基于重金屬污染指數(shù)的城市段河流水體重金屬污染特征分析

毛玉鳳

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

水體污染物中重金屬物質(zhì)很難得到有效降解，在水體中的自凈能力較低，容易進(jìn)入河流水庫(kù)中的食物鏈，從而對(duì)人體生命健康產(chǎn)生不同程度的危害[1- 3]。水資源可持續(xù)利用不僅受用水量的影響，也同時(shí)受水體中重金屬污染的影響，其對(duì)水體中的生物棲息環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生較大程度的危害[4- 5]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于水體中重金屬污染主要集中在水體沉積物或底泥中進(jìn)行分析[6- 10]，而對(duì)于水體中的重金屬污染特征研究還相對(duì)較少。魚(yú)類(lèi)和水生動(dòng)物在水體中受重金屬污染影響也較大，一條河流水環(huán)境的好壞評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)很大程度取決于其水體中的重金屬指標(biāo)[11]。多個(gè)研究成果表明[12- 15]，當(dāng)水體中溶解態(tài)形式存在的重金屬指標(biāo)含量較大時(shí)，其對(duì)水體環(huán)境影響程度較大。太子河屬于遼寧地區(qū)較大的河流之一，其主要流經(jīng)遼中東地區(qū)的遼陽(yáng)、本溪、鞍山等主要城市，本溪地區(qū)主要為城市河段，一些研究成果表明[16- 18]太子河本溪城市段由于同時(shí)有居民生活污水和工業(yè)廢水排放，其河流底泥重金屬污染指標(biāo)較高，但對(duì)于本溪城市段水體重金屬污染研究還較少。為加大對(duì)太子河本溪城市段水體水環(huán)境保護(hù)，本文采用重金屬污染指數(shù)，結(jié)合河流水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)對(duì)其水體主要7種重金屬指標(biāo)進(jìn)行分析，研究成果對(duì)于本溪城市段河流水環(huán)境保護(hù)具有重要參考價(jià)值。

1 樣品采集及測(cè)定方法

1.1 樣品采集

本次試驗(yàn)共選取11個(gè)水質(zhì)采樣斷面，主要分布在居民生活點(diǎn)、工企業(yè)污水排放點(diǎn)，所有樣品采集時(shí)的水深均在20cm范圍內(nèi)，每個(gè)采集點(diǎn)主要收集3份混合水樣，其中一份水樣采用pH值小于2.0的硝酸溶液進(jìn)行保存，1份由直徑小于0.45um的濾膜進(jìn)行過(guò)濾后再采用pH值小于2.0的硝酸溶液進(jìn)行樣品保存，剩下的那一份不進(jìn)行任何處理后進(jìn)行保存。對(duì)水樣采集點(diǎn)的位置、采樣時(shí)間、水溫以及采樣瓶的類(lèi)型和顏色進(jìn)行標(biāo)記和記錄。

1.2 測(cè)定方法

對(duì)于未采用任何方式進(jìn)行處理的樣品溶液采用過(guò)濾膜進(jìn)行處理后作為溶解態(tài)樣本進(jìn)行標(biāo)記，處理前和處理后的含量差值表示為重金屬顆粒的溶解態(tài)含量。首先在微波消解管中將25ml的水樣進(jìn)行混合均勻，在混合均勻的溶液中加入1.0ml的純凈水，然后在混合水樣中加入濃硝酸5.0ml，當(dāng)水樣中出現(xiàn)大量氣泡時(shí)，平穩(wěn)放入到通風(fēng)廚內(nèi)進(jìn)行靜置，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間待水樣中不再出現(xiàn)氣泡后采用微波消解儀對(duì)水樣進(jìn)行消解處理。待微波消解儀消解程序完成后取出消解管冷卻，當(dāng)溫度下降到室溫環(huán)境后進(jìn)行放氣處理，再將消解管的瓶蓋打開(kāi)。將消解液從微波消解儀的罐內(nèi)移出到容量為50ml的試劑瓶中，采用蒸餾水滴定到100ml標(biāo)準(zhǔn)溶液后進(jìn)行測(cè)定。采用原子熒光光譜法測(cè)定重金屬Se；火焰原子吸收法測(cè)定水體中的Cu、Pb、Mn、Zn、Cr、Cd等重金屬指標(biāo)。所有水樣進(jìn)行重金屬指標(biāo)測(cè)定后再進(jìn)行全部樣品總數(shù)的復(fù)測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，本次試驗(yàn)采樣點(diǎn)重金屬含量誤差控制在5%以內(nèi)。所有測(cè)定水樣均采用5%的硝酸鹽進(jìn)行24h浸泡后進(jìn)行存放和處理，再采用離子水進(jìn)行清洗。離子色譜法主要用來(lái)檢測(cè)水樣中的陰離子。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

主成分分析方法主要分析太子河本溪城市段水體中重金屬的主要污染來(lái)源，主成分主要通過(guò)部分代表因子來(lái)表示整體指標(biāo)，各主成分之間相互獨(dú)立但又存在信息反映，是多個(gè)因子之間的線性組合。重金屬污染指數(shù)是對(duì)多個(gè)污染指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均后，對(duì)其污染等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其首先計(jì)算各類(lèi)重金屬指標(biāo)的權(quán)重值，計(jì)算方程為：

Wi=k/Si

(1)

式中，Si—水體中污染物濃度的最大值，mg/l；k—受水環(huán)境影響的比例系數(shù)，本文取值為0.85。

其次需要對(duì)其重金屬污染等級(jí)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

Qi=100(Ci/Si)

(2)

式中，Ci—重金屬在水體中的濃度指標(biāo)值，mg/l；n—評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)目。

對(duì)重金屬污染指數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，計(jì)算方程為：

(3)

重金屬污染指數(shù)的上限值為100，當(dāng)重金屬污染指標(biāo)低于100時(shí)，表示水體中的重金屬污染屬于可接受程度。

2 太子河本溪城市段重金屬污染特征分析

2.1 重金屬含量特征分析

結(jié)合布設(shè)的11個(gè)水質(zhì)采樣斷面測(cè)定7類(lèi)主要重金屬含量，對(duì)太子河本溪城市段進(jìn)行分析，并統(tǒng)計(jì)分析了其主要重金屬指標(biāo)的變異指數(shù)，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)各水質(zhì)采樣斷面進(jìn)行測(cè)定，7類(lèi)重金屬指標(biāo)濃度總體低于5.25mg/l，其中居民生活區(qū)排污口測(cè)定的重金屬Zn指標(biāo)濃度較高，峰值濃度達(dá)到0.56mg/l；在鋼鐵企業(yè)污水排放口測(cè)定的重金屬指標(biāo)Pb含量較高，其峰值濃度達(dá)到0.039mg/l，重金屬指標(biāo)Cd峰值濃度達(dá)到0.0083mg/l，重金屬指標(biāo)Cu的峰值濃度達(dá)到0.031mg/l，重金屬指標(biāo)Se的峰值濃度也可達(dá)到0.0035mg/l，該排污口重金屬指標(biāo)Mn的峰值濃度最高，達(dá)到5.25mg/l；峪溪橋斷面重金屬指標(biāo)Cr濃度最高，峰值濃度達(dá)到1.45mg/l。從7類(lèi)重金屬指標(biāo)的變異指數(shù)可看出，Cd的變異指數(shù)最高，Se的變異指數(shù)最低。

表1 太子河本溪城市段重金屬指標(biāo)變異指數(shù)分析結(jié)果

2.2 重金屬污染程度對(duì)比

結(jié)合GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)各重金屬指標(biāo)濃度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本溪城市段11個(gè)水質(zhì)采樣斷面7類(lèi)重金屬水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表2。

表2 本溪城市段河流水體重金屬指標(biāo)濃度范圍及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果

從本溪城市段河流水體重金屬指標(biāo)濃度范圍及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果可看出，在7類(lèi)重金屬指標(biāo)中,除Mn和Cr兩類(lèi)重金屬指標(biāo)濃度較大值和平均值均超過(guò)Ⅳ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其他重金屬平均濃度和濃度范圍均未超過(guò)Ⅳ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Cd重金屬指標(biāo)平均濃度未超過(guò)Ⅳ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)但其濃度最高值超過(guò)Ⅳ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，鋼鐵企業(yè)排污口采樣斷面Cd重金屬指標(biāo)濃度最高。

2.3 重金屬主成分分析

結(jié)合各類(lèi)重金屬指標(biāo)作為主成分分析的污染源，將7類(lèi)重金屬指標(biāo)劃分成兩個(gè)主成分，各主成分因子荷載計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 本溪城市段河流水體重金屬指標(biāo)主成分因子荷載計(jì)算結(jié)果

從本溪城市段河流水體重金屬指標(biāo)主成分因子荷載計(jì)算結(jié)果可看出，選取的7類(lèi)重金屬指標(biāo)其方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)到79.82%，Mn、Cr及Cd三類(lèi)重金屬指標(biāo)在第一主成分的因子荷載值均高于0.8，這三類(lèi)重金屬指標(biāo)主要受居民及企業(yè)點(diǎn)源污染排放影響，可以歸納為人類(lèi)活動(dòng)影響；Zn重金屬指標(biāo)在第二主成分中因子荷載值最大，高于0.8，通過(guò)分析得知該類(lèi)重金屬指標(biāo)主要來(lái)源于區(qū)域水土流失，可歸納為自然影響。

2.4 重金屬污染指數(shù)分析

采用重金屬污染指數(shù)方法對(duì)11個(gè)水質(zhì)采樣斷面的重金屬污染指數(shù)HPI進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表4。

表4 本溪城市河段各水樣采集斷面重金屬污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果

從本溪城市河段各水樣采集斷面重金屬污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果可看出，各水質(zhì)采樣斷面重金屬污染指數(shù)總體在72.5～125.3之間，其中S5采樣斷面重金屬污染指數(shù)最低，為72.5，該水質(zhì)采樣斷面位于老官砬子上游，其為太子河上游段，污染源較少；S4斷面重金屬污染指數(shù)最高，達(dá)到125.3，高于100，該斷面主要為鋼鐵企業(yè)排污口，因此其重金屬污染指數(shù)較高，表明該斷面重金屬含量不能達(dá)到水環(huán)境條件可接受的水平。通過(guò)分析，重金屬污染指數(shù)高于100的斷面主要分布在葠窩水庫(kù)入口上游5km范圍內(nèi)。

3 本溪城市段河流水體重金屬形態(tài)特征分析

3.1 溶解態(tài)含量分析

采用試驗(yàn)測(cè)定各水質(zhì)采樣斷面的7類(lèi)重金屬指標(biāo)，分析本溪城市段河流各類(lèi)重金屬指標(biāo)在水體中溶解態(tài)含量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 本溪城市河段各水樣采集斷面重金屬指標(biāo)水體溶解態(tài)含量測(cè)定結(jié)果 單位：mg/l

重金屬對(duì)水體污染主要取決于其存在的形態(tài)，而溶解態(tài)是重金屬在水體中存在的一個(gè)重要形態(tài)，從本溪城市河段各水樣采集斷面重金屬指標(biāo)水體溶解態(tài)含量測(cè)定結(jié)果可看出，各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的7類(lèi)重金屬指標(biāo)在水體中的溶解態(tài)含量均較低，其中Cr、Cu、Mn在水中溶解態(tài)含量較高，其他4類(lèi)重金屬指標(biāo)在水體中的溶解態(tài)含量較為接近。

3.2 形態(tài)特征分析

在進(jìn)行各類(lèi)重金屬指標(biāo)在水體溶解態(tài)含量分析的基礎(chǔ)上，對(duì)本溪城市段河流水體重金屬存在的形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 本溪本溪城市河段各水樣采集斷面水體重金屬存在形態(tài)的百分比 單位：%

4 結(jié)論

(1)本溪城市段河流水體中重金屬沉淀(MnCO3)的百分比最高，建議加大對(duì)河段中MnCO3離子的示蹤檢測(cè)力度，加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)排污口、本溪彩屯橋斷面水環(huán)境治理措施，如減排或加入試劑降低重金屬M(fèi)n離子含量。

(2)PbCO3是Pb在水體中主要的沉淀形態(tài)，其中百分比較高的為PbCO3，這主要是因?yàn)樘妓岣x子和Pb離子在水體中具有較高的平衡程度，而Pb2+在堿性水體中較易產(chǎn)生分解，建議通過(guò)減少排量來(lái)降低水體中重金屬Pb2+離子的含量。

(3)重金屬指標(biāo)主要以膠體和沉淀形態(tài)存在，使得其溶解態(tài)很難被檢測(cè)出來(lái)，在后續(xù)試驗(yàn)測(cè)定重金屬溶解態(tài)含量時(shí)，還需要通過(guò)試驗(yàn)方式將重金屬?gòu)哪z體和沉淀形態(tài)分離，從而提高重金屬在水體溶解態(tài)含量分析的準(zhǔn)確度。