京郊灌渠水体和底泥中多环芳烃污染特征*

张敬锁 周 洁 刘晓霞 刘凤枝

(1. 北京市农业环境监测站，北京 100029；2.农业部环境监测研究所，天津 300191)

京郊灌渠水体和底泥中多环芳烃污染特征*

张敬锁1周 洁1刘晓霞1刘凤枝2

(1. 北京市农业环境监测站，北京100029；2.农业部环境监测研究所，天津300191)

以美国环境保护署(USEPA)公布的16种优先控制多环芳烃(PAHs)作为目标污染物，对通州区和大兴区灌渠水体和底泥中PAHs种类、浓度进行研究，并进行源解析，以了解京郊灌渠水体和底泥中PAHs的污染现状和主要污染来源，为农业环境保护和农产品质量安全提供科学依据和数据支持。结果表明：通州区灌渠水体和底泥中16种PAHs全部检出，水体和底泥中总PAHs分别为2.19～83.02ng/L、52.61～785.22μg/kg；大兴区灌渠水体中检出15种PAHs，底泥中检出13种PAHs，水体和底泥中总PAHs分别为2.72～36.56ng/L、2.69～39.20μg/kg。灌渠水体中以2～3环PAHs为主，底泥中以4～6环PAHs为主。

多环芳烃 种类 浓度 来源 灌渠 京郊

随着现代工业的快速发展，大量有毒有害有机污染物排放到环境中，造成严重污染。有机污染物种类繁多，其中，多环芳烃(PAHs)是一类广泛存在于环境中且具有致癌、致畸和致突变作用的持久性有机污染物。虽然环境中的PAHs浓度较少，但在其生成、迁移、转化和降解的过程中，会通过各种途径进入人体，威胁人体健康。因此，PAHs的污染问题已引起广泛关注。

近年来，国外学者对沉积物、地面水及大气颗粒物等环境介质中的PAHs展开了大量调查和评估研究，为PAHs在水环境中的迁移、转化和来源等研究奠定了科研基础[1-2]。我国对PAHs的污染研究处于初级阶段，目前大体上只在部分地区开展大气中PAHs的监测，而对水和沉积物中的PAHs研究主要集中在如长江、黄河及一些海湾和近海海域的水环境中，对污灌水体研究较少[3-4]。

北京市东南郊(通州区和大兴区)作为老污灌区，几十年来一直引用承接北京市生活污水和生产废水的通惠河、凉水河河水和高碑店污水处理厂的排水进行灌溉，虽然已经停止污灌多年，但灌渠底泥中污染物会不断溶解并释放到灌渠水体中，进而污染土壤，威胁农产品质量安全。有关北京市东南郊污灌区农业环境污染情况的调查较多，但调查对象主要以水、土壤和农作物为主，较少涉及灌渠底泥，而检测项目又以常规指标和重金属为主，较少涉及到持久性有机污染物[5-6]。

本研究以美国环境保护署(USEPA)公布的16种优先控制PAHs作为目标污染物，对通州区和大兴区灌渠内水体和底泥中PAHs的种类、浓度进行研究，并对水体和底泥中PAHs污染的来源进行源解析，以了解京郊灌渠水体和底泥中PAHs的污染现状和主要污染来源，为农业环境保护提供科学依据和理论支持。

1 材料与方法

1.1采样点概况

通州区沿凉水河各灌渠布设10个采样点。凉水河水系位于水资源紧缺的北京市南郊、东南郊地区，在通州区境内的榆林庄闸上游汇入北运河。通州区处于北京市水网的下游河段，进入通州区的河水可能受到上游污染的影响，同时通州区自身也是北京市重要的居民生活区和工业区，区内有多家大型企业，还含有京通工业开发区等多个新兴工业园区。

在大兴区南红门灌区布设8个采样点，主要包括长子营、青云店、采育3个乡镇。南红门灌区位于大兴区东北部，属永定河冲积平原。灌区上段为凉凤灌渠，下段为北野厂灌渠。由于灌区持续干旱、上游来水条件变化等原因，使渠道处于干涸状态，现主要利用小红门污水处理厂处理后的再生水通过凉凤灌渠向该区域输水。

1.2样品采集

样品采集、运输、保存，按照《农用水源环境质量监测技术规范》(NY/T396—2000)、《农田土壤环境质量监测技术规范》(NY/T395—2012)规定的方法进行。灌渠内水体于丰水期、枯水期各采集1次，底泥在枯水期采集，且与水样同步采集。

其中，枯水期在通州区采集水样10个、底泥10个，在大兴区采集水样8个、底泥5个；丰水期在通州区采集水样10个，在大兴区采集水样8个。通州区的水样和底泥分别从布设的10个采样点一一采集；大兴区的水样从布设的8个采样点一一采集，采集底泥的1#和2#采样点与布设的1#和2#采样点一一对应，而采集底泥的3#、4#和5#采样点为混合采样点，分别对应布设的3#与4#、5#与6#、7#与8#采样点。

1.3检测项目

2 结果与分析

2.1常规指标

通州区和大兴区灌渠水体的COD、pH、氯化物、石油类和粪大肠菌群等常规指标分别如表1、表2所示。通州区5#采样点由于在枯水期COD>150mg/L，不符合《农田灌溉水质标准》(GB5084—2005)，其余采样点均符合GB5084—2005。大兴区除了2#和4#采样点在枯水期COD>150mg/L，不符合GB5084—2005，其余采样点均符合GB5084—2005。

2.2灌渠水体中PAHs污染现状及组成特征

2.2.1水体中PAHs污染现状

由表3和表4可以看出，通州区10个采样点16种PAHs全部检出。其中，萘、苊烯、芴、菲和苯并[a]蒽的检出率较高。萘在枯水期和丰水期检出率均为90%，苊烯在枯水期和丰水期检出率分别为100%、80%，芴在枯水期和丰水期检出率分别为90%、70%，菲在枯水期和丰水期检出率均为100%，苯并[a]蒽在枯水期和丰水期检出率分别为90%、100%。蒽和苯并[a]芘的检出率较低，在枯水期分别为10%和30%，在丰水期均未检出。通州区各采样点总PAHs为2.19～83.02 ng/L，PAHs浓度最高点出现在丰水期的2#采样点，最低点出现在枯水期的7#采样点。

表1 通州区灌渠水体的常规指标

表2 大兴区灌渠水体的常规指标

表3 枯水期时通州区灌渠水体中PAHs的种类和质量浓度1)

注：1)ND为未检出，表4至表6、表8、表9同。

表4 丰水期时通州区灌渠水体中PAHs的种类和质量浓度

表5 枯水期时大兴区灌渠水体中PAHs的种类和质量浓度

表6 丰水期时大兴区灌渠水体中PAHs的种类和质量浓度

由表5和表6可以看出，大兴区8个采样点除了蒽未检出外，其余15种PAHs全部检出。其中，萘、苊烯和苯并[a]蒽的检出率较高。萘在枯水期和丰水期检出率均为100%，苊烯在枯水期和丰水期检出率分别为88%、100%，苯并[a]蒽在枯水期和丰水期检出率分别为88%、100%。苯并[g,h,i]芘的检出率较低，在枯水期未检出，在丰水期检出率为13%。大兴区各采样点总PAHs为2.72～36.56 ng/L，浓度最高点出现在丰水期的7#采样点，最低点出现在丰水期的8#采样点。

2.2.2 水体PAHs的组成特征

由图1可以看出，通州区和大兴区各采样点的PAHs组成较一致，大体均以低环(2～3环)PAHs为主，高环(5～6环)PAHs浓度较低。由表7可以看出，在通州区枯水期2、3、4、5、6环PAHs分别占水体总PAHs的42.00%、6.90%、48.30%、2.60%、0.20%。在通州区丰水期，2、3、4、5、6环PAHs分别占水体总PAHs的84.20%、11.40%、3.10%、1.30%、0.01%。在大兴区枯水期，2、3、4、5环PAHs分别占水体总PAHs的77.80%、13.90%、7.00%、1.20%，6环PAHs未检出。在大兴区丰水期，2、3、4、5、6环PAHs分别占水体总PAHs的84.90%、9.90%、3.00%、2.10%、0.03%。

通州区丰水期、大兴区枯水期和大兴区丰水期的PAHs组成以低环PAHs为主，其次是中环(4环)PAHs，高环PAHs较少，这是由于大分子量PAHs更易向悬浮颗粒物及底泥中迁移，所以水体中的中低环(2～4环)PAHs浓度相对较高。而通州区枯水期的1#、4#采样点中，4环PAHs浓度较高，导致通州区枯水期PAHs的组成以中环PAHs为主，其次是低环PAHs。研究表明，中高环(4～6环)PAHs主要来源于化石燃料高温燃烧与裂解，而低环PAHs主要来源于石油类产品和化石燃料的不完全燃烧或天然成岩过程[7-8]。通州区和大兴区灌渠水体中PAHs大体以低环为主，表明其PAHs污染来源可能主要为石油类产品和化石燃料的不完全燃烧。

2.3 灌渠底泥中PAHs污染现状及组成特征

2.3.1 底泥中PAHs污染现状

为了解通州区和大兴区灌渠底泥中PAHs的污染特征，对枯水期时各采样点的灌渠底泥进行研究。由表8可以看出，通州区灌渠底泥中10个采样点16种PAHs全部检出，除萘的检出率较低(30%)外，其余15种PAHs的检出率均大于90%。各采样点总PAHs为52.61～785.22 μg/kg。

图1 通州区和大兴区灌渠水体中PAHs组成特征Fig.1 Composition characteristics of PAHs in irrigation canal water in Tongzhou District and Daxing District

Table 7 Proportion of PAHs with different rings in irrigation canal water in Tongzhou District and Daxing District %

注：1)比例以质量分数计，表10、表12同。

表8 枯水期时通州区灌渠底泥中PAHs的种类和质量浓度

表9 枯水期时大兴区灌渠底泥中PAHs的种类和质量浓度

比较灌渠水体和底泥中的PAHs浓度发现，底泥中PAHs浓度明显高于水体(按水密度为1 000 g/L折算)，这是由于PAHs具有较低的水溶性造成的。PAHs随废水排放、大气沉降等途径进入水体，由于水溶性低和蒸汽压小等特点，主要吸附在水体悬浮颗粒物上，并随悬浮颗粒物的沉降在底泥中积累，而底泥中的PAHs由于生化降解速度慢，在底泥中逐渐富集，使底泥中PAHs浓度往往高于水体中几个乃至几十个数量级[9]。

2.3.2 底泥中PAHs组成特征

通州区和大兴区灌渠底泥中PAHs的组成特征如图2所示。除了通州区2#采样点外，通州区和大兴区枯水期灌渠底泥中的PAHs主要以4环PAHs浓度最高，其次是3、5环PAHs，2、6环PAHs浓度最低。通州区和大兴区枯水期各环数PAHs的组成比例如表10所示。由表10可以看出，通州区和大兴区枯水期低环PAHs分别占总PAHs的32.6%、8.7%，中高环PAHs分别占总PAHs的67.4%、91.3%。

图2 通州区和大兴灌区底泥中PAHs组成特征Fig.2 Composition characteristics of PAHs in irrigation canal sediments in Tongzhou District and Daxing District

研究表明，沉积在底泥中的PAHs会再次释放进入水体。相较于中高环的PAHs，低环PAHs具有相对较高的水溶性和蒸气压，因而不易吸附于悬浮颗粒物而更易进入水体[10]。此外，底泥中低环PAHs如萘、苊、苊烯和蒽等具有相对高的挥发性，易光解且能迅速降解；而中高环PAHs却较难降解，所以底泥中PAHs常常显示出中高环PAHs占优势的特征[11]。

表10 通州区和大兴区灌渠水体中各环数PAHs比例

2.4 灌渠水体和底泥中PAHs的来源分析

2.4.1 灌渠水体中PAHs的来源分析

表11 通州区和大兴区灌渠水体中PAHs来源分析结果

表12 通州区和大兴区灌渠底泥中PAHs的来源分析结果

2.4.2 灌渠底泥中PAHs的来源分析

灌渠底泥中的PAHs可能来源于多种污染源，因此判断其污染来源存在困难，但通过特征PAHs组分的分析比较可以粗略判断底泥中PAHs的主要来源。在热力学上，芘比荧蒽更稳定。研究发现，荧蒽/芘(质量比，下同)<1，表明PAHs主要来源于石油泄漏；荧蒽/芘≥1，则PAHs主要来源于燃烧[17]。由表12可以看出：通州区灌渠底泥中荧蒽/芘为1.19～1.48，平均值为1.29；大兴区3#、4#采样点的灌渠底泥中荧蒽/芘分别为1.35、1.78，均大于1。因此，通州区和大兴区灌渠底泥中PAHs的主要来源为燃烧。此外，有研究发现，当底泥中PAHs以4～6环为主时，其主要来自燃烧[18]。大兴区和通州区在枯水期时灌渠底泥中4～6环PAHs分别为72.4%±19.2%、95.2%±5.1%，表明燃烧来源所占的比重较大。

3 结 论

(1) 通州区10个采样点的灌渠水体中，16种PAHs全部检出，各采样点总PAHs为2.19～83.02ng/L。大兴区8个采样点的灌渠水体中，除了蒽未检出外，其余15种PAHs全部检出，各采样点PAHs为2.72～36.56ng/L。

(2) 通州区10个采样点的灌渠底泥中，16种PAHs全部检出，除了萘的检出率较低(30%)外，其余15种PAHs的检出率均大于90%；各采样点总PAHs为52.61～785.22μg/kg。大兴区5个采样点的灌渠底泥中，萘、苊和菲未检出，其余13种PAHs全部检出；各采样点总PAHs为2.69～39.20μg/kg。

(3) 灌渠底泥中PAHs浓度明显高于灌渠水体。此外，灌渠水体中PAHs以低环PAHs为主，而灌渠底泥中以中高环PAHs为主，这可能是由于中高环PAHs相比低环PAHs更易向悬浮颗粒物中分配，从而在底泥中积累。

(4) 通州区灌渠水体中PAHs主要为燃烧产物；大兴区灌渠水体中PAHs也主要为燃烧产物，但受到石油泄漏的影响。对通州区和大兴区灌渠底泥中的PAHs而言，燃烧来源所占的比重均较大。

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PollutioncharacteristicsofPAHsinwaterandsedimentsofirrigationcanalinsuburbofBeijing

ZHANGJingsuo1,ZHOUJie1,LIUXiaoxia1,LIUFengzhi2.

(1.BeijingMunicipalStationofAgro-EnvironmentalMonitoring,Beijing100029;2.Agro-EnvironmentalProtectionInstitute,MinistryofAgriculture,Tianjin300191)

16 priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) listed by US Environmental Protection Agency (USEPA) were used as the goal pollutant in order to study the species,concentration and the main source of PAHs in water and sediments of irrigation canal in Tongzhou District and Daxing District. This study would not only understand the pollution status and main source of PAHs in water and sediments in suburb of Beijing,but also provide supports for management of agricultural environment and safety of agricultural products. The results showed that 16 PAHs were all detected in water and sediments of irrigation canal in Tongzhou District and their concentrations were in range of 2.19-83.02 ng/L and 52.61-785.22 μg/kg,respectively. Whereas,15 PAHs were detected in water and 13 PAHs in sediments of irrigation canal in Daxing District,and their concentrations were in range of 2.72-36.56 ng/L and 2.69-39.20 μg/kg,respectively. The total PAHs were predominant 2-3 rings in water and 4-6 rings in sediments of irrigation canal.

PAHs; species; concentration; source; irrigation canal; suburb of Beijing

张敬锁，男，1973年生，硕士，高级工程师，从事农业生态环境保护工作。

*北京市科技计划课题专项(No.Z151100001115008)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.003

2016-01-27)