基于生物炭及活性炭沉積物原位修復過程生物毒性變化研究

劉 冬,尹 然,單相斐

(1.北京中科乾和環(huán)保科技服務有限公司,北京 100085; 2.清華大學附屬中學,北京 100084)

近年來,隨著工業(yè)和農業(yè)的快速發(fā)展,湖泊生態(tài)系統中重金屬污染程度也日益嚴峻[1-4]。盡管湖泊生態(tài)系統通過物理、化學和生物作用過程可以對重金屬等有毒污染物進行吸收、固定和轉化,但當湖泊生態(tài)系統遭受嚴重的污染并超過其承受能力,重金屬將從懸浮物或沉積物中重新釋放,形成二次污染,甚至通過食物網產生生物放大效應[5-7],對生態(tài)系統產生毒性效應,威脅生態(tài)系統和人類的健康[8]。因此,湖泊生態(tài)系統的生物毒性的研究具有重要意義,已引起國內外學者的廣泛關注[9]。

目前我國針對污染的沉積物所采取的措施仍然以異位修復為主,采用人力+機械對水體的沉積物進行清除和外運,然而清淤的風險沒有經過科學的論證與評估,尤其是清淤過后造成的污染物釋放,不僅再次污染水體,同時加重了水體生物毒性[10-12]。因此在清淤后迅速對沉積物進行原位覆蓋成為了一種新型的異位+原位沉積物治理技術,以快速吸附釋放的污染物,降低生物毒性。

研究以白洋淀為試驗場地,通過模擬異位+原位處理沉積物過程,探究生物炭與活性炭不同鋪灑厚度對疏浚后的生物毒性的影響,為底棲生境修復提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

白洋淀位于保定市東40 km,38°43′～39°02′N,115°38′～116°07′E[13],是華北平原最大的淡水淺湖型濕地[14],平均水深約2.5 m,淀區(qū)地勢自西北向東南傾斜,屬于海河流域大清河水系,流域面積3.1 萬km2。白洋淀淀區(qū)總面積約366 km2,東西長39.5 km,南北寬28.5 km,主要由淡水湖和草本沼澤濕地組成,多年平均水域面積約占41%。淀內主要由白洋淀、馬棚淀、燒車淀、藻雜淀等大小不等的143 個淀泊和3 700條溝壕組成,淀內村落39個[15]。淀區(qū)地貌景觀以水體為主,水域間有葦田、臺地、村莊,三者交錯相間構成獨特景觀。淀區(qū)水質污染以營養(yǎng)鹽為主,NH4+-N 和TN是主要污染物,水質長期處于Ⅳ類以下,淀區(qū)生態(tài)系統功能逐步退化,向藻型湖泊演化的進程加快,沼澤化的趨勢明顯。以蘆葦植被為特征的水陸交錯帶約占36%,主要由蘆葦群落、葦地間小溝以及淺水區(qū)組成,葦地和水面的面積之比約為1∶3.5[16]。研究實驗場地位置見圖1。

圖1 北田莊場地實驗區(qū)域位置示意圖Fig.1 Location of the Beitianzhuang Town experimental area

1.2 場地實驗設計

(1) 生物炭材料含量/厚度 生物炭含量是生物炭沉積物修復的一個重要參數,主要通過生物炭與沉積物混勻層的質量比來體現。考慮到底棲生物與微生物的主要活動區(qū)域為沉積物上表層10 cm區(qū)域,所以混勻層厚度盡量控制在10 cm以內。厚度分為薄(2～4 cm)和厚(6～8 cm)。

實驗所使用碳源包括自行生產的生物質炭和活性炭,為保證碳鋪撒后能夠快速沉降,選用的碳均為高濕度碳(濕度大于30%)。

實驗所用的生物炭以破碎毛竹為原料,在500 ℃的條件下加熱3 h后制得。 毛竹是我國竹類植物最重要的品種,在我國約有毛竹3.868 3萬km2,占竹林面積的71.89%,因此,選取毛竹為原料具有廣泛的原料來源、經濟的原料價格。

(2) 場地選擇 場地實驗地沉積物氮磷,重金屬污染通過前期摸底調查污染較重?？紤]到現場施工要求,盡量選擇水深在1.5～2.0 m的沿岸地帶,沉積物較厚、淀區(qū)代表性較強的區(qū)域。

實驗場地選擇在北田莊附近,具體位置根據圍隔布設情況選定,實驗選擇區(qū)域應滿足水深在1.5～2.0 m,沉積物厚度較為均一,為氮磷重金屬復合污染區(qū)域。

(3) 圍隔布設與工作平臺搭建 考慮到實驗的可行性,擬采用橫排式布設方式,以便于實驗操作?？紤]到在冰面操作的安全性,實驗在圍隔外(包括圍隔間)設置工作平臺,圍隔內部(1.5 m處)鋪設寬度約為30 cm的工作連廊,其中B-1為原始對照,即未經任何處理;B-2為實驗對照,即只攪動鋪設木炭;B-B為生物質炭實驗鋪設一區(qū),厚度為2～4 cm;B-H為生物質炭實驗鋪設二區(qū),厚度為6～8 cm;AC-B為活性炭實驗鋪設區(qū)一區(qū),厚度為2～4 cm;AC-H為活性炭實驗鋪設二區(qū),厚度為6～8 cm。

(4) 碳鋪撒方式 施加方式采用研發(fā)的方格式鋪灑裝置,每個裝置規(guī)格為3×1 m,鋪灑裝置由10×10 cm鋪灑小格組成,由于此裝置為首次研發(fā)使用,需提前到白洋淀驗證實驗裝置的可行性。

4個實驗圍隔,每個鋪裝規(guī)格為3×1 m,共需要12個鋪裝。由于最大鋪裝碳量高達75 kg,結合冰面的承重能力選擇在冰面將碳鋪裝好或者在陸地事先鋪裝碳。

1.3 樣品采集與處理

首先對場地實驗的6個圍隔進行破冰處理,在生物炭與活性炭同時落入水中后開始利用有機玻璃定深采水器采集圍隔內上、中、下層水樣200 mL,樣品采集后用車載冰箱4 ℃冷藏并立即帶回實驗室。同時每次采樣前用YSI便攜式水質儀(YSI ProPlus)測定采樣點相同位置水體理化性質,包括溫度(T)、pH、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、電導率(COND)。

上覆水采集時間順序:0 min、1 min、30 min、1 h、2 h、3 h、5 h、7 h、12 h、18 h、24 h、32 h、40 h、48 h、56 h、64 h、7 d、15 d、20 d、40 d。

1.4 樣品分析

研究對上覆水及孔隙水進行了發(fā)光細菌急性毒性分析,實驗采用柱狀管,垂向采集樣品。沉積物取表層10 cm且每1 cm分一層,同時進行孔隙水抽取,表層水5 cm一層進行發(fā)光細菌實驗分析,并通過抑光率進行毒性分析。

1.5 毒性評估方法

測試利用已被廣泛應用于環(huán)保領域毒性測試的發(fā)光細菌的生物學特性[17]:在正常的生理條件下,發(fā)出490 nm藍綠色可見光。這種發(fā)光現象為細菌代謝的結果,是呼吸鏈上的一個側支[18]。當細菌接觸干擾和損害其新陳代謝的有毒有害物質時,細菌發(fā)光強度下降甚至熄滅[19]。根據細菌發(fā)光強度的變化,確定被測物質的綜合毒性強弱[20]。

表1 毒性分級評價標準

2 結果與分析

2.1 上層水發(fā)光細菌毒性結果分析

上層水不同時間批次采樣的生物毒性變化見圖2,由圖2可知,1號圍隔空白樣品穩(wěn)定在30%左右的抑光率,屬于中等毒性,即為實驗區(qū)現狀的上層水毒性狀況。2號圍隔內沉積物攪拌后,毒性降低,屬于低毒性。3、4號圍隔中添加生物炭,處于中等毒性等級。5、6號圍隔中添加了活性炭,也處于中等毒性等級。加入生物炭的3、4號圍隔,起初階段上層水毒性高于空白,主要原因是生物炭粉末對發(fā)光細菌產生影響,隨著生物炭的沉降,毒性慢慢降低,逐步低于空白區(qū)毒性,這是因為生物炭的吸附作用。5、6號圍隔為活性炭,對于上層水的作用與生物炭相似。

2.2 中層水發(fā)光細菌毒性結果分析

中層水不同時間批次采樣的生物毒性變化見圖3,由圖3可知,1號圍隔空白樣品穩(wěn)定在30%左右的抑光率,屬于中等毒性,與上層水保持一致。2號圍隔內沉積物攪拌后,中層水毒性同樣降低,處于低毒性等級。3、4號圍隔加生物炭,處于中等毒性等級,且4號圍隔部分樣點毒性超過了中等毒性等級。5、6號圍隔中添加了活性炭,5號處于中等毒性等級,6號前期處于低毒性等級,后期又升到中等毒性。

圖2 上層水毒性分布Fig.2 Distribution of toxicity of water in upper level

圖3 中層水毒性分布Fig.3 Distribution of toxicity of water in middle level

加入生物炭的3、4號圍隔,起初階段中層水毒性高于空白,這是由于生物炭粉末對發(fā)光細菌產生影響,隨著生物炭的沉降,毒性慢慢降低,逐步低于空白區(qū)毒性,這是因為生物炭的吸附作用,且4號區(qū)域投加較多生物炭,其作用明顯高于3號區(qū)域。

5、6號圍隔為活性炭,5號區(qū)域的毒性變化與空白區(qū)域相近,6號區(qū)域在初始階段毒性去除效果較好,隨著活性炭的沉降,效果逐步降低,其原因是該階段活性炭的主要作用為吸附作用,沉降后失去了對上覆水污染物的吸附。

2.3 下層水發(fā)光細菌毒性結果分析

下層水不同時間批次采樣的生物毒性變化見圖4,從圖4可知,1號圍隔空白樣品穩(wěn)定在30%左右的抑光率,屬于中等毒性,與上層水和中層水保持一致。2號圍隔內沉積物攪拌后,毒性降低,屬于低毒性,部分樣點屬于輕微毒性。3、4號圍隔加生物炭,處于中等毒性等級,有先升高后降低的趨勢。5、6號圍隔中添加了活性炭,處于中等毒性。

圖4 下層水毒性分布Fig.4 Distribution of toxicity of water in lower level

針對下層水,3、4號生物炭區(qū)域在實驗的后段起到了較強的作用,毒性有較明顯的降低。活性炭區(qū)域后段效果不明顯。同時3、5號區(qū)域以及4、6號區(qū)域在實驗的前階段效果相似,該階段主要作用由物理過程決定,與投加炭的量相關。后期階段生物炭對下層水毒性降解效果明顯,主要是因為生物炭為生態(tài)友好型材料,能與環(huán)境很好地融合,不影響自然生態(tài)環(huán)境。

3 結論

總體來看,該區(qū)域上覆水現狀為中等毒性,且上中下3層保持一致。同時經過攪拌后上中下3層水的毒性均較低至低毒性等級。主要原因為沉積顆粒物將上覆水中的部分有毒污染物進行了吸附,導致上覆水中的毒性降低。生物炭與活性炭在實驗的前期其效果與投入的量呈正相關,這是因為前期為物理作用。后期生物炭對上覆水尤其是下層上覆水毒性去除效果明顯,這是因為生物炭的生態(tài)友好性。實驗表明生物炭的作用效果持久且在下沉后毒性去除效果明顯。研究為生物炭和活性炭對自然水體的毒性吸附作用效果提供一定幫助。