基于生物炭及活性炭沉积物原位修复过程生物毒性变化研究

刘 冬,尹 然,单相斐

(1.北京中科乾和环保科技服务有限公司,北京 100085; 2.清华大学附属中学,北京 100084)

近年来,随着工业和农业的快速发展,湖泊生态系统中重金属污染程度也日益严峻[1-4]。尽管湖泊生态系统通过物理、化学和生物作用过程可以对重金属等有毒污染物进行吸收、固定和转化,但当湖泊生态系统遭受严重的污染并超过其承受能力,重金属将从悬浮物或沉积物中重新释放,形成二次污染,甚至通过食物网产生生物放大效应[5-7],对生态系统产生毒性效应,威胁生态系统和人类的健康[8]。因此,湖泊生态系统的生物毒性的研究具有重要意义,已引起国内外学者的广泛关注[9]。

目前我国针对污染的沉积物所采取的措施仍然以异位修复为主,采用人力+机械对水体的沉积物进行清除和外运,然而清淤的风险没有经过科学的论证与评估,尤其是清淤过后造成的污染物释放,不仅再次污染水体,同时加重了水体生物毒性[10-12]。因此在清淤后迅速对沉积物进行原位覆盖成为了一种新型的异位+原位沉积物治理技术,以快速吸附释放的污染物,降低生物毒性。

研究以白洋淀为试验场地,通过模拟异位+原位处理沉积物过程,探究生物炭与活性炭不同铺洒厚度对疏浚后的生物毒性的影响,为底栖生境修复提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

白洋淀位于保定市东40 km,38°43′～39°02′N,115°38′～116°07′E[13],是华北平原最大的淡水浅湖型湿地[14],平均水深约2.5 m,淀区地势自西北向东南倾斜,属于海河流域大清河水系,流域面积3.1 万km2。白洋淀淀区总面积约366 km2,东西长39.5 km,南北宽28.5 km,主要由淡水湖和草本沼泽湿地组成,多年平均水域面积约占41%。淀内主要由白洋淀、马棚淀、烧车淀、藻杂淀等大小不等的143 个淀泊和3 700条沟壕组成,淀内村落39个[15]。淀区地貌景观以水体为主,水域间有苇田、台地、村庄,三者交错相间构成独特景观。淀区水质污染以营养盐为主,NH4+-N 和TN是主要污染物,水质长期处于Ⅳ类以下,淀区生态系统功能逐步退化,向藻型湖泊演化的进程加快,沼泽化的趋势明显。以芦苇植被为特征的水陆交错带约占36%,主要由芦苇群落、苇地间小沟以及浅水区组成,苇地和水面的面积之比约为1∶3.5[16]。研究实验场地位置见图1。

图1 北田庄场地实验区域位置示意图Fig.1 Location of the Beitianzhuang Town experimental area

1.2 场地实验设计

(1) 生物炭材料含量/厚度 生物炭含量是生物炭沉积物修复的一个重要参数,主要通过生物炭与沉积物混匀层的质量比来体现。考虑到底栖生物与微生物的主要活动区域为沉积物上表层10 cm区域,所以混匀层厚度尽量控制在10 cm以内。厚度分为薄(2～4 cm)和厚(6～8 cm)。

实验所使用碳源包括自行生产的生物质炭和活性炭,为保证碳铺撒后能够快速沉降,选用的碳均为高湿度碳(湿度大于30%)。

实验所用的生物炭以破碎毛竹为原料,在500 ℃的条件下加热3 h后制得。 毛竹是我国竹类植物最重要的品种,在我国约有毛竹3.868 3万km2,占竹林面积的71.89%,因此,选取毛竹为原料具有广泛的原料来源、经济的原料价格。

(2) 场地选择 场地实验地沉积物氮磷,重金属污染通过前期摸底调查污染较重。考虑到现场施工要求,尽量选择水深在1.5～2.0 m的沿岸地带,沉积物较厚、淀区代表性较强的区域。

实验场地选择在北田庄附近,具体位置根据围隔布设情况选定,实验选择区域应满足水深在1.5～2.0 m,沉积物厚度较为均一,为氮磷重金属复合污染区域。

(3) 围隔布设与工作平台搭建 考虑到实验的可行性,拟采用横排式布设方式,以便于实验操作。考虑到在冰面操作的安全性,实验在围隔外(包括围隔间)设置工作平台,围隔内部(1.5 m处)铺设宽度约为30 cm的工作连廊,其中B-1为原始对照,即未经任何处理;B-2为实验对照,即只搅动铺设木炭;B-B为生物质炭实验铺设一区,厚度为2～4 cm;B-H为生物质炭实验铺设二区,厚度为6～8 cm;AC-B为活性炭实验铺设区一区,厚度为2～4 cm;AC-H为活性炭实验铺设二区,厚度为6～8 cm。

(4) 碳铺撒方式 施加方式采用研发的方格式铺洒装置,每个装置规格为3×1 m,铺洒装置由10×10 cm铺洒小格组成,由于此装置为首次研发使用,需提前到白洋淀验证实验装置的可行性。

4个实验围隔,每个铺装规格为3×1 m,共需要12个铺装。由于最大铺装碳量高达75 kg,结合冰面的承重能力选择在冰面将碳铺装好或者在陆地事先铺装碳。

1.3 样品采集与处理

首先对场地实验的6个围隔进行破冰处理,在生物炭与活性炭同时落入水中后开始利用有机玻璃定深采水器采集围隔内上、中、下层水样200 mL,样品采集后用车载冰箱4 ℃冷藏并立即带回实验室。同时每次采样前用YSI便携式水质仪(YSI ProPlus)测定采样点相同位置水体理化性质,包括温度(T)、pH、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、电导率(COND)。

上覆水采集时间顺序:0 min、1 min、30 min、1 h、2 h、3 h、5 h、7 h、12 h、18 h、24 h、32 h、40 h、48 h、56 h、64 h、7 d、15 d、20 d、40 d。

1.4 样品分析

研究对上覆水及孔隙水进行了发光细菌急性毒性分析,实验采用柱状管,垂向采集样品。沉积物取表层10 cm且每1 cm分一层,同时进行孔隙水抽取,表层水5 cm一层进行发光细菌实验分析,并通过抑光率进行毒性分析。

1.5 毒性评估方法

测试利用已被广泛应用于环保领域毒性测试的发光细菌的生物学特性[17]:在正常的生理条件下,发出490 nm蓝绿色可见光。这种发光现象为细菌代谢的结果,是呼吸链上的一个侧支[18]。当细菌接触干扰和损害其新陈代谢的有毒有害物质时,细菌发光强度下降甚至熄灭[19]。根据细菌发光强度的变化,确定被测物质的综合毒性强弱[20]。

表1 毒性分级评价标准

2 结果与分析

2.1 上层水发光细菌毒性结果分析

上层水不同时间批次采样的生物毒性变化见图2,由图2可知,1号围隔空白样品稳定在30%左右的抑光率,属于中等毒性,即为实验区现状的上层水毒性状况。2号围隔内沉积物搅拌后,毒性降低,属于低毒性。3、4号围隔中添加生物炭,处于中等毒性等级。5、6号围隔中添加了活性炭,也处于中等毒性等级。加入生物炭的3、4号围隔,起初阶段上层水毒性高于空白,主要原因是生物炭粉末对发光细菌产生影响,随着生物炭的沉降,毒性慢慢降低,逐步低于空白区毒性,这是因为生物炭的吸附作用。5、6号围隔为活性炭,对于上层水的作用与生物炭相似。

2.2 中层水发光细菌毒性结果分析

中层水不同时间批次采样的生物毒性变化见图3,由图3可知,1号围隔空白样品稳定在30%左右的抑光率,属于中等毒性,与上层水保持一致。2号围隔内沉积物搅拌后,中层水毒性同样降低,处于低毒性等级。3、4号围隔加生物炭,处于中等毒性等级,且4号围隔部分样点毒性超过了中等毒性等级。5、6号围隔中添加了活性炭,5号处于中等毒性等级,6号前期处于低毒性等级,后期又升到中等毒性。

图2 上层水毒性分布Fig.2 Distribution of toxicity of water in upper level

图3 中层水毒性分布Fig.3 Distribution of toxicity of water in middle level

加入生物炭的3、4号围隔,起初阶段中层水毒性高于空白,这是由于生物炭粉末对发光细菌产生影响,随着生物炭的沉降,毒性慢慢降低,逐步低于空白区毒性,这是因为生物炭的吸附作用,且4号区域投加较多生物炭,其作用明显高于3号区域。

5、6号围隔为活性炭,5号区域的毒性变化与空白区域相近,6号区域在初始阶段毒性去除效果较好,随着活性炭的沉降,效果逐步降低,其原因是该阶段活性炭的主要作用为吸附作用,沉降后失去了对上覆水污染物的吸附。

2.3 下层水发光细菌毒性结果分析

下层水不同时间批次采样的生物毒性变化见图4,从图4可知,1号围隔空白样品稳定在30%左右的抑光率,属于中等毒性,与上层水和中层水保持一致。2号围隔内沉积物搅拌后,毒性降低,属于低毒性,部分样点属于轻微毒性。3、4号围隔加生物炭,处于中等毒性等级,有先升高后降低的趋势。5、6号围隔中添加了活性炭,处于中等毒性。

图4 下层水毒性分布Fig.4 Distribution of toxicity of water in lower level

针对下层水,3、4号生物炭区域在实验的后段起到了较强的作用,毒性有较明显的降低。活性炭区域后段效果不明显。同时3、5号区域以及4、6号区域在实验的前阶段效果相似,该阶段主要作用由物理过程决定,与投加炭的量相关。后期阶段生物炭对下层水毒性降解效果明显,主要是因为生物炭为生态友好型材料,能与环境很好地融合,不影响自然生态环境。

3 结论

总体来看,该区域上覆水现状为中等毒性,且上中下3层保持一致。同时经过搅拌后上中下3层水的毒性均较低至低毒性等级。主要原因为沉积颗粒物将上覆水中的部分有毒污染物进行了吸附,导致上覆水中的毒性降低。生物炭与活性炭在实验的前期其效果与投入的量呈正相关,这是因为前期为物理作用。后期生物炭对上覆水尤其是下层上覆水毒性去除效果明显,这是因为生物炭的生态友好性。实验表明生物炭的作用效果持久且在下沉后毒性去除效果明显。研究为生物炭和活性炭对自然水体的毒性吸附作用效果提供一定帮助。