海口市紅城湖底泥潛在生態風險評價及資源化利用分析

王向輝, 劉又華, 馬曉旭, 李瑩瑩, 史載鋒, 劉艷玲

(海南師范大學化學與化工學院，海南省水環境治理與資源化重點實驗室，海口 571158)

國務院《水污染防治行動計劃》的正式發布加快了各個城市對城市內河湖水體治理的進程，清理底泥是水體治理、疏通水系常用的有效方法，底泥疏浚能有效減小內河湖污染負荷，降低有毒有害物質對水體的釋放[1-4]。然而，對疏浚過程中產生的淤泥如何進行處置成為亟待解決的問題，疏浚產生的淤泥堆放在疏浚堆場中而不采取相應措施會帶來各種環境問題，包括占用土地、污染周邊土壤、地下水和周邊水體造成二次污染[5-8]。分析河流底泥重金屬污染狀況以及潛在生態環境風險，對于水體底泥清理和后續資源化處置具有重要意義，劉偉等[9]詳細分析了三角地區河涌底泥的營養成分、礦物組成、污染情況等，并提出了底泥修復技術和資源化方案；楊欣妍等[10]利用污染底泥制備陶粒，并用于污水中磷的去除；Canet等[11]將清淤底泥用于土地利用，研究表明底泥能夠提高土地肥力，促進植株生長。

紅城湖位于海口市瓊山區，面積約為 31.09×104m2，平均水深約2.5 m，蓄水量為77.725×104m3，是一個集觀賞、蓄洪、泄洪為一體的多功能湖。近年來，由于周邊污水管網破損，污水收集系統、凈化系統不健全，水動力不足等原因導致紅城湖水體惡化。2016年，海口市啟動水體治理、生態修復工程，將紅城湖列入水體治理和生態修復計劃。基于此，通過系統分析底泥物化性質、營養成分和重金屬污染程度，采用潛在生態風險評價方法評價底泥潛在生態風險，能夠為清淤底泥合理處置、利用提供理論依據，避免環境二次污染，變廢為寶，具有顯著的生態環境效益。

1 實驗方法

1.1 樣品采集及處理

為避免豐水期對底泥各指標產生影響，采樣選擇在2017年4月進行，將紅城湖分為三部分進行采樣，采樣點布設空間分布如圖1所示。采用抓斗式采泥器采集深度為0～30 cm層的底泥，共設計9個取樣點，每個點取底泥樣品3個，共取底泥27個樣品。底泥樣品均勻混合后，分別置于棕色玻璃廣口瓶中(濕樣保存)和具蓋四氟乙烯樣品桶中(待干燥樣品)，帶回實驗室，濕樣-4 ℃保存。將采集的樣品經自然晾干→人工壓碎→剔除礫石及動植物殘體→混勻碾磨→過篩(200目)等步驟處理待用。

圖1 紅城湖底泥采樣點

1.2 檢測指標及方法

底泥監測指標包括物性指標(pH、含水率、容重和比重)，營養參數(有機質、有效磷、堿解氮和速效鉀)，有機污染物(總氰化物、苯并α芘)，重金屬(鋅、銅、鎳、鎘、總鉻、鉛、汞、砷)。其中，pH、容重、比重、含水率檢測方法參照文獻[10]；有機質、堿解氮、有效磷檢測方法參照文獻[11]；總氰化物、苯并α芘等有機污染物以及鉀、鋅、銅、鎳、總鉻、鎘、汞、鉛、砷等金屬離子檢測分析方法參照《城市污水處理廠污泥檢測方法》(CJ/T 221—2005)[12]。其中，Cd采用火焰原子吸收法測定；Hg、As采用氫化物發生原子熒光法測定；Zn、Cu、Ni、Pb、Cr 采用等離子體發射光譜法[13]測定。

1.3 風險評價

采用Hakanson提出的潛在生態風險指數法進行評價，該方法能夠反映單個污染物和全部污染物的綜合影響，同時定量分析潛在生態風險程度[14]。在土壤對環境的影響評價研究中，潛在生態風險指數法是應用最廣泛的一種，其評價公式如式(1)～式(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

表1 底泥重金屬評價背景值

表2 重金屬潛在生態風險評價各指標及分級標準

1.4 底泥固化和抗壓強度測試

將底泥直接按比例與水泥、石灰等混合，用砂漿攪拌機均勻攪拌 5 min，并根據《土工實驗規范》(GB/T 50123—1999)的要求，將樣品分 5～6 層裝入模具，壓入直徑為7.5 cm、高15 cm的筒狀聚氯乙烯(PVC)試模中，每加入一層振動3 min，以排除試樣中的氣泡，保證試樣不出現空洞和蜂窩等缺陷，直至裝滿。常溫下養護24 h，脫模，于室外自然養護7 d。

1.5 二次污染評價

選用國家環境保護標準《固體廢物 鎳和銅的測定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 751—2015)[15]；《固體廢物 鉛、鋅和鎘的測定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 786—2016)[16]中重金屬測定方法對底泥樣品進行重金屬檢測，評價資源化底泥的生態環境二次污染危害。

2 結果與討論

2.1 底泥樣品分類

圖2 底泥樣品外觀

底泥樣品呈現黑色(圖2)，有少許臭味，并含有塑料、玻璃瓶等大的生活垃圾，符合城市內湖特征，周邊環境及管理需要進一步加強，減少生活垃圾進入水體。根據底泥采樣位置和晾干后底泥外觀形態不同分為三類：第一類編號HCH1，包括1#、2#、3#和4#樣，主要為補水流經區域，底泥以砂為主；第二類編號HCH2，包括5#、6#和7#樣品，為補水和溢流污水交匯區域，底泥以砂為主，包含少量黏土；第三類編號HCH3，包括8#和9#樣品，為溢流污水流經區域，底泥為沙和黏土混合物。將三類底泥樣品充分混合均勻后進行物化性質、營養參數和污染物分析檢測，并進行潛在生態風險評價。

2.2 底泥物理性狀分析

紅城湖底泥樣品pH為7.0～9.0，符合建筑填土、路基用土要求；含水率介于30%～40%，HSH1樣品含水率最低，分析原因可能為來自美舍河的補水攜帶大量泥沙，經沖刷后懸浮小顆粒和黏土類低密度固體流出，大顆粒泥沙沉積，造成含水率低，比重高(表3)。HSH2樣品相比含水率率高，應該是收到污水溢流的影響，受水流沖刷強度減弱，黏土類低密度顆粒含量稍高；HSH3樣品主要收到溢流污水影響，底泥有臭味，受補水水流沖刷進一步減弱，造成含水率增高，比重降低。

底泥樣品孔隙率相差不大，介于36%～39%，屬于緊密型土壤，結合其砂石含量高的特點，有利于作為建筑填土、公路用土等資源化利用。

表3 底泥物理參數

2.3 底泥營養成分分析

底泥中營養參數(有機質、速效鉀、有效磷和速效氮)的含量是判斷是否符合種植標準的重要指標，測試結果如表4所示，對照全國土壤養分含量分級標準[17](全國土壤普查辦公室，1998年)，紅城湖底泥中有機磷、速效鉀含量都超過一級(豐富，有效磷>40 mg/kg，速效鉀>200 mg/kg)標準，而速效氮含量偏低，HCH1和HCH2樣品含量處于四級和五級之間(較缺60～90 mg/kg，缺30～60 mg/kg)。HCH1底泥樣品有機質含量15.7%，達到土壤四級級(較缺，10～20 g/kg)水平，HSH2底泥樣品有機質含量23.4%，達到土壤三級級(中等，20～30 g/kg)水平，而HCH3底泥樣品中有機質含量為62.8 g/kg，超過土壤一級標準(一級，>40 g/kg)。按照底泥樣品的營養成分含量分析，HCH1和HCH2底泥樣品有機質和速效氮含量都比較缺乏，不適合作為種植用土，而HCH3底泥樣品營養成分含量豐富，可以考慮用于園林、堤岸綠化用土。

表4 底泥中營養物質含量

2.4 污染物含量分析

2.4.1 苯并芘和總氰化物含量分析

參照《城市污水處理廠污泥檢測方法》(CJ/T 221—2005)[12]對污泥樣品中的苯并芘和總氰化物進行檢測，泥樣品中未檢出污染物苯并芘和總氰化物。

2.4.2 重金屬含量分析及潛在生態風險評價

選用廣東A層土壤各元素背景值對底泥樣品中重金屬進行潛在生態風險評價，評價結果如表5所示。評價數據表明紅城湖底泥污染程度不同，HCH1底泥、3#底泥的RI分別為151.17、227.47，均超過150，達到中等風險程度，2#底泥RI為386.92，高于300，達到高等風險程度。

底泥中各種重金屬污染程度也不相同，金屬鎘污染最為嚴重，HCH2底泥污染因子高達11.07，遠高于HCH1和HCH3底泥；鋅、鎳、鉛同樣存在污染情況，鋅污染程度依次為HCH3>HCH2>HSH1，鎳污染程度 HCH2>HCH3>HCH1，鉛污染程度依次為HCH3>HCH1>HSH2；重金屬整體污染程度依次為鎘>鋅>鎳>鉛>砷>總鉻>汞>銅。

HSH1底泥取樣點分布于紅城湖補水口至出水口，水體交換良好，低密度粘土、腐殖質等攜帶重金屬污染物流失，因此總體重金屬污染程度最低；HSH2底泥樣品取樣點位于紅城湖中心位置，處于補水和污水的沉積區，造成污染物大量沉積，重金屬污染整體水平最高；HCH3底泥樣品取樣點分布于污水流經區域，污染物沉積較多，造成重金屬污染水平偏高。

潛在生態風險評價結果表明紅城湖底泥不適宜作為農田用土或園林綠化用土，但底泥含沙量高，比重大孔隙率低，適宜作為建筑用土利用。

2.5 抗壓強度測試

將測試7 d無側限抗壓強度作為固化強度的評價指標。計算得到該HCH1試樣的無側限抗壓強度為2 460 kPa，HCH2試樣的無側限抗壓強度為2 140 kPa，HCH3試樣的無側限抗壓強度為1 780 kPa，三組測試樣品抗壓強度均達到中國交通部《公路路面基層施工技術規范》要求各級公路用水泥穩定土抗壓強度。因此，此類底泥可以用于填方用土、路基用土后修筑堤岸用土。

2.6 生態環境二次污染評價

紅城湖底泥作為路基用土是資源化利用的有效途徑，但要預防資源化后隨著雨水、地下水的沖刷造成重金屬進入地表或地下水體的環境風險。選用固體廢物中重金屬測定方法[18]對底泥樣品進行重金屬檢測，檢測結果如表6所示。重金屬測試實驗結果表明自然降水(弱酸性或中性)對底泥樣品中重金屬的浸出量可以忽略不計，因此不會產生生態環境風險。

表5 底泥中重金屬含量及潛在生態風險分析

注：評價參考值選取國家標準允許的最小限值。

表6 紅城湖底泥重金屬二次污染評價

3 結論

紅城湖底泥呈現黑色、有輕微臭味夾雜各種生活垃圾，干化后污泥呈現黃棕色，砂石含量高，孔隙率介于36%～39%之間，屬于緊密型土壤；營養成分分析表明底泥中有效磷、速效鉀含量豐富，但有機質和速效氮含量相對較低，不利于農田和綠化利用；底泥中未檢出苯并芘和總氰化物，重金屬鎘、鋅、鎳和鉛含量高于參照土壤，存在污染情況，重金屬整體污染程度依次為鎘>鋅>鎳>鉛>砷>總鉻>汞>銅，取樣底泥土壤利用潛在生態風險評價均存在一定的風險，鑒于此推薦紅城湖底泥用于建筑用土或公路用土。

三組測試樣品抗壓強度均達到中國交通部《公路路面基層施工技術規范》要求各級公路用水泥穩定土抗壓強度，重金屬滲出實驗表明該類底泥用于公路地面用土不存在環境污染風險。鑒于本研究數據和分析，建議清淤后底泥用于公路修建或者填方用土，不僅解決了清淤底泥的存儲、處置問題，同時為公路修建或建筑填方提供原材料，節約土方成本。