復(fù)配貽貝殼粉作吸附劑對水庫水質(zhì)的影響

劉尚來， 鄒 楨， 周鈺博， 滕易娜， 劉 娟

(1. 大連海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院， 遼寧 大連 116023； 2. 沈陽建筑大學(xué) 管理學(xué)院， 沈陽 110168； 3. 云南大學(xué) 昌新國際藝術(shù)學(xué)院， 昆明 650091； 4. 東北財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 大連 116025)

居民飲水安全關(guān)系到每個人的健康，水庫作為城市供水的主要渠道之一，水質(zhì)的優(yōu)劣將在源頭上決定城市供水的整體質(zhì)量.因此，在引進(jìn)水庫水源作為居民飲水來源之前，對水庫水質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理顯得尤為重要.基于經(jīng)濟(jì)等方面的考慮，水庫水質(zhì)預(yù)處理過程要便于操作且具有實質(zhì)性效果.貽貝殼[1]作為海產(chǎn)品類固體廢棄物，可以被利用之處微乎其微，絕大部分被當(dāng)作廢棄物就地堆積.針對貽貝殼的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的分析發(fā)現(xiàn)，該貝殼粉具有多級層狀結(jié)構(gòu)，其成分為95%碳酸鈣和5%有機(jī)物[2].大部分碳酸鈣經(jīng)過高溫煅燒生成氧化鈣，成分中的碳酸鈣和氧化鈣都具備吸附除污性質(zhì).因此，可將煅燒貝殼粉、殼聚糖、硅藻土按比例混合形成復(fù)配貽貝殼粉[3]，當(dāng)pH為7.5時，將其用作水庫水質(zhì)預(yù)處理的吸附劑能夠有效吸附水庫水質(zhì)中的固體懸濁物以及其他污染物質(zhì).基于此，本文以遼寧省莊河市朱隈水庫水域作為試驗樣地，將處理之后的貽貝殼作為吸附材料進(jìn)行吸附作用測試，并通過綜合指數(shù)法建立評價體系，運用簡單計算對吸附前后的水庫水質(zhì)進(jìn)行定量評價，以評估復(fù)配貽貝殼粉所具有的吸附價值，從而發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和健康效益，為該區(qū)域居民提供更加健康優(yōu)質(zhì)的飲水環(huán)境.

1 數(shù)據(jù)來源和評價方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)包括水域水質(zhì)監(jiān)測報告和國家有關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)文件兩類數(shù)據(jù).水域水質(zhì)監(jiān)測報告數(shù)據(jù)來源于2021年1月莊河市水務(wù)局對朱隈水庫水質(zhì)的檢測報告，檢測項目包括水溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、氯化物、揮發(fā)酚、總磷、總氮、銅、鋅、氯化物、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛與石油類物質(zhì).國家有關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)文件數(shù)據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[4]，且基本項目限值Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，評價標(biāo)準(zhǔn)參考《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)[5].

1.2 評價方法

根據(jù)目前現(xiàn)有研究文獻(xiàn)可知，水質(zhì)評估通常采用模糊評價法、灰色系統(tǒng)法、組合權(quán)重法等研究方法.根據(jù)本文的研究目的和研究方法的適用性，在參考袁東等[6]提出的水質(zhì)評價綜合指數(shù)法的基礎(chǔ)上，分析結(jié)合分指數(shù)法、最差因子判別法、內(nèi)梅羅指數(shù)法與加權(quán)平均法綜合評價復(fù)配貽貝殼粉吸附前后水庫水質(zhì)環(huán)境的變化程度.水質(zhì)綜合指數(shù)法的優(yōu)勢在于利用各種指數(shù)將復(fù)雜的水質(zhì)特征通過計算整合在一起，最終以一個簡單數(shù)值來反應(yīng)水體的污染程度.水質(zhì)綜合指數(shù)法與常規(guī)評價方法不同的是不會因為某一項指標(biāo)不合格而否定整個水樣，該方法考慮到了不同污染指標(biāo)對人體危害的差異，且水質(zhì)綜合指數(shù)法能夠?qū)ξ廴疚锍瑯?biāo)程度進(jìn)行定量評價.常規(guī)水質(zhì)評價方法多數(shù)只能定性評價水體質(zhì)量，無法衡量水體間各類污染指標(biāo)對整體水質(zhì)的影響程度.

1.2.1 分指數(shù)法

分指數(shù)可以表示為

Ii=Ci/Si

(1)

式中：Ci為i指標(biāo)的實測濃度；Si為i指標(biāo)的國家標(biāo)準(zhǔn)限值.進(jìn)行分指標(biāo)處理能夠很好地處理各個子指標(biāo)測度單位不統(tǒng)一所造成的評估差異問題.

1.2.2 最差因子判別法

最差因子判別法測度公式為

WQIi=Iimax

(2)

式中：WQIi為各分類指數(shù)；Iimax為分指數(shù)最大值.該種方法最大優(yōu)點就是不會掩蓋污染問題，可以用于評價對人體健康影響顯著的指標(biāo).

1.2.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法

相對于能對人體健康產(chǎn)生較大影響的指標(biāo)，那些對人體健康影響不顯著的指標(biāo)適用內(nèi)梅羅指數(shù)法，其表達(dá)式為

(3)

1.2.4 加權(quán)平均法

按照健康意義對各項指標(biāo)進(jìn)行分類，再結(jié)合各類指標(biāo)的綜合指數(shù)，賦予各類指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)計算，得出水庫水質(zhì)綜合評價指數(shù)表達(dá)式，即

(4)

式中，Wi為各分類指標(biāo)的相對權(quán)重值，其數(shù)值可以參考既往研究成果[7].

將朱隈水庫水體指標(biāo)分為感官和一般化學(xué)性指標(biāo)、一般毒性指標(biāo)、有機(jī)污染類指標(biāo)、腸道傳染病類指標(biāo)、致癌類指標(biāo)五類，具體權(quán)重結(jié)果如表1所示.在致癌類指標(biāo)中Ⅰ、ⅡA、ⅡB、Ⅲ類指標(biāo)權(quán)重分別為0.5、0.3、0.14和0.06.

1.2.5 評價等級的建立

本文以WQI是否低于1.00作為判斷水質(zhì)是否合格的標(biāo)準(zhǔn)，具體分級結(jié)果如表2所示.

2 試驗材料、儀器與過程

2.1 試驗材料與儀器

試驗材料主要包括：煅燒貝殼粉(貨號為034)，粒徑為6.175 μm，煅燒溫度為1 200 ℃，煅燒時間為1.5 h，產(chǎn)地為河北光輝礦業(yè)有限公司；殼聚糖BR脫乙酰甲殼素(化學(xué)純)，產(chǎn)地為上海國藥集團(tuán)生物試劑有限公司；煅燒硅藻土助濾劑(型號為ZC3000#)，粒徑為5.37 μm，產(chǎn)地為武漢普洛夫生物科技有限公司.主要試驗儀器包括：pH計(型號為PHSJ-4F)、生化培養(yǎng)箱(型號為SPX-2508-Z)、可見分光光度計(型號為7230G)、紫外可見分光光度計(型號為L5S)、離子色譜儀(型號為ICS 600)；原子熒光光度計(型號為AFS-933)、便攜式溶解氧儀(型號為JPBJ 608)和原子吸收光譜儀(型號為PINAAc le900H).

表1 朱隈水庫水質(zhì)指標(biāo)分類及其權(quán)重Tab.1 Classification and weights of water quality indicators of Zhukuma reservoir

表2 評價等級的劃分與意義Tab.2 Division and significance of evaluation grades

2.2 試驗過程

3 試驗結(jié)果與改善效果評價

3.1 試驗結(jié)果

復(fù)配貽貝殼粉吸附試驗的測試結(jié)果如表3所示.復(fù)配貽貝殼粉對水庫水質(zhì)中總磷[8]、總氮[9]具有明顯吸附效果，原水體中的氮、磷元素含量明顯下降；同時對水庫水質(zhì)中的金屬元素也具有一定的吸附能力，原水體中的銅、鋅等金屬元素含量也略有下降；最為關(guān)鍵的是，水體致癌類指標(biāo)中的重金屬元素砷、鎘[10]、汞、鉛[11]含量均明顯下降.相關(guān)污染指標(biāo)的下降表明復(fù)配貽貝殼粉作為水庫水源預(yù)處理吸附劑具有較強(qiáng)的吸附除污能力，因而復(fù)配貽貝殼粉作為水質(zhì)預(yù)處理的吸附劑頗具實踐意義.吸附試驗只能定量反映各污染指標(biāo)數(shù)值的變化，并未體現(xiàn)是否能夠提升水質(zhì)飲用等級，以及具備何種健康意義.因此，需要結(jié)合綜合指數(shù)評價體系進(jìn)一步評價復(fù)配貽貝殼粉對水庫水質(zhì)污染指標(biāo)的凈化程度.

3.2 改善效果評價

考慮到一般毒性指標(biāo)、有機(jī)污染類指標(biāo)、腸道傳染病類指標(biāo)以及致癌類指標(biāo)對人體健康影響較大，故采用最差因子判別法進(jìn)行評價，感官和一般化學(xué)性指標(biāo)不會對人體健康產(chǎn)生顯著影響，可用內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行評價.首先計算出各類指標(biāo)的分指數(shù)和類綜合指數(shù)，最后采用加權(quán)平均法得出水質(zhì)綜合評價指數(shù).根據(jù)評價等級確定WQI所在級別與其所具備的健康意義.

朱隈水庫水質(zhì)主要污染指標(biāo)變化情況如表4所示.由表4可見，經(jīng)復(fù)配貽貝殼粉預(yù)處理后水體的感官和一般化學(xué)性指標(biāo)的類綜合指數(shù)為0.351 0，約提升0.31%；一般毒性指標(biāo)的類綜合指數(shù)為0.091 6，約降低25.29%；有機(jī)污染類指標(biāo)的類綜合指數(shù)為0.075，約降低31.19%；致癌類指標(biāo)的類綜合指數(shù)為0.133，約降低20.83%.此外，經(jīng)復(fù)配貽貝殼粉預(yù)處理后水體的水質(zhì)綜合指數(shù)為0.65(原水體為0.75)，約降低13.33%.

表3 復(fù)配貽貝殼粉吸附結(jié)果

表4 預(yù)處理前后類綜合指數(shù)變化情況Tab.4 Changes of class synthetic index before and after pretreatment

朱隈水庫水質(zhì)主要污染物指數(shù)情況如表5所示.由表5可見，經(jīng)復(fù)配貽貝殼粉吸附前后，高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚、生化需氧量、氰化物、氟化物、氨氮的類綜合指數(shù)差異不大，銅、鋅金屬元素的類綜合指數(shù)分別下降0.03和0.013；總磷、總氮的類綜合指數(shù)分別下降0.2、0.04；砷、汞、鎘、六價鉻、鉛重金屬元素的類綜合指數(shù)分別下降0.001、0.12、0.002、0.028、0.005.經(jīng)分析可知，復(fù)配貽貝殼粉對水庫水質(zhì)中污染指標(biāo)的吸附性強(qiáng)弱次序為：有機(jī)污染類指標(biāo)>致癌類指標(biāo)>一般毒性指標(biāo)>感官和一般化學(xué)性指標(biāo)；對污染指標(biāo)中具體污染物的吸附性強(qiáng)弱次序為：總磷>汞>總氮>銅>六價鉻>鋅>鉛>鎘>砷.采用復(fù)配貽貝殼粉對水庫水質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理后，水質(zhì)綜合指數(shù)可以降低0.1，而有機(jī)污染類指標(biāo)與致癌類指標(biāo)的類綜合指數(shù)的降低對水質(zhì)綜合指數(shù)的降低具有巨大貢獻(xiàn).鉛、鎘等重金屬在較低濃度時就可以對人體的神經(jīng)系統(tǒng)[12]、生殖系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等造成傷害.銅、鋅雖然是人體中的必需元素，但過量的銅和鋅也會造成人體機(jī)理紊亂，危害人體健康，因而其含量的下降對人體健康而言頗具衛(wèi)生學(xué)意義.此外，復(fù)配貽貝殼粉對有機(jī)污染類指標(biāo)中磷元素吸附能力較強(qiáng)的主要原因為：復(fù)配貽貝殼粉具有多級層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過煅燒后其空間和結(jié)構(gòu)特征幾乎不變，但比表面積增大[13].復(fù)配貽貝殼粉對一般毒性指標(biāo)中汞的吸附效率較高的原因為：水體中的磷元素可與汞元素形成Hg3(PO4)2[14].

表5 朱隈水庫水質(zhì)主要污染物指數(shù)情況Tab.5 Water quality indexes of main pollutants in Zhukuma reservoir

4 結(jié) 論

通過以上分析可以得出如下結(jié)論：

1) 復(fù)配貽貝殼粉作吸附劑可以顯著降低有機(jī)污染類指標(biāo)與致癌類指標(biāo).經(jīng)復(fù)配貽貝殼粉預(yù)處理后水體的水質(zhì)綜合指數(shù)為0.65，水質(zhì)處于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好，符合飲用標(biāo)準(zhǔn).

2) 復(fù)配貽貝殼粉對感官和一般化學(xué)性指標(biāo)中的銅、鋅金屬元素的吸附能力較強(qiáng)，對其他污染物吸附能力較弱甚至無吸附能力.

3) 復(fù)配貽貝殼粉對有機(jī)污染類指標(biāo)中的總氮、總磷的吸附能力較強(qiáng)，尤其是對磷元素的吸附效果最為明顯.復(fù)配貽貝殼粉對氨氮具有一定吸附能力，但吸附效果不明顯.

4) 復(fù)配貽貝殼粉對一般毒性指標(biāo)、致癌類指標(biāo)中的重金屬元素汞、鎘具備較強(qiáng)的吸附能力，對砷、鉛、六價鉻的吸附能力偏弱.