长江流域重金属污染特征及综合防治研究进展

刘朋超，麻泽浩，魏鹏刚，赵迎新，刘红磊

（1.天津大学 环境科学与工程学院，天津 300350；2.天津市环境保护科学研究院，天津 300191）

长江流域是指长江干流及其各主要支流流过的广大地域，分为金沙江水系、岷沱江水系、长江上游段、嘉陵江水系、乌江水系、长江中游段、洞庭湖水系、汉江水系、鄱阳湖水系、长江下游段和太湖水系共计11部分，覆盖我国19个省、市、自治区的大部分地区，总面积约为1.8×106km2，约占我国国土总面积的18.8%，是世界第三大流域。长江流域丰富的自然资源为人们的生产和生活提供赖以生存的资源和能源，推动着长江经济带的繁荣与发展[1-2]。但随着经济社会的发展，长江流域重金属污染问题也越来越受到人们的关注。

重金属是一类具有潜在生态及健康危害的重要污染物，其产生的污染与其他有机污染有显著的不同。这是因为大多数有机化合物的污染可以通过自然界自身的物理作用、化学作用或微生物的生物作用得到净化，使其有害性降低或解除。相反，重金属污染具有富集性，能随生物链向上传递进而给人们的健康造成威胁，并且很难在环境中被降解。另外，重金属污染的程度不仅与其种类、理化性质有关，还取决于其浓度及存在的形态和价态[3]。

1 长江流域重金属污染来源

许岚[4]研究发现，长江流域地区工业化、城市化及农业集约化程度整体高于全国其他地区，污染物排放程度比其他地区更为严重，排入河流的污染物主要包括氮、磷、重金属、持久性有机污染物等，其中重金属污染对长江流域生态环境的影响已不容小觑。国家各部委联合发布的《长江中下游流域水污染防治规划（2011-2015年）》指出，规划区域内重金属等有毒有害物质主要集中在湖南省，汞、镉、总铬、铅、砷等排放量分别占区域排放总量的55.0%，81.1%，46.8%、77.6%和70.6%。长江流域水体重金属污染主要是由人的各项生产生活活动引起，主要来源有工业、农业和交通运输业等[4，5]。

依托水运和水电优势，在长江沿岸集中布局了化工、钢铁、有色金属、制药等一批高能耗、高污染产业，它给长江流域的环境带来了巨大的压力。据2017年水利厅、环保厅、住建厅等部门联合开展的长江流域入河排污口检查专项行动的结果显示，在长江流域，主要河流和湖泊有1 900多个排污口，排入长江的废污水总量为2.8×1010m3/a。其中工业、企业废污水约占57%[6]。农业生产中由于大量使用化肥和农药，经雨水冲刷后流入长江，也导致水体重金属含量增加，同时农业生产中污水灌溉及堆肥污泥也会增加水体重金属含量。此外，长江航道自古以来就是我国最重要的经济动脉之一，航运业发达，其产生的重金属污染物也是长江流域水体重金属污染的重要原因[4]。

2 长江流域重金属污染分布特征

长江流域地域辽阔、水系庞大。在水体环境中，沉积物中重金属元素的量可以粗略地反映出河流重金属的污染程度。长江干流沉降物主要来自上游，其中金沙江占34.7%，嘉陵江占22.5%[4]。李永峰等[7]的研究表明，长江三峡上游区域内重金属污染为强度和中度的区域分别占5%和37%，这表明此区域内重金属污染为中等水平，而其中污染最严重的依次为Hg和Cd。而张伟杰等[8]运用地积累指数法得出的三峡库区干流重金属污染情况为 Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr＞As＞Ni＞Hg。长江中游最大支流湘江的水体中，重金属污染是水体环境污染的主因，多个检测断面的As，Hg，Pb，Cd均有超标[9-11]。研究表明，Hg，Cd和Pb是湘江最重要的重金属污染物[11]。长江中下游地区水体中重金属污染按污染程度次序为Cr＞Hg＞Cu＞Pb＞As＞Cd[12]，其中Cu的污染情况与各地重工业类型有关，在安庆、南京等地的污染较为严重，其他地区污染程度较轻[13-14]。

长江流域四大湖泊中，洞庭湖沉积物重金属污染程度递减排列为Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cu＞Cr，其中Cd和Hg是最主要的两种重金属污染物[15]；鄱阳湖中重金属元素污染潜在生态风险主要是由于Hg和Cu两种重金属元素[16]，按潜在生态风险大小排序为Hg＞Cu＞Pb＞Cd＞As＞Cr＞Zn；巢湖水域基本没有重金属污染，其中仅Hg元素浓度为地表水Ⅲ类水质，其他几种主要重金属元素均能符合地表水Ⅰ～Ⅱ类标准[17]；而太湖流域的重金属污染综合水平处于安全至中度污染之间[5，18-19]。Hg，Cu和Zn这三种元素是太湖流域主要的重金属污染物，其中Hg是首要污染物，起决定性作用[5]。

从长江流域整体来看，Hg，Cd两种重金属污染对长江流域的影响最大，其中Hg污染几乎分布于除巢湖之外的整个长江流域，而且在大多数地区为首要或主要污染物；Cd污染主要分布在长江中上游。Cr污染主要分布在长江下游干流地区；Cu污染主要分布在长江下游及鄱阳湖、太湖，且呈现地域性分布。

3 长江流域重金属污染风险分析

长江流域重金属污染风险包括长江干流水体中的重金属对人类健康的风险和长江近岸沉积物重金属的生态风险两个方面。

（1）风险评价标准与方法

我国目前对淡水河流湖泊沉积物尚无明确风险评价标准，仅有《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）对地表水中的重金属含量进行限制，其将水体中各种重金属浓度分为5个等级，即一类、二类、三类、四类、五类[20]。

生态风险评价分析的主要步骤是效应评价与风险表征，由此总结出两类风险分析方法。一类是效应评价方法，包括评估因子法、微宇宙和中宇宙生态系统模拟法和物种敏感性曲线法。另一类风险表征的方法既可做定量分析又可以定性分析。定量分析的风险表征法有商值法与概率法两种。

（2）长江流域重金属污染对人体健康风险分析

长江是沿岸城市主要的饮用水源，其水质状况对人体的健康具有直接的影响。例如：As，Cd具有致癌性；Pb会干扰人体生殖腺的分泌，危害造血功能；Cu，Zn摄入过量会危害大脑、消化系统。总体来说，长江流域主干河流的重金属污染物不会对人体产生显著的危害，重金属污染物所致的个人健康危害的总风险水平低于国际辐射防护委员会（ICRP）推荐的最大可接受风险水平[21]。

（3）长江流域沉积物重金属对生态风险分析

长江流域沉积物中的重金属主要包括铜、铅、镉、锌、砷和汞。在枯水期铜和铅元素存在一定的污染，丰水期砷、铜、铅、镉和锌存在一定的污染[22]。单因子分析法和潜在风险指数法表明：镉是最主要的生态风险影响因子[23]，在长江上游表现为强度生态风险；汞在中下游处于中等生态危害水平；砷的潜在生态风险很高；锌、铅和铜三种元素的潜在生态风险较低[24]。

总体来讲，长江流域各段风险评估情况存在差异。通过综合生态风险指数法分析得出长江上游支流的岷江、沱江段入江口断面处风险等级达到了强风险等级。干流宜宾段的生态风险水平高于泸州段[22]。部分水域如万州、重庆江段平均生态风险达到中等水平[23]。长江中游流域除个别湖泊的个别重金属处于中度污染外,各湖泊中各重金属的潜在生态危害均较低[25]；长江下游流域水体Cr的污染最严重[26]。Hg，Cd是生态风险的主要影响因子，并且产生了较大的潜在生态风险[27]。

4 长江流域重金属污染综合防治

4.1 治理现状

目前对于长江流域重金属污染的治理主要涉及长江流域沿岸土壤、水体、沉积物中的重金属。

土壤中的重金属污染治理，主要集中在长江三角洲地区。长江三角洲地区有着众多的人口和较为发达的工农业，企业排放大量含有有毒重金属的污染物导致局部土壤重金属污染程度严重。从土壤中去除重金属污染物的较为理想的方法是改变土壤组成及其性质，主要方法有矿物修复和生态措施[28]，这也是目前应用最普遍的两种方法。

防治长江流域水体重金属污染的方法也主要有两种：一种是降低水体中重金属的转移和可生物利用度；另一种是从水体中除去重金属[29]。根据重金属的污染特征，可以将水体重金属修复技术分为物理化学法、化学法和生物修复法。其中物理化学法包括离子交换法和吸附法。化学法包括电解和化学沉淀。生物修复法指利用动植物及微生物作用进行污染修复。

沉积物重金属污染也是长江流域水体污染的重要方面。重金属污染物主要通过废水排放和雨水冲刷进入水体，最后富集到沉积物中，使底泥受到严重的重金属污染。处理沉积物中的重金属主要有生物技术和化学技术，其中生物技术具有低成本、高效率的优点。化学工艺主要包括螯合法，垃圾焚烧飞灰固化污染底泥中重金属，有机酸对污染底泥重金属的浸出。重金属污染的沉积物被螯合剂处理后，沉积物具有无害化和体积不增加的效果。也可以通过对螯合剂的结构进行修饰，使螯合剂与底泥中的重金属之间的化学螯合性能进一步加强，使得螯合物的稳定性得到进一步加强[30]。

目前修复长江流域重金属污染沉积物取得显著成效的例子并不多见。未来在沉积物重金属污染的治理和修复技术方面还任重道远。

4.2 防治措施

“十三五”期间，中国重金属污染防治工作稳步推进。减少长江流域重金属污染最有效的方法是从污染源处杜绝排出重金属污染物或者在中途截断重金属污染物的排放。治理长江流域重金属污染，要从农业、工业、航运业这三个主要方面来进行。

（1）对农业重金属污染的控制

在长江流域，农业生产是水体重金属污染的重要方面，主要包括农药、化肥等农业药剂的使用。有关部门应该加强管控，禁止将农业化学药剂残余物排入长江流域水体中，减少污染源的排放。在农业生产中，尽量使用不含或者含重金属少的农业药剂，有效避免重金属在土壤中的累积，降低由于农业生产带来的土壤和水体质量下降。对于农业生产中所产生的污水，应该通过一定的方法，先处理达标再排放[4]。

（2）对工业重金属污染的控制

长江流域工业发达，经济发展迅速，企业数量多，导致大量重金属污染物排放。沿岸企业的工业生产排污是长江流域重金属污染的重要来源[4]。因此，应优先控制工业较发达的长江流域经济带所产生的严重的重金属污染问题。主要措施有：将产业结构优化，在企业的生产活动中，尽可能消除产生重金属污染物的工程步骤；应用环保的设备；采取集约化生产模式。这样不仅达到了节约成本并高效利用资源的作用，而且减少了污染物的排放。对工业废弃物中的重金属进行回收处理、循环使用，这样不仅能提高原料利用效率，还达到了降低废弃物中重金属的含量的目的。控制重金属污染物，最重要的是要严格执行有关行业的排放标准，对超过重金属污染物含量标准的废气、废液和固体废弃物进行先处理再排放和使用。

（3）对交通运输业重金属污染的控制

长江流域航运体系发达，船舶产生的重金属污染物使长江流域水体重金属污染更加严重。因此，需要对航运业所带来的污染进行控制。减少航运业水体重金属污染的主要措施有：使用不含重金属污染物的优质燃料，如天然气；在轮船上加装污染物处理设备；采取相应的防护措施，收集和阻拦重金属污染物进入水体[4]。近几年有学者提出要延续补贴，完善配套，加快液化天然气（LNG）动力船推广步伐。

5 结语

随着长江流域农业、工业和航运业的快速发展，重金属污染问题日益严重。从长江流域整体来看，各类重金属污染对长江流域各个地区的影响情况不同，呈区域差异性分布。就重金属污染对人体健康影响的风险评估而言，长江流域主流的重金属污染物不会对人体健康产生重大危害。通过对重金属污染的综合生态风险的分析表明，长江流域各个区域的生态风险有所差异。但就流域整体分析重金属污染形势已经不能够被忽视，并且污染程度有逐年上升趋势。不容乐观的是，目前长江流域重金属污染防治尚未形成一套行之有效的治理措施。对于长江流域重金属污染的治理，主要方法是通过对土壤、水体和沉积物中重金属污染的治理，达到减轻或消除重金属污染物的目的，而主要预防措施是应加强对工业、农业和航运业等所带来的重金属污染物进行输入控制和治理。同时，我们必须采取相应措施，防治重金属污染引发的一系列问题。