湖北省某礦山河道底泥重金屬污染調(diào)查與評價(jià)

梅明，劉慶，廖金陽

（武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢430074）

湖北省某礦山河道底泥重金屬污染調(diào)查與評價(jià)

梅明，劉慶*，廖金陽

（武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢430074）

對湖北某有色金屬礦區(qū)排污河道底泥中銅、鋅、鉛、鎘、鎳含量進(jìn)行了分析測試，主要采用變異系數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對底泥重金屬污染狀況及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià).結(jié)果表明，排污河道底泥受到一定程度的重金屬污染，銅、鋅、鉛、鎘、鎳含量均超過湖北省土壤背景值；底泥重金屬富集程度為鎘＞銅＞鋅＞鎳＞鉛，其中鎘的富集程度為3級中-強(qiáng)度污染；銅和鋅變異系數(shù)較大，沿程分布變化明顯；以湖北省土壤背景值為參比，排污河道底泥5種重金屬的生態(tài)危害順序?yàn)殒k＞銅＞鎳＞鉛＞鋅，總體表現(xiàn)為中度-重度的生態(tài)危害，鎘是主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子.

礦山；河道底泥；重金屬污染；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

0 引言

重金屬是指密度大于4.5 kg/dm3的金屬元素［1］.近年來工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生了大量工農(nóng)業(yè)廢水，廢水中包含的重金屬通過廢水的排放以及其他多種途徑進(jìn)入水體，通過吸附、絡(luò)合等物理化學(xué)作用，重金屬由水相轉(zhuǎn)化為固相沉積到底泥中，使得底泥成為河流中重金屬的主要蓄積庫［2］.礦床的開采冶煉，將深埋地下的礦物暴露于地表［3-4］，開采的礦石經(jīng)選礦廠選出有價(jià)值的精礦后排放的“廢渣”利用尾礦庫進(jìn)行堆存、處理［5］，尾礦庫排放的廢水中含有的重金屬進(jìn)入水體后在河道底泥中沉積，當(dāng)?shù)啄喹h(huán)境發(fā)生改變，其中的重金屬可能再次被釋放成為二次污染源，對水生生態(tài)系統(tǒng)安全構(gòu)成潛在威脅；重金屬可通過食物鏈在生物體內(nèi)富集并通過生物循環(huán)最終進(jìn)入人體，會對人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害［6］.

河道底泥中的重金屬污染狀況可以在一定程度上反映出所在流域的污染狀況［7］，國內(nèi)外對河流沉積物重金屬污染進(jìn)行評價(jià)的方法很多，如潛在生態(tài)危害指數(shù)法、沉淀物富集系數(shù)法、回歸過量分析法、地累積指數(shù)法等，選取的評價(jià)方法不同，評價(jià)結(jié)果也不盡相同［8-9］.本研究以湖北某有色金屬礦區(qū)的排污河道底泥為研究對象，采用變異系數(shù)、地累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)進(jìn)行底泥重金屬污染狀況的分析與評價(jià)，以期對有色金屬礦區(qū)排污河道的重金屬污染狀況及特征有定量的了解，為礦區(qū)排污河道底泥重金屬污染的控制修復(fù)及生態(tài)重建提供科學(xué)依據(jù)和有力支撐.

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

選取礦區(qū)排污河道支流與匯水主流布設(shè)斷面進(jìn)行采樣，分別在選冶區(qū)排污河道支流設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)（1#），位于總排污口上游50m；在尾礦庫區(qū)排污河道支流設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)（2#），位于總排污口上游50m；在主河道總排污口下游每隔50m設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)（3#～5#）.本試驗(yàn)共采集5個(gè)樣本，采樣時(shí)用水底樣品取樣器將近岸河床表層沉積底泥取至岸邊，采樣深度0～20 cm，除去植物殘?bào)w及較大粒徑的砂石后，置于自封口塑料袋內(nèi)密封，編號后保存.

1.2 確定測試項(xiàng)目

根據(jù)企業(yè)提供的某有色金屬礦原礦物質(zhì)組成的研究資料，礦石的光譜分析及多元素分析主要情況詳見表1、表2.

表1 礦石光譜分析表Table 1 Ore spectralanalysis

表2 礦石多元素分析表Table 2 Oremultielementanalysis

通過礦石光譜分析及多元素分析，結(jié)合相關(guān)資料綜合考慮，初步確定本試驗(yàn)分析項(xiàng)目為Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、As，隨機(jī)挑選3份樣品進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)As為未檢出項(xiàng)目，最終確定本試驗(yàn)重金屬測試項(xiàng)目為Cu、Zn、Pb、Cd、Ni.

1.3 樣品的分析

a.底泥樣品自然風(fēng)干后磨碎，用四分法取部分土樣用瑪瑙研缽進(jìn)一步研磨，過孔徑0.149mm（100目）尼龍網(wǎng)篩，存于樣品瓶中待用.

b.稱取粒度為0.149mm的土壤樣本0.200 0 g置于聚四氟乙烯坩堝內(nèi)，Cu、Zn采用HNO3-HFHClO4消解，火焰原子吸收分光光度法測定；Pb、Cd、Ni采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，火焰原子吸收分光光度法測定.所用檢測儀器為TAS990火焰原子吸收儀.

1.4 重金屬污染評價(jià)方法

式中CV表示重金屬元素的變異系數(shù)，Sn為該重金屬元素含量的標(biāo)準(zhǔn)差，Ln為該重金屬元素含量的平均值.

1.4.2 地累積指數(shù)法地累積指數(shù)法是1979年德國學(xué)者M(jìn)uller提出的對水體沉積物中重金屬累積程度進(jìn)行定量評價(jià)的指標(biāo)［11］，計(jì)算公式為：

式中Cn表示實(shí)測重金屬濃度，單位mg/kg；Bn表示土壤重金屬的背景值；K為考慮當(dāng)?shù)貛r石差異可能會引起的背景值波動而取的系數(shù)（一般取值1.5）.地累積指數(shù)與重金屬污染程度的關(guān)系見表3.

1.4.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法潛在生態(tài)危害指數(shù)法［12］是瑞典科學(xué)家Hakanson根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)角度提出的一種環(huán)境影響評價(jià)方案，主要用于研究水系沉積物中重金屬對環(huán)境的影響.在某一特定環(huán)境中，它既能反映各種污染物的單獨(dú)影響，也能反映多種污染物的綜合影響，而且能定量劃分出潛在的生態(tài)危害程度，目前是應(yīng)用最為普遍的一種研究水系沉積物中重金屬對環(huán)境影響的評價(jià)方法.其公式為：

表3 地累積指數(shù)與重金屬污染程度關(guān)系Table 3 The relation between the Igeoand contam ination degree of heavymetal

式中RI表示潛在生態(tài)危害指數(shù)，Eri表示潛在生態(tài)危害單項(xiàng)系數(shù)，Tri表示某一種金屬的毒性系數(shù)，反映某種金屬的毒性水平和生物對其污染的敏感程度，Ci/Cni表示單因子污染系數(shù)，Ci為實(shí)測值，Cni為評價(jià)參比值.重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)與危害程度分級關(guān)系見表4，本試驗(yàn)以湖北省土壤背景值作為參比對礦區(qū)排污河道底泥重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià).

表4 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)與危害程度分級Table 4 Indices and grades of potentialecoiogical risk of heavymetal pollution

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥中重金屬含量

底泥中重金屬含量見表5.從表5可以看出，排污河道底泥所有采樣點(diǎn)的Cd含量均超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）三級標(biāo)準(zhǔn)，有一個(gè)采樣點(diǎn)的Cu、Zn含量超標(biāo)，未有采樣點(diǎn)的Pb、Ni含量超標(biāo)；從表6可以看出，底泥中5種重金屬的平均含量均超過湖北省土壤背景值［13］，最低為背景值的1.8倍，最高為8.5倍，平均為5倍，污染較為嚴(yán)重；其中超標(biāo)量最大的為Cd，為背景值的7.2～10.6倍，平均含量為背景值的8.5倍；其次是Cu，為背景值的3.6～14倍，平均為6.9倍；再次為Zn，平均為背景值的4.7倍；Pb、Ni污染相對最小，平均為背景值的1.8倍和2.8倍.總體看來，有色金屬礦區(qū)排污河道底泥中Cu、Zn、Cd等重金屬含量出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)，其中Cd污染相對最為嚴(yán)重.

表5 底泥重金屬含量Table 5 Contents of heavymetals in sediment mg/kg

表6 底泥重金屬含量與土壤背景值的比值Table 6 Ratio of contents of heavymetals and soil background value

2.2 底泥重金屬污染狀況評價(jià)

2.2.1 變異系數(shù)評價(jià)根據(jù)公式計(jì)算可得排污河道底泥的重金屬變異系數(shù)見表7，由結(jié)果可知，各重金屬元素變異系數(shù)的大小順序?yàn)镃u＞Pb＞Ni＞Zn＞Cd.排污河道底泥重金屬沿程分布見圖1.由圖1可知，Cu和Zn沿程變化較大，且變化趨勢類似；Pb和Ni沿程變化較緩，變化規(guī)律不明顯；Cd沿程基本無變化.這可能與排污河道的實(shí)際水文條件有關(guān).

表7 底泥重金屬變異系數(shù)Table 7 Variation coefficients of heavymetals in sediment

圖1 排污河道底泥重金屬沿程分布Fig.1 Heavymetals in the sedimentof sewage river

2.2.2 地累積指數(shù)評價(jià)排污河道底泥重金屬地累積指數(shù)見表8.根據(jù)表8，各種重金屬的富集程度為Cd＞Cu＞Zn＞Ni＞Pb，5個(gè)采樣點(diǎn)斷面的Cd均達(dá)到3級中-強(qiáng)度污染，是主要污染物；有1個(gè)采樣點(diǎn)斷面的Cu達(dá)到4級強(qiáng)污染程度，1個(gè)采樣點(diǎn)斷面的Cu污染程度為中-強(qiáng)，其余3個(gè)為中污染程度；有1個(gè)采樣點(diǎn)斷面的Zn達(dá)到3級中-強(qiáng)污染程度，3個(gè)采樣點(diǎn)斷面的Zn污染程度為中；有3個(gè)采樣點(diǎn)斷面的Ni達(dá)到2級，為中污染程度，其余采樣點(diǎn)斷面的Ni污染程度為無或無-中；有1個(gè)采樣點(diǎn)斷面的Pb達(dá)到2級，為中污染程度，其余采樣點(diǎn)斷面的Pb污染程度為無或無-中.從總體看來，有色金屬礦區(qū)排污河道受到重金屬污染，其污染特征主要表現(xiàn)為富集程度較高、污染變化較大等特點(diǎn).

表8 排污河道底泥重金屬地累積指數(shù)Table 8 Index of geo-accumulation of heavymetals in sedimentof sewage river

2.2.3 潛在生態(tài)危害評價(jià)排污河道底泥重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和指數(shù)見表9.根據(jù)表9的計(jì)算結(jié)果，以湖北省土壤背景值為參比，有2個(gè)斷面重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為重度生態(tài)危害，3個(gè)斷面為中度生態(tài)危害；5種重金屬的生態(tài)危害順序?yàn)椋篊d＞Cu＞Ni＞Pb＞Zn；其中Cd的潛在生態(tài)危害指數(shù)為很強(qiáng)，對潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率為76.1%～84.2%；有2個(gè)斷面的Cu潛在生態(tài)危害系數(shù)表現(xiàn)為中等生態(tài)危害，Zn、Pb和Ni均表現(xiàn)為輕微生態(tài)污染；Cu、Ni、Pb和Zn對潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率均較小.因此，排污河道的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為Cd.從5種重金屬加合的潛在生態(tài)危害程度來看，有色金屬礦區(qū)排污河道底泥中的重金屬具有中度-重度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，必須引起足夠重視.

表9 排污河道底泥重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和指數(shù)Table9 Potentialecological risk factor and index of heavy metals in the sedimentof sewage river

3 結(jié)論與討論

a.有色金屬礦區(qū)排污河道底泥的5種重金屬含量均超過湖北省土壤背景值，平均為5倍，其中超標(biāo)量較大的是重金屬Cd，平均含量達(dá)到土壤背景值的8.5倍；根據(jù)（GB15618-1995）《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》三級標(biāo)準(zhǔn)，底泥中Cu、Zn、Cd的含量均出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象.

b.通過變異系數(shù)法評價(jià)得知，Cu和Zn沿程變化較大，且變化趨勢類似；Pb和Ni沿程變化較緩，變化規(guī)律不明顯；Cd沿程基本無變化.1#、2#采樣點(diǎn)分別位于選冶區(qū)排污河道支流和尾礦庫排污河道支流，底泥中各種重金屬含量相差不大，這可能與礦區(qū)廢水處理工藝有關(guān).3#采樣點(diǎn)Cu和Zn含量達(dá)到最大，隨后逐漸降低；而3#采樣點(diǎn)Cd、Pb和Ni含量與1#、2#采樣點(diǎn)基本無差別，這可能與排污河道的實(shí)際水文條件有關(guān)，也可能與重金屬各自的特性有關(guān)，從而造成各種重金屬之間不同的沿程變化.

c.根據(jù)地累積指數(shù)，底泥各種重金屬的富集程度為Cd＞Cu＞Zn＞Ni＞Pb，5個(gè)采樣點(diǎn)斷面的Cd均經(jīng)達(dá)到3級，為中-強(qiáng)的污染程度，是主要污染物.

d.以湖北省土壤背景值作為參比，對有色金屬庫區(qū)排污河道底泥重金屬的潛在生態(tài)危害進(jìn)行評價(jià)，可以得出排污河道處于中度-重度生態(tài)危害程度，5種重金屬的生態(tài)危害順序?yàn)镃d＞Cu＞ Ni＞Pb＞Zn，Cd是主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子.

e.綜合以上評價(jià)方法可以得出較為一致的結(jié)論，即礦區(qū)排污河道底泥重金屬Cd是主要污染因子，建議礦區(qū)改進(jìn)廢水處理工藝，提高廢水處理效率；不建議礦區(qū)排污河道底泥用于農(nóng)林綠化施用.

致謝

感謝武漢工程大學(xué)清潔生產(chǎn)中心課題組成員的支持與幫助！

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Assessment of heavy metal pollution of river sedimentin mine of Hubei province

MEIM ing，LIU Qing，LIAO Jin-yang
（School of Environment and Civil Engineering，Wuhan Instiute of Technology，Wuhan 430074，China）

Contents of Cu，Zn，Pb，Cd，Ni were tested and analyzed with the variation coefficient，accumulation index and potential ecological risk index to evaluate the degree of heavy metal pollution andpotential ecological risk in the sewage river sediment of a non- ferrous metal mine of Hubei province. Theresults show that the sewage river sediment is polluted by heavy metal；contents of Cu，Zn，Pb，Cd，Ni areover soil background values of Hubei province；enrichment of heavy metals in sediment is Cd ＞ Cu ＞ Zn ＞Ni ＞ Pb，in which the enrichment degree of Cd is 3；Cu and Zn have larger coefficient variation and moresignificant distribution along the way；refering to soil background value of Hubei province，ecological risk offive kinds of heavy metals in the sewage river sediment is Cd ＞ Cu ＞ Ni ＞ Pb ＞ Zn，displaying ecologicalharm performance with moderate to high degree on the whole，in which Cd is the main potential ecologicalrisk factor.

mines；river sediment；heavy metal pollutiol；ecological risk assessment

X825

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2014.01.007

1674－2869（2014）01－0033－05

本文編輯：龔曉寧

2013-10-22

梅明（1965-），男，湖北浠水人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師.研究方向：水污染控制工程.*通信聯(lián)系人