海口市红城湖底泥潜在生态风险评价及资源化利用分析

王向辉, 刘又华, 马晓旭, 李莹莹, 史载锋, 刘艳玲

(海南师范大学化学与化工学院，海南省水环境治理与资源化重点实验室，海口 571158)

国务院《水污染防治行动计划》的正式发布加快了各个城市对城市内河湖水体治理的进程，清理底泥是水体治理、疏通水系常用的有效方法，底泥疏浚能有效减小内河湖污染负荷，降低有毒有害物质对水体的释放[1-4]。然而，对疏浚过程中产生的淤泥如何进行处置成为亟待解决的问题，疏浚产生的淤泥堆放在疏浚堆场中而不采取相应措施会带来各种环境问题，包括占用土地、污染周边土壤、地下水和周边水体造成二次污染[5-8]。分析河流底泥重金属污染状况以及潜在生态环境风险，对于水体底泥清理和后续资源化处置具有重要意义，刘伟等[9]详细分析了三角地区河涌底泥的营养成分、矿物组成、污染情况等，并提出了底泥修复技术和资源化方案；杨欣妍等[10]利用污染底泥制备陶粒，并用于污水中磷的去除；Canet等[11]将清淤底泥用于土地利用，研究表明底泥能够提高土地肥力，促进植株生长。

红城湖位于海口市琼山区，面积约为 31.09×104m2，平均水深约2.5 m，蓄水量为77.725×104m3，是一个集观赏、蓄洪、泄洪为一体的多功能湖。近年来，由于周边污水管网破损，污水收集系统、净化系统不健全，水动力不足等原因导致红城湖水体恶化。2016年，海口市启动水体治理、生态修复工程，将红城湖列入水体治理和生态修复计划。基于此，通过系统分析底泥物化性质、营养成分和重金属污染程度，采用潜在生态风险评价方法评价底泥潜在生态风险，能够为清淤底泥合理处置、利用提供理论依据，避免环境二次污染，变废为宝，具有显著的生态环境效益。

1 实验方法

1.1 样品采集及处理

为避免丰水期对底泥各指标产生影响，采样选择在2017年4月进行，将红城湖分为三部分进行采样，采样点布设空间分布如图1所示。采用抓斗式采泥器采集深度为0～30 cm层的底泥，共设计9个取样点，每个点取底泥样品3个，共取底泥27个样品。底泥样品均匀混合后，分别置于棕色玻璃广口瓶中(湿样保存)和具盖四氟乙烯样品桶中(待干燥样品)，带回实验室，湿样-4 ℃保存。将采集的样品经自然晾干→人工压碎→剔除砾石及动植物残体→混匀碾磨→过筛(200目)等步骤处理待用。

图1 红城湖底泥采样点

1.2 检测指标及方法

底泥监测指标包括物性指标(pH、含水率、容重和比重)，营养参数(有机质、有效磷、碱解氮和速效钾)，有机污染物(总氰化物、苯并α芘)，重金属(锌、铜、镍、镉、总铬、铅、汞、砷)。其中，pH、容重、比重、含水率检测方法参照文献[10]；有机质、碱解氮、有效磷检测方法参照文献[11]；总氰化物、苯并α芘等有机污染物以及钾、锌、铜、镍、总铬、镉、汞、铅、砷等金属离子检测分析方法参照《城市污水处理厂污泥检测方法》(CJ/T 221—2005)[12]。其中，Cd采用火焰原子吸收法测定；Hg、As采用氢化物发生原子荧光法测定；Zn、Cu、Ni、Pb、Cr 采用等离子体发射光谱法[13]测定。

1.3 风险评价

采用Hakanson提出的潜在生态风险指数法进行评价，该方法能够反映单个污染物和全部污染物的综合影响，同时定量分析潜在生态风险程度[14]。在土壤对环境的影响评价研究中，潜在生态风险指数法是应用最广泛的一种，其评价公式如式(1)～式(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

表1 底泥重金属评价背景值

表2 重金属潜在生态风险评价各指标及分级标准

1.4 底泥固化和抗压强度测试

将底泥直接按比例与水泥、石灰等混合，用砂浆搅拌机均匀搅拌 5 min，并根据《土工实验规范》(GB/T 50123—1999)的要求，将样品分 5～6 层装入模具，压入直径为7.5 cm、高15 cm的筒状聚氯乙烯(PVC)试模中，每加入一层振动3 min，以排除试样中的气泡，保证试样不出现空洞和蜂窝等缺陷，直至装满。常温下养护24 h，脱模，于室外自然养护7 d。

1.5 二次污染评价

选用国家环境保护标准《固体废物 镍和铜的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 751—2015)[15]；《固体废物 铅、锌和镉的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 786—2016)[16]中重金属测定方法对底泥样品进行重金属检测，评价资源化底泥的生态环境二次污染危害。

2 结果与讨论

2.1 底泥样品分类

图2 底泥样品外观

底泥样品呈现黑色(图2)，有少许臭味，并含有塑料、玻璃瓶等大的生活垃圾，符合城市内湖特征，周边环境及管理需要进一步加强，减少生活垃圾进入水体。根据底泥采样位置和晾干后底泥外观形态不同分为三类：第一类编号HCH1，包括1#、2#、3#和4#样，主要为补水流经区域，底泥以砂为主；第二类编号HCH2，包括5#、6#和7#样品，为补水和溢流污水交汇区域，底泥以砂为主，包含少量黏土；第三类编号HCH3，包括8#和9#样品，为溢流污水流经区域，底泥为沙和黏土混合物。将三类底泥样品充分混合均匀后进行物化性质、营养参数和污染物分析检测，并进行潜在生态风险评价。

2.2 底泥物理性状分析

红城湖底泥样品pH为7.0～9.0，符合建筑填土、路基用土要求；含水率介于30%～40%，HSH1样品含水率最低，分析原因可能为来自美舍河的补水携带大量泥沙，经冲刷后悬浮小颗粒和黏土类低密度固体流出，大颗粒泥沙沉积，造成含水率低，比重高(表3)。HSH2样品相比含水率率高，应该是收到污水溢流的影响，受水流冲刷强度减弱，黏土类低密度颗粒含量稍高；HSH3样品主要收到溢流污水影响，底泥有臭味，受补水水流冲刷进一步减弱，造成含水率增高，比重降低。

底泥样品孔隙率相差不大，介于36%～39%，属于紧密型土壤，结合其砂石含量高的特点，有利于作为建筑填土、公路用土等资源化利用。

表3 底泥物理参数

2.3 底泥营养成分分析

底泥中营养参数(有机质、速效钾、有效磷和速效氮)的含量是判断是否符合种植标准的重要指标，测试结果如表4所示，对照全国土壤养分含量分级标准[17](全国土壤普查办公室，1998年)，红城湖底泥中有机磷、速效钾含量都超过一级(丰富，有效磷>40 mg/kg，速效钾>200 mg/kg)标准，而速效氮含量偏低，HCH1和HCH2样品含量处于四级和五级之间(较缺60～90 mg/kg，缺30～60 mg/kg)。HCH1底泥样品有机质含量15.7%，达到土壤四级级(较缺，10～20 g/kg)水平，HSH2底泥样品有机质含量23.4%，达到土壤三级级(中等，20～30 g/kg)水平，而HCH3底泥样品中有机质含量为62.8 g/kg，超过土壤一级标准(一级，>40 g/kg)。按照底泥样品的营养成分含量分析，HCH1和HCH2底泥样品有机质和速效氮含量都比较缺乏，不适合作为种植用土，而HCH3底泥样品营养成分含量丰富，可以考虑用于园林、堤岸绿化用土。

表4 底泥中营养物质含量

2.4 污染物含量分析

2.4.1 苯并芘和总氰化物含量分析

参照《城市污水处理厂污泥检测方法》(CJ/T 221—2005)[12]对污泥样品中的苯并芘和总氰化物进行检测，泥样品中未检出污染物苯并芘和总氰化物。

2.4.2 重金属含量分析及潜在生态风险评价

选用广东A层土壤各元素背景值对底泥样品中重金属进行潜在生态风险评价，评价结果如表5所示。评价数据表明红城湖底泥污染程度不同，HCH1底泥、3#底泥的RI分别为151.17、227.47，均超过150，达到中等风险程度，2#底泥RI为386.92，高于300，达到高等风险程度。

底泥中各种重金属污染程度也不相同，金属镉污染最为严重，HCH2底泥污染因子高达11.07，远高于HCH1和HCH3底泥；锌、镍、铅同样存在污染情况，锌污染程度依次为HCH3>HCH2>HSH1，镍污染程度 HCH2>HCH3>HCH1，铅污染程度依次为HCH3>HCH1>HSH2；重金属整体污染程度依次为镉>锌>镍>铅>砷>总铬>汞>铜。

HSH1底泥取样点分布于红城湖补水口至出水口，水体交换良好，低密度粘土、腐殖质等携带重金属污染物流失，因此总体重金属污染程度最低；HSH2底泥样品取样点位于红城湖中心位置，处于补水和污水的沉积区，造成污染物大量沉积，重金属污染整体水平最高；HCH3底泥样品取样点分布于污水流经区域，污染物沉积较多，造成重金属污染水平偏高。

潜在生态风险评价结果表明红城湖底泥不适宜作为农田用土或园林绿化用土，但底泥含沙量高，比重大孔隙率低，适宜作为建筑用土利用。

2.5 抗压强度测试

将测试7 d无侧限抗压强度作为固化强度的评价指标。计算得到该HCH1试样的无侧限抗压强度为2 460 kPa，HCH2试样的无侧限抗压强度为2 140 kPa，HCH3试样的无侧限抗压强度为1 780 kPa，三组测试样品抗压强度均达到中国交通部《公路路面基层施工技术规范》要求各级公路用水泥稳定土抗压强度。因此，此类底泥可以用于填方用土、路基用土后修筑堤岸用土。

2.6 生态环境二次污染评价

红城湖底泥作为路基用土是资源化利用的有效途径，但要预防资源化后随着雨水、地下水的冲刷造成重金属进入地表或地下水体的环境风险。选用固体废物中重金属测定方法[18]对底泥样品进行重金属检测，检测结果如表6所示。重金属测试实验结果表明自然降水(弱酸性或中性)对底泥样品中重金属的浸出量可以忽略不计，因此不会产生生态环境风险。

表5 底泥中重金属含量及潜在生态风险分析

注：评价参考值选取国家标准允许的最小限值。

表6 红城湖底泥重金属二次污染评价

3 结论

红城湖底泥呈现黑色、有轻微臭味夹杂各种生活垃圾，干化后污泥呈现黄棕色，砂石含量高，孔隙率介于36%～39%之间，属于紧密型土壤；营养成分分析表明底泥中有效磷、速效钾含量丰富，但有机质和速效氮含量相对较低，不利于农田和绿化利用；底泥中未检出苯并芘和总氰化物，重金属镉、锌、镍和铅含量高于参照土壤，存在污染情况，重金属整体污染程度依次为镉>锌>镍>铅>砷>总铬>汞>铜，取样底泥土壤利用潜在生态风险评价均存在一定的风险，鉴于此推荐红城湖底泥用于建筑用土或公路用土。

三组测试样品抗压强度均达到中国交通部《公路路面基层施工技术规范》要求各级公路用水泥稳定土抗压强度，重金属渗出实验表明该类底泥用于公路地面用土不存在环境污染风险。鉴于本研究数据和分析，建议清淤后底泥用于公路修建或者填方用土，不仅解决了清淤底泥的存储、处置问题，同时为公路修建或建筑填方提供原材料，节约土方成本。