清淤工程對(duì)黃石市青山湖2號(hào)湖水體污染的消減及評(píng)價(jià)

田 倩，張家泉*，鄧志群，羅光洪

(1. 湖北理工學(xué)院 a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, b.礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 黃石 435003; 2. 黃石市振興勘察設(shè)計(jì)有限公司, 湖北 黃石 435003)

0 引言

湖泊底泥作為污染物的主要蓄積庫，其營養(yǎng)鹽、重金屬等污染物的濃度往往要比上覆水體中的相應(yīng)濃度高很多。同時(shí)，氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)容易通過聚磷菌和其他細(xì)菌的作用，引起水體富營養(yǎng)化；重金屬在適宜條件下易通過擴(kuò)散、解吸等方式重新釋放進(jìn)入上覆水體，從而形成二次污染源[1-3]。清淤不僅可以清除湖泊中嚴(yán)重污染的底泥，還能擴(kuò)充庫容，對(duì)整個(gè)湖泊的生態(tài)功能及物理蓄水能力有積極作用[4]。清淤作為控制水體污染及富營養(yǎng)化的一種有效措施，在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用[5-6]。我國在安徽巢湖、無錫太湖和杭州西湖等湖泊均展開了底泥清淤工程，水質(zhì)得到了明顯改善[7-10]。

青山湖地處黃石市黃石港區(qū)，水域面積為105.2萬m2，具有城市水利防洪和生態(tài)調(diào)節(jié)等重要作用。青山湖由4個(gè)子湖組成，自西向東分別為1，2，3和4號(hào)湖，其中2號(hào)湖為1號(hào)湖和3號(hào)湖的連通湖，全長720 m。2號(hào)湖周邊曾有多個(gè)工業(yè)企業(yè)和生活小區(qū)排污口，岸邊夜市攤點(diǎn)眾多。通過截污和搬遷工作，青山湖的生態(tài)環(huán)境雖然得到了明顯改善，但長期積累的底泥不斷向水體釋放營養(yǎng)物質(zhì)和污染物質(zhì)，成為了影響湖泊水質(zhì)修復(fù)的“定時(shí)炸彈”。因此，開展青山湖底泥清淤勢(shì)在必行。本文對(duì)清淤前后的青山湖2號(hào)湖水質(zhì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，分析了清淤工程在污染物削減和人體健康影響方面產(chǎn)生的效益，從而進(jìn)一步說明清淤工程對(duì)改善湖泊水質(zhì)的重要性和必要性。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2015年2月9日—2015年3月30日對(duì)青山湖2號(hào)湖進(jìn)行第1次清淤，清淤深度為60 cm；2016年1月11日—2016年2月28日進(jìn)行第2次加深清淤，加深清淤深度為60 cm。為掌握清淤效果，比較分析清淤前后青山湖2號(hào)湖上覆水體中的主要污染指標(biāo)的變化，沿青山湖2號(hào)湖均勻設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn)位，先后進(jìn)行了6次采樣，采樣時(shí)間分別為2014年9月6日、2015年5月13日、2015年7月6日、2016年1月18日、2016年3月2日和2016年4月10日，并以4個(gè)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)結(jié)果的均值作為分析數(shù)據(jù)。根據(jù)《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494-2015)的要求，采樣前先用王水浸泡采樣器24 h，再用蒸餾水洗凈，采樣時(shí)使用表層水潤洗采樣器3次。青山湖2號(hào)湖采樣圖如圖1所示。

圖1 青山湖2號(hào)湖采樣圖

1.2 樣品預(yù)處理

將采集的上覆水樣在24 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，加入濃硝酸調(diào)節(jié)至pH<2，低溫冷藏。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為Cd，Cu，Pb，Zn，COD，TN和TP，通過“王水+雙氧水”加熱濃縮后，采用火焰原子吸收分光光度計(jì)(美國 Varian，AA240)分析重金屬；采用重鉻酸鉀法分析COD；分別采用堿性過硫酸鉀法以及鉬酸銨分光光度法(日本島津，UV-2550)分析TP和TN。所使用的試劑均為優(yōu)級(jí)純，所有器皿均用王水浸泡24 h以上，再用蒸餾水洗凈備用。實(shí)驗(yàn)過程中均設(shè)置多個(gè)平行樣，并進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均控制在10%以內(nèi)。

1.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型是一種定量評(píng)估污染物與潛在人體健康風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)關(guān)系的方法[11]。重金屬人體暴露途徑主要有直接接觸、攝入水體中的食物和直接飲用，其中飲用途徑被認(rèn)為是對(duì)敏感人群健康造成威脅最直接和最主要的暴露途徑[12-13]。通過飲用途徑所導(dǎo)致的致癌和非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式分別為[14]：

Rci=[1.0-exp(-Di·Qi)]/70

(1)

Rni=[Di/RfDi×10-6]/70

(2)

式(1)和(2)中，Rci為致癌物質(zhì)i通過飲用水途徑產(chǎn)生的年平均健康風(fēng)險(xiǎn)；Rni為非致癌物質(zhì)i通過飲用水途徑產(chǎn)生的年平均健康風(fēng)險(xiǎn)；Di(Di=Ai·Ci/BW)為毒性物質(zhì)i通過飲用途徑的單位體重日均暴露劑量(mg/(kg·d))；Ai為平均飲水量(L/d)，成人每日平均飲水量為1.0 L/d，兒童每日平均飲水量為0.7 L/d；Ci為水體中重金屬的質(zhì)量濃度(mg/L)；BW為人均體重(kg)，成人人均體重為56.8 kg，兒童人均體重為15.9 kg；Qi為化學(xué)致癌物質(zhì)i通過飲用水途徑產(chǎn)生的致癌強(qiáng)度系數(shù)(kg/(d·mg))，Cd的強(qiáng)度系數(shù)(Qi)為6.1 kg/(d·mg)；70為人均壽命；RfDi為非致癌物質(zhì)i通過飲用水途徑攝入的參考劑量(mg/(kg·d))，Cu，Pb和Zn的參考劑量(RfDi)分別為5.0×10-3mg/(kg·d)，1.4×10-3mg/(kg·d) 和3×10-1mg/(kg·d)[15-17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 第1次清淤前后青山湖2號(hào)湖水質(zhì)狀態(tài)

第1次清淤前后的青山湖2號(hào)湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，青山湖為Ⅲ類水體。由表1可知，第1次清淤后，青山湖2號(hào)湖上覆水體中的Cd，Cu和Pb含量大大降低，且均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水體的標(biāo)準(zhǔn)限值。COD，TN和TP的濃度均呈逐漸上升趨勢(shì)，且均高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水體的標(biāo)準(zhǔn)限值?？赡苁且?yàn)楹丛谇逵僦螅唐趦?nèi)造成底泥擾動(dòng)，破壞湖泊底泥的微生物系統(tǒng)，湖底硬質(zhì)層釋放出大量的營養(yǎng)物質(zhì)，特別是N和P，同時(shí)湖泊底泥微生物活性以及多樣性降低，使底泥自凈能力降低，釋放的高濃度營養(yǎng)鹽在短時(shí)間內(nèi)無法消除，導(dǎo)致水體水質(zhì)在短期內(nèi)發(fā)生惡化[18-20]。

表1 第1次清淤前后的青山湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果 mg/L

注：水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅲ類水體。

2.2 加深清淤工程完成前后的青山湖2號(hào)湖水質(zhì)狀態(tài)

為進(jìn)一步研究清淤工程對(duì)青山湖2號(hào)湖水質(zhì)的影響，分別于2016年1月18日(加深清淤期間)、2016年3月2日(加深清淤完成后2 d)和2016年4月10日(加深清淤完成后40 d)對(duì)青山湖2號(hào)湖加深清淤前后的水樣進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2。

由表2可知，60 cm加深清淤完成40 d后Cd，Cu，Pb和Zn的含量進(jìn)一步降低，Cd，Cu和Pb低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水體的標(biāo)準(zhǔn)限值，但COD，TN，TP的污染仍未明顯改善，且均高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水體的標(biāo)準(zhǔn)限值。總體而言，清淤能夠降低表層水體上覆水體中重金屬的含量，但對(duì)于COD，TN和TP的治理效果不佳。

清淤工程主要是通過清除污染源來減少從沉積物中釋放進(jìn)入水體中的污染物。2號(hào)湖所處位置特殊，上覆水體污染一直受1號(hào)湖和3號(hào)湖的交替影響，湖泊污染具有復(fù)雜性，人為活動(dòng)的加劇使得湖泊水質(zhì)狀況變得更加復(fù)雜和難以確定[21-22]。青山湖2號(hào)湖靠近居民生活區(qū)，大量生活污水的排放，路面雨水徑流的匯入以及岸邊垃圾滲濾液的流入使得清淤去除COD，TN，TP的長期效果非常有限[23]。從長遠(yuǎn)角度考慮，湖泊水質(zhì)污染是長期積累的效果，污染因素較多，清淤作為單一的治理措施，很難從根本上改變青山湖2號(hào)湖的水質(zhì)[24]。

表2 加深清淤前后水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果 mg/L

注：水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅲ類水體。

2.3 2次清淤工程完成前后水體重金屬元素的變化

重金屬是一類環(huán)境有毒污染物，具有穩(wěn)定性、生物富集性、不易降解性等特點(diǎn)，且能夠在水生生物中富集放大[25-26]，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體肝、腎、消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等，對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。自然因素 (如風(fēng)化作用、河床侵蝕等) 和人類活動(dòng) (如采礦、工業(yè)排放、污水灌溉和農(nóng)業(yè)活動(dòng)等) 均會(huì)導(dǎo)致水體重金屬濃度的增加[27]。清淤對(duì)于青山湖2號(hào)湖重金屬濃度的降低具有較好的效果，因此分析2次清淤工程前后上覆水體中重金屬的濃度變化具有一定的實(shí)際意義。

清淤工程完成前后青山湖2號(hào)湖上覆水體中的重金屬濃度變化如圖2所示，由圖2可知，Cd，Cu和Pb在時(shí)間上質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)大致相同，均為先下降再上升然后再下降的趨勢(shì)，且重金屬質(zhì)量濃度均在2016年1月18日達(dá)到最大值。可能是因?yàn)榍嗌胶?號(hào)湖第1次清淤深度不夠，短時(shí)間內(nèi)雖降低了上覆水體中的重金屬濃度，但由于湖泊的擾動(dòng)作用，使得原本在深度底泥中處于穩(wěn)定狀態(tài)的重金屬重新釋放到水體中，污染物與底泥的絡(luò)合作用及吸附作用減弱，重金屬的含量又極速上升[28-29]。加深底泥清淤工程完成后，有效地削減了沉積物中的重金屬含量，減少了重金屬在水土界面的釋放通量，同時(shí)重金屬污染物還會(huì)隨著懸浮顆粒物一起沉降到湖泊底部，或被清淤后的表層沉積物直接吸附[30]。另一方面，政府也加強(qiáng)了對(duì)青山湖兩岸的綜合治理，禁止附近的居民和企業(yè)等往湖泊中排放生活污水和工業(yè)廢水，外源污染得到了有效控制，重金屬含量開始大幅度降低，水體中重金屬污染得到了進(jìn)一步改善。

圖2 清淤工程完成前后水體中的重金屬濃度變化

2.4 重金屬元素的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用美國環(huán)境保護(hù)署( USEPA) 推薦的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)青山湖2號(hào)湖水體中重金屬進(jìn)行了評(píng)估，主要考慮通過飲用途徑的化學(xué)致癌物Cd和非化學(xué)致癌物Cu，Pb，Zn兩類物質(zhì)進(jìn)入成人和兒童體內(nèi)所導(dǎo)致的致癌和非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)。重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3可知，青山湖2號(hào)湖成人和兒童的水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)總值分別為7.07×10-7～5.85×10-5和1.92×10-6～1.46×10-4，最高值分別為USEPA推薦的標(biāo)準(zhǔn)值1×10-6的59倍和146倍，兒童通過飲水途徑所承受的4種重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)高于成人，致癌物Cd引起的風(fēng)險(xiǎn)明顯高于非致癌物Cu，Pb和Zn。致癌物質(zhì)Cd引起的成人和兒童健康風(fēng)險(xiǎn)值由USEPA推薦的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平1×10-6的46倍和115倍降低到25倍和61倍，化學(xué)致癌物Cd所引起的健康風(fēng)險(xiǎn)雖得到了明顯改善，但Cd所引起的健康風(fēng)險(xiǎn)值仍相對(duì)較大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于Cd的監(jiān)測(cè)和治理。非致癌物質(zhì)Cu，Pb和Zn所引起的成人和兒童健康風(fēng)險(xiǎn)總值為2.47×10-9～5.34×10-8和6.16×10-9～1.33×10-7，其健康風(fēng)險(xiǎn)值均低于最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平，成人和兒童經(jīng)飲水途徑所承受的單一重金屬非致癌風(fēng)險(xiǎn)由大到小均依次為Pb>Cu>Zn。

3 結(jié)論

以青山湖2號(hào)湖2次清淤工程前后的水質(zhì)狀況為研究基礎(chǔ)，分析了清淤階段水質(zhì)中Cd，Cu，Pb，Zn，COD，TN和TP 7項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：清淤前青山湖2號(hào)湖上覆水體污染嚴(yán)重，超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。經(jīng)過2次清淤后，水體中的重金屬含量明顯降低，但對(duì)于COD，TN和TP的治理效果不佳，所以清淤作為單一的治理措施，很難從根本上改變青山湖水質(zhì)。青山湖2號(hào)湖成人和兒童的水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)總值分別為7.07×10-7～5.85×10-5和1.92×10-6～1.46×10-4，兒童通過飲水途徑所承受的4種重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)高于成人，致癌物Cd引起的風(fēng)險(xiǎn)明顯高于非致癌物Cu，Pb和Zn。化學(xué)致癌物Cd引起的健康風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，為主要重金屬污染物。