太原市河道沉積物重金屬形態研究

張 弛 趙保軍

(1.太原理工大學環境科學與工程學院山西太原 030024;2.山西艾森資源綜合利用技術研究院山西太原 030024)

太原市河道沉積物重金屬形態研究

張 弛1趙保軍2

(1.太原理工大學環境科學與工程學院山西太原 030024;2.山西艾森資源綜合利用技術研究院山西太原 030024)

采集太原市區 8條河道的沉積物,對其重金屬污染特征進行了研究。著重分析了 Cd、Cr、Zn、Cu、Ni、Pb的 5種形態的分布規律。結果表明 ,沉積物中 Ni、Zn、Cr有不同程度的超標現象。各種元素的殘渣晶格結合態含量均較多,除此外 Cd、Zn、Ni主要以碳酸鹽結合態、有機物與硫化物結合態存在,Cu、Pb、Cr主要以有機物與硫化物結合態、Fe/Mn氧化物結合態存在,只是所占比例不同。Zn與Ni的生物遷移指數較大,是本地區河道重金屬污染控制的重點。

太原市;河道沉積物;重金屬;形態

市區河道既是排洪通道,又是生活污水的受納體。在管網不全或監管欠缺的情形下,也可能成為工業廢水的排泄通道[1]。隨著時間的推移,水體污染物尤其是重金屬集中累積于河道沉積物中,具有較強的不可逆性和持續反應性。國內外學者對河道沉積物中重金屬的污染特征、風險評價等進行了一些研究[2-4],但對于我國內陸半干旱城市河道沉積物的重金屬形態的分析研究較少。不同的重金屬形態體現出不同的生物毒性,重金屬形態分析對沉積物的無害化處理、資源化利用都具有重要的基礎意義,有利于確定重金屬污染的化學類型,有助于污泥處理技術路線的制定。

太原市是典型的半干旱地區工業型城市,其工業企業的類型廣泛、排污規律明顯,其市區河道沉積物的重金屬形態特征可以代表我國內陸城市同類污染的特征。本文主要對太原市市區的七條汾河支流,以及汾河市區段的河道沉積物重金屬特征進行了同期檢測研究,并對五種重金屬形態的潛在生物遷移程度進行了分析,旨在為城市河道沉積物的污染防治提供決策依據。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

采集太原市市區內的汾河西部支流 (虎峪河、玉門河、九院沙河、冶峪河)與東部支流 (澗河、北沙河、南沙河),以及汾河主河道的岸邊表層 5～10cm的淤泥沉積物,每個取樣點采集 3個間隔2m的不同位置的樣品。對于各支流,采集其進入汾河干流前 10～20m河道岸邊的污泥,汾河主河道采集汾河公園南端長風橋下岸邊污泥。取樣時段為 2009年冬季至 2010年春季,能夠體現本地區干旱季節的河道沉積物特征。本文所列數據為各個季節的樣品指標的平均值。

樣品采集后用潔凈的聚乙烯塑料袋盛裝,排盡空氣避光保存。在實驗室混勻,縮分,按照國家標準方法測定其各項理化指標。再將樣品陰涼平鋪風干,除去雜質后,用瑪瑙研缽研磨,過篩后備用。污泥重金屬總量測定前需消解處理。將污泥樣品在聚四氟乙烯坩堝中,經過王水-HClO4-HFHClO4-HNO3逐步消解定容,然后對其各種重金屬元素的總量進行測定。

1.2 樣品的分析

本文對沉積物樣品的重金屬形態分析,采取在沉積物研究中廣泛應用的 Tessier連續提取法[5]。此法主要是分步采用有選擇性的浸提液,逐級提取重金屬元素,可以連續分析出樣品的離子可交換態、碳酸鹽結合態、Fe/Mn氧化物結合態、有機物與硫化物結合態、殘渣晶格結合態。其中的殘渣態含量為重金屬總量減去其他各態含量的剩余量。各個河段沉積物的重金屬元素總量見表1。

表 1 沉積物中的重金屬元素總量 (mg/kg)

2 結果分析

由表 1可以看到,各條河道的沉積物重金屬元素總量差異明顯,大多數河道沉積物重金屬超標不嚴重。以《農用污泥中污染物控制標準》GB 4284-84的 pH≤6.5限值為判別標準,冶峪河河積物中的 Ni超標 2.4倍;九院沙河積物中的 Ni超標 4.1倍;南沙河積物中的 Zn超標 1.1倍,Ni超標 3.2倍;北沙河積物中的 Zn超標 1.1倍,Ni超標 1.8倍;澗河沉積物中的 Cr超標 1.4倍,Ni超標 3.2倍;玉門河積物中的 Ni超標 2.2倍。

由 Tessier連續提取法得到的五種重金屬形態含量所占比例顯示,同一金屬在不同河段的形態分布特征不同,不同金屬在同一河段的形態分布特點也不同。

對于 Cd而言,汾河干流、冶峪河、南沙河、虎峪河主要以殘渣晶格結合態 (29.4%～38.6%)、碳酸鹽結合態 (29.7%%～31.5%)為主要存在形態;其余河道主要以碳酸鹽結合態 (29.1%～39.9%)、有機物與硫化物結合態 (29.5%～33.1%)存在。

對于 Cr而言,除了北沙河以外,其余河道均以殘渣晶格結合態 (33.1%～54.9%)作為其主要賦存形態,其次是以 Fe/Mn氧化物結合態(23.5%～34.7%)存在。北沙河 Cr的 Fe/Mn氧化物結合態占 34.2%。

對于 Zn而言,冶峪河、南沙河、虎峪河主要以殘渣晶格結合態 (28.0%～44.1%)、碳酸鹽結合態(28.1%～39.4%)為主要存在形態,汾河干流、玉門河主要以殘渣晶格結合態 (24.2%～35.3%)、有機物與硫化物結合態 (26.5%～38.0%)存在,其余河道各有不同的側重。

對于 Cu而言,除了虎峪河、玉門河主要以有機物與硫化物結合態 (42.2%～44.6%)、殘渣晶格結合態 (21.4%～25.3%)存在之外,其余河道均以殘渣晶格結合態 (47.1%～59.2%)、Fe/Mn氧化物結合態 (29.2%～33.9%)為存在主體。

對于 Ni而言,汾河干流、虎峪河、玉門河的殘渣晶格結合態 (40.6%～48.0%)含量較多,其余河道主要以有機物與硫化物結合態 (38.1%～40.3%)、碳酸鹽結合態 (32.8%～38.5%)為主。

對于 Pb而言,冶峪河、南沙河、北沙河主要以殘渣晶格結合態 (43.1%～59.4%)為主要存在形態,澗河、虎峪河、玉門河主要以 Fe/Mn氧化物結合態(21.2%～45.2%)與有機物與硫化物結合態 (33.4%～54.1%)為主要存在形態,其余河道各有不同的側重。

總的來說,各河段的重金屬形態中,殘渣晶格結合態占了很大的比例,這些殘渣態重金屬元素主要來源于河道沉積物中的原生底質以及上游遷移來的無機物顆粒。

汾河干流沉積物中的各項重金屬含量除去殘渣晶格結合態之外,其余形態的含量均遠遠少于各條支流河道,說明其重金屬污染物屬于明顯的原生型污染,這間接表明汾河太原段的綜合治理成效顯著,而且太原市各污水廠的低濃度出水匯入河道對污染物起到了稀釋作用[6]。

在連續浸提所測定出的五種重金屬形態中,離子可交換態、碳酸鹽結合態、Fe/Mn氧化物結合態這三種形態的化學穩定性較差,易于溶解釋放,易被植物吸收而發生遷移轉化,對周圍生態的潛在危害性比較大。而有機物與硫化物結合態、殘渣晶格結合態通常認為是較穩定的,不易遷移入周邊環境。

本文將離子可交換態、碳酸鹽結合態、Fe/Mn氧化物結合態的重金屬含量之和與重金屬總量的比值記作“生物遷移指數”,對各條河道的生物遷移指數進行計算匯總于表 2中。表 2中的數值可作為判別沉積物重金屬可遷移程度的參考值,其中的深色區域數字為超過 0.50的值。由表 2可以明顯看到,所研究河段的 Zn與 Ni的生態潛在危害性比較大,澗河的 Cd與九院沙河的 Pb的生物遷移指數也超過了 0.50。鑒于很多學者認為Zn并非嚴重的人體危害性物質而且我國人體普遍缺 Zn,可將 Zn稱作“潛在生態干擾物”。

表 2 生物遷移指數匯總表

3 結論

(1)汾河太原市區段及其支流河道沉積物的各項理化指標處于正常范圍內,受污染情況較輕,表明太原市河道綜合治理成效較好。

(2)太原市市區大多數河道的沉積物重金屬不超標或超標不嚴重。以 GB4284-84(pH≤6.5)限值為標準,冶峪河、九院沙河、玉門河、澗河、北沙河、南沙河沉積物中的 Ni有不同程度的超標(1.8～4.1倍),南沙河、北沙河積物中的 Zn超標1.1倍,澗河沉積物中的 Cr超標 1.4倍。

(3)各條河道沉積物的不同重金屬元素的形態分布特征不同。Cd主要以殘渣晶格結合態、碳酸鹽結合態、有機物與硫化物結合態為主要存在形態。Cr主要以殘渣晶格結合態、Fe/Mn氧化物結合態存在。Zn主要以殘渣晶格結合態、碳酸鹽結合態、有機物與硫化物結合態存在。Cu主要以有機物與硫化物結合態、殘渣晶格結合態、Fe/Mn氧化物結合態存在。Ni主要以殘渣晶格結合態、有機物與硫化物結合態、碳酸鹽結合態存在。Pb主要以殘渣晶格結合態、Fe/Mn氧化物結合態、有機物與硫化物結合態存在。

(4)所研究河段的 Zn與 Ni的生物遷移指數較大,其潛在生態干擾能力較強,應是本地區河道沉積物重金屬污染控制的重點。

[1]胡忻,曹密.南京市內河道沉積物中重金屬元素形態及 Pb穩定同位素組成 [J].環境科學研究,2009,22(4)：398～403.

[2]李蓮芳,曾希柏,李國學,等.北京市溫榆河沉積物的重金屬污染風險評價[J].環境科學學報,2007,27(2)：291～297.

[3]利鋒,溫琰茂,朱娉婷.城市污染河道沉積物 AVS與重金屬生物毒性研究[J].環境科學,2007,28(8)：1810～1815.

[4]遲海燕,黎榮,趙子良,等.大沽排污河沉積物中重金屬的分布特性研究[J].中國給水排水,2006,22(6)：102～105.

[5]TessierAW.etal.Sequentialextractionprocedureforthespeciationofparticulatetracemetals[J].AnalChem.1979,51(7)：844～850.

[6]徐明德,李平.汾河太原城區段的水質調查與分析[J].中國給水排水,2005,21(4)：102～104.

X830.3/X522

A

1673-288X(2010)06-0008-03

山西省自然科學基金項目 (2007011064)。

張弛 (1973—),男,山西運城人,講師,在讀博士。研究方向：環境工程。