黑臭水體環保清淤深度確定的研究

趙寶華，關永發，周國旺

(1. 中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130033；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 引言

近年來，隨著城市的不斷發展和人口的快速膨脹，導致城市河道受到越來越多的污染。河流本身的自凈作用無法承受各類污染物的大量涌入，從而導致城市河道水質惡化嚴重，并呈現嚴重的黑臭現象，對居民工作、生活和城市的發展造成不利影響[1]。底泥污染正是河流污染的一個重要后果，受污染的底泥相當于一個儲藏的污染源，即使外界污染源消除后，河流底泥仍能在相當長時間對上覆水體的水質不斷產生影響[2～4]。對污染底泥進行清淤是削減內源污染的主要手段，且清淤深度的確定直接影響內源污染削減的效果[5]。本文以北方某黑臭水體為例，分析和研究了污染物的時空分布、吸附-解吸特征和潛在生態風險，計算了污染物含量控制值，并確定了環保清淤深度。

2 材料和方法

2.1 樣品的采集

實驗所需的底泥取自北方某黑臭河道，共設置2個取樣點(A、B)，泥樣分別按照0～20 cm(A1、B1)、20～40 cm(A2、B2)、40～60 cm(A3、B3)、60～80 cm(A4、B4)和80～100 cm(A5、B5)分割并密封遮光后運回實驗室，運回的柱狀樣分為2部分，一部分在室溫下陰干，除去碎石雜物后磨碎過篩并裝入自封袋，用于底泥理化性質的測定，另一部分用于吸附-解吸實驗。

2.2 理化性質的測定

理化性質主要分為污染物成分(TN和TP)和重金屬(Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr和Ni)，其中TN采用《土壤全氮測定法(半微量開式法)》(GB7173-87)，TP采用《土壤全磷測定法》(NY/T 88-1988)，Hg、As和Pb采用《土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》(GB/T 22105-2008)，Cu和Zn采用《土壤質量銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138-1997)，Cr采用《土壤質量 總鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17137-1997)，Ni采用《土壤質量 鎳的測定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17139-1997)，鎘采用《土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)[6，7]。

2.3 底泥氮、磷吸附-解吸實驗

用磷酸二氫鉀配置磷的系列濃度：0、0.01、0.02、0.025、0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 mg/L，按照水土比100∶1加入底泥和不同濃度的含磷溶液，在25 ℃下恒溫振蕩48 h，離心(10000 r/min，10 min)，取上清液過0.45 μm纖維濾膜后測定可溶性無機磷濃度，TP采用《水質總磷的測定 鉬銻抗分光光度法》(GB 11893-89)[8,9]。

底泥中氮、磷的吸附-解吸量的計算公式如下：

p=(q0-q)·V/m

(1)

式(1)中：p為底泥中氮、磷的吸附-解吸量(mg/kg)；q0為初始溶液中的氮、磷濃度(mg/L)；q為最終測定溶液的氮、磷濃度(mg/L)；V為溶液體積(L)；m為底泥樣品的質量(g)。當q0-q>0時，說明底泥對溶液中氮磷進行了吸附；當q0-q< 0時，則說明底泥中氮磷發生了解吸。通過吸附-解吸量p與初始氮磷濃度q0進行線性相關擬合，計算底泥樣品對氮、磷吸附-解吸平衡點的水體氮、磷濃度。

2.4 底泥營養鹽污染評價

底泥營養鹽污染評價主要考慮其污染物的釋放對于達到相應地表水質標準所要求水質的影響，通過建立底泥中污染物含量與吸附-解析平衡點濃度之間的回歸方程，根據水質目標要求(如不劣于《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)規定的V類水質)，計算出水體達到相應地表水質標準所要求水質時底泥中的污染物含量，并作為環保清淤控制值。

2.5 底泥重金屬污染評價

(2)

(3)

(3)綜合重金屬潛在生態風險指數RI：

(4)

潛在生態風險指數計算所需沉積物毒性參數及其污染等級劃分見表1和表2，根據《湖泊河流環保疏浚工程技術指南》的要求，當綜合重金屬潛在生態風險指數RI≥300時，對于河道的潛在生態風險較高，因此作為環保清淤控制值[6]。

表1 單一重金屬的毒性響應參數值

表2 沉積物中重金屬潛在生態風險程度劃分標準

3 結果與討論

3.1 底泥氮污染環保清淤深度的確定

3.1.1 底泥中TN含量的空間分布特征

底泥中TN含量統計結果見表3，A點的TN含量為901～2685 mg/kg，B點的TN含量為748～2702 mg/kg，TN含量均隨著深度的增加而降低。根據加拿大安大略省環境和能源部發布的底泥中營養鹽的環境質量評價標準(其中安全級TN含量小于550 mg/kg)[13]，說明采樣點的底泥中的氮污染較為明顯。

表3 底泥TN含量統計

圖1 底泥的吸附-解吸量與初始濃度的關系

表4 底泥的吸附-解吸量與初始濃度的關系及平衡點濃度

3.1.3 底泥氮污染環保清淤深度的確定

圖2 底泥TN含量與吸附-解析平衡點濃度之間的關系

3.2 底泥磷污染環保清淤深度的確定

3.2.1 底泥中TP含量的的空間分布特征

底泥中TP含量統計結果見表5，A點的TP含量為611～1845 mg/kg，B點的TP含量為624～1881 mg/kg，TP含量均隨著深度的增加而降低。根據加拿大安大略省環境和能源部發布的底泥中營養鹽的環境質量評價標準(其中安全級TP含量小于600 mg/kg)[13]，說明采樣點的底泥中的磷污染較為明顯。

表5 底泥TP含量統計

3.2.2 底泥TP吸附-解吸特征分析

底泥對TP的吸附-解吸特征見圖3，當初始溶液TP的濃度較低時，各底泥樣品中的TP均出現不同程度的解吸，并在同一濃度的初始溶液中，TP的解吸量隨著底泥中TP含量的增加而增加。隨著初始溶液TP含量的不斷升高，各底泥樣品均逐漸開始吸附溶液中的TP，并在同一濃度的初始溶液中，TP的吸附量隨著底泥中TP含量的增加而減少。

圖3 底泥TP的吸附-解吸量與初始濃度的關系

各底泥樣品TP的吸附-解吸量和初始溶液的濃度之間存在良好的線性關系，并可計算得到在吸附-解吸達到平衡點時水體的TP濃度(即q0-q=0時對應的溶液濃度)，詳見表6，各底泥樣品的TP平衡點濃度在0.227～0.690 mg/L之間。與國家地表水環境質量Ⅴ類標準(TP≤0.4 mg/L)相比，A點的A1、A2、A3和A4樣品(即0～80 cm深度的樣品)的TP濃度超出該標準，底泥會向上覆水體釋放TP，從而對水體造成污染；B點的B1、B2和B3樣品(即0～60 cm深度的樣品)的TP濃度超出該標準，底泥會向上覆水體釋放TP，從而對水體造成污染。

表6 底泥TP吸附-解吸量與初始濃度關系及平衡點濃度

3.2.3 底泥磷污染環保清淤深度的確定

底泥TP含量與吸附-解析平衡點TP濃度之間的關系見圖4，由于所取底泥樣品的河道的水質要求為國家地表水環境質量V類標準(TP ≤0.4 mg/L)，因此底泥磷污染環保清淤TP含量控制值為1094 mg/kg，其對應的底泥厚度為控制磷污染的環保清淤深度。A點的TP污染控制值介于樣品A4和A5之間，對應的底泥厚度為80～100 cm，因此，A點控制磷污染的環保清淤深度為100 cm；B點的TP污染控制值介于樣品B2和B3之間，對應的底泥厚度為40～60 cm，因此，B點控制磷污染的環保清淤深度為60 cm。

圖4 底泥TP含量與吸附-解析平衡點TP濃度之間關系

3.3 底泥重金屬污染環保清淤深度的確定

3.3.1 底泥中重金屬含量的空間分布特征

底泥中重金屬含量統計結果見表7，其中B點0～20 cm底泥的Zn含量為456 mg/kg，超過農用地土壤污染風險篩選值300 mg/kg，其它元素均滿足農用地土壤污染風險篩選值的要求，說明底泥存在一定的重金屬污染，對植物的生長可能存在風險。

表7 底泥重金屬含量統計 mg/kg

3.3.2 底泥重金屬污染環保清淤深度的確定

表8 底泥重金屬潛在風險指數及生態風險程度評價統計

綜合分析可知，底泥污染物主要為營養物質氮、磷和重金屬，應綜合考慮深度較深者作為復合污染的環保清淤深度。A點控制氮污染的環保清淤深度為80 cm，控制磷污染的環保清淤深度為100 cm，無需對重金屬進行環保清淤，因此，A點的環保清淤深度為100 cm；B點控制氮污染的環保清淤深度為80 cm，控制磷污染的環保清淤深度為60 cm，無需對重金屬進行環保清淤，因此，B點的環保清淤深度為80 cm。

4 結論

底泥的氮、磷和重金屬的含量及污染程度隨著底泥深度的增加而降低。氮、磷的吸附-解吸實驗表明，A點和B點底泥仍具有向上覆水體釋放氮磷的能力，并對水體造成污染，并確定了環保清淤TN含量控制值為1620 mg/kg，TP含量控制值為1094 mg/kg；重金屬的潛在生態風險為低生態風險，對生態環境影響較小。綜合分析氮、磷和重金屬污染控制，A點的環保清淤深度為100 cm，B點的環保清淤深度為80 cm。