太原市河道沉积物重金属形态研究

张 弛 赵保军

(1.太原理工大学环境科学与工程学院山西太原 030024;2.山西艾森资源综合利用技术研究院山西太原 030024)

太原市河道沉积物重金属形态研究

张 弛1赵保军2

(1.太原理工大学环境科学与工程学院山西太原 030024;2.山西艾森资源综合利用技术研究院山西太原 030024)

采集太原市区 8条河道的沉积物,对其重金属污染特征进行了研究。着重分析了 Cd、Cr、Zn、Cu、Ni、Pb的 5种形态的分布规律。结果表明 ,沉积物中 Ni、Zn、Cr有不同程度的超标现象。各种元素的残渣晶格结合态含量均较多,除此外 Cd、Zn、Ni主要以碳酸盐结合态、有机物与硫化物结合态存在,Cu、Pb、Cr主要以有机物与硫化物结合态、Fe/Mn氧化物结合态存在,只是所占比例不同。Zn与Ni的生物迁移指数较大,是本地区河道重金属污染控制的重点。

太原市;河道沉积物;重金属;形态

市区河道既是排洪通道,又是生活污水的受纳体。在管网不全或监管欠缺的情形下,也可能成为工业废水的排泄通道[1]。随着时间的推移,水体污染物尤其是重金属集中累积于河道沉积物中,具有较强的不可逆性和持续反应性。国内外学者对河道沉积物中重金属的污染特征、风险评价等进行了一些研究[2-4],但对于我国内陆半干旱城市河道沉积物的重金属形态的分析研究较少。不同的重金属形态体现出不同的生物毒性,重金属形态分析对沉积物的无害化处理、资源化利用都具有重要的基础意义,有利于确定重金属污染的化学类型,有助于污泥处理技术路线的制定。

太原市是典型的半干旱地区工业型城市,其工业企业的类型广泛、排污规律明显,其市区河道沉积物的重金属形态特征可以代表我国内陆城市同类污染的特征。本文主要对太原市市区的七条汾河支流,以及汾河市区段的河道沉积物重金属特征进行了同期检测研究,并对五种重金属形态的潜在生物迁移程度进行了分析,旨在为城市河道沉积物的污染防治提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与处理

采集太原市市区内的汾河西部支流 (虎峪河、玉门河、九院沙河、冶峪河)与东部支流 (涧河、北沙河、南沙河),以及汾河主河道的岸边表层 5～10cm的淤泥沉积物,每个取样点采集 3个间隔2m的不同位置的样品。对于各支流,采集其进入汾河干流前 10～20m河道岸边的污泥,汾河主河道采集汾河公园南端长风桥下岸边污泥。取样时段为 2009年冬季至 2010年春季,能够体现本地区干旱季节的河道沉积物特征。本文所列数据为各个季节的样品指标的平均值。

样品采集后用洁净的聚乙烯塑料袋盛装,排尽空气避光保存。在实验室混匀,缩分,按照国家标准方法测定其各项理化指标。再将样品阴凉平铺风干,除去杂质后,用玛瑙研钵研磨,过筛后备用。污泥重金属总量测定前需消解处理。将污泥样品在聚四氟乙烯坩埚中,经过王水-HClO4-HFHClO4-HNO3逐步消解定容,然后对其各种重金属元素的总量进行测定。

1.2 样品的分析

本文对沉积物样品的重金属形态分析,采取在沉积物研究中广泛应用的 Tessier连续提取法[5]。此法主要是分步采用有选择性的浸提液,逐级提取重金属元素,可以连续分析出样品的离子可交换态、碳酸盐结合态、Fe/Mn氧化物结合态、有机物与硫化物结合态、残渣晶格结合态。其中的残渣态含量为重金属总量减去其他各态含量的剩余量。各个河段沉积物的重金属元素总量见表1。

表 1 沉积物中的重金属元素总量 (mg/kg)

2 结果分析

由表 1可以看到,各条河道的沉积物重金属元素总量差异明显,大多数河道沉积物重金属超标不严重。以《农用污泥中污染物控制标准》GB 4284-84的 pH≤6.5限值为判别标准,冶峪河河积物中的 Ni超标 2.4倍;九院沙河积物中的 Ni超标 4.1倍;南沙河积物中的 Zn超标 1.1倍,Ni超标 3.2倍;北沙河积物中的 Zn超标 1.1倍,Ni超标 1.8倍;涧河沉积物中的 Cr超标 1.4倍,Ni超标 3.2倍;玉门河积物中的 Ni超标 2.2倍。

由 Tessier连续提取法得到的五种重金属形态含量所占比例显示,同一金属在不同河段的形态分布特征不同,不同金属在同一河段的形态分布特点也不同。

对于 Cd而言,汾河干流、冶峪河、南沙河、虎峪河主要以残渣晶格结合态 (29.4%～38.6%)、碳酸盐结合态 (29.7%%～31.5%)为主要存在形态;其余河道主要以碳酸盐结合态 (29.1%～39.9%)、有机物与硫化物结合态 (29.5%～33.1%)存在。

对于 Cr而言,除了北沙河以外,其余河道均以残渣晶格结合态 (33.1%～54.9%)作为其主要赋存形态,其次是以 Fe/Mn氧化物结合态(23.5%～34.7%)存在。北沙河 Cr的 Fe/Mn氧化物结合态占 34.2%。

对于 Zn而言,冶峪河、南沙河、虎峪河主要以残渣晶格结合态 (28.0%～44.1%)、碳酸盐结合态(28.1%～39.4%)为主要存在形态,汾河干流、玉门河主要以残渣晶格结合态 (24.2%～35.3%)、有机物与硫化物结合态 (26.5%～38.0%)存在,其余河道各有不同的侧重。

对于 Cu而言,除了虎峪河、玉门河主要以有机物与硫化物结合态 (42.2%～44.6%)、残渣晶格结合态 (21.4%～25.3%)存在之外,其余河道均以残渣晶格结合态 (47.1%～59.2%)、Fe/Mn氧化物结合态 (29.2%～33.9%)为存在主体。

对于 Ni而言,汾河干流、虎峪河、玉门河的残渣晶格结合态 (40.6%～48.0%)含量较多,其余河道主要以有机物与硫化物结合态 (38.1%～40.3%)、碳酸盐结合态 (32.8%～38.5%)为主。

对于 Pb而言,冶峪河、南沙河、北沙河主要以残渣晶格结合态 (43.1%～59.4%)为主要存在形态,涧河、虎峪河、玉门河主要以 Fe/Mn氧化物结合态(21.2%～45.2%)与有机物与硫化物结合态 (33.4%～54.1%)为主要存在形态,其余河道各有不同的侧重。

总的来说,各河段的重金属形态中,残渣晶格结合态占了很大的比例,这些残渣态重金属元素主要来源于河道沉积物中的原生底质以及上游迁移来的无机物颗粒。

汾河干流沉积物中的各项重金属含量除去残渣晶格结合态之外,其余形态的含量均远远少于各条支流河道,说明其重金属污染物属于明显的原生型污染,这间接表明汾河太原段的综合治理成效显著,而且太原市各污水厂的低浓度出水汇入河道对污染物起到了稀释作用[6]。

在连续浸提所测定出的五种重金属形态中,离子可交换态、碳酸盐结合态、Fe/Mn氧化物结合态这三种形态的化学稳定性较差,易于溶解释放,易被植物吸收而发生迁移转化,对周围生态的潜在危害性比较大。而有机物与硫化物结合态、残渣晶格结合态通常认为是较稳定的,不易迁移入周边环境。

本文将离子可交换态、碳酸盐结合态、Fe/Mn氧化物结合态的重金属含量之和与重金属总量的比值记作“生物迁移指数”,对各条河道的生物迁移指数进行计算汇总于表 2中。表 2中的数值可作为判别沉积物重金属可迁移程度的参考值,其中的深色区域数字为超过 0.50的值。由表 2可以明显看到,所研究河段的 Zn与 Ni的生态潜在危害性比较大,涧河的 Cd与九院沙河的 Pb的生物迁移指数也超过了 0.50。鉴于很多学者认为Zn并非严重的人体危害性物质而且我国人体普遍缺 Zn,可将 Zn称作“潜在生态干扰物”。

表 2 生物迁移指数汇总表

3 结论

(1)汾河太原市区段及其支流河道沉积物的各项理化指标处于正常范围内,受污染情况较轻,表明太原市河道综合治理成效较好。

(2)太原市市区大多数河道的沉积物重金属不超标或超标不严重。以 GB4284-84(pH≤6.5)限值为标准,冶峪河、九院沙河、玉门河、涧河、北沙河、南沙河沉积物中的 Ni有不同程度的超标(1.8～4.1倍),南沙河、北沙河积物中的 Zn超标1.1倍,涧河沉积物中的 Cr超标 1.4倍。

(3)各条河道沉积物的不同重金属元素的形态分布特征不同。Cd主要以残渣晶格结合态、碳酸盐结合态、有机物与硫化物结合态为主要存在形态。Cr主要以残渣晶格结合态、Fe/Mn氧化物结合态存在。Zn主要以残渣晶格结合态、碳酸盐结合态、有机物与硫化物结合态存在。Cu主要以有机物与硫化物结合态、残渣晶格结合态、Fe/Mn氧化物结合态存在。Ni主要以残渣晶格结合态、有机物与硫化物结合态、碳酸盐结合态存在。Pb主要以残渣晶格结合态、Fe/Mn氧化物结合态、有机物与硫化物结合态存在。

(4)所研究河段的 Zn与 Ni的生物迁移指数较大,其潜在生态干扰能力较强,应是本地区河道沉积物重金属污染控制的重点。

[1]胡忻,曹密.南京市内河道沉积物中重金属元素形态及 Pb稳定同位素组成 [J].环境科学研究,2009,22(4)：398～403.

[2]李莲芳,曾希柏,李国学,等.北京市温榆河沉积物的重金属污染风险评价[J].环境科学学报,2007,27(2)：291～297.

[3]利锋,温琰茂,朱娉婷.城市污染河道沉积物 AVS与重金属生物毒性研究[J].环境科学,2007,28(8)：1810～1815.

[4]迟海燕,黎荣,赵子良,等.大沽排污河沉积物中重金属的分布特性研究[J].中国给水排水,2006,22(6)：102～105.

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

[6]徐明德,李平.汾河太原城区段的水质调查与分析[J].中国给水排水,2005,21(4)：102～104.

X830.3/X522

A

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

山西省自然科学基金项目 (2007011064)。

张弛 (1973—),男,山西运城人,讲师,在读博士。研究方向：环境工程。