長江流域重金屬污染特征及綜合防治研究進展

劉朋超，麻澤浩，魏鵬剛，趙迎新，劉紅磊

（1.天津大學 環(huán)境科學與工程學院，天津 300350；2.天津市環(huán)境保護科學研究院，天津 300191）

長江流域是指長江干流及其各主要支流流過的廣大地域，分為金沙江水系、岷沱江水系、長江上游段、嘉陵江水系、烏江水系、長江中游段、洞庭湖水系、漢江水系、鄱陽湖水系、長江下游段和太湖水系共計11部分，覆蓋我國19個省、市、自治區(qū)的大部分地區(qū)，總面積約為1.8×106km2，約占我國國土總面積的18.8%，是世界第三大流域。長江流域豐富的自然資源為人們的生產(chǎn)和生活提供賴以生存的資源和能源，推動著長江經(jīng)濟帶的繁榮與發(fā)展[1-2]。但隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，長江流域重金屬污染問題也越來越受到人們的關(guān)注。

重金屬是一類具有潛在生態(tài)及健康危害的重要污染物，其產(chǎn)生的污染與其他有機污染有顯著的不同。這是因為大多數(shù)有機化合物的污染可以通過自然界自身的物理作用、化學作用或微生物的生物作用得到凈化，使其有害性降低或解除。相反，重金屬污染具有富集性，能隨生物鏈向上傳遞進而給人們的健康造成威脅，并且很難在環(huán)境中被降解。另外，重金屬污染的程度不僅與其種類、理化性質(zhì)有關(guān)，還取決于其濃度及存在的形態(tài)和價態(tài)[3]。

1 長江流域重金屬污染來源

許嵐[4]研究發(fā)現(xiàn)，長江流域地區(qū)工業(yè)化、城市化及農(nóng)業(yè)集約化程度整體高于全國其他地區(qū)，污染物排放程度比其他地區(qū)更為嚴重，排入河流的污染物主要包括氮、磷、重金屬、持久性有機污染物等，其中重金屬污染對長江流域生態(tài)環(huán)境的影響已不容小覷。國家各部委聯(lián)合發(fā)布的《長江中下游流域水污染防治規(guī)劃（2011-2015年）》指出，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)重金屬等有毒有害物質(zhì)主要集中在湖南省，汞、鎘、總鉻、鉛、砷等排放量分別占區(qū)域排放總量的55.0%，81.1%，46.8%、77.6%和70.6%。長江流域水體重金屬污染主要是由人的各項生產(chǎn)生活活動引起，主要來源有工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運輸業(yè)等[4，5]。

依托水運和水電優(yōu)勢，在長江沿岸集中布局了化工、鋼鐵、有色金屬、制藥等一批高能耗、高污染產(chǎn)業(yè)，它給長江流域的環(huán)境帶來了巨大的壓力。據(jù)2017年水利廳、環(huán)保廳、住建廳等部門聯(lián)合開展的長江流域入河排污口檢查專項行動的結(jié)果顯示，在長江流域，主要河流和湖泊有1 900多個排污口，排入長江的廢污水總量為2.8×1010m3/a。其中工業(yè)、企業(yè)廢污水約占57%[6]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中由于大量使用化肥和農(nóng)藥，經(jīng)雨水沖刷后流入長江，也導致水體重金屬含量增加，同時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中污水灌溉及堆肥污泥也會增加水體重金屬含量。此外，長江航道自古以來就是我國最重要的經(jīng)濟動脈之一，航運業(yè)發(fā)達，其產(chǎn)生的重金屬污染物也是長江流域水體重金屬污染的重要原因[4]。

2 長江流域重金屬污染分布特征

長江流域地域遼闊、水系龐大。在水體環(huán)境中，沉積物中重金屬元素的量可以粗略地反映出河流重金屬的污染程度。長江干流沉降物主要來自上游，其中金沙江占34.7%，嘉陵江占22.5%[4]。李永峰等[7]的研究表明，長江三峽上游區(qū)域內(nèi)重金屬污染為強度和中度的區(qū)域分別占5%和37%，這表明此區(qū)域內(nèi)重金屬污染為中等水平，而其中污染最嚴重的依次為Hg和Cd。而張偉杰等[8]運用地積累指數(shù)法得出的三峽庫區(qū)干流重金屬污染情況為 Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr＞As＞Ni＞Hg。長江中游最大支流湘江的水體中，重金屬污染是水體環(huán)境污染的主因，多個檢測斷面的As，Hg，Pb，Cd均有超標[9-11]。研究表明，Hg，Cd和Pb是湘江最重要的重金屬污染物[11]。長江中下游地區(qū)水體中重金屬污染按污染程度次序為Cr＞Hg＞Cu＞Pb＞As＞Cd[12]，其中Cu的污染情況與各地重工業(yè)類型有關(guān)，在安慶、南京等地的污染較為嚴重，其他地區(qū)污染程度較輕[13-14]。

長江流域四大湖泊中，洞庭湖沉積物重金屬污染程度遞減排列為Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cu＞Cr，其中Cd和Hg是最主要的兩種重金屬污染物[15]；鄱陽湖中重金屬元素污染潛在生態(tài)風險主要是由于Hg和Cu兩種重金屬元素[16]，按潛在生態(tài)風險大小排序為Hg＞Cu＞Pb＞Cd＞As＞Cr＞Zn；巢湖水域基本沒有重金屬污染，其中僅Hg元素濃度為地表水Ⅲ類水質(zhì)，其他幾種主要重金屬元素均能符合地表水Ⅰ～Ⅱ類標準[17]；而太湖流域的重金屬污染綜合水平處于安全至中度污染之間[5，18-19]。Hg，Cu和Zn這三種元素是太湖流域主要的重金屬污染物，其中Hg是首要污染物，起決定性作用[5]。

從長江流域整體來看，Hg，Cd兩種重金屬污染對長江流域的影響最大，其中Hg污染幾乎分布于除巢湖之外的整個長江流域，而且在大多數(shù)地區(qū)為首要或主要污染物；Cd污染主要分布在長江中上游。Cr污染主要分布在長江下游干流地區(qū)；Cu污染主要分布在長江下游及鄱陽湖、太湖，且呈現(xiàn)地域性分布。

3 長江流域重金屬污染風險分析

長江流域重金屬污染風險包括長江干流水體中的重金屬對人類健康的風險和長江近岸沉積物重金屬的生態(tài)風險兩個方面。

（1）風險評價標準與方法

我國目前對淡水河流湖泊沉積物尚無明確風險評價標準，僅有《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）對地表水中的重金屬含量進行限制，其將水體中各種重金屬濃度分為5個等級，即一類、二類、三類、四類、五類[20]。

生態(tài)風險評價分析的主要步驟是效應(yīng)評價與風險表征，由此總結(jié)出兩類風險分析方法。一類是效應(yīng)評價方法，包括評估因子法、微宇宙和中宇宙生態(tài)系統(tǒng)模擬法和物種敏感性曲線法。另一類風險表征的方法既可做定量分析又可以定性分析。定量分析的風險表征法有商值法與概率法兩種。

（2）長江流域重金屬污染對人體健康風險分析

長江是沿岸城市主要的飲用水源，其水質(zhì)狀況對人體的健康具有直接的影響。例如：As，Cd具有致癌性；Pb會干擾人體生殖腺的分泌，危害造血功能；Cu，Zn攝入過量會危害大腦、消化系統(tǒng)。總體來說，長江流域主干河流的重金屬污染物不會對人體產(chǎn)生顯著的危害，重金屬污染物所致的個人健康危害的總風險水平低于國際輻射防護委員會（ICRP）推薦的最大可接受風險水平[21]。

（3）長江流域沉積物重金屬對生態(tài)風險分析

長江流域沉積物中的重金屬主要包括銅、鉛、鎘、鋅、砷和汞。在枯水期銅和鉛元素存在一定的污染，豐水期砷、銅、鉛、鎘和鋅存在一定的污染[22]。單因子分析法和潛在風險指數(shù)法表明：鎘是最主要的生態(tài)風險影響因子[23]，在長江上游表現(xiàn)為強度生態(tài)風險；汞在中下游處于中等生態(tài)危害水平；砷的潛在生態(tài)風險很高；鋅、鉛和銅三種元素的潛在生態(tài)風險較低[24]。

總體來講，長江流域各段風險評估情況存在差異。通過綜合生態(tài)風險指數(shù)法分析得出長江上游支流的岷江、沱江段入江口斷面處風險等級達到了強風險等級。干流宜賓段的生態(tài)風險水平高于瀘州段[22]。部分水域如萬州、重慶江段平均生態(tài)風險達到中等水平[23]。長江中游流域除個別湖泊的個別重金屬處于中度污染外,各湖泊中各重金屬的潛在生態(tài)危害均較低[25]；長江下游流域水體Cr的污染最嚴重[26]。Hg，Cd是生態(tài)風險的主要影響因子，并且產(chǎn)生了較大的潛在生態(tài)風險[27]。

4 長江流域重金屬污染綜合防治

4.1 治理現(xiàn)狀

目前對于長江流域重金屬污染的治理主要涉及長江流域沿岸土壤、水體、沉積物中的重金屬。

土壤中的重金屬污染治理，主要集中在長江三角洲地區(qū)。長江三角洲地區(qū)有著眾多的人口和較為發(fā)達的工農(nóng)業(yè)，企業(yè)排放大量含有有毒重金屬的污染物導致局部土壤重金屬污染程度嚴重。從土壤中去除重金屬污染物的較為理想的方法是改變土壤組成及其性質(zhì)，主要方法有礦物修復和生態(tài)措施[28]，這也是目前應(yīng)用最普遍的兩種方法。

防治長江流域水體重金屬污染的方法也主要有兩種：一種是降低水體中重金屬的轉(zhuǎn)移和可生物利用度；另一種是從水體中除去重金屬[29]。根據(jù)重金屬的污染特征，可以將水體重金屬修復技術(shù)分為物理化學法、化學法和生物修復法。其中物理化學法包括離子交換法和吸附法。化學法包括電解和化學沉淀。生物修復法指利用動植物及微生物作用進行污染修復。

沉積物重金屬污染也是長江流域水體污染的重要方面。重金屬污染物主要通過廢水排放和雨水沖刷進入水體，最后富集到沉積物中，使底泥受到嚴重的重金屬污染。處理沉積物中的重金屬主要有生物技術(shù)和化學技術(shù)，其中生物技術(shù)具有低成本、高效率的優(yōu)點?；瘜W工藝主要包括螯合法，垃圾焚燒飛灰固化污染底泥中重金屬，有機酸對污染底泥重金屬的浸出。重金屬污染的沉積物被螯合劑處理后，沉積物具有無害化和體積不增加的效果。也可以通過對螯合劑的結(jié)構(gòu)進行修飾，使螯合劑與底泥中的重金屬之間的化學螯合性能進一步加強，使得螯合物的穩(wěn)定性得到進一步加強[30]。

目前修復長江流域重金屬污染沉積物取得顯著成效的例子并不多見。未來在沉積物重金屬污染的治理和修復技術(shù)方面還任重道遠。

4.2 防治措施

“十三五”期間，中國重金屬污染防治工作穩(wěn)步推進。減少長江流域重金屬污染最有效的方法是從污染源處杜絕排出重金屬污染物或者在中途截斷重金屬污染物的排放。治理長江流域重金屬污染，要從農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航運業(yè)這三個主要方面來進行。

（1）對農(nóng)業(yè)重金屬污染的控制

在長江流域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是水體重金屬污染的重要方面，主要包括農(nóng)藥、化肥等農(nóng)業(yè)藥劑的使用。有關(guān)部門應(yīng)該加強管控，禁止將農(nóng)業(yè)化學藥劑殘余物排入長江流域水體中，減少污染源的排放。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，盡量使用不含或者含重金屬少的農(nóng)業(yè)藥劑，有效避免重金屬在土壤中的累積，降低由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的土壤和水體質(zhì)量下降。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的污水，應(yīng)該通過一定的方法，先處理達標再排放[4]。

（2）對工業(yè)重金屬污染的控制

長江流域工業(yè)發(fā)達，經(jīng)濟發(fā)展迅速，企業(yè)數(shù)量多，導致大量重金屬污染物排放。沿岸企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)排污是長江流域重金屬污染的重要來源[4]。因此，應(yīng)優(yōu)先控制工業(yè)較發(fā)達的長江流域經(jīng)濟帶所產(chǎn)生的嚴重的重金屬污染問題。主要措施有：將產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在企業(yè)的生產(chǎn)活動中，盡可能消除產(chǎn)生重金屬污染物的工程步驟；應(yīng)用環(huán)保的設(shè)備；采取集約化生產(chǎn)模式。這樣不僅達到了節(jié)約成本并高效利用資源的作用，而且減少了污染物的排放。對工業(yè)廢棄物中的重金屬進行回收處理、循環(huán)使用，這樣不僅能提高原料利用效率，還達到了降低廢棄物中重金屬的含量的目的?？刂浦亟饘傥廴疚铮钪匾氖且獓栏駡?zhí)行有關(guān)行業(yè)的排放標準，對超過重金屬污染物含量標準的廢氣、廢液和固體廢棄物進行先處理再排放和使用。

（3）對交通運輸業(yè)重金屬污染的控制

長江流域航運體系發(fā)達，船舶產(chǎn)生的重金屬污染物使長江流域水體重金屬污染更加嚴重。因此，需要對航運業(yè)所帶來的污染進行控制。減少航運業(yè)水體重金屬污染的主要措施有：使用不含重金屬污染物的優(yōu)質(zhì)燃料，如天然氣；在輪船上加裝污染物處理設(shè)備；采取相應(yīng)的防護措施，收集和阻攔重金屬污染物進入水體[4]。近幾年有學者提出要延續(xù)補貼，完善配套，加快液化天然氣（LNG）動力船推廣步伐。

5 結(jié)語

隨著長江流域農(nóng)業(yè)、工業(yè)和航運業(yè)的快速發(fā)展，重金屬污染問題日益嚴重。從長江流域整體來看，各類重金屬污染對長江流域各個地區(qū)的影響情況不同，呈區(qū)域差異性分布。就重金屬污染對人體健康影響的風險評估而言，長江流域主流的重金屬污染物不會對人體健康產(chǎn)生重大危害。通過對重金屬污染的綜合生態(tài)風險的分析表明，長江流域各個區(qū)域的生態(tài)風險有所差異。但就流域整體分析重金屬污染形勢已經(jīng)不能夠被忽視，并且污染程度有逐年上升趨勢。不容樂觀的是，目前長江流域重金屬污染防治尚未形成一套行之有效的治理措施。對于長江流域重金屬污染的治理，主要方法是通過對土壤、水體和沉積物中重金屬污染的治理，達到減輕或消除重金屬污染物的目的，而主要預(yù)防措施是應(yīng)加強對工業(yè)、農(nóng)業(yè)和航運業(yè)等所帶來的重金屬污染物進行輸入控制和治理。同時，我們必須采取相應(yīng)措施，防治重金屬污染引發(fā)的一系列問題。