京郊灌渠水體和底泥中多環(huán)芳烴污染特征*

張敬鎖 周 潔 劉曉霞 劉鳳枝

(1. 北京市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，北京 100029；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測研究所，天津 300191)

京郊灌渠水體和底泥中多環(huán)芳烴污染特征*

張敬鎖1周 潔1劉曉霞1劉鳳枝2

(1. 北京市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，北京100029；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測研究所，天津300191)

以美國環(huán)境保護署(USEPA)公布的16種優(yōu)先控制多環(huán)芳烴(PAHs)作為目標污染物，對通州區(qū)和大興區(qū)灌渠水體和底泥中PAHs種類、濃度進行研究，并進行源解析，以了解京郊灌渠水體和底泥中PAHs的污染現(xiàn)狀和主要污染來源，為農(nóng)業(yè)環(huán)境保護和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。結(jié)果表明：通州區(qū)灌渠水體和底泥中16種PAHs全部檢出，水體和底泥中總PAHs分別為2.19～83.02ng/L、52.61～785.22μg/kg；大興區(qū)灌渠水體中檢出15種PAHs，底泥中檢出13種PAHs，水體和底泥中總PAHs分別為2.72～36.56ng/L、2.69～39.20μg/kg。灌渠水體中以2～3環(huán)PAHs為主，底泥中以4～6環(huán)PAHs為主。

多環(huán)芳烴 種類 濃度 來源 灌渠 京郊

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，大量有毒有害有機污染物排放到環(huán)境中，造成嚴重污染。有機污染物種類繁多，其中，多環(huán)芳烴(PAHs)是一類廣泛存在于環(huán)境中且具有致癌、致畸和致突變作用的持久性有機污染物。雖然環(huán)境中的PAHs濃度較少，但在其生成、遷移、轉(zhuǎn)化和降解的過程中，會通過各種途徑進入人體，威脅人體健康。因此，PAHs的污染問題已引起廣泛關(guān)注。

近年來，國外學(xué)者對沉積物、地面水及大氣顆粒物等環(huán)境介質(zhì)中的PAHs展開了大量調(diào)查和評估研究，為PAHs在水環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和來源等研究奠定了科研基礎(chǔ)[1-2]。我國對PAHs的污染研究處于初級階段，目前大體上只在部分地區(qū)開展大氣中PAHs的監(jiān)測，而對水和沉積物中的PAHs研究主要集中在如長江、黃河及一些海灣和近海海域的水環(huán)境中，對污灌水體研究較少[3-4]。

北京市東南郊(通州區(qū)和大興區(qū))作為老污灌區(qū)，幾十年來一直引用承接北京市生活污水和生產(chǎn)廢水的通惠河、涼水河河水和高碑店污水處理廠的排水進行灌溉，雖然已經(jīng)停止污灌多年，但灌渠底泥中污染物會不斷溶解并釋放到灌渠水體中，進而污染土壤，威脅農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。有關(guān)北京市東南郊污灌區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境污染情況的調(diào)查較多，但調(diào)查對象主要以水、土壤和農(nóng)作物為主，較少涉及灌渠底泥，而檢測項目又以常規(guī)指標和重金屬為主，較少涉及到持久性有機污染物[5-6]。

本研究以美國環(huán)境保護署(USEPA)公布的16種優(yōu)先控制PAHs作為目標污染物，對通州區(qū)和大興區(qū)灌渠內(nèi)水體和底泥中PAHs的種類、濃度進行研究，并對水體和底泥中PAHs污染的來源進行源解析，以了解京郊灌渠水體和底泥中PAHs的污染現(xiàn)狀和主要污染來源，為農(nóng)業(yè)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1采樣點概況

通州區(qū)沿涼水河各灌渠布設(shè)10個采樣點。涼水河水系位于水資源緊缺的北京市南郊、東南郊地區(qū)，在通州區(qū)境內(nèi)的榆林莊閘上游匯入北運河。通州區(qū)處于北京市水網(wǎng)的下游河段，進入通州區(qū)的河水可能受到上游污染的影響，同時通州區(qū)自身也是北京市重要的居民生活區(qū)和工業(yè)區(qū)，區(qū)內(nèi)有多家大型企業(yè)，還含有京通工業(yè)開發(fā)區(qū)等多個新興工業(yè)園區(qū)。

在大興區(qū)南紅門灌區(qū)布設(shè)8個采樣點，主要包括長子營、青云店、采育3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。南紅門灌區(qū)位于大興區(qū)東北部，屬永定河沖積平原。灌區(qū)上段為涼鳳灌渠，下段為北野廠灌渠。由于灌區(qū)持續(xù)干旱、上游來水條件變化等原因，使渠道處于干涸狀態(tài)，現(xiàn)主要利用小紅門污水處理廠處理后的再生水通過涼鳳灌渠向該區(qū)域輸水。

1.2樣品采集

樣品采集、運輸、保存，按照《農(nóng)用水源環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T396—2000)、《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T395—2012)規(guī)定的方法進行。灌渠內(nèi)水體于豐水期、枯水期各采集1次，底泥在枯水期采集，且與水樣同步采集。

其中，枯水期在通州區(qū)采集水樣10個、底泥10個，在大興區(qū)采集水樣8個、底泥5個；豐水期在通州區(qū)采集水樣10個，在大興區(qū)采集水樣8個。通州區(qū)的水樣和底泥分別從布設(shè)的10個采樣點一一采集；大興區(qū)的水樣從布設(shè)的8個采樣點一一采集，采集底泥的1#和2#采樣點與布設(shè)的1#和2#采樣點一一對應(yīng)，而采集底泥的3#、4#和5#采樣點為混合采樣點，分別對應(yīng)布設(shè)的3#與4#、5#與6#、7#與8#采樣點。

1.3檢測項目

2 結(jié)果與分析

2.1常規(guī)指標

通州區(qū)和大興區(qū)灌渠水體的COD、pH、氯化物、石油類和糞大腸菌群等常規(guī)指標分別如表1、表2所示。通州區(qū)5#采樣點由于在枯水期COD>150mg/L，不符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》(GB5084—2005)，其余采樣點均符合GB5084—2005。大興區(qū)除了2#和4#采樣點在枯水期COD>150mg/L，不符合GB5084—2005，其余采樣點均符合GB5084—2005。

2.2灌渠水體中PAHs污染現(xiàn)狀及組成特征

2.2.1水體中PAHs污染現(xiàn)狀

由表3和表4可以看出，通州區(qū)10個采樣點16種PAHs全部檢出。其中，萘、苊烯、芴、菲和苯并[a]蒽的檢出率較高。萘在枯水期和豐水期檢出率均為90%，苊烯在枯水期和豐水期檢出率分別為100%、80%，芴在枯水期和豐水期檢出率分別為90%、70%，菲在枯水期和豐水期檢出率均為100%，苯并[a]蒽在枯水期和豐水期檢出率分別為90%、100%。蒽和苯并[a]芘的檢出率較低，在枯水期分別為10%和30%，在豐水期均未檢出。通州區(qū)各采樣點總PAHs為2.19～83.02 ng/L，PAHs濃度最高點出現(xiàn)在豐水期的2#采樣點，最低點出現(xiàn)在枯水期的7#采樣點。

表1 通州區(qū)灌渠水體的常規(guī)指標

表2 大興區(qū)灌渠水體的常規(guī)指標

表3 枯水期時通州區(qū)灌渠水體中PAHs的種類和質(zhì)量濃度1)

注：1)ND為未檢出，表4至表6、表8、表9同。

表4 豐水期時通州區(qū)灌渠水體中PAHs的種類和質(zhì)量濃度

表5 枯水期時大興區(qū)灌渠水體中PAHs的種類和質(zhì)量濃度

表6 豐水期時大興區(qū)灌渠水體中PAHs的種類和質(zhì)量濃度

由表5和表6可以看出，大興區(qū)8個采樣點除了蒽未檢出外，其余15種PAHs全部檢出。其中，萘、苊烯和苯并[a]蒽的檢出率較高。萘在枯水期和豐水期檢出率均為100%，苊烯在枯水期和豐水期檢出率分別為88%、100%，苯并[a]蒽在枯水期和豐水期檢出率分別為88%、100%。苯并[g,h,i]芘的檢出率較低，在枯水期未檢出，在豐水期檢出率為13%。大興區(qū)各采樣點總PAHs為2.72～36.56 ng/L，濃度最高點出現(xiàn)在豐水期的7#采樣點，最低點出現(xiàn)在豐水期的8#采樣點。

2.2.2 水體PAHs的組成特征

由圖1可以看出，通州區(qū)和大興區(qū)各采樣點的PAHs組成較一致，大體均以低環(huán)(2～3環(huán))PAHs為主，高環(huán)(5～6環(huán))PAHs濃度較低。由表7可以看出，在通州區(qū)枯水期2、3、4、5、6環(huán)PAHs分別占水體總PAHs的42.00%、6.90%、48.30%、2.60%、0.20%。在通州區(qū)豐水期，2、3、4、5、6環(huán)PAHs分別占水體總PAHs的84.20%、11.40%、3.10%、1.30%、0.01%。在大興區(qū)枯水期，2、3、4、5環(huán)PAHs分別占水體總PAHs的77.80%、13.90%、7.00%、1.20%，6環(huán)PAHs未檢出。在大興區(qū)豐水期，2、3、4、5、6環(huán)PAHs分別占水體總PAHs的84.90%、9.90%、3.00%、2.10%、0.03%。

通州區(qū)豐水期、大興區(qū)枯水期和大興區(qū)豐水期的PAHs組成以低環(huán)PAHs為主，其次是中環(huán)(4環(huán))PAHs，高環(huán)PAHs較少，這是由于大分子量PAHs更易向懸浮顆粒物及底泥中遷移，所以水體中的中低環(huán)(2～4環(huán))PAHs濃度相對較高。而通州區(qū)枯水期的1#、4#采樣點中，4環(huán)PAHs濃度較高，導(dǎo)致通州區(qū)枯水期PAHs的組成以中環(huán)PAHs為主，其次是低環(huán)PAHs。研究表明，中高環(huán)(4～6環(huán))PAHs主要來源于化石燃料高溫燃燒與裂解，而低環(huán)PAHs主要來源于石油類產(chǎn)品和化石燃料的不完全燃燒或天然成巖過程[7-8]。通州區(qū)和大興區(qū)灌渠水體中PAHs大體以低環(huán)為主，表明其PAHs污染來源可能主要為石油類產(chǎn)品和化石燃料的不完全燃燒。

2.3 灌渠底泥中PAHs污染現(xiàn)狀及組成特征

2.3.1 底泥中PAHs污染現(xiàn)狀

為了解通州區(qū)和大興區(qū)灌渠底泥中PAHs的污染特征，對枯水期時各采樣點的灌渠底泥進行研究。由表8可以看出，通州區(qū)灌渠底泥中10個采樣點16種PAHs全部檢出，除萘的檢出率較低(30%)外，其余15種PAHs的檢出率均大于90%。各采樣點總PAHs為52.61～785.22 μg/kg。

圖1 通州區(qū)和大興區(qū)灌渠水體中PAHs組成特征Fig.1 Composition characteristics of PAHs in irrigation canal water in Tongzhou District and Daxing District

Table 7 Proportion of PAHs with different rings in irrigation canal water in Tongzhou District and Daxing District %

注：1)比例以質(zhì)量分數(shù)計，表10、表12同。

表8 枯水期時通州區(qū)灌渠底泥中PAHs的種類和質(zhì)量濃度

表9 枯水期時大興區(qū)灌渠底泥中PAHs的種類和質(zhì)量濃度

比較灌渠水體和底泥中的PAHs濃度發(fā)現(xiàn)，底泥中PAHs濃度明顯高于水體(按水密度為1 000 g/L折算)，這是由于PAHs具有較低的水溶性造成的。PAHs隨廢水排放、大氣沉降等途徑進入水體，由于水溶性低和蒸汽壓小等特點，主要吸附在水體懸浮顆粒物上，并隨懸浮顆粒物的沉降在底泥中積累，而底泥中的PAHs由于生化降解速度慢，在底泥中逐漸富集，使底泥中PAHs濃度往往高于水體中幾個乃至幾十個數(shù)量級[9]。

2.3.2 底泥中PAHs組成特征

通州區(qū)和大興區(qū)灌渠底泥中PAHs的組成特征如圖2所示。除了通州區(qū)2#采樣點外，通州區(qū)和大興區(qū)枯水期灌渠底泥中的PAHs主要以4環(huán)PAHs濃度最高，其次是3、5環(huán)PAHs，2、6環(huán)PAHs濃度最低。通州區(qū)和大興區(qū)枯水期各環(huán)數(shù)PAHs的組成比例如表10所示。由表10可以看出，通州區(qū)和大興區(qū)枯水期低環(huán)PAHs分別占總PAHs的32.6%、8.7%，中高環(huán)PAHs分別占總PAHs的67.4%、91.3%。

圖2 通州區(qū)和大興灌區(qū)底泥中PAHs組成特征Fig.2 Composition characteristics of PAHs in irrigation canal sediments in Tongzhou District and Daxing District

研究表明，沉積在底泥中的PAHs會再次釋放進入水體。相較于中高環(huán)的PAHs，低環(huán)PAHs具有相對較高的水溶性和蒸氣壓，因而不易吸附于懸浮顆粒物而更易進入水體[10]。此外，底泥中低環(huán)PAHs如萘、苊、苊烯和蒽等具有相對高的揮發(fā)性，易光解且能迅速降解；而中高環(huán)PAHs卻較難降解，所以底泥中PAHs常常顯示出中高環(huán)PAHs占優(yōu)勢的特征[11]。

表10 通州區(qū)和大興區(qū)灌渠水體中各環(huán)數(shù)PAHs比例

2.4 灌渠水體和底泥中PAHs的來源分析

2.4.1 灌渠水體中PAHs的來源分析

表11 通州區(qū)和大興區(qū)灌渠水體中PAHs來源分析結(jié)果

表12 通州區(qū)和大興區(qū)灌渠底泥中PAHs的來源分析結(jié)果

2.4.2 灌渠底泥中PAHs的來源分析

灌渠底泥中的PAHs可能來源于多種污染源，因此判斷其污染來源存在困難，但通過特征PAHs組分的分析比較可以粗略判斷底泥中PAHs的主要來源。在熱力學(xué)上，芘比熒蒽更穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，熒蒽/芘(質(zhì)量比，下同)<1，表明PAHs主要來源于石油泄漏；熒蒽/芘≥1，則PAHs主要來源于燃燒[17]。由表12可以看出：通州區(qū)灌渠底泥中熒蒽/芘為1.19～1.48，平均值為1.29；大興區(qū)3#、4#采樣點的灌渠底泥中熒蒽/芘分別為1.35、1.78，均大于1。因此，通州區(qū)和大興區(qū)灌渠底泥中PAHs的主要來源為燃燒。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)啄嘀蠵AHs以4～6環(huán)為主時，其主要來自燃燒[18]。大興區(qū)和通州區(qū)在枯水期時灌渠底泥中4～6環(huán)PAHs分別為72.4%±19.2%、95.2%±5.1%，表明燃燒來源所占的比重較大。

3 結(jié) 論

(1) 通州區(qū)10個采樣點的灌渠水體中，16種PAHs全部檢出，各采樣點總PAHs為2.19～83.02ng/L。大興區(qū)8個采樣點的灌渠水體中，除了蒽未檢出外，其余15種PAHs全部檢出，各采樣點PAHs為2.72～36.56ng/L。

(2) 通州區(qū)10個采樣點的灌渠底泥中，16種PAHs全部檢出，除了萘的檢出率較低(30%)外，其余15種PAHs的檢出率均大于90%；各采樣點總PAHs為52.61～785.22μg/kg。大興區(qū)5個采樣點的灌渠底泥中，萘、苊和菲未檢出，其余13種PAHs全部檢出；各采樣點總PAHs為2.69～39.20μg/kg。

(3) 灌渠底泥中PAHs濃度明顯高于灌渠水體。此外，灌渠水體中PAHs以低環(huán)PAHs為主，而灌渠底泥中以中高環(huán)PAHs為主，這可能是由于中高環(huán)PAHs相比低環(huán)PAHs更易向懸浮顆粒物中分配，從而在底泥中積累。

(4) 通州區(qū)灌渠水體中PAHs主要為燃燒產(chǎn)物；大興區(qū)灌渠水體中PAHs也主要為燃燒產(chǎn)物，但受到石油泄漏的影響。對通州區(qū)和大興區(qū)灌渠底泥中的PAHs而言，燃燒來源所占的比重均較大。

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PollutioncharacteristicsofPAHsinwaterandsedimentsofirrigationcanalinsuburbofBeijing

ZHANGJingsuo1,ZHOUJie1,LIUXiaoxia1,LIUFengzhi2.

(1.BeijingMunicipalStationofAgro-EnvironmentalMonitoring,Beijing100029;2.Agro-EnvironmentalProtectionInstitute,MinistryofAgriculture,Tianjin300191)

16 priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) listed by US Environmental Protection Agency (USEPA) were used as the goal pollutant in order to study the species,concentration and the main source of PAHs in water and sediments of irrigation canal in Tongzhou District and Daxing District. This study would not only understand the pollution status and main source of PAHs in water and sediments in suburb of Beijing,but also provide supports for management of agricultural environment and safety of agricultural products. The results showed that 16 PAHs were all detected in water and sediments of irrigation canal in Tongzhou District and their concentrations were in range of 2.19-83.02 ng/L and 52.61-785.22 μg/kg,respectively. Whereas,15 PAHs were detected in water and 13 PAHs in sediments of irrigation canal in Daxing District,and their concentrations were in range of 2.72-36.56 ng/L and 2.69-39.20 μg/kg,respectively. The total PAHs were predominant 2-3 rings in water and 4-6 rings in sediments of irrigation canal.

PAHs; species; concentration; source; irrigation canal; suburb of Beijing

張敬鎖，男，1973年生，碩士，高級工程師，從事農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護工作。

*北京市科技計劃課題專項(No.Z151100001115008)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.003

2016-01-27)