一座硫鐵礦,約6km處有一座鉛鋅礦,從2座礦山流出的經(jīng)過簡單處理的酸性礦山廢水污染了水溝,該村居民經(jīng)常利用溝水灌溉農(nóng)田或洗衣洗菜。該村莊約有20戶家庭,每個家庭都在房前打一口井,井深大多2～3m,用人工手搖水泵取水作為日常生活用水。

本研究共布設(shè)4個采樣點:第1點為1號井,與最近水溝的距離為5m;第2點為2號井,與最近水溝的距離為20m;第3點為3號井,該居民水井與最近水溝的距離為100m;第4點為水溝,該采樣點是至其他采樣點距離最短的水溝。從2008年4月至2009年1月,除了2008年12月外每月采集1次,共采集9次水樣。每次取樣時,3個水井的水樣是用人工手搖水泵汲取流出半分鐘后的井水,水溝的水樣是直接在水溝中間采集的表層水。水樣密封在事先用硝酸洗液浸泡過的250ml干燥聚乙烯瓶中,回實驗室后分成2份,其中1份用來快速測定pH;另1份經(jīng)0.45μ m濾膜過濾于30ml干凈的聚乙烯瓶,加一滴濃硝酸 (優(yōu)級純),置于冰箱中冷藏保存待分析重金屬。

1.2 水樣的測定方法

水樣的測定方法參考 《水和廢水監(jiān)測分析方法 (第3版)》[9],水樣重金屬的測定采用原子吸收光譜法 (HITACHI Z-5700),pH采用pH計(PHS-3C)電位法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 井水和水溝水樣的pH及重金屬含量特征

由表1可知,水溝水樣的平均pH最低,屬強酸性,其變幅和變異系數(shù)均較大。而3個居民井水的平均pH大小順序是1號井＜2號井＜3號井,與距水溝距離呈正相關(guān)關(guān)系 (相關(guān)系數(shù)為0.999),即距離水溝愈近其pH愈小,表明水溝污水影響居民井水的pH值,距離愈近影響愈大。水溝水樣的Cd、Pb和Zn含量均值皆最高,其Cd含量均值分別是1號井、2號井和3號井井水Cd含量均值的14倍、22倍和234倍,Pb含量均值的8倍、7倍和8倍,Zn含量均值的16倍、36倍和2070倍。由此可見,酸性礦山廢水顯著降低村邊水溝水體的pH和提高其Cd、Pb、Zn含量,水溝污水重金屬含量顯著高于井水。這與Rattan等[10]報道的污灌水重金屬含量明顯高于同區(qū)域地下水重金屬含量相一致。

井水平均Cd含量和Zn含量均是1號井＞2號井＞3號井,平均Pb含量是2號井＞3號井＞1號井 (表1)。井水Cd、Pb和Zn含量均值與距水溝距離均呈現(xiàn)一定程度的負(fù)相關(guān)性 (相關(guān)系數(shù)分別為—0.961、—0.326和—0.899)。結(jié)果表明重金屬在井水中的分布明顯受到水溝污水中重金屬的影響,表現(xiàn)為距水溝較近的井水重金屬含量高于較遠(yuǎn)井水的規(guī)律,但不同重金屬其受影響程度不同,Cd和Zn的影響程度較高,Pb的影響程度較低。

表1 井水和水溝水樣的pH及重金屬含量

另外由表1可知,不同采樣期水溝水樣的Cd、Pb、Zn含量和pH的波動較大,在2008年6月和7月水溝水樣的pH處在較高位,達到最高值,屬中性,其他時期均為酸性至強酸性。水溝水樣的Cd、Pb和Zn含量均在2008年4月和5月處在高位,達到最高值,而在6月和7月急速下降至低位,達到最低值,隨后逐月上升,至10月和11月又達到另一高峰值。這主要是因為6月和7月處于該地區(qū)的豐水期,降水量較大,礦山廢水被稀釋,所以水溝污水重金屬含量較低,而10月份后進入枯水期,溝水重金屬含量較高。從不同采樣期居民井水pH和Cd、Pb、Zn含量的變化來看,均較污溝污水的波動小。居民井水和水溝水樣的pH和重金屬含量的高低變化并不同步,居民井水的pH在6月和7月達最低值,而Cd含量在6月份達最高值,6月和7月居民井水的Pb、Zn含量也較高,與水溝污水剛好相反。這些結(jié)果表明全年不同采樣期水溝污水重金屬含量和pH的變異較大,主要受到降雨量大小的影響;而全年居民井水重金屬含量和pH的變異較小,與水溝污水不同步。

由表2可知,井水和水溝污水中的Cd與Pb、Cd與Zn、Pb與Zn含量之間的相關(guān)性達極顯著水平,表明居民井水的Cd、Pb和Zn具有同源性。這與杭小帥等人[11]的研究結(jié)果相似。

表2 井水和水溝污水中的各重金屬含量之間的相關(guān)系數(shù)

2.2 井水和水溝水樣的風(fēng)險評價

由表3可知,參照生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) (GB5749-2006),1號井井水pH的超標(biāo)率最高,達100%;2號井和水溝水樣次之,約為80%;而3號井井水pH的超標(biāo)率為0。1號井井水和水溝污水Cd、Zn的超標(biāo)情況較嚴(yán)重,水溝污水Cd、Zn超標(biāo)倍數(shù)分別高達14.1和25.1。3個居民井水Pb的超標(biāo)率均為33%,水溝污水的超標(biāo)率為100%,而超標(biāo)倍數(shù)也較高,達7.9。由此可見,3個居民井水已經(jīng)遭受不同程度的重金屬污染,均不適宜作為生活飲用水;而距水溝愈近的井水,受污染愈嚴(yán)重。水溝污水的pH和重金屬含量不僅嚴(yán)重超過了生活飲用水標(biāo)準(zhǔn),而且也嚴(yán)重超過了農(nóng)田灌溉水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。1號井井水的重金屬也不同程度地超過了農(nóng)田灌溉水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (GB5084-92)。因此,1號井井水和水溝污水既不適宜作為生活飲用水,也不能作為農(nóng)田灌溉水。

表3 井水和水溝水樣的pH及重金屬的超標(biāo)率和超標(biāo)倍數(shù)

3 小結(jié)與討論

(1)酸性礦山廢水嚴(yán)重影響村邊水溝水樣的水質(zhì),其Cd、Pb、Zn含量和pH超過了田間灌溉水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),不適宜作為農(nóng)田灌溉水。

(2)重金屬在井水中的分布明顯受到水溝污水中重金屬的影響,表現(xiàn)為距水溝較近的井水重金屬含量高于較遠(yuǎn)井水的規(guī)律,但不同重金屬受影響程度不同,Cd和Zn的影響程度較高,Pb的影響程度較低。

由于在酸性礦山廢水與天然水混合過程中,酸性礦山廢水中的Fe(Ⅲ)/Al(Ⅲ)水解沉淀而導(dǎo)致污染水體中含有豐量的無定形鐵/鋁氧化物顆粒,這些顆粒對水中溶解態(tài)重金屬離子具有強烈吸附作用,因而控制了酸性礦山廢水污染河流中的重金屬濃度、形態(tài)分布及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[12]。Schemel等[13]研究表明當(dāng)pH＜4時,Cu、Pb和Zn等在無定形Fe氫氧化物表面沒有發(fā)生吸附作用,只有在pH增加時,吸附作用才發(fā)生和加強。由表1可知,3個居民井水的pH均較高,所以水溝污水的重金屬通過地下水向居民井水滲析過程中發(fā)生了強烈的吸附作用,從而影響重金屬的遷移速率,造成井水重金屬含量遠(yuǎn)低于水溝污水。重金屬的滲析路徑愈長其遷移速率受影響愈大,所以距水溝較遠(yuǎn)的井水重金屬含量低于較近井水。

(3)全年不同采樣期水溝污水重金屬含量和pH的變異較大,主要受到降雨量大小的影響;而全年居民井水重金屬含量和pH的變異較小,與水溝污水不同步。

(4)3個居民井水的Cd、Pb、Zn含量和pH均超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),不適宜作為生活飲用水。

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