陽澄湖地區(qū)水體重金屬銻的總量控制

閔志華

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 402160)

銻(Sb)是一種廣泛分布于自然界的非生物體必需的兩性稀有重金屬元素,與砷同屬第V主族,兩者在化學(xué)性質(zhì)上有一定的相似之處[1鄄2]。在自然界中,銻主要以-3、0、+3、+5這4種價(jià)態(tài)存在,其價(jià)態(tài)與其毒性大小密切相關(guān),其毒性由大到小依次為Sb、Sb3+、Sb5+、有機(jī) Sb。 天然水體中,銻以 Sb3+、Sb5+及有機(jī)Sb(包括一甲基次銻酸和二甲基次銻酸)的形式存在[2]。銻及其化合物有廣泛的用途,主要用于生產(chǎn)陶瓷、玻璃、電池、油漆、煙火材料、阻燃劑、剎車片及紡絲聚合時(shí)的催化劑,還用于生產(chǎn)半導(dǎo)體、紅外線檢測(cè)儀、兩極真空管及用做驅(qū)蟲劑等[2鄄5]。隨著銻及其化合物在工業(yè)上的大量使用,導(dǎo)致了環(huán)境中銻的含量急劇增加,已成為一種全球性的新污染物[6鄄7]。銻及其化合物因其毒性和致癌性已被美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)和歐盟(EU)列為優(yōu)先控制的污染物[1鄄3]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)境中的銻開展了研究,劉飛等[8]揭示了不同形態(tài)銻在水-沉積物體系中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理;張亞平等[9]從水、土環(huán)境中銻污染的現(xiàn)狀出發(fā),對(duì)銻在環(huán)境中的存在形態(tài)與化學(xué)行為以及污染控制方法與技術(shù)手段的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述;黃艷超等[10]總結(jié)了目前各國水環(huán)境中銻污染現(xiàn)狀和主要修復(fù)方法的研究進(jìn)展。然而關(guān)于水體銻總量控制方面的研究尚不多見。2014年8月至2015年5月,陽澄湖水源地銻濃度多次超標(biāo),嚴(yán)重威脅飲用水源安全。為此,本文對(duì)陽澄湖地區(qū)水體銻的總量控制進(jìn)行研究,以期為陽澄湖地區(qū)銻污染防治提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持,也為類似地區(qū)銻的總量控制提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

陽澄湖位于蘇州市區(qū)的東北部,跨蘇州市區(qū)、蘇州工業(yè)園區(qū)及昆山市,是太湖流域重要的淡水湖泊之一[11]。陽澄湖作為蘇州“四角山水冶的重要組成部分,是蘇州重要的戰(zhàn)略備用水源,其水質(zhì)變化關(guān)系到湖區(qū)周邊近百萬居民的飲用水供給安全,它同時(shí)還承擔(dān)著養(yǎng)殖、旅游、航運(yùn)和維持生態(tài)平衡的作用。陽澄湖東西寬約11 km,南北長(zhǎng)約17 km,總面積約119 km2,分為東湖、中湖、西湖3個(gè)湖區(qū),其中東湖最大,3湖之間有河道相通[12]。3湖平均水深分別為1郾70 m、1郾80 m 和 2郾65 m,最大水深 5 m,湖內(nèi)常水位2郾90m左右,容積1郾7億m3。陽澄湖有出入湖河道63條,其中西面和北面以入湖為主,東面和南面以出湖為主。本次研究區(qū)域?yàn)?西至望虞河和西塘河,北至長(zhǎng)江,東至鹽鐵塘和常熟市縣界,南至婁江,以及兩條引水通道七浦塘和楊林塘沿岸縱深1 km范圍,涉及蘇州市相城區(qū)、蘇州工業(yè)園區(qū)、常熟市、昆山市和太倉市,面積約1700km2。研究區(qū)域內(nèi)相城區(qū)涉及渭塘鎮(zhèn)、陽澄湖鎮(zhèn)、黃埭鎮(zhèn)、太平街道、元和街道、北橋街道、黃橋街道;常熟市涉及梅李鎮(zhèn)、古里鎮(zhèn)、沙家浜鎮(zhèn)、支塘鎮(zhèn)、董浜鎮(zhèn)、碧溪新區(qū),以及海虞鎮(zhèn)、虞山鎮(zhèn)、尚湖鎮(zhèn)、辛莊鎮(zhèn)的望虞河?xùn)|側(cè)區(qū)域。

2 污染源調(diào)查

2.1 含銻廢水來源

通過對(duì)研究區(qū)域內(nèi)工業(yè)廢水的調(diào)查發(fā)現(xiàn),陽澄湖湖體中的銻污染主要源于紡織印染企業(yè)排放的廢水。紡織印染企業(yè)在化纖絲的聚合過程中以乙二醇銻或三氧化二銻作為催化劑,以化纖絲和化纖布為原料的印染、紡織、纖維紡絲工藝均有銻析出,紡織和纖維紡絲工藝一般析出的銻較少,進(jìn)入城鎮(zhèn)污水處理廠稀釋后基本可達(dá)標(biāo);印染的前處理工藝(退漿和堿減量)需要高溫高壓,銻的析出量較大,一般在1000滋g/L以上,是廢水中銻的主要來源。

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和資料收集,相城區(qū)涉及紡織印染企業(yè)共94家,其中2家企業(yè)的印染廢水直排入河道,92家企業(yè)的印染廢水均接入相應(yīng)的集中式污水處理廠,尾水主要排入界涇、渭涇塘、元和塘、冶長(zhǎng)涇、十字港等河流,主要通過陽澄湖西線河流入湖。常熟市涉及紡織印染企業(yè)117家,其中接管企業(yè)共88家,直排企業(yè)29家,尾水主要受納河流為常滸河、白茆塘、張家港等,含銻廢水主要通過陽澄湖北線河流入湖。

2.2 污染負(fù)荷計(jì)算

基于對(duì)直排企業(yè)和污水處理廠含銻廢水的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,相城區(qū)含銻廢水排放合計(jì)為51 375 t/d,常熟市含銻廢水排放合計(jì)為115074 t/d。直排企業(yè)和污水處理廠含銻廢水排放情況見表1。

由于常熟市望虞河以西的10家企業(yè)廢水(約10365t/d)最終排入四新河和錫北運(yùn)河,不進(jìn)入陽澄湖,因此研究區(qū)域內(nèi)含銻廢水排放量約為156084t/d。

表1 含銻廢水排放情況

2015年4月21日和5月13日對(duì)研究區(qū)域內(nèi)接納紡織印染企業(yè)廢水的主要集中式污水處理廠等污染源中銻的質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測(cè),平均值為79郾30滋g/L,具體結(jié)果見表2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得銻的現(xiàn)狀排放量為12郾38 kg/d。

表2 主要集中式污水處理廠尾水中銻的質(zhì)量濃度

3 水環(huán)境容量計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

銻為難降解的重金屬污染物,為考慮不利情況,保證環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果的安全性,只考慮其稀釋容量,不考慮其降解容量,計(jì)算方法[13]為

式中:W為銻的水環(huán)境容量;Q0為來水稀釋流量;Q1為含銻廢水排放流量;籽s為目標(biāo)質(zhì)量濃度;籽0為來水中銻的質(zhì)量濃度本底值。

3.2 計(jì)算參數(shù)

a.水體水質(zhì)目標(biāo)。陽澄湖作為戰(zhàn)略備用水源地,其銻的含量應(yīng)滿足GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中集中式生活飲用水源地特定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn),銻的質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)限值為0郾005 mg/L,即籽s=0郾005 mg/L=5滋g/L。

b.來水稀釋流量。來水流量主要包括西線望虞河的補(bǔ)充水以及北線常滸河和白茆塘的引長(zhǎng)江水及常熟第三水廠補(bǔ)充水。望虞河來水有3種情景:一是平水年平均流量42郾8 m3/s;二是枯水年平均流量17郾3m3/s;三是極端最枯流量 8郾9 m3/s。 2011—2014年常滸河和白茆塘的平均引水量分別為1郾17m3/s和1郾61 m3/s。

c.含銻廢水排放量。研究區(qū)域內(nèi)含銻廢水排放量為156084 t/d,故Q1=156084 m3/d。

d.來水銻質(zhì)量濃度本底值。在研究區(qū)域上游的望虞河龍墩橋和長(zhǎng)江常熟第三水廠取水口進(jìn)行采樣檢測(cè),銻的質(zhì)量濃度本底值分別為3郾26滋g/L和1郾34滋g/L。

3.3 計(jì)算結(jié)果

按照望虞河來水的平水年平均流量、枯水年平均流量、極端最枯流量3種流量條件對(duì)研究區(qū)域的水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 銻的水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明:來水稀釋流量越小,銻的水環(huán)境容量越小。在最不利條件即極端最枯流量8郾9 m3/s的情況下,陽澄湖地區(qū)銻的水環(huán)境容量為3郾0 kg/d。為保證飲用水安全,并確保在各種情景下區(qū)域內(nèi)銻排放量均不超出環(huán)境容量,研究區(qū)域內(nèi)銻的水環(huán)境容量取 3郾0 kg/d。

4 總量控制研究

4.1 銻排放質(zhì)量濃度限值

根據(jù)銻的水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果,采用下式計(jì)算區(qū)域內(nèi)各污染源銻排放濃度限值籽限:

根據(jù)式(2)可計(jì)算得研究區(qū)域內(nèi)含銻廢水中銻的允許排放質(zhì)量濃度僅為19郾22滋g/L。由于考慮的最不利條件是理論情況下的,因此,建議各直排點(diǎn)源及集中式污水處理廠的出水銻質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)限值為20滋g/L。

4.2 總量削減方案

根據(jù)最不利條件確定的銻的水環(huán)境容量為3郾00 kg/d,而現(xiàn)狀銻的排放量約為12郾38 kg/d,因此銻排放量需削減9郾38 kg/d,削減率為75郾8%。

根據(jù)主要集中式污水處理廠排放的尾水中銻的質(zhì)量濃度,計(jì)算其削減率,結(jié)果見表4。對(duì)于其他直排紡織印染企業(yè),若尾水銻濃度不能達(dá)到20滋g/L的限值,建議對(duì)其停產(chǎn)整改,直至滿足尾水銻質(zhì)量濃度在20滋g/L以下之后方可恢復(fù)生產(chǎn)。

表4 集中污水處理廠尾水銻削減率

5 結(jié) 語

本文調(diào)查了陽澄湖地區(qū)含銻廢水污染源,計(jì)算了研究區(qū)域內(nèi)銻的水環(huán)境容量,在此基礎(chǔ)上建議紡織印染直排企業(yè)及接納含銻廢水的集中式污水處理廠尾水中銻的排放質(zhì)量濃度限值為20滋g/L,制訂出陽澄湖周邊主要紡織印染直排企業(yè)及接納含銻廢水的集中式污水處理廠尾水中銻削減方案,為陽澄湖地區(qū)水體銻的總量控制提供了理論依據(jù),同時(shí)為類似湖泊的重金屬總量控制提供了借鑒。本文銻的污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果精確度可進(jìn)一步提高,對(duì)涉及銻企業(yè)的含銻廢水均應(yīng)統(tǒng)計(jì)水量和檢測(cè)銻質(zhì)量濃度;銻是持久性污染物,可加強(qiáng)底泥中銻的釋放和沉積的機(jī)理研究。

[1]萬智勇.我國銻環(huán)境污染問題現(xiàn)狀[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2014(8):150鄄150.(WAN Zhiyong.Current situation of antimony environmentalpollution in China[J].Resource Conservation and Environmental Protection,2014(8):150鄄150.(in Chinese))

[2]劉飛,王馨,祝鵬飛.淮北礦區(qū)塌陷湖水體中銻分布和環(huán)境評(píng)價(jià)分析[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,42(1):29鄄33.(LIU Fei,WANG Xi,ZHU Pengfei.Analysis of distribution and environmental assessment of antimony in collapse lake waters of Huaibei mining areas[J].Journal of University of Science and Technology of China,2012,42(1):29鄄33.(in Chinese))

[3]張道勇,潘響亮,穆桂金.水、土環(huán)境中的銻(Sb)污染及其對(duì)植物和微生物的生態(tài)毒理效應(yīng)研究進(jìn)展[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2010,16(6):891鄄894.(ZHANG Daoyong,PAN Xiangliang,MU Guijin.Antimony pollution in water and soil and it爺s ecotoxicological effects on plants and microorganisms[J].Chinese Journal of Applied&Environmental Biology,2010,16(6):891鄄894.(in Chinese))

[4]朱靜,郭建陽,王立英,等.銻的環(huán)境地球化學(xué)研究進(jìn)展概述[J].地球與環(huán)境,2010,38(1):109鄄116.(ZHU Jing,GUO Jianyang,WANG Liying,et al.Advances in environmental geochemistry of antimony[J].Earth and Environment,2010,38(1):109鄄116.(in Chinese))

[5]黃懿,胡軍,李倦生,等.銻工業(yè)中銻污染物排放調(diào)查及防治對(duì)策探討[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010,33(6E):252鄄255.(HUANG Yi,HU Jun,LI Juansheng,et al.Emission status survey and control measure discussion on antimony pollutant of antimony industrial[J].Environmental Science&Technology,2010,33(6E):252鄄255.(in Chinese))

[6]SMICHOWSKI P.Antimony in the environment as a global pollutant:a review on analytical methodologies for its determination in atmospheric aerosols[J].Talanta,2008,75:2鄄14.

[7]MAHER W A.Antimony in the environment:the new global puzzle[J].Environ Chem,2009(6):93鄄94.

[8]劉飛,鄧道貴,祝鵬飛,等.水環(huán)境中不同形態(tài)銻的遷移轉(zhuǎn)化及影響因素研究進(jìn)展[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2014,14(2):219鄄224.(LIU Fei,DENG Daogui,ZHU Pengfei,et al.Advances in studies on migration and transformation of different forms of antimony in water environment and its influencing factors[J].Journal of Safety and Environment,2014,14(2):219鄄224.(in Chinese))

[9]張亞平,張婷,陳錦芳,等.水、土環(huán)境中銻污染與控制研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2011,20(8/9):1373鄄1378.(ZHANG Yaping,ZHANG Ting,CHEN Jinfang,et al.Advances in antimony pollution and control in water and soil environment[J].Ecology and Environmental Sciences,2011,20(8/9):1373鄄1378.(in Chinese))

[10]黃艷超,武雪芳,周羽化,等.水環(huán)境中銻污染及其修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,38(4):122鄄128.(HUANG Yanchao,WU Xuefang,ZHOU Yuhua,et al.Research progress ofantimony contamination in waterenvironmentand remediation techniques[J].Journal of Nanjing Normal University(Engineering and Technology Edition),2015,38(4):122鄄128.(in Chinese))

[11]魏代春,蘇婧,陳學(xué)民,等.陽澄湖和滆湖微囊藻毒素分布及其與富營(yíng)養(yǎng)化因子的關(guān)系[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2014,8(6):2322鄄2327.(WEI Daichun,SU Jing,CHEN Xuemin,etal.Distribution ofmicrocystinsand its relationship with eutrophication factors in Yangcheng Lake and Gehu Lake[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2014,8(6):2322鄄2327.(in Chinese))

[12]金建平,于鑫,包云軒,等.陽澄湖東湖藍(lán)藻密度與前期環(huán)境因子的關(guān)系[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2013,34(3):324鄄331.(JIN Jianping,YU Xin,BAO Yunxuan,et al.Study on the relationship between the cyanobacteria density and the previous environmental factors in the east part of the Yangcheng Lake[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2013,34(3):324鄄331.(in Chinese))

[13]于雷,吳舜澤,范麗麗,等.河流水環(huán)境容量一維計(jì)算方法[J].水資源保護(hù),2008,24(1):39鄄41.(YU Lei,WU Shunze,FAN Lili,et al.One鄄dimensional calculation method for river water environmental capacity[J].Water Resources Protection,2008,24(1):39鄄41.(in Chinese))