黑臭水體底泥重金屬污染物特征及生態(tài)風險評價

郭 超，方 何 淇，王 吉 寧，劉 靜 偉，張 方 林，劉 小 英

(1.武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 430065； 2.中信工程設計建設有限公司，湖北 武漢 430010；3.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014； 4.武漢理工大學 化學化工與生命科學學院，湖北 武漢 430070； 5.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

0 引 言

黑臭水體已經成為當今水體污染最為常見的表現形式。據報道，2015年中國黑臭河數量高達1 891條[1]。這種由于外源污染、內源污染和環(huán)境因素相互作用導致水體發(fā)黑發(fā)臭的結果，直接影響人們的生產、生活和周邊環(huán)境。

2015年8月，中國首次出臺的《城市黑臭水體處理指南》，對黑臭水體的判定、分級指標及處理方法進行了規(guī)定，已經成為黑臭水體治理的重要依據[2]。黑臭水體治理中，一般采取兩種措施：截流外來污染源和治理水體底泥[3-4]。當水體中污染物質得到控制后，底泥中的污染物質會再次釋放到水體中，并緩慢恢復到處理前的污染水平[5-6]。因此，底泥治理是黑臭水體治理的關鍵。

底泥作為儲存水體營養(yǎng)物質的載體，也是水體污染的儲存體和釋放源，其污染狀況及污染物分布特征直接影響水體最終污染情況及相應的治理措施。底泥中重金屬通過水生生物吸附、富集形式實現生物累積效應，進一步利用食物鏈對人類健康造成威脅[7-8]。其污染具有經歷時間長，相對穩(wěn)定，毒性大且較難去除的特點。目前，底泥重金屬研究旨在為黑臭水體的治理提供技術支持，因而側重于探求重金屬污染空間分布狀況及其污染程度[9]。

大李溝地處湖北省襄陽市市區(qū)，曾經是典型的人為污染導致形成的小型黑臭水體，長期以來一直作為城市居民生活污水及工業(yè)廢水的受納水體，對周邊環(huán)境影響嚴重。本課題選取襄陽市大李溝污染較重的3個斷面處底泥為研究對象，采用分層取樣方式采集底泥，對底泥中重金屬種類和數量進行分析；分別采用潛在生態(tài)風險指數法和地積累指數法分析底泥中重金屬危害程度及毒性程度。該水體情況與報道的江蘇省江陰市、貴陽市以及巢湖城區(qū)的黑臭水體污染狀況類似，也以面源污染和工業(yè)廢水的重金屬污染為主，通過對大李溝底泥中重金屬的污染分析，可為中國南方城市黑臭水體治理提供重要的技術依據。

1 樣品采集及分析

1.1 取樣斷面位置確定

研究水體位于湖北省襄陽市大李溝，北以丘陵分水嶺為界，南抵漢江北岸，西起竹(條)熊(集)公路，東至小清河右岸。該河平均水面寬在7 m左右，河中心水深在1 m以下，流速在0.2～1.0 m/s之間，水體污染情況較為嚴重。尤其進入枯水期以后，水量少，水體水質惡化更加嚴重。表1為枯水期該水體部分河段水質調查情況。

表1 研究河流部分河段水質調查情況

根據中國黑臭水體分級標準[2](見表2)，對照表1和表2可以看出，該水體透明度達到重度黑臭水體標準，溶解氧和氧化還原電位屬于輕度黑臭水體，僅氨氮值未達到輕度黑臭水體標準。綜合考慮認為，大李溝水體屬于輕度黑臭水體。為反映黑臭水體底泥中重金屬污染最嚴重狀況，取樣點應盡量靠近污染源。為此，沿該水體分別選取了3個斷面進行取樣，其地理位置如圖1所示。3個取樣斷面分別命名為JC1、JC2和JC3，均處于工業(yè)(如石業(yè)、石材廠、襄陽市樊城區(qū)諾立信電線電纜有限公司、世陽電機有限公司、湖北金紡紡織有限公司、泰友紙業(yè)有限公司及新恒星活塞環(huán)公司等)所排廢水的排污口的下游(見圖1)。

表2 中國黑臭水體分級標準

圖1 取樣斷面位置示意

1.2 樣品采集方法及重金屬檢測分析方法

2019年5月，為調查當時河流底泥斷面重金屬污染狀況，利用柱狀采樣器，在每個取樣斷面采集深度為50 cm底泥，將0～15 cm作為第1層樣品，15～30 cm作為第2層樣品，30～50 cm作為第3層樣品。每個斷面采集3個樣品，將同一深度樣品混合后構成1個子樣品。如JC1取樣斷面第1層命名為JC1-1，第2層命名為JC1-2，依次類推。最后得到JC1、JC2和JC3三個斷面共計9個底泥樣品。

底泥樣品現場采集后立即用塑封袋保存置于4 ℃保溫箱，運回實驗室。樣品平鋪于坩堝上，置于陰涼通風處自然風干約10～15 d(依季節(jié)不同有差異)，去除樣品中植物、昆蟲、石塊等殘體。風干樣品經研磨過150目篩，保存于塑封袋內，待測。利用表3所示的方法對底泥樣品中鎘、砷、汞、鉛、鉻、銅、鋅、鎳含量進行測定。將待測樣品送華中科技大學煤燃燒重點實驗室檢測指標Hg，其他指標的測試由武漢理工大學測試中心完成。

表3 各重金屬的檢測方法

1.3 底泥重金屬污染評價方法

1.3.1潛在生態(tài)風險指數法

觀察組35例患者中顯效21例、有效11例，治療總有效率為91.4%， 而對照組35例患者中顯效11例、有效15例，治療總有效率為74.3%，兩組比較，差異有統計學意義（P＞0.05），見表1。

該方法將毒理學、生態(tài)及環(huán)境影響相結合，應用于評價土壤及沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風險[10-11]。

單一重金屬潛在生態(tài)風險指數：

(1)

表4 重金屬毒性系數及湖北省土壤重金屬部分元素背景值[13-14]

多種重金屬潛在生態(tài)風險指數：

(2)

表5 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標與分級[16]

1.3.2地積累指數評價法

該方法作為一種定量指標應用于水環(huán)境底泥中重金屬污染研究[17-18]，側重于研究單一元素對環(huán)境污染程度，計算公式如下。

(3)

式中：Cn為重金屬元素n的質量濃度，mg/kg；K為考慮到成巖作用可能會引起背景值的變動而設定的常數(一般取1.5)；Bn為重金屬元素背景值，本文取湖北省土壤重金屬含量(見表4)。重金屬污染程度及相應的Igeo值見表6。

表6 表征重金屬污染程度的Igeo值分級標準[18]

2 結果與分析

2.1 重金屬在水體底泥各層分布狀況

圖2 各取樣斷面不同深度處重金屬含量

從圖2中可以看出，JC1取樣斷面處除元素銅和鉛之外，其他重金屬表層含量均低于深層含量。其可能源于該河段進行管道截污后，工業(yè)廢水排入量減少，使表層底泥中重金屬含量降低。JC2取樣斷面處，除元素銅之外，其他重金屬含量基本由表及里呈下降趨勢。由此可以判斷，此處研究水體中仍存在工業(yè)廢水排放。JC3取樣斷面各層重金屬含量的變化較為復雜。其中，元素鎘、砷、鉻及鎳表層含量較高，前兩種元素由表及里呈下降趨勢，后兩種元素中間層重金屬含量最低，底層含量較高。元素汞、銅、鋅及鉛表層含量較低，前3種元素的中間層含量最高；元素鉛由表及里呈上升的趨勢?？梢钥闯觯煌訑嗝娌煌疃忍幹亟饘僮兓尸F一定的規(guī)律性，為此，對8種元素進行顯著相關性分析，結果見表7。

表7 黑臭水體底泥重金屬含量相關性分析

由相關性結果可以看出：汞與砷之間具有顯著正相關性(P<0.01)，汞與鋅、鉻與鎳之間存在正相關性(P<0.05)，Pearson相關系數均在0.7以上，說明汞與砷、汞與鋅、鉻與鎳元素之間存在一定的同源性，其他金屬未發(fā)現同源性特征。

綜上所述，JC2和JC3取樣斷面重金屬元素含量較高，且最大值出現的深度有一定差異，表現出明顯的人為污染特征，即排放污廢水的隨意性。而取樣斷面沿深度方向各金屬含量變化又有一定相似性，表明金屬之間可能存在一定的同源性。

2.2 底泥重金屬污染評價

研究水體底泥中重金屬監(jiān)測結果顯示，底泥存在較為嚴重的重金屬污染。為確定底泥疏浚深度及后續(xù)底泥處理處置與再利用措施，首先需要對底泥污染程度進行分析，為此利用兩種重金屬評價方法，對各取樣斷面不同深度處重金屬污染狀況進行評價[16，19]。

2.2.1潛在生態(tài)風險評價

以湖北省土壤重金屬元素背景值為參比，利用公式(1)～(3)，計算得到JC1、JC2及JC3不同深度處重金屬潛在生態(tài)風險指數，結果見圖3～4。

圖3 各底泥樣品潛在風險指數評價結果

底泥樣品中重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(RI)的變化如圖4所示。參照表5可以看出，RI均在440以上，屬于很強風險水平。結合單因素生態(tài)風險結果可以看出，鎘對RI貢獻最大。依據RI值大小排序得到綜合風險依次為JC3-1>JC3-2>JC1-3>JC2-1>JC2-3>JC3-3>JC1-2>JC2-2>JC1-1。取樣斷面JC3和JC2處表層污染較為嚴重，可能與河道兩邊的電機、電線電纜及紡織企業(yè)排放的廢水有關。JC1處深層污染較為嚴重，表層污染最輕，這一結果與重金屬含量測定結果一致。

圖4 各底泥樣品綜合生態(tài)風險指數

2.2.2地積累指數評價

基于湖北省土壤重金屬背景值，根據公式(3)計算得到研究水體底泥地積累指數情況見圖5。從圖5中可以看出：研究水體下游河段底泥存在不同程度的重金屬污染，污染由重到輕的順序依次為鎘>鉛>銅>汞>鋅>鉻>鎳>砷。該黑臭水體底泥鎘污染最為嚴重，除JC1-1底泥外(中度污染)，其他樣品中鎘的Igeo值均介于3～4，屬于偏重污染。其次為鉛污染，除JC2-3底泥屬于無污染，JC2-1和JC3-3底泥屬于中度污染外，其他底泥Igeo值介于1～2，屬于偏中度污染。底泥樣品中鉻與鎳的污染程度變化趨勢相似，與前文中兩種金屬同源性結果不謀而合。除JC3-2底泥樣品中汞屬于偏中度污染外，其他各處均在輕度污染以下；另外，底泥樣品中砷含量均低于湖北省土壤中砷的背景值，不存在砷污染，間接說明河道附近的紙業(yè)公司產生的廢水得到了較好的截流。綜上所述，該底泥中鎘污染最為嚴重，其次是鉛，不存在砷污染。

圖5 各底泥樣品地積累指數評價結果

2.2.3底泥重金屬污染綜合評價

本研究采用潛在生態(tài)風險指數和地積累指數兩種方法對底泥中的重金屬進行評價。結果顯示：大李溝黑臭水體底泥存在嚴重的鎘污染，但砷污染較輕或無污染，而其他重金屬的污染程度略有差異。這種差異與兩種評價方法的原理有直接關系。潛在生態(tài)評價法中，考慮各種金屬的毒性差異，且需要參考取樣地點的土壤元素背景值。而地積累指數法則側重于重金屬的積累程度，而后再與土壤背景值比較。前者偏向于毒性影響，后者偏向于積累量影響。

2.2.4底泥重金屬污染物來源分析

根據上述分析結果可以看出，大李溝黑臭水體鎘的污染程度雖然高，但與其他金屬并無顯著的相關性，這表明其來自多個污染源，而大李溝附近的電機、電纜等生產企業(yè)均可以產生含鎘廢水。鋅、銅、鉻、鎳污染程度不高，但其具有較高的積累量，這也表明大李溝水體污染主要來自于工業(yè)廢水污染。鉛污染則可能主要來源于城市汽車中的尾氣排放后，進入雨水管道排入大李溝。輕度汞污染來自于大李溝附近的造紙過程中殘留的含汞污水凈化劑。當含有重金屬污染的工業(yè)廢水及雨水排入大李溝后，基于大李溝水體流速緩慢，水體中的重金屬則會向底泥中進行遷移，底泥中就會富集一定的重金屬。由于重金屬污染廢水間歇排放，就會導致底泥中重金屬含量在不同的深度處含量的差異。

3 治理建議

從大李溝不同斷面底泥重金屬污染分析可以看出，黑臭水體治理中應將源頭治理和防止底泥二次污染治理同步進行。源頭治理中將污廢水進行收集后集中處理達標后排放；底泥治理中應求適當的措施(如疏浚清淤、底泥干化以及底泥氧化分解技術)減輕甚至防止底泥的二次污染。對重金屬污染為主的底泥，由于重金屬離子的過量積累，應以疏浚清淤措施為主。一般采用疏浚清淤中的干床疏浚，即在疏浚前把水抽干，然后將底泥進行清挖。清挖出的底泥，一般采用生物、物理、化學等各種修復方法進行處理，避免二次污染。底泥分解氧化技術即原位生物修復，指向底泥中直接投加底泥凈化劑，在不破壞水體底泥自然環(huán)境條件下在水體底部進行降解和修復。底泥干化主要減少底泥中的含水率，干化后污泥類似污水廠剩余污泥進行處置。

4 結 論

襄陽市大李溝黑臭水體底泥存在嚴重的重金屬鎘污染，而砷污染最輕。除鎘和砷之外，其他重金屬污染程度在不同取樣斷面不同深度污染程度差異較大。其中JC2與JC3重金屬污染較重，且以表層污染為重。由此可以推斷，河道附近現有的電線電纜、電機及紡織等企業(yè)的廢水仍排入下游河段。JC1重金屬污染較輕，尤其是表層污染更輕，但深層底泥重金屬污染仍需要關注，說明該河段污水已得到了有效截流治理。針對不同取樣斷面不同深度底泥中重金屬污染的研究，為該水體底泥疏浚深度提供了重要參考。

研究水體水量小且水流速緩慢，有利于重金屬在水體與底泥之間的遷移。因此，即使底泥中含量較低的重金屬也可能釋放到水體中從而造成水體的二次污染，影響水體及周邊環(huán)境。由此看出，底泥中重金屬的污染只要存在不論其嚴重程度均應引起重視并進行及時治理。