廣州市黑臭河涌底泥污染特征分析與評價

郭 曼, 郭 帥, 李志能

(1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司,云南 昆明 650051;2.重慶大學(xué),重慶 401331;3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

城市黑臭水體對城市居民生活和城市形象具有重要的影響。 目前,城區(qū)河道黑臭問題已成為我國環(huán)境問題關(guān)注的焦點。 底泥作為內(nèi)源污染,是造成河涌黑臭的重要原因之一[1]。 河涌“消除黑臭”是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程[2],除了采取點源截污納管、面源污染治理、生態(tài)修復(fù)等一系列措施外,還需要對河涌的內(nèi)源污染底泥進行妥善處理與處置。 對河道底泥的污染特征進行分析,不僅可以間接反映水體污染情況[3],還可為治理底泥污染的措施決策提供依據(jù)[4]。

廣州市是我國典型的黑臭水體聚集區(qū),城區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布,且大多穿過密集住宅及工業(yè)區(qū),河涌底泥淤積污染嚴(yán)重[5],水體消除黑臭壓力極大。本研究選取廣州市列入省考斷面的重要黑臭河涌及其主要一級支流作為研究對象,對底泥中的總氮、總磷、有機質(zhì)及重金屬污染特征進行分析與評價,為我國城市黑臭水體治理提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

石井河口斷面是廣東省考斷面,石井河流域內(nèi)人口眾多,產(chǎn)業(yè)低端,基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,是全市治理難度最大的流域之一。 本研究選取石井河及其主要的一級支流新市涌、夏茅涌、同德圍涌、棠景沙涌為研究對象,共布置了9 個點位進行采樣,采樣點位置見表1。

表1 河涌底泥采樣點位置

1.2 分析指標(biāo)及方法

底泥檢測分析指標(biāo)包括pH 值、全磷、總氮、有機質(zhì)、水分、總氟化物、氰化物、鉛、鉻、鎘、砷、汞、銅、鋅、鎳、機械組成,共16 項。 分析方法按《土壤理化分析》[6]《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[7]等推薦的方法執(zhí)行,具體分析方法見表2:

表2 河涌底泥分析方法

1.3 底泥污染評價方法

1.3.1 底泥營養(yǎng)鹽評價方法

針對河流底泥污染現(xiàn)狀的評價,目前常用的方法有富集系數(shù)法、有機指數(shù)及有機氮指數(shù)、污染指數(shù)法等[8]。 本研究采用綜合污染指數(shù)評價法對廣州黑臭河涌底泥的總氮(TN)、總磷(TP)、有機質(zhì)(OM) 污染現(xiàn)狀進行評價。 綜合污染指數(shù)法綜合考慮了TN、TP 兩種營養(yǎng)鹽因子,是對TN、TP $污染程度的綜合性評價,相比于其他評價方法更具優(yōu)越性。 該方法的計算公式如下:

式中: Si——單項評價指數(shù),i 代表總氮(TN)指標(biāo)和總磷(TP) 指標(biāo);Si＞1 則表示該項指標(biāo)沉積物的污染物含量超過標(biāo)準(zhǔn)值;Ci——評價指標(biāo)項i 的實測值;Csi——評價因子i 的評價標(biāo)準(zhǔn)值,CSTN=0.067%,CSTP=0.044%;F——n 項污染物污染指數(shù)平均值;Fmax——TP、 TN 中污染指數(shù)最大項值。

綜合污染指數(shù)評價法分級評價標(biāo)準(zhǔn)如表3所示:

表3 底泥營養(yǎng)鹽分級評價標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 泥重金屬評價方法

目前存在許多底泥重金屬污染評價方法,如地質(zhì)累積指數(shù)法(Muller,1979)、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法(Hakanson,1980)、Hilton 等的回歸過量分析法及污染負荷指數(shù)法(Tomlison,1980)[9]。 本研究中底泥重金屬的評價采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法,該方法在考慮重金屬含量的基礎(chǔ)上,綜合考慮了多種重金屬元素協(xié)同作用、毒性水平以及環(huán)境對重金屬污染敏感性等因素。

單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為:

式中: Er,i——重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);RI——多種重金屬的環(huán)境風(fēng)險綜合指數(shù);Tr,i——重金屬i 的毒性響應(yīng)系數(shù)(反映重金屬毒性水平和環(huán)境對重金屬污染的敏感程度);Cf,i——重金屬i 相對于評價參比值的污染指數(shù)。 本研究中的重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)取值采用《廣州市河涌清淤及淤泥處理處置全流程工作指引》(試行) 中余土分類指標(biāo)與限值。 重金屬毒性相應(yīng)系數(shù)及分級評價標(biāo)準(zhǔn)分別見表4、表5。

表4 重金屬毒性相應(yīng)系數(shù)

表5 分級評價標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥營養(yǎng)鹽污染特征分析及評價

2.1.1 底泥TN、TP、OM 污染特征分析

5 條黑臭河涌各采樣點底泥的TN、TP、OM 含量如圖1 ～ 圖3 所示。 底泥中TN 含量范圍為3 020～5 240 mg/kg,平均值為4 429 mg/kg。 根據(jù)EPA8 制定的底泥分類評級標(biāo)準(zhǔn),5 條河涌的9個監(jiān)測點位TN 均大于2 000 mg/kg,屬于重度污染。

底泥中TP 含量范圍為810 ～2 660 mg/kg,平均值為1 528 mg/kg。 根據(jù)EPA 制定的底泥分類評級標(biāo)準(zhǔn),5 條河涌的9 個監(jiān)測點位TP 均大于650 mg/kg,屬于重度污染。

底泥中OM 含量范圍為5.46～163 g/kg,平均值為62.3 g/kg,表明5 條河涌的9 個監(jiān)測點位底泥有機質(zhì)污染較為突出。 同時,其變化特征與TN、TP 有較好的同步性。

圖1 底泥總氮含量

圖2 底泥總磷含量

圖3 底泥OM 含量

綜上,5 條河涌均為TN、TP 重度污染河涌。分析其原因,一方面是由于石井河流域為城中村、居住小區(qū)等主要密集區(qū)域,源頭污水收集系統(tǒng)未全覆蓋,生活污水多以直排、雨污合流或錯混接的形式進入水體,造成水質(zhì)污染;另一方面,城中村、老舊小區(qū)垃圾配套設(shè)施不足,部分生活垃圾隨處堆放,尤其是路邊飲食區(qū),晴天居民丟棄的垃圾和餐飲垃圾、餐飲用水是城市面源污染的主要來源,該部分污染隨著初雨進入水體,對河涌水質(zhì)造成影響。 進入河涌的氮、磷及有機質(zhì)污染物常年積累,造成河涌底泥TN、TP 重度污染。 水體中的N、P 污染容易造成水體富營養(yǎng)化,影響水生動植物的生存,污染水體也將間接對人體健康產(chǎn)生影響,同時對生態(tài)安全造成威脅[10]。

2.1.2 底泥營養(yǎng)鹽污染評價

廣州黑臭河涌底泥營養(yǎng)鹽綜合污染指數(shù)計算結(jié)果如表6 所示。 根據(jù)計算結(jié)果可知,5 條河涌的TN 評價指數(shù)介于4.51 ～7.82,均大于2.0,屬于重度污染;TP 評價指數(shù)介于1.84 ～6.05,均大于1.5,屬于重度污染;綜合污染指數(shù)介于4.01 ～7.39,均大于2.0,屬于重度污染。 表明5 條河涌底泥中營養(yǎng)鹽富集,水體氮磷污染非常嚴(yán)重。

表6 底泥營養(yǎng)鹽評價結(jié)果

2.2 底泥重金屬污染特征分析及評價

2.2.1 底泥重金屬污染特征分析

廣州黑臭河涌底泥重金屬含量的描述性統(tǒng)計結(jié)果如表7 所示。 參考廣州土壤重金屬背景值[11],黑臭河涌底泥中重金屬Cu、Zn 超標(biāo)最嚴(yán)重,平均值的超標(biāo)倍數(shù)分別為6.8 倍、5.8 倍;Ni、Cr 次之,平均值的超標(biāo)倍數(shù)分別為1.5 倍、0.6 倍。Cu、Zn、Ni 這3 種重金屬在所有采樣點位均超標(biāo),Cr 超標(biāo)點位占比為88.95%,Pb 超標(biāo)點位占比為55.6%。 根據(jù)Wilding 對變異程度的分類,一般變異系數(shù)大于36%的為高度變異,在16%～35%之間的為中等變異,小于15%的為小變異[12]。 由此可知Zn、Cu、Cr 為高度變異,表明這3 種重金屬可能存在點源污染或面源污染,同時受外界人為活動干擾比較顯著[13],含量上具有較大的空間分異性;Ni 和Pb 為中等變異。

表7 底泥重金屬描述性統(tǒng)計結(jié)果

2.2.2 底泥重金屬污染評價

底泥重金屬污染評價結(jié)果見表8。 由評價結(jié)果可知,各采樣點單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分別如下:Zn:0.3～1.65,Cu:0.59 ～5.19,Ni:0.55 ～1.60,Cr:0.25 ～0.85,Pb:0.26 ～0.64,均遠遠小于40,為低風(fēng)險等級。 各采樣點多種重金屬環(huán)境風(fēng)險綜合指數(shù)為2.24 ～9.81,遠遠小于150,為低風(fēng)險等級。 表明5 條黑臭河涌的重金屬污染程度較輕,其原因是流域內(nèi)大多為密集居住區(qū),工業(yè)活動較少。

3 結(jié)論

(1) 廣州市城區(qū)黑臭河涌底泥中TN、TP、OM含量范圍為3 020～5 240 mg/kg、810～2 660 mg/kg、5.46～163 g/kg,屬于TN、TP 重度污染,有機質(zhì)污染顯著。 采用底泥營養(yǎng)鹽綜合污染指數(shù)進行評價,結(jié)果表明河涌底泥中營養(yǎng)鹽富集,水體氮磷為重度污染。

表8 底泥重金屬污染評價結(jié)果

(2) 黑臭河涌底泥中重金屬Cu、Zn 超標(biāo)最嚴(yán)重,Ni、Cr 次之;Zn、Cu、Cr 為高度變異,可能存在點源污染或面源污染,同時受外界人為活動干擾比較顯著。 采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法進行評價,結(jié)果表明所有采樣點重金屬單項及綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均為低風(fēng)險等級,黑臭河涌的重金屬污染程度較輕。

(3) 廣州黑臭河涌河道底泥有機污染更為突出,底泥重金屬含量低于園林綠化用土污染風(fēng)險篩選值,生態(tài)環(huán)境風(fēng)險較低。 清淤后底泥經(jīng)處理后可進行資源化利用,用于園林綠化。