生態(tài)凈化工程中的重金屬污染特征及其生態(tài)風(fēng)險

摘要：為了揭示生態(tài)凈化工程中的重金屬污染特征，在蘇南多個污水處理廠尾水生態(tài)凈化工程采集了底泥和植物樣本，測定其中常規(guī)污染指數(shù)及重金屬元素含量，分析了生態(tài)處理中重金屬的分布特性，并評價了其潛在生態(tài)風(fēng)險。結(jié)果表明，底泥中重金屬的生態(tài)風(fēng)險較低，其中鎘的生態(tài)風(fēng)險達(dá)到了中等水平。雖然低污染水中的重金屬濃度平均值較低，但鑒于污水處理量較大，植物對重金屬的富集指數(shù)高于一般陸生植物。

關(guān)鍵詞：生態(tài)凈化工程;重金屬;生態(tài)風(fēng)險

Abstract：In order to reveal the characteristics of heavy metal pollution in ecological purification system， plants and sediment samples were collected from the system which received tail water from five sewage treatment plants in Southern Jiangsu，heavy metals and other index were detected， the distribution characteristics of heavy metals were analyzed，and potential ecological risks were evaluated. The results show that the ecological risk of most heavy metals in sediment is low， among which the ecological risk of cadmium reaches a medium level. Although the average concentration of heavy metals in water is low， the enrichment index of heavy metals in plants is higher than that in terrestrial plants due to the large amount of sewage treated.

Key words：Ecological purification system;Heavy metals;Ecological risk

在過去的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，太湖流域的污染日益嚴(yán)重。其中重金屬污染由于其生物毒性的持久性、富集性尤其引人矚目。近年來通過“脫氮脫磷提標(biāo)”改造后，雖然太湖流域所有城鎮(zhèn)污水處理廠的尾水都已經(jīng)達(dá)到了國家一級A類（GB18918-2002）排放標(biāo)準(zhǔn)，但尾水中一些污染物濃度仍高于國家地表水IV類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，排出尾水的水質(zhì)仍然為劣V類水質(zhì)，對于受納水體來說，這種尾水仍是潛在的污染源[1， 2]。特別是重金屬，雖然濃度不高，但是由于在污水處理廠中缺乏有效的處理，其總量不容忽視[3]。這種介于國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)和IV類地表水標(biāo)準(zhǔn)之間的尾水，可稱之為低污染水。為避免低污染水對湖泊河流的富營養(yǎng)化和污染加重并降低成本，組合了前置庫、穩(wěn)定塘、人工濕地、微生物強(qiáng)化、生態(tài)溝渠等各處理單元的生態(tài)凈化工程已經(jīng)在多地建立，以使污水處理廠出水與受納河道水質(zhì)銜接[4]。

本研究調(diào)查了太湖流域多個低污染水生態(tài)凈化工程中的重金屬污染特征，在分析重金屬污染現(xiàn)狀和分布特征的基礎(chǔ)上，評價其潛在生態(tài)風(fēng)險。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查采樣區(qū)域

本次調(diào)查采樣區(qū)域為蘇南地區(qū)的五個示范工程，位置見圖1。

1.2 調(diào)查采樣主要內(nèi)容

調(diào)查內(nèi)容為課題各個示范工程的進(jìn)出水、底泥及主要植被中的重金屬含量，包括：總鉻、銅、鋅、鉛、鎘、鎳、砷。

1.3 調(diào)查檢測方法

依據(jù)《湖泊生態(tài)安全調(diào)查與評估技術(shù)指南》（環(huán)辦〔2014〕111號）以及《淡水生物資源調(diào)查技術(shù)規(guī)范》（DB43/T 432-2009）、土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ/T 166）要求，結(jié)合各個示范工程地形特征和植被現(xiàn)狀，對各個示范工程中的進(jìn)出水、底泥和人工濕地植被進(jìn)行采集。采集后分別對水樣、底泥和植物樣品進(jìn)行重金屬含量的檢測，其中植物樣中銅、鋅、鉛、鎘、鉻、鎳、砷的測定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（GR QW 601-2016 1/0）;水樣中銅、鋅、鉛、鎘、鉻、鎳、砷的測定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法 （HJ 776-2015）;底泥中砷、鉻、銅、鋅、鎳的測定采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（HJ/T 350-2007），鉛、鎘采用原子吸收分光光度法（LY/T1262-1999、GB/T 17141-1997）。

1.4 評價方法

對于底泥中的重金屬污染進(jìn)行評價，最常用的方法是瑞典Hakanson （1980） 提出的潛在生態(tài)指數(shù)法（The Potential Ecological Risk Index）（RI），根據(jù)含量條件、數(shù)量條件、毒性條件和敏感性條件四個方面確定的，評價結(jié)果更為準(zhǔn)確，是生態(tài)風(fēng)險評價最常用的方法[5， 6]。

其中潛在生態(tài)風(fēng)險因子（The potential ecological risk factor，Eri）用于定量分析特定區(qū)域特定污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險。而單項污染指數(shù)（Contamination factors， Cf ）為某一金屬的實測值Ci與該金屬的潛在風(fēng)險值或該區(qū)域背景值之間的比值。本文選擇江蘇省土壤本底值作為區(qū)域背景值[7]。Tr為重金屬r的毒性響應(yīng)系數(shù)，本文研究的重金屬中，毒性響應(yīng)順序為Cd>As>Pb=Cu=Ni>Cr>Zn=Mn，毒性系數(shù)見表1[8]。Eri和RI的評判標(biāo)準(zhǔn)見表2[5， 6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 水中的重金屬

將檢測結(jié)果和漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB11607-89）、地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)V類（GB3838-2002）、農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB5082-92）對比，從表3可以看到，水中的總鉻、銅、鉛、鎳、鎘和鎳濃度低于檢測限，鋅和砷的濃度平均值低于各種標(biāo)準(zhǔn)。同時，各種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40，表明水中重金屬存在輕微生態(tài)危害。對于處理過的廢水，其中金屬濃度通常能保持在較低水平，這樣也能夠避免對生態(tài)工程的沖擊。

2.2 底泥中的重金屬

底泥樣品中的重金屬含量如表4所示，除了銅、鋅、砷達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，其他重金屬含量均低于一級標(biāo)準(zhǔn)限值。以土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)（表5）為參照時，各種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40，表明底泥重金屬存在輕微生態(tài)危害;以全國土壤背景值（表5）為參照時，鎘的潛在生態(tài)危害系數(shù)大于40，表明其具有中等風(fēng)險，其他重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40，僅存在輕微生態(tài)危害。

具體到各樣品的潛在生態(tài)危害系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI（圖2）：以土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)為參照時，只有30%的樣品中鎘的潛在生態(tài)危害系數(shù)大于40，其他樣品中重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40。而所有樣品的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)都沒有超過150。以全國土壤背景值為參照時，有10%樣品中的砷和50%樣品中的鎘，它們的潛在生態(tài)危害系數(shù)超過了40，更有30%樣品中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)超過了150。

綜上所述，底泥中重金屬總鉻、銅、鋅、砷、鉛、鎳的生態(tài)風(fēng)險較低，只有鎘的生態(tài)風(fēng)險達(dá)到了中等水平?？紤]到生態(tài)工程中進(jìn)出水的鎘濃度都很低，部分樣品中的濃度甚至低于檢測限，底泥中鎘的高風(fēng)險可能是因為進(jìn)水量很大，而且水中pH值偏堿性（7.66），水下的溶解氧也偏低5.81，這些都能促進(jìn)鎘在底泥中沉淀，從而提高了底泥的生態(tài)風(fēng)險。

2.3 植物中的重金屬含量

在生態(tài)凈化工程現(xiàn)場選取了圓幣草、狐尾藻、鳶尾、菖蒲、再力花、茭白、蘆葦、金魚藻、菹草九種典型的水生植物，檢測得到其重金屬含量如表6所示。結(jié)果顯示，雖然鎘的生態(tài)風(fēng)險相對較大，但是植物中的鎘含量比較小，并沒有達(dá)到很高水平。

根據(jù)底泥中重金屬的含量，計算出八種水生植物對重金屬的富集系數(shù)（圖3）。其中，金魚藻中鋅的富集系數(shù)，菹草中鋅和鎘的富集系數(shù)都超過了2，表現(xiàn)出一定的富集能力。值得注意的是，鋅是常見污水處理工藝中去除率較低的一種[9]。因此，金魚藻和菹草是常見污水處理工藝的有效補(bǔ)充。相對于其他植物，菹草對多種重金屬元素的富集系數(shù)都較高，說明菹草能夠吸收更多的污染物，是適合生態(tài)凈化工程的植物種類。

3 結(jié)論

生態(tài)凈化工程的低污染水重金屬濃度較低，僅有輕微生態(tài)風(fēng)險;而底泥中鎘的生態(tài)風(fēng)險達(dá)到了中等水平，而其他重金屬的生態(tài)風(fēng)險為較低水平。金魚藻對鋅，菹草對鋅和鎘有一定的富集能力。因此，金魚藻和菹草是常見污水處理工藝的有效補(bǔ)充，菹草對多種重金屬元素的富集系數(shù)都較高，是適合生態(tài)凈化工程的植物種類。

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收稿日期：2020-05-17

作者簡介：王剛（1980-），男，漢族，博士，助理研究員，研究方向為環(huán)境污染的生物效應(yīng)和生物修復(fù)。