佛山汾江河底質(zhì)重金屬污染及其潛在生態(tài)危害評價

羅 美,黃金福

(1.廣東省深圳市環(huán)境保護監(jiān)測中心站,廣東深圳518049;2.新意電子科技有限公司,廣東廣州510620)

1 引言

汾江河是佛山市的母親河,全長13.4km。隨著佛山市經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,城市人口的急劇增多,汾江河兩岸的工業(yè)發(fā)展,印染、塑料、陶瓷、洗滌類和造紙等工業(yè)廢水排入,嚴(yán)重污染了河道。水體沉積物既是重金屬污染物的匯集地,又是對水質(zhì)有潛在影響的次生污染源。重金屬污染物進入水體后能較快地轉(zhuǎn)移至沉積物和懸浮物中,結(jié)合了重金屬的懸浮物在被水流搬運過程中,當(dāng)其負(fù)荷量超過搬運能力時,便逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e物。沉積物中重金屬得到積累,表現(xiàn)出明顯的分布規(guī)律性。河流重金屬Cr、Cu、Zn、Pb、As、Hg和Cd 的污染存在一定的潛在生態(tài)危害,由于其可以在動、植物中積累,并通過食物鏈從而危害人類的食物安全。為了解汾江河河道污染的狀況,以及周邊環(huán)境對河道造成的影響,對汾江河底質(zhì)(沉積物)重金屬 Cr、Cu 、Zn、Pb 、As、Hg 和 Cd的總體水平進行了監(jiān)測與分析,本文根據(jù)底質(zhì)中重金屬的含量,運用瑞典科學(xué)家LarsHakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法,對其潛在生態(tài)危害進行了分析。

2 調(diào)查方法與監(jiān)測分析

汾江河又名佛山水道,西起佛山沙口,橫貫市區(qū)北部,到南海平洲沙尾橋,進入東平水道。全年的平均流量是103m3/s,但枯水期只有5～6m3/s[1]。流經(jīng)佛山市區(qū)、南海、廣州3地,從東到西流經(jīng)佛山境內(nèi)、桂城、平洲、大瀝、鹽部等6個區(qū)鎮(zhèn)?，F(xiàn)在調(diào)查的主要是佛山城區(qū)的河段底質(zhì)重金屬的總體水平。通過現(xiàn)場的采樣處理和底質(zhì)樣品試驗分析,計算其重金屬的質(zhì)量比,從而了解河道的重金屬污染狀況。

2.1 底質(zhì)樣品的采集和前處理

底質(zhì)指江、河、湖、庫、海等水體底部表面沉積物質(zhì),它反映了河流的歷史和污染現(xiàn)狀。經(jīng)過調(diào)查研究,根據(jù)汾江河河流特點和沿河兩岸的廠區(qū)布局,沿岸支涌和閘門分布情況,沿河道分別在羅沙、街邊和橫滘布設(shè)3個采樣斷面,羅沙屬于河道上游,河道較為寬闊,街邊在中游位置,河道較直且窄,下游的橫窖是典型的淤積區(qū)域,并在各采樣斷面分左、中、右布點,采用抓斗式采樣器對汾江河河道的表層(0～20cm)沉積物進行了采樣。

在現(xiàn)場采樣時,把采集的樣品分存于雙層洗凈聚乙烯袋中,編號、貼好標(biāo)簽運回室內(nèi),冷藏保存。做試驗時,剔除礫石、木屑及貝殼、雜草等動植物殘體,用玻璃棒將自然風(fēng)干的沉積物輕輕壓碎,首先用20目尼龍網(wǎng)篩去掉粗沙粒和大塊泥土,然后用四分法四分底質(zhì)樣品,取其中一份研磨成粉末樣,再過100(80)目尼龍網(wǎng)篩,稱取篩后的粉末樣[2]。

2.2 分析項目和分析方法

底質(zhì)樣品分析項目為 Cr、Cu 、Zn 、Pb 、As、Hg和Cd7種元素,測定其含量。

2.3 底質(zhì)樣品的分解(全分解方法)

底質(zhì)樣品的測定,其主要的影響因素是樣品是否消解的完全和所用的測試方法正確與否。測定Cu、Pb、Zn、Cd的消解運用的是HCl-HNO-3HFHClO4分解法,而測定汞的是硫硝混酸-KMnO4消解法,測砷的是硝酸——鹽酸——高氯酸消解法。樣品的消解是測定的前期工作,關(guān)系到最后的試驗結(jié)果,因而其的操作方法與步驟尤其重要,并要注意使用試劑安全。

2.4 試驗方法原理與計算

經(jīng)過完全消解的底質(zhì)樣品,加入試劑和簡單的再處理方可以進行樣品試驗。同時,各個的測定項目都要求重新配制標(biāo)準(zhǔn)溶液,在試驗中繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。不同的測定項目,運用其最優(yōu)的測定方法,測定Cd元素,使用石墨爐原子吸收法,測定As和Hg運用原子熒光法,而測定Cr、Cu、Pb、Zn運用的是火焰原子吸收分光光度法。所有的測定項目元素都帶有國家標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗,保證試驗的準(zhǔn)度。

3 底質(zhì)重金屬污染評價

3.1 評價方法和原理

這里選用瑞典科學(xué)家Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行評價。某一區(qū)域沉積物中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eri及沉積物中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI表示方法為：潛在生態(tài)危害指數(shù)法[3]。

瑞典科學(xué)家Hakanson提出的評價沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)法是一種相對快速、簡便和標(biāo)準(zhǔn)的方法,通過測定沉積物中主要重金屬的含量,計算污染系數(shù)及生態(tài)危害指數(shù),考慮到影響污染的各方面,潛在生態(tài)危害指數(shù)受下列因素的控制和影響,包括表層沉積物中重金屬的濃度,即RI值應(yīng)隨表層金屬污染程度的加重而增大;重金屬污染物的種類,即受多種重金屬污染的RI值應(yīng)高于只受少數(shù)幾種重金屬污染的RI值;重金屬的毒性水平,即毒性高的重金屬應(yīng)比毒性低的對RI值有較大貢獻;水體對重金屬污染的敏感性,即對重金屬污染敏感性大的水體應(yīng)比敏感性小的水體有較高的RI值。

3.2 計算原理

(1)第i種重金屬污染系數(shù)。

式中Cfi為第i種重金屬的富集系數(shù)(Cfi=Csi/Cni);Csi為表層沉積物重金屬i濃度的實測值;Cni為計算所需的參照值,參照值采用工業(yè)化以前沉積物中重金屬的最高背景值。

(2)沉積物重金屬污染程度Cd值是多種重金屬污染系數(shù)之和,公式為：

(3)潛在生態(tài)危害系數(shù)。

Eri為某一重金屬元素的潛在危害生態(tài)系數(shù);Tri為重金屬i的毒性系數(shù),它主要反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度,各種重金屬的 Tri值為：PCB和 Hg=40;Cd=30;As=10;Pb和Cu=5;Cr=2;Zn=1。

(4)潛在生態(tài)危害指數(shù)。RI為潛在生態(tài)危害指數(shù)。沉積物重金屬污染生態(tài)危害系數(shù)和指數(shù)與污染程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)列于表1。

表1 沉積物重金屬污染生態(tài)危害指數(shù)法污染程度的劃分

3.3 各類參數(shù)的確定

河流底質(zhì)中重金屬的濃度值取本次采樣的實測值。

3.3.1 背景參比值的選擇

目前研究中對參比值的選擇差異較大,有的以頁巖平均重金屬含量值作為全球統(tǒng)一的沉積物重金屬參比值;有的以當(dāng)?shù)爻练e物的重金屬背景值為參比值,Hakanson提出以工業(yè)化以前全球沉積物重金屬的最高背景值為參比值。

本文評價采用當(dāng)?shù)刈罡弑尘爸?1992年水利部組織的全國地表水沉積物背景值調(diào)查結(jié)果)為參比值[4],相對定量性地反映沉積物重金屬的污染程度,見表2。

表2 背景參比值 mg/kg

3.3.2 重金屬毒性系數(shù)

本研究選擇的主要重金屬為 Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn。重金屬的毒性表現(xiàn)為對人體和對水生生態(tài)系統(tǒng)兩方面的風(fēng)險,風(fēng)險途徑為水——底質(zhì)(沉積物)——生物——魚——人體。根據(jù) Hakanson提出的“元素豐度原則”和“元素釋放度”,某一重金屬元素的潛在生態(tài)毒性與其豐度成反比,與其稀少度成正比,亦即與“元素的釋放度”(在水中含量與沉積物中含量的比值)有關(guān),易于釋放者其對生物的潛在毒性較大。經(jīng)過對一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理,上述7種重金屬的毒性水平順序為Hg＞Cd＞As＞Pb=Cu＞Cr＞Zn,重金屬毒性系數(shù) Tri值為 Hg=40,Cd=30,As=10,Pb=Cu=5,Cr=2,Zn=1。

3.3.3 沉積物重金屬污染系數(shù)分析

Hakanson提出的污染程度參數(shù)Cd和生態(tài)危害指數(shù)RI的劃分是基于8個參數(shù)(PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr和 Zn),本次評價參數(shù)不含PCB 。因此,根據(jù)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的控制因素,調(diào)整后的Cd、RI值劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 本次沉積物重金屬污染潛在生態(tài)危害指數(shù)法的劃分

Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法不僅反映了某一特定環(huán)境中的每一種受污染物的影響,而且也反映了多種污染物的綜合影響,并且用定量的方法劃分出潛在生態(tài)危害的程度,是目前研究沉積物重金屬污染評價中應(yīng)用最廣的一種,在國際上具有深刻的影響。

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 重金屬污染物程度及分布

汾江河底質(zhì)(沉積物)重金屬以當(dāng)?shù)刈罡弑尘爸禐閰⒈戎涤嬎愕膯雾椢廴鞠禂?shù)Cif和多項污染系數(shù)Cd列于表4。從表7可見,單項污染系數(shù)Cif≥6 的重金屬有 Zn 、Cd、Cu 、Cr,其中Zn、Cd 在各個采樣點的值都超出了單項污染系數(shù)Cif“6”,且有些數(shù)值較高,將近4倍之多;而Cu也只有S8=3.46沒有超出外,其他的值都大于“6”;相對來說,Cr的Cif≥6只有S7和S2。3≤Cif＜6的重金屬為As、Cr 、Cu 、Pb;1≤Cif＜3的重金屬為 Pb、As、Cr、Hg;Cif＜1的重金屬為Hg。多項污染系數(shù)Cd≥28為各個采樣斷面,由此可知道,汾江河段的污染指數(shù)很高。

表4 按當(dāng)?shù)刈罡弑尘爸禐閰⒈戎涤嬎愕膯雾椢廴鞠禂?shù)Cif和多項污染系數(shù)Cd

評價結(jié)果表明,汾江河段重金屬的污染都在“很高”。監(jiān)測斷面最大值出現(xiàn)在橫滘的 S2點,為78.83,原因是橫滘處于汾江河的下游,其積污量更大;第2大污染系數(shù)值是羅沙斷面的S7,主要原因是羅沙兩岸的工業(yè)廠房的排污口的直接排放,且得不到的上游東平河的水源充足補給;總體水平來說,橫滘、街邊和羅沙3個斷面各個監(jiān)測點的Zn、Cd、Cu、Cr的污染系數(shù)均為“高”。沿程分布無明顯下降趨勢,重金屬污染順序為Cd＞Zn＞Cu＞Cr＞As＞Pb＞Hg。

4.2 表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害評價

汾江河底質(zhì)(表層沉積物)重金屬單項潛在生態(tài)危害系數(shù)(Eri)和潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)及排序結(jié)果列于表5、表6和圖1?？梢钥闯?單項潛在生態(tài)危害系數(shù)Eri≥320的重金屬有Cd,主要出現(xiàn)在羅沙斷面和S3、S6兩個采樣點;160≤Eri＜320的為Cd,各個采樣點的值都大于200;80≤Eri＜160的主要為Cu、Hg;40≤Eri＜80的主要為 As、Hg、Cu;Eri＜40 的為 As、Cu、Cr、Pb、Zn。3個河流監(jiān)測斷面的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI都是大于380,最大值是橫滘的S2為611.7,其次是羅沙的S7監(jiān)測采樣點。

圖1 河流斷面各點RI分布

評價的結(jié)果是汾江河河河道9個監(jiān)測點都具有“極高”的潛在生態(tài)風(fēng)險,Cd屬于很“極高”的潛在生態(tài)危害,Hg、Cu屬于“中等”的潛在生態(tài)危害,As、Cr、Pb、Zn屬于輕微風(fēng)險。

表5 汾江河底質(zhì)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eri和潛在生態(tài)危害指數(shù)RI

綜合分析汾江河河段各個斷面的底質(zhì)(沉積物)重金屬的單項污染系數(shù)Cif、多項污染系數(shù)Cd、單項潛在生態(tài)危害系數(shù)Eri和潛在生態(tài)危害指數(shù)RI,汾江河受到了較為嚴(yán)重的污染。污染最嚴(yán)重的是Cd 、Cu,其次是 Hg 、As、Pb,Zn 與 Cr相對污染較輕。

5 結(jié)語

采用Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法,以當(dāng)?shù)刈罡弑尘爸禐閰⒈戎?對汾江河底質(zhì)的重金屬污染總體水平進行了評價,結(jié)果表明汾江河河段各監(jiān)測斷面的底質(zhì)都受到重金屬的極強的污染,具有很高的潛在生態(tài)危害,橫滘、羅沙的河段重金屬污染較為嚴(yán)重。污染最嚴(yán)重的重金屬元素是Cd、Cu,其次是Hg、As、Pb,Zn與Cr相對污染較輕,已經(jīng)對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響,尤其是鎘。然而,其具體的來源還需探討。污染元素Cd、Cu沿程分布無明顯下降趨勢,可能與沿岸的工業(yè)、廠房布局和河流水文條件、流量等相關(guān),有待今后進一步研究。

表6 汾江河底質(zhì)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)排序

(1)減少外源性重金屬的進入。要大力控制污水中重金屬的排放,盡可能建立污水處理廠或是廢水再生回用工程。

(2)對嚴(yán)重污染的底泥的治理。對上底泥疏浚,并填入清潔泥沙或碎石,可以有力地抑制底泥對河水的二次污染,若用具有吸附功能的粘土作為鋪填物,則有望進一步改善水質(zhì),或是建造引水稀污工程,這主要是上游與東平河相連設(shè)置的水閘需要定期補充一定的水量,用以沖稀污染物。

(3)進行水體生態(tài)修復(fù)與重建。有必要栽培一些耐性較強且速生的植物,萃取水體沉積物底泥中的重金屬。合理規(guī)劃沿岸土地利用,整治排污源,減少重金屬污染的來源。使經(jīng)濟建設(shè),人口增長,污染治理與水環(huán)境保護同步進行,建設(shè)和諧、共進的社會。

[1]利 鋒,韋獻革,余光輝,等.佛山水道底泥重金屬污染調(diào)查[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù),2006,18(4)：12～14.

[2]何燧源.環(huán)境污染物分析監(jiān)測[M].北京：環(huán)境科學(xué)與工程出版中心,2001.

[3]石浚哲,劉光玉.太湖沉積物重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險性評價[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù),2001,13(3)：24～26.

[4]水利部水質(zhì)試驗研究中心.全國地表水沉積物背景值調(diào)查報告[R].北京：中國水利水電科學(xué)研究院,1992.