太原市河道沉積物重金屬形態(tài)研究

張 弛 趙保軍

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院山西太原 030024;2.山西艾森資源綜合利用技術(shù)研究院山西太原 030024)

太原市河道沉積物重金屬形態(tài)研究

張 弛1趙保軍2

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院山西太原 030024;2.山西艾森資源綜合利用技術(shù)研究院山西太原 030024)

采集太原市區(qū) 8條河道的沉積物,對(duì)其重金屬污染特征進(jìn)行了研究。著重分析了 Cd、Cr、Zn、Cu、Ni、Pb的 5種形態(tài)的分布規(guī)律。結(jié)果表明 ,沉積物中 Ni、Zn、Cr有不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象。各種元素的殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)含量均較多,除此外 Cd、Zn、Ni主要以碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)存在,Cu、Pb、Cr主要以有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)存在,只是所占比例不同。Zn與Ni的生物遷移指數(shù)較大,是本地區(qū)河道重金屬污染控制的重點(diǎn)。

太原市;河道沉積物;重金屬;形態(tài)

市區(qū)河道既是排洪通道,又是生活污水的受納體。在管網(wǎng)不全或監(jiān)管欠缺的情形下,也可能成為工業(yè)廢水的排泄通道[1]。隨著時(shí)間的推移,水體污染物尤其是重金屬集中累積于河道沉積物中,具有較強(qiáng)的不可逆性和持續(xù)反應(yīng)性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)河道沉積物中重金屬的污染特征、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等進(jìn)行了一些研究[2-4],但對(duì)于我國(guó)內(nèi)陸半干旱城市河道沉積物的重金屬形態(tài)的分析研究較少。不同的重金屬形態(tài)體現(xiàn)出不同的生物毒性,重金屬形態(tài)分析對(duì)沉積物的無害化處理、資源化利用都具有重要的基礎(chǔ)意義,有利于確定重金屬污染的化學(xué)類型,有助于污泥處理技術(shù)路線的制定。

太原市是典型的半干旱地區(qū)工業(yè)型城市,其工業(yè)企業(yè)的類型廣泛、排污規(guī)律明顯,其市區(qū)河道沉積物的重金屬形態(tài)特征可以代表我國(guó)內(nèi)陸城市同類污染的特征。本文主要對(duì)太原市市區(qū)的七條汾河支流,以及汾河市區(qū)段的河道沉積物重金屬特征進(jìn)行了同期檢測(cè)研究,并對(duì)五種重金屬形態(tài)的潛在生物遷移程度進(jìn)行了分析,旨在為城市河道沉積物的污染防治提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

采集太原市市區(qū)內(nèi)的汾河西部支流 (虎峪河、玉門河、九院沙河、冶峪河)與東部支流 (澗河、北沙河、南沙河),以及汾河主河道的岸邊表層 5～10cm的淤泥沉積物,每個(gè)取樣點(diǎn)采集 3個(gè)間隔2m的不同位置的樣品。對(duì)于各支流,采集其進(jìn)入汾河干流前 10～20m河道岸邊的污泥,汾河主河道采集汾河公園南端長(zhǎng)風(fēng)橋下岸邊污泥。取樣時(shí)段為 2009年冬季至 2010年春季,能夠體現(xiàn)本地區(qū)干旱季節(jié)的河道沉積物特征。本文所列數(shù)據(jù)為各個(gè)季節(jié)的樣品指標(biāo)的平均值。

樣品采集后用潔凈的聚乙烯塑料袋盛裝,排盡空氣避光保存。在實(shí)驗(yàn)室混勻,縮分,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定其各項(xiàng)理化指標(biāo)。再將樣品陰涼平鋪風(fēng)干,除去雜質(zhì)后,用瑪瑙研缽研磨,過篩后備用。污泥重金屬總量測(cè)定前需消解處理。將污泥樣品在聚四氟乙烯坩堝中,經(jīng)過王水-HClO4-HFHClO4-HNO3逐步消解定容,然后對(duì)其各種重金屬元素的總量進(jìn)行測(cè)定。

1.2 樣品的分析

本文對(duì)沉積物樣品的重金屬形態(tài)分析,采取在沉積物研究中廣泛應(yīng)用的 Tessier連續(xù)提取法[5]。此法主要是分步采用有選擇性的浸提液,逐級(jí)提取重金屬元素,可以連續(xù)分析出樣品的離子可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)。其中的殘?jiān)鼞B(tài)含量為重金屬總量減去其他各態(tài)含量的剩余量。各個(gè)河段沉積物的重金屬元素總量見表1。

表 1 沉積物中的重金屬元素總量 (mg/kg)

2 結(jié)果分析

由表 1可以看到,各條河道的沉積物重金屬元素總量差異明顯,大多數(shù)河道沉積物重金屬超標(biāo)不嚴(yán)重。以《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》GB 4284-84的 pH≤6.5限值為判別標(biāo)準(zhǔn),冶峪河河積物中的 Ni超標(biāo) 2.4倍;九院沙河積物中的 Ni超標(biāo) 4.1倍;南沙河積物中的 Zn超標(biāo) 1.1倍,Ni超標(biāo) 3.2倍;北沙河積物中的 Zn超標(biāo) 1.1倍,Ni超標(biāo) 1.8倍;澗河沉積物中的 Cr超標(biāo) 1.4倍,Ni超標(biāo) 3.2倍;玉門河積物中的 Ni超標(biāo) 2.2倍。

由 Tessier連續(xù)提取法得到的五種重金屬形態(tài)含量所占比例顯示,同一金屬在不同河段的形態(tài)分布特征不同,不同金屬在同一河段的形態(tài)分布特點(diǎn)也不同。

對(duì)于 Cd而言,汾河干流、冶峪河、南沙河、虎峪河主要以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài) (29.4%～38.6%)、碳酸鹽結(jié)合態(tài) (29.7%%～31.5%)為主要存在形態(tài);其余河道主要以碳酸鹽結(jié)合態(tài) (29.1%～39.9%)、有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài) (29.5%～33.1%)存在。

對(duì)于 Cr而言,除了北沙河以外,其余河道均以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài) (33.1%～54.9%)作為其主要賦存形態(tài),其次是以 Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)(23.5%～34.7%)存在。北沙河 Cr的 Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)占 34.2%。

對(duì)于 Zn而言,冶峪河、南沙河、虎峪河主要以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài) (28.0%～44.1%)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(28.1%～39.4%)為主要存在形態(tài),汾河干流、玉門河主要以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài) (24.2%～35.3%)、有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài) (26.5%～38.0%)存在,其余河道各有不同的側(cè)重。

對(duì)于 Cu而言,除了虎峪河、玉門河主要以有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài) (42.2%～44.6%)、殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài) (21.4%～25.3%)存在之外,其余河道均以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài) (47.1%～59.2%)、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài) (29.2%～33.9%)為存在主體。

對(duì)于 Ni而言,汾河干流、虎峪河、玉門河的殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài) (40.6%～48.0%)含量較多,其余河道主要以有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài) (38.1%～40.3%)、碳酸鹽結(jié)合態(tài) (32.8%～38.5%)為主。

對(duì)于 Pb而言,冶峪河、南沙河、北沙河主要以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài) (43.1%～59.4%)為主要存在形態(tài),澗河、虎峪河、玉門河主要以 Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)(21.2%～45.2%)與有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài) (33.4%～54.1%)為主要存在形態(tài),其余河道各有不同的側(cè)重。

總的來說,各河段的重金屬形態(tài)中,殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)占了很大的比例,這些殘?jiān)鼞B(tài)重金屬元素主要來源于河道沉積物中的原生底質(zhì)以及上游遷移來的無機(jī)物顆粒。

汾河干流沉積物中的各項(xiàng)重金屬含量除去殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)之外,其余形態(tài)的含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于各條支流河道,說明其重金屬污染物屬于明顯的原生型污染,這間接表明汾河太原段的綜合治理成效顯著,而且太原市各污水廠的低濃度出水匯入河道對(duì)污染物起到了稀釋作用[6]。

在連續(xù)浸提所測(cè)定出的五種重金屬形態(tài)中,離子可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)這三種形態(tài)的化學(xué)穩(wěn)定性較差,易于溶解釋放,易被植物吸收而發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化,對(duì)周圍生態(tài)的潛在危害性比較大。而有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)通常認(rèn)為是較穩(wěn)定的,不易遷移入周邊環(huán)境。

本文將離子可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)的重金屬含量之和與重金屬總量的比值記作“生物遷移指數(shù)”,對(duì)各條河道的生物遷移指數(shù)進(jìn)行計(jì)算匯總于表 2中。表 2中的數(shù)值可作為判別沉積物重金屬可遷移程度的參考值,其中的深色區(qū)域數(shù)字為超過 0.50的值。由表 2可以明顯看到,所研究河段的 Zn與 Ni的生態(tài)潛在危害性比較大,澗河的 Cd與九院沙河的 Pb的生物遷移指數(shù)也超過了 0.50。鑒于很多學(xué)者認(rèn)為Zn并非嚴(yán)重的人體危害性物質(zhì)而且我國(guó)人體普遍缺 Zn,可將 Zn稱作“潛在生態(tài)干擾物”。

表 2 生物遷移指數(shù)匯總表

3 結(jié)論

(1)汾河太原市區(qū)段及其支流河道沉積物的各項(xiàng)理化指標(biāo)處于正常范圍內(nèi),受污染情況較輕,表明太原市河道綜合治理成效較好。

(2)太原市市區(qū)大多數(shù)河道的沉積物重金屬不超標(biāo)或超標(biāo)不嚴(yán)重。以 GB4284-84(pH≤6.5)限值為標(biāo)準(zhǔn),冶峪河、九院沙河、玉門河、澗河、北沙河、南沙河沉積物中的 Ni有不同程度的超標(biāo)(1.8～4.1倍),南沙河、北沙河積物中的 Zn超標(biāo)1.1倍,澗河沉積物中的 Cr超標(biāo) 1.4倍。

(3)各條河道沉積物的不同重金屬元素的形態(tài)分布特征不同。Cd主要以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)為主要存在形態(tài)。Cr主要以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)存在。Zn主要以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)存在。Cu主要以有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)存在。Ni主要以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)、有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在。Pb主要以殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)存在。

(4)所研究河段的 Zn與 Ni的生物遷移指數(shù)較大,其潛在生態(tài)干擾能力較強(qiáng),應(yīng)是本地區(qū)河道沉積物重金屬污染控制的重點(diǎn)。

[1]胡忻,曹密.南京市內(nèi)河道沉積物中重金屬元素形態(tài)及 Pb穩(wěn)定同位素組成 [J].環(huán)境科學(xué)研究,2009,22(4)：398～403.

[2]李蓮芳,曾希柏,李國(guó)學(xué),等.北京市溫榆河沉積物的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(2)：291～297.

[3]利鋒,溫琰茂,朱娉婷.城市污染河道沉積物 AVS與重金屬生物毒性研究[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(8)：1810～1815.

[4]遲海燕,黎榮,趙子良,等.大沽排污河沉積物中重金屬的分布特性研究[J].中國(guó)給水排水,2006,22(6)：102～105.

[5]TessierAW.etal.Sequentialextractionprocedureforthespeciationofparticulatetracemetals[J].AnalChem.1979,51(7)：844～850.

[6]徐明德,李平.汾河太原城區(qū)段的水質(zhì)調(diào)查與分析[J].中國(guó)給水排水,2005,21(4)：102～104.

X830.3/X522

A

1673-288X(2010)06-0008-03

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (2007011064)。

張弛 (1973—),男,山西運(yùn)城人,講師,在讀博士。研究方向：環(huán)境工程。