佛山汾江河底质重金属污染及其潜在生态危害评价

罗 美,黄金福

(1.广东省深圳市环境保护监测中心站,广东深圳518049;2.新意电子科技有限公司,广东广州510620)

1 引言

汾江河是佛山市的母亲河,全长13.4km。随着佛山市经济的迅猛发展,城市人口的急剧增多,汾江河两岸的工业发展,印染、塑料、陶瓷、洗涤类和造纸等工业废水排入,严重污染了河道。水体沉积物既是重金属污染物的汇集地,又是对水质有潜在影响的次生污染源。重金属污染物进入水体后能较快地转移至沉积物和悬浮物中,结合了重金属的悬浮物在被水流搬运过程中,当其负荷量超过搬运能力时,便逐步转变为沉积物。沉积物中重金属得到积累,表现出明显的分布规律性。河流重金属Cr、Cu、Zn、Pb、As、Hg和Cd 的污染存在一定的潜在生态危害,由于其可以在动、植物中积累,并通过食物链从而危害人类的食物安全。为了解汾江河河道污染的状况,以及周边环境对河道造成的影响,对汾江河底质(沉积物)重金属 Cr、Cu 、Zn、Pb 、As、Hg 和 Cd的总体水平进行了监测与分析,本文根据底质中重金属的含量,运用瑞典科学家LarsHakanson潜在生态危害指数法,对其潜在生态危害进行了分析。

2 调查方法与监测分析

汾江河又名佛山水道,西起佛山沙口,横贯市区北部,到南海平洲沙尾桥,进入东平水道。全年的平均流量是103m3/s,但枯水期只有5～6m3/s[1]。流经佛山市区、南海、广州3地,从东到西流经佛山境内、桂城、平洲、大沥、盐部等6个区镇。现在调查的主要是佛山城区的河段底质重金属的总体水平。通过现场的采样处理和底质样品试验分析,计算其重金属的质量比,从而了解河道的重金属污染状况。

2.1 底质样品的采集和前处理

底质指江、河、湖、库、海等水体底部表面沉积物质,它反映了河流的历史和污染现状。经过调查研究,根据汾江河河流特点和沿河两岸的厂区布局,沿岸支涌和闸门分布情况,沿河道分别在罗沙、街边和横滘布设3个采样断面,罗沙属于河道上游,河道较为宽阔,街边在中游位置,河道较直且窄,下游的横窖是典型的淤积区域,并在各采样断面分左、中、右布点,采用抓斗式采样器对汾江河河道的表层(0～20cm)沉积物进行了采样。

在现场采样时,把采集的样品分存于双层洗净聚乙烯袋中,编号、贴好标签运回室内,冷藏保存。做试验时,剔除砾石、木屑及贝壳、杂草等动植物残体,用玻璃棒将自然风干的沉积物轻轻压碎,首先用20目尼龙网筛去掉粗沙粒和大块泥土,然后用四分法四分底质样品,取其中一份研磨成粉末样,再过100(80)目尼龙网筛,称取筛后的粉末样[2]。

2.2 分析项目和分析方法

底质样品分析项目为 Cr、Cu 、Zn 、Pb 、As、Hg和Cd7种元素,测定其含量。

2.3 底质样品的分解(全分解方法)

底质样品的测定,其主要的影响因素是样品是否消解的完全和所用的测试方法正确与否。测定Cu、Pb、Zn、Cd的消解运用的是HCl-HNO-3HFHClO4分解法,而测定汞的是硫硝混酸-KMnO4消解法,测砷的是硝酸——盐酸——高氯酸消解法。样品的消解是测定的前期工作,关系到最后的试验结果,因而其的操作方法与步骤尤其重要,并要注意使用试剂安全。

2.4 试验方法原理与计算

经过完全消解的底质样品,加入试剂和简单的再处理方可以进行样品试验。同时,各个的测定项目都要求重新配制标准溶液,在试验中绘制标准曲线。不同的测定项目,运用其最优的测定方法,测定Cd元素,使用石墨炉原子吸收法,测定As和Hg运用原子荧光法,而测定Cr、Cu、Pb、Zn运用的是火焰原子吸收分光光度法。所有的测定项目元素都带有国家标准试样试验,保证试验的准度。

3 底质重金属污染评价

3.1 评价方法和原理

这里选用瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态危害指数法进行评价。某一区域沉积物中第i种重金属的潜在生态危害系数Eri及沉积物中多种重金属的潜在生态危害指数RI表示方法为：潜在生态危害指数法[3]。

瑞典科学家Hakanson提出的评价沉积物中重金属的潜在生态危害指数(RI)法是一种相对快速、简便和标准的方法,通过测定沉积物中主要重金属的含量,计算污染系数及生态危害指数,考虑到影响污染的各方面,潜在生态危害指数受下列因素的控制和影响,包括表层沉积物中重金属的浓度,即RI值应随表层金属污染程度的加重而增大;重金属污染物的种类,即受多种重金属污染的RI值应高于只受少数几种重金属污染的RI值;重金属的毒性水平,即毒性高的重金属应比毒性低的对RI值有较大贡献;水体对重金属污染的敏感性,即对重金属污染敏感性大的水体应比敏感性小的水体有较高的RI值。

3.2 计算原理

(1)第i种重金属污染系数。

式中Cfi为第i种重金属的富集系数(Cfi=Csi/Cni);Csi为表层沉积物重金属i浓度的实测值;Cni为计算所需的参照值,参照值采用工业化以前沉积物中重金属的最高背景值。

(2)沉积物重金属污染程度Cd值是多种重金属污染系数之和,公式为：

(3)潜在生态危害系数。

Eri为某一重金属元素的潜在危害生态系数;Tri为重金属i的毒性系数,它主要反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度,各种重金属的 Tri值为：PCB和 Hg=40;Cd=30;As=10;Pb和Cu=5;Cr=2;Zn=1。

(4)潜在生态危害指数。RI为潜在生态危害指数。沉积物重金属污染生态危害系数和指数与污染程度的划分标准列于表1。

表1 沉积物重金属污染生态危害指数法污染程度的划分

3.3 各类参数的确定

河流底质中重金属的浓度值取本次采样的实测值。

3.3.1 背景参比值的选择

目前研究中对参比值的选择差异较大,有的以页岩平均重金属含量值作为全球统一的沉积物重金属参比值;有的以当地沉积物的重金属背景值为参比值,Hakanson提出以工业化以前全球沉积物重金属的最高背景值为参比值。

本文评价采用当地最高背景值(1992年水利部组织的全国地表水沉积物背景值调查结果)为参比值[4],相对定量性地反映沉积物重金属的污染程度,见表2。

表2 背景参比值 mg/kg

3.3.2 重金属毒性系数

本研究选择的主要重金属为 Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn。重金属的毒性表现为对人体和对水生生态系统两方面的风险,风险途径为水——底质(沉积物)——生物——鱼——人体。根据 Hakanson提出的“元素丰度原则”和“元素释放度”,某一重金属元素的潜在生态毒性与其丰度成反比,与其稀少度成正比,亦即与“元素的释放度”(在水中含量与沉积物中含量的比值)有关,易于释放者其对生物的潜在毒性较大。经过对一系列基础数据的处理,上述7种重金属的毒性水平顺序为Hg＞Cd＞As＞Pb=Cu＞Cr＞Zn,重金属毒性系数 Tri值为 Hg=40,Cd=30,As=10,Pb=Cu=5,Cr=2,Zn=1。

3.3.3 沉积物重金属污染系数分析

Hakanson提出的污染程度参数Cd和生态危害指数RI的划分是基于8个参数(PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr和 Zn),本次评价参数不含PCB 。因此,根据生态风险指数的控制因素,调整后的Cd、RI值划分标准见表3。

表3 本次沉积物重金属污染潜在生态危害指数法的划分

Hakanson潜在生态危害指数法不仅反映了某一特定环境中的每一种受污染物的影响,而且也反映了多种污染物的综合影响,并且用定量的方法划分出潜在生态危害的程度,是目前研究沉积物重金属污染评价中应用最广的一种,在国际上具有深刻的影响。

4 实验结果与讨论

4.1 重金属污染物程度及分布

汾江河底质(沉积物)重金属以当地最高背景值为参比值计算的单项污染系数Cif和多项污染系数Cd列于表4。从表7可见,单项污染系数Cif≥6 的重金属有 Zn 、Cd、Cu 、Cr,其中Zn、Cd 在各个采样点的值都超出了单项污染系数Cif“6”,且有些数值较高,将近4倍之多;而Cu也只有S8=3.46没有超出外,其他的值都大于“6”;相对来说,Cr的Cif≥6只有S7和S2。3≤Cif＜6的重金属为As、Cr 、Cu 、Pb;1≤Cif＜3的重金属为 Pb、As、Cr、Hg;Cif＜1的重金属为Hg。多项污染系数Cd≥28为各个采样断面,由此可知道,汾江河段的污染指数很高。

表4 按当地最高背景值为参比值计算的单项污染系数Cif和多项污染系数Cd

评价结果表明,汾江河段重金属的污染都在“很高”。监测断面最大值出现在横滘的 S2点,为78.83,原因是横滘处于汾江河的下游,其积污量更大;第2大污染系数值是罗沙断面的S7,主要原因是罗沙两岸的工业厂房的排污口的直接排放,且得不到的上游东平河的水源充足补给;总体水平来说,横滘、街边和罗沙3个断面各个监测点的Zn、Cd、Cu、Cr的污染系数均为“高”。沿程分布无明显下降趋势,重金属污染顺序为Cd＞Zn＞Cu＞Cr＞As＞Pb＞Hg。

4.2 表层沉积物重金属的潜在生态危害评价

汾江河底质(表层沉积物)重金属单项潜在生态危害系数(Eri)和潜在生态危害指数(RI)及排序结果列于表5、表6和图1。可以看出,单项潜在生态危害系数Eri≥320的重金属有Cd,主要出现在罗沙断面和S3、S6两个采样点;160≤Eri＜320的为Cd,各个采样点的值都大于200;80≤Eri＜160的主要为Cu、Hg;40≤Eri＜80的主要为 As、Hg、Cu;Eri＜40 的为 As、Cu、Cr、Pb、Zn。3个河流监测断面的潜在生态危害指数RI都是大于380,最大值是横滘的S2为611.7,其次是罗沙的S7监测采样点。

图1 河流断面各点RI分布

评价的结果是汾江河河河道9个监测点都具有“极高”的潜在生态风险,Cd属于很“极高”的潜在生态危害,Hg、Cu属于“中等”的潜在生态危害,As、Cr、Pb、Zn属于轻微风险。

表5 汾江河底质重金属的潜在生态危害系数Eri和潜在生态危害指数RI

综合分析汾江河河段各个断面的底质(沉积物)重金属的单项污染系数Cif、多项污染系数Cd、单项潜在生态危害系数Eri和潜在生态危害指数RI,汾江河受到了较为严重的污染。污染最严重的是Cd 、Cu,其次是 Hg 、As、Pb,Zn 与 Cr相对污染较轻。

5 结语

采用Hakanson提出的潜在生态危害指数法,以当地最高背景值为参比值,对汾江河底质的重金属污染总体水平进行了评价,结果表明汾江河河段各监测断面的底质都受到重金属的极强的污染,具有很高的潜在生态危害,横滘、罗沙的河段重金属污染较为严重。污染最严重的重金属元素是Cd、Cu,其次是Hg、As、Pb,Zn与Cr相对污染较轻,已经对生态环境造成了严重的影响,尤其是镉。然而,其具体的来源还需探讨。污染元素Cd、Cu沿程分布无明显下降趋势,可能与沿岸的工业、厂房布局和河流水文条件、流量等相关,有待今后进一步研究。

表6 汾江河底质重金属的潜在生态危害指数排序

(1)减少外源性重金属的进入。要大力控制污水中重金属的排放,尽可能建立污水处理厂或是废水再生回用工程。

(2)对严重污染的底泥的治理。对上底泥疏浚,并填入清洁泥沙或碎石,可以有力地抑制底泥对河水的二次污染,若用具有吸附功能的粘土作为铺填物,则有望进一步改善水质,或是建造引水稀污工程,这主要是上游与东平河相连设置的水闸需要定期补充一定的水量,用以冲稀污染物。

(3)进行水体生态修复与重建。有必要栽培一些耐性较强且速生的植物,萃取水体沉积物底泥中的重金属。合理规划沿岸土地利用,整治排污源,减少重金属污染的来源。使经济建设,人口增长,污染治理与水环境保护同步进行,建设和谐、共进的社会。

[1]利 锋,韦献革,余光辉,等.佛山水道底泥重金属污染调查[J].环境监测管理与技术,2006,18(4)：12～14.

[2]何燧源.环境污染物分析监测[M].北京：环境科学与工程出版中心,2001.

[3]石浚哲,刘光玉.太湖沉积物重金属污染及生态风险性评价[J].环境监测管理与技术,2001,13(3)：24～26.

[4]水利部水质试验研究中心.全国地表水沉积物背景值调查报告[R].北京：中国水利水电科学研究院,1992.