黑臭水體環(huán)保清淤深度確定的研究

趙寶華，關(guān)永發(fā)，周國旺

(1. 中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 引言

近年來，隨著城市的不斷發(fā)展和人口的快速膨脹，導(dǎo)致城市河道受到越來越多的污染。河流本身的自凈作用無法承受各類污染物的大量涌入，從而導(dǎo)致城市河道水質(zhì)惡化嚴(yán)重，并呈現(xiàn)嚴(yán)重的黑臭現(xiàn)象，對(duì)居民工作、生活和城市的發(fā)展造成不利影響[1]。底泥污染正是河流污染的一個(gè)重要后果，受污染的底泥相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)藏的污染源，即使外界污染源消除后，河流底泥仍能在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)上覆水體的水質(zhì)不斷產(chǎn)生影響[2～4]。對(duì)污染底泥進(jìn)行清淤是削減內(nèi)源污染的主要手段，且清淤深度的確定直接影響內(nèi)源污染削減的效果[5]。本文以北方某黑臭水體為例，分析和研究了污染物的時(shí)空分布、吸附-解吸特征和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算了污染物含量控制值，并確定了環(huán)保清淤深度。

2 材料和方法

2.1 樣品的采集

實(shí)驗(yàn)所需的底泥取自北方某黑臭河道，共設(shè)置2個(gè)取樣點(diǎn)(A、B)，泥樣分別按照0～20 cm(A1、B1)、20～40 cm(A2、B2)、40～60 cm(A3、B3)、60～80 cm(A4、B4)和80～100 cm(A5、B5)分割并密封遮光后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)回的柱狀樣分為2部分，一部分在室溫下陰干，除去碎石雜物后磨碎過篩并裝入自封袋，用于底泥理化性質(zhì)的測(cè)定，另一部分用于吸附-解吸實(shí)驗(yàn)。

2.2 理化性質(zhì)的測(cè)定

理化性質(zhì)主要分為污染物成分(TN和TP)和重金屬(Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr和Ni)，其中TN采用《土壤全氮測(cè)定法(半微量開式法)》(GB7173-87)，TP采用《土壤全磷測(cè)定法》(NY/T 88-1988)，Hg、As和Pb采用《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法》(GB/T 22105-2008)，Cu和Zn采用《土壤質(zhì)量銅、鋅的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138-1997)，Cr采用《土壤質(zhì)量 總鉻的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17137-1997)，Ni采用《土壤質(zhì)量 鎳的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17139-1997)，鎘采用《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)[6，7]。

2.3 底泥氮、磷吸附-解吸實(shí)驗(yàn)

用磷酸二氫鉀配置磷的系列濃度：0、0.01、0.02、0.025、0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 mg/L，按照水土比100∶1加入底泥和不同濃度的含磷溶液，在25 ℃下恒溫振蕩48 h，離心(10000 r/min，10 min)，取上清液過0.45 μm纖維濾膜后測(cè)定可溶性無機(jī)磷濃度，TP采用《水質(zhì)總磷的測(cè)定 鉬銻抗分光光度法》(GB 11893-89)[8,9]。

底泥中氮、磷的吸附-解吸量的計(jì)算公式如下：

p=(q0-q)·V/m

(1)

式(1)中：p為底泥中氮、磷的吸附-解吸量(mg/kg)；q0為初始溶液中的氮、磷濃度(mg/L)；q為最終測(cè)定溶液的氮、磷濃度(mg/L)；V為溶液體積(L)；m為底泥樣品的質(zhì)量(g)。當(dāng)q0-q>0時(shí)，說明底泥對(duì)溶液中氮磷進(jìn)行了吸附；當(dāng)q0-q< 0時(shí)，則說明底泥中氮磷發(fā)生了解吸。通過吸附-解吸量p與初始氮磷濃度q0進(jìn)行線性相關(guān)擬合，計(jì)算底泥樣品對(duì)氮、磷吸附-解吸平衡點(diǎn)的水體氮、磷濃度。

2.4 底泥營養(yǎng)鹽污染評(píng)價(jià)

底泥營養(yǎng)鹽污染評(píng)價(jià)主要考慮其污染物的釋放對(duì)于達(dá)到相應(yīng)地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所要求水質(zhì)的影響，通過建立底泥中污染物含量與吸附-解析平衡點(diǎn)濃度之間的回歸方程，根據(jù)水質(zhì)目標(biāo)要求(如不劣于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)規(guī)定的V類水質(zhì))，計(jì)算出水體達(dá)到相應(yīng)地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所要求水質(zhì)時(shí)底泥中的污染物含量，并作為環(huán)保清淤控制值。

2.5 底泥重金屬污染評(píng)價(jià)

(2)

(3)

(3)綜合重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI：

(4)

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算所需沉積物毒性參數(shù)及其污染等級(jí)劃分見表1和表2，根據(jù)《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南》的要求，當(dāng)綜合重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI≥300時(shí)，對(duì)于河道的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，因此作為環(huán)保清淤控制值[6]。

表1 單一重金屬的毒性響應(yīng)參數(shù)值

表2 沉積物中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與討論

3.1 底泥氮污染環(huán)保清淤深度的確定

3.1.1 底泥中TN含量的空間分布特征

底泥中TN含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，A點(diǎn)的TN含量為901～2685 mg/kg，B點(diǎn)的TN含量為748～2702 mg/kg，TN含量均隨著深度的增加而降低。根據(jù)加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的底泥中營養(yǎng)鹽的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(其中安全級(jí)TN含量小于550 mg/kg)[13]，說明采樣點(diǎn)的底泥中的氮污染較為明顯。

表3 底泥TN含量統(tǒng)計(jì)

圖1 底泥的吸附-解吸量與初始濃度的關(guān)系

表4 底泥的吸附-解吸量與初始濃度的關(guān)系及平衡點(diǎn)濃度

3.1.3 底泥氮污染環(huán)保清淤深度的確定

圖2 底泥TN含量與吸附-解析平衡點(diǎn)濃度之間的關(guān)系

3.2 底泥磷污染環(huán)保清淤深度的確定

3.2.1 底泥中TP含量的的空間分布特征

底泥中TP含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5，A點(diǎn)的TP含量為611～1845 mg/kg，B點(diǎn)的TP含量為624～1881 mg/kg，TP含量均隨著深度的增加而降低。根據(jù)加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的底泥中營養(yǎng)鹽的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(其中安全級(jí)TP含量小于600 mg/kg)[13]，說明采樣點(diǎn)的底泥中的磷污染較為明顯。

表5 底泥TP含量統(tǒng)計(jì)

3.2.2 底泥TP吸附-解吸特征分析

底泥對(duì)TP的吸附-解吸特征見圖3，當(dāng)初始溶液TP的濃度較低時(shí)，各底泥樣品中的TP均出現(xiàn)不同程度的解吸，并在同一濃度的初始溶液中，TP的解吸量隨著底泥中TP含量的增加而增加。隨著初始溶液TP含量的不斷升高，各底泥樣品均逐漸開始吸附溶液中的TP，并在同一濃度的初始溶液中，TP的吸附量隨著底泥中TP含量的增加而減少。

圖3 底泥TP的吸附-解吸量與初始濃度的關(guān)系

各底泥樣品TP的吸附-解吸量和初始溶液的濃度之間存在良好的線性關(guān)系，并可計(jì)算得到在吸附-解吸達(dá)到平衡點(diǎn)時(shí)水體的TP濃度(即q0-q=0時(shí)對(duì)應(yīng)的溶液濃度)，詳見表6，各底泥樣品的TP平衡點(diǎn)濃度在0.227～0.690 mg/L之間。與國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(TP≤0.4 mg/L)相比，A點(diǎn)的A1、A2、A3和A4樣品(即0～80 cm深度的樣品)的TP濃度超出該標(biāo)準(zhǔn)，底泥會(huì)向上覆水體釋放TP，從而對(duì)水體造成污染；B點(diǎn)的B1、B2和B3樣品(即0～60 cm深度的樣品)的TP濃度超出該標(biāo)準(zhǔn)，底泥會(huì)向上覆水體釋放TP，從而對(duì)水體造成污染。

表6 底泥TP吸附-解吸量與初始濃度關(guān)系及平衡點(diǎn)濃度

3.2.3 底泥磷污染環(huán)保清淤深度的確定

底泥TP含量與吸附-解析平衡點(diǎn)TP濃度之間的關(guān)系見圖4，由于所取底泥樣品的河道的水質(zhì)要求為國家地表水環(huán)境質(zhì)量V類標(biāo)準(zhǔn)(TP ≤0.4 mg/L)，因此底泥磷污染環(huán)保清淤TP含量控制值為1094 mg/kg，其對(duì)應(yīng)的底泥厚度為控制磷污染的環(huán)保清淤深度。A點(diǎn)的TP污染控制值介于樣品A4和A5之間，對(duì)應(yīng)的底泥厚度為80～100 cm，因此，A點(diǎn)控制磷污染的環(huán)保清淤深度為100 cm；B點(diǎn)的TP污染控制值介于樣品B2和B3之間，對(duì)應(yīng)的底泥厚度為40～60 cm，因此，B點(diǎn)控制磷污染的環(huán)保清淤深度為60 cm。

圖4 底泥TP含量與吸附-解析平衡點(diǎn)TP濃度之間關(guān)系

3.3 底泥重金屬污染環(huán)保清淤深度的確定

3.3.1 底泥中重金屬含量的空間分布特征

底泥中重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7，其中B點(diǎn)0～20 cm底泥的Zn含量為456 mg/kg，超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值300 mg/kg，其它元素均滿足農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的要求，說明底泥存在一定的重金屬污染，對(duì)植物的生長(zhǎng)可能存在風(fēng)險(xiǎn)。

表7 底泥重金屬含量統(tǒng)計(jì) mg/kg

3.3.2 底泥重金屬污染環(huán)保清淤深度的確定

表8 底泥重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

綜合分析可知，底泥污染物主要為營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷和重金屬，應(yīng)綜合考慮深度較深者作為復(fù)合污染的環(huán)保清淤深度。A點(diǎn)控制氮污染的環(huán)保清淤深度為80 cm，控制磷污染的環(huán)保清淤深度為100 cm，無需對(duì)重金屬進(jìn)行環(huán)保清淤，因此，A點(diǎn)的環(huán)保清淤深度為100 cm；B點(diǎn)控制氮污染的環(huán)保清淤深度為80 cm，控制磷污染的環(huán)保清淤深度為60 cm，無需對(duì)重金屬進(jìn)行環(huán)保清淤，因此，B點(diǎn)的環(huán)保清淤深度為80 cm。

4 結(jié)論

底泥的氮、磷和重金屬的含量及污染程度隨著底泥深度的增加而降低。氮、磷的吸附-解吸實(shí)驗(yàn)表明，A點(diǎn)和B點(diǎn)底泥仍具有向上覆水體釋放氮磷的能力，并對(duì)水體造成污染，并確定了環(huán)保清淤TN含量控制值為1620 mg/kg，TP含量控制值為1094 mg/kg；重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較小。綜合分析氮、磷和重金屬污染控制，A點(diǎn)的環(huán)保清淤深度為100 cm，B點(diǎn)的環(huán)保清淤深度為80 cm。