酸性礦山廢水對農村居民飲用水和灌溉水水質的影響

周建利 (長江大學農學院,湖北荊州434025)

吳啟堂,衛澤斌,郭曉方,史學峰,邵 樂 (華南農業大學資源環境學院,廣東廣州510642)

酸性礦山廢水 (Acid mine drainage,AMD)是指在礦產資源的開采過程中所產生的大量酸性廢水[1]。酸性礦山廢水含有大量的鎘、鉛、鋅、銅等重金屬離子,若不經處理直接進入水體,會對人和水中生物造成極大的危害;而且酸性礦山廢水一旦排入礦山附近的河流、湖泊等水體,會導致水體的pH發生變化,抑制或阻止細菌及微生物的生長,妨礙水體的自凈;同時重金屬在水體中可以通過懸浮物的沉淀、吸附或離子交換作用進入次生礦物相,進而污染地表及地下水水體、地表土壤,使周邊生態環境遭受嚴重的破壞[2-6]。目前,針對酸性礦山廢水問題,國內外學者主要是從硫化物氧化機理及影響因素、重金屬的遷移轉化規律、酸性礦山廢水污染的生態效應、水文地球化學模擬等方面進行研究[1]。有學者從酸性礦山廢水對農村居民飲用水水質的影響以及與人群腫瘤死亡的相關性方面進行研究[7-8]。本研究以廣東省清遠市某村莊遭受酸性礦山廢水污染的村邊水溝及3個與水溝距離不同的居民水井水樣為研究對象,通過為期9個月的連續采樣監測,探討了酸性礦山廢水對農村居民飲用水和灌溉水的污染風險。

1 監測方法

1.1 采樣地點和采樣時間

采樣地點位于廣東省清遠市某村莊,該村莊有一條流經村邊的小水溝,枯水期水溝的水量較小,豐水期水量較大。水溝上游約4km處有一座硫鐵礦,約6km處有一座鉛鋅礦,從2座礦山流出的經過簡單處理的酸性礦山廢水污染了水溝,該村居民經常利用溝水灌溉農田或洗衣洗菜。該村莊約有20戶家庭,每個家庭都在房前打一口井,井深大多2～3m,用人工手搖水泵取水作為日常生活用水。

本研究共布設4個采樣點:第1點為1號井,與最近水溝的距離為5m;第2點為2號井,與最近水溝的距離為20m;第3點為3號井,該居民水井與最近水溝的距離為100m;第4點為水溝,該采樣點是至其他采樣點距離最短的水溝。從2008年4月至2009年1月,除了2008年12月外每月采集1次,共采集9次水樣。每次取樣時,3個水井的水樣是用人工手搖水泵汲取流出半分鐘后的井水,水溝的水樣是直接在水溝中間采集的表層水。水樣密封在事先用硝酸洗液浸泡過的250ml干燥聚乙烯瓶中,回實驗室后分成2份,其中1份用來快速測定pH;另1份經0.45μ m濾膜過濾于30ml干凈的聚乙烯瓶,加一滴濃硝酸 (優級純),置于冰箱中冷藏保存待分析重金屬。

1.2 水樣的測定方法

水樣的測定方法參考 《水和廢水監測分析方法 (第3版)》[9],水樣重金屬的測定采用原子吸收光譜法 (HITACHI Z-5700),pH采用pH計(PHS-3C)電位法。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2003軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 井水和水溝水樣的pH及重金屬含量特征

由表1可知,水溝水樣的平均pH最低,屬強酸性,其變幅和變異系數均較大。而3個居民井水的平均pH大小順序是1號井＜2號井＜3號井,與距水溝距離呈正相關關系 (相關系數為0.999),即距離水溝愈近其pH愈小,表明水溝污水影響居民井水的pH值,距離愈近影響愈大。水溝水樣的Cd、Pb和Zn含量均值皆最高,其Cd含量均值分別是1號井、2號井和3號井井水Cd含量均值的14倍、22倍和234倍,Pb含量均值的8倍、7倍和8倍,Zn含量均值的16倍、36倍和2070倍。由此可見,酸性礦山廢水顯著降低村邊水溝水體的pH和提高其Cd、Pb、Zn含量,水溝污水重金屬含量顯著高于井水。這與Rattan等[10]報道的污灌水重金屬含量明顯高于同區域地下水重金屬含量相一致。

井水平均Cd含量和Zn含量均是1號井＞2號井＞3號井,平均Pb含量是2號井＞3號井＞1號井 (表1)。井水Cd、Pb和Zn含量均值與距水溝距離均呈現一定程度的負相關性 (相關系數分別為—0.961、—0.326和—0.899)。結果表明重金屬在井水中的分布明顯受到水溝污水中重金屬的影響,表現為距水溝較近的井水重金屬含量高于較遠井水的規律,但不同重金屬其受影響程度不同,Cd和Zn的影響程度較高,Pb的影響程度較低。

表1 井水和水溝水樣的pH及重金屬含量

另外由表1可知,不同采樣期水溝水樣的Cd、Pb、Zn含量和pH的波動較大,在2008年6月和7月水溝水樣的pH處在較高位,達到最高值,屬中性,其他時期均為酸性至強酸性。水溝水樣的Cd、Pb和Zn含量均在2008年4月和5月處在高位,達到最高值,而在6月和7月急速下降至低位,達到最低值,隨后逐月上升,至10月和11月又達到另一高峰值。這主要是因為6月和7月處于該地區的豐水期,降水量較大,礦山廢水被稀釋,所以水溝污水重金屬含量較低,而10月份后進入枯水期,溝水重金屬含量較高。從不同采樣期居民井水pH和Cd、Pb、Zn含量的變化來看,均較污溝污水的波動小。居民井水和水溝水樣的pH和重金屬含量的高低變化并不同步,居民井水的pH在6月和7月達最低值,而Cd含量在6月份達最高值,6月和7月居民井水的Pb、Zn含量也較高,與水溝污水剛好相反。這些結果表明全年不同采樣期水溝污水重金屬含量和pH的變異較大,主要受到降雨量大小的影響;而全年居民井水重金屬含量和pH的變異較小,與水溝污水不同步。

由表2可知,井水和水溝污水中的Cd與Pb、Cd與Zn、Pb與Zn含量之間的相關性達極顯著水平,表明居民井水的Cd、Pb和Zn具有同源性。這與杭小帥等人[11]的研究結果相似。

表2 井水和水溝污水中的各重金屬含量之間的相關系數

2.2 井水和水溝水樣的風險評價

由表3可知,參照生活飲用水衛生標準 (GB5749-2006),1號井井水pH的超標率最高,達100%;2號井和水溝水樣次之,約為80%;而3號井井水pH的超標率為0。1號井井水和水溝污水Cd、Zn的超標情況較嚴重,水溝污水Cd、Zn超標倍數分別高達14.1和25.1。3個居民井水Pb的超標率均為33%,水溝污水的超標率為100%,而超標倍數也較高,達7.9。由此可見,3個居民井水已經遭受不同程度的重金屬污染,均不適宜作為生活飲用水;而距水溝愈近的井水,受污染愈嚴重。水溝污水的pH和重金屬含量不僅嚴重超過了生活飲用水標準,而且也嚴重超過了農田灌溉水質量標準。1號井井水的重金屬也不同程度地超過了農田灌溉水質量標準 (GB5084-92)。因此,1號井井水和水溝污水既不適宜作為生活飲用水,也不能作為農田灌溉水。

表3 井水和水溝水樣的pH及重金屬的超標率和超標倍數

3 小結與討論

(1)酸性礦山廢水嚴重影響村邊水溝水樣的水質,其Cd、Pb、Zn含量和pH超過了田間灌溉水質量標準,不適宜作為農田灌溉水。

(2)重金屬在井水中的分布明顯受到水溝污水中重金屬的影響,表現為距水溝較近的井水重金屬含量高于較遠井水的規律,但不同重金屬受影響程度不同,Cd和Zn的影響程度較高,Pb的影響程度較低。

由于在酸性礦山廢水與天然水混合過程中,酸性礦山廢水中的Fe(Ⅲ)/Al(Ⅲ)水解沉淀而導致污染水體中含有豐量的無定形鐵/鋁氧化物顆粒,這些顆粒對水中溶解態重金屬離子具有強烈吸附作用,因而控制了酸性礦山廢水污染河流中的重金屬濃度、形態分布及其遷移轉化規律[12]。Schemel等[13]研究表明當pH＜4時,Cu、Pb和Zn等在無定形Fe氫氧化物表面沒有發生吸附作用,只有在pH增加時,吸附作用才發生和加強。由表1可知,3個居民井水的pH均較高,所以水溝污水的重金屬通過地下水向居民井水滲析過程中發生了強烈的吸附作用,從而影響重金屬的遷移速率,造成井水重金屬含量遠低于水溝污水。重金屬的滲析路徑愈長其遷移速率受影響愈大,所以距水溝較遠的井水重金屬含量低于較近井水。

(3)全年不同采樣期水溝污水重金屬含量和pH的變異較大,主要受到降雨量大小的影響;而全年居民井水重金屬含量和pH的變異較小,與水溝污水不同步。

(4)3個居民井水的Cd、Pb、Zn含量和pH均超過生活飲用水衛生標準,不適宜作為生活飲用水。

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