巢湖市城区黑臭水体综合水质与底泥重金属污染研究

熊鸿斌, 周 钢

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

黑臭水体底泥中沉积了大量的有机质、氮磷营养盐及重金属等物质,是造成水体黑臭的重要 “ 源” 和“汇”[1]。目前对城区黑臭水体的研究主要集中于水体黑臭监测与评价指标体系、黑臭综合评价体系、黑臭综合治理等方向。文献[2]在水体黑臭感官指标与水质监测数据的基础上,构建了北京市水体黑臭监测指标体系,并建立了黑臭分级评价方法;文献[3]实地调研了天津市中心城区19条河道的水质情况,选择 BOD5、 CODMn、NH3-N、总磷(total phosphorus,TP)、溶解氧(dissolved oxygen,DO)为水体黑臭评价的关键指标,构建了水体水质及黑臭综合评价体系,确定了水体黑臭的单因子及综合水质标识指标阈值;文献[4]利用固体生物促生剂对黑臭河水进行净化处理,18 d后COD、总氮(total nitrogen,TN)、NH3-N及TP的去除率分别达到39.54%、87.89%、98.82%、82.78%;文献[5]在对淅川县城河道水体黑臭原因分析后,对沿河居民分散排污口和合流制排污口提出了不同的截污方案,工程实施1 a后河道黑臭现象基本消除。

目前国内对于城区黑臭水体的治理思路是去除水体中过剩的有机质、氮磷营养盐并长期维持在一定界限之下,从而达到消除黑臭的目的,对底泥中重金属污染的研究较少。本文以巢湖市城区6个典型黑臭水体(陆家河、世纪大道中沟、安城圩干渠、滩圩新村水塘、东撇洪沟及贾滩圩十字干渠)为研究对象,选用地累积指数法、潜在生态风险指数法及污染负荷指数法进行综合评价,并根据参评重金属元素种类和数量对生态风险系数和综合生态风险指数分级标准进行调整,对底泥重金属污染特征进行研究,以期为巢湖市城区黑臭水体的综合治理提供技术支持,并为类似黑臭水体的综合治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

巢湖市位于安徽省中部,江淮丘陵南部,地处东经117°25′～117°58′和北纬31°16′～32°之间,属于长江流域;处于省会合肥与沿江城市芜湖2个城市之间,是省内长江经济带和淮南铁路沿线经济带的交汇区,属于安徽省皖中经济区;是省会合肥至沿江城市和皖南经济区的交通走廊之一,也是合肥经济圈的东翼城市。巢湖市城区三面环山,一面滨湖,巢湖为全国五大淡水湖之一。巢湖市东接含山县,南邻无为县,西与肥东县、全椒县接壤；境内有山、有水、有圩田,是著名的鱼米之乡。

巢湖市城区所在居巢区东西宽约50.8 km,南北长约80.6 km,总面积2 063 km2,约占全省总面积的1.47%,其中城区内巢湖水面面积511.88 km2,约占整个巢湖水面面积的2/3。

1.2 样品采集与分析

2017年3月对巢湖市城区6个典型黑臭水体的表层水和沉积物进行采集,共采集27份表层水样和27份表层底泥物样,采样点位置信息如图1所示。

图1 巢湖市城区黑臭水体采样点分布

表层水样在水面下0.5 m采集后用0.45 μm 微孔滤膜现场过滤,并加酸保存,测定DO、CODCr、BOD5、 NH3-N及TP等5个指标,DO采用多功能水质测定仪现场测定,CODCr采用重铬酸钾法测定,BOD5采用稀释与接种法测定,NH3-N采用纳式试剂光度法测定,TP采用钼酸铵分光光度法测定。采用柱状采样器在水样采集点的正下方采集表层10 cm无扰动柱状泥样,每个采样点共采集3个子样品,混合成1个样品,样品在冷冻干燥机中烘至恒质量,去除样品中的沙石和动植物残体,粉碎研磨过150目筛,采用 HNO3-H2O2-HClO4消解体系消解底泥样品,样品中Cu、Ni、Zn、Pb、Cd、Cr及As的测定使用7700X 型电感耦合等离子体质谱仪,Hg的测定使用 Hydra-c 型全自动测汞仪。

1.3 城市黑臭水体评价方法

1.3.1 评价关键指标的选取

国内外对于城区黑臭水体评价的研究,评价指标选用频率较高的是CODCr、BOD5、NH3-N及DO,综合化学指标方面建立了以CODCr、BOD5、NH3-N、TP及DO等为常规指标的表征方法。文献[6]选取CODCr、BOD5、NH3-N、TP、DO、Fe及Mn作为黑臭评价指标,并选用反向传播(back propogation,BP)神经网络串联隶属度函数建立黑臭评价模型,计算结果与水体实际黑臭情况基本吻合;文献[7]研究表明CODCr、BOD5、NH3-N、DO、pH值、硝酸盐氮、有机污染物、水温等指标与黑臭水体具有较高的相关性,前4项指标在大多黑臭水体评价研究中被采用。本文通过综合分析黑臭控制指标、巢湖市城区水体污染特点、所选研究水体水质现状及其黑臭产生原因,选择CODCr、BOD5、NH3-N、TP及DO作为巢湖市城区水体黑臭评价指标,并结合综合水质标识指数法构建巢湖市城区黑臭水体评价指标体系。

1.3.2 单因子水质标识指数法

单因子水质标识指数Pi由一位整数、小数点后2位有效数字组成[8-9],可表示为:

Pi=X1.X2X3

(1)

其中,X1为第i项水质指标的水质类别;X2为监测数据在X1类水质变化区间所处的位置,按四舍五入的原则在0～9之间确定取值;X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果,根据评价指标的污染程度,为1位或2位有效数字。

单项指标水质标识指数计算公式如下:

(1) 当水质介于Ⅰ～Ⅴ类水之间时,有

(2)

(3)

(2) 当水质劣于Ⅴ类水时,有

Pi=6+(ρi-ρi5上)/ρi5上

(4)

PDO=6+(ρDO5下-ρDO)/ρDO5下

(5)

其中,Ki表示第i项水质指标所处的水质类别;ρi为第i项水质指标的实测质量浓度;ρiK上、ρiK下分别为第i项水质指标在K类水质区间的上限值与下限值;ρDO为DO实测质量浓度;ρDOK上、ρDOK下分别为DO在K类水质区间的上限值与下限值。

1.3.3 综合水质标识指数法

综合水质标识指数Iwq是以单因子水质标识指数为基础[10-11],对河流水质进行综合评价,其数字形式组成为:

Iwq=X4.X5X6X7

(6)

其中,X4为水体的综合水质类别;X5为综合水质在X4类水质变化区间所处位置;X6为参与整体水质评价的指标中劣于功能区目标标准的水质指标个数;X7为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果。综合水质级别判断标准见表1所列。

表1 综合水质评价分级标准

综合水质指数X4.X5是综合水质标识指数的核心,由各单项指标水质标识指数的平均值P0与最大值Pmax构成,计算公式[12-13]为:

X4.X5=(P0+Pmax)/2

(7)

(8)

1.4 底泥重金属污染评价方法

1.4.1 地累积指数法

地累积指数法由Müller于1979年提出,主要用于描述单个元素对环境的污染程度。地累积指数Igeo作为定量指标,现已广泛用于研究水环境底泥中重金属污染程度,其计算公式[14]为:

(9)

其中,wn为沉积物中重金属元素n的实测质量比;k为考虑到成岩作用可能会引起背景值变动而设定的常数(一般取值1.5);Bn为金属元素n的地球化学背景值,本文使用安徽省土壤重金属元素背景值作为参比值 (As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb及Zn的背景值分别为9.0、0.097、20.4、0.033、29.8、26.6、62.0 mg/kg)[15-16]。

根据Igeo的大小将重金属污染程度划分为7级,具体分级情况见表2所列。

表2 Igeo污染程度分级标准

1.4.2 污染负荷指数法

污染负荷指数法是 Tomlinson等在重金属污染水平的分级研究中提出的一种评价方法,此方法直观地反映各重金属元素污染程度以及重金属元素在时间、空间上的变化趋势。某一区域污染负荷指数(Lzone)的计算公式[17]为:

Fn=wn/Bn

(10)

(11)

(12)

其中,Fn为重金属元素n的最高污染系数;Lsite为某一样品点的污染负荷指数;N为参加评价的元素种类数;m为该区域内所包含的样品点数。污染负荷指数(L)具体污染分级标准见表3所列。

表3 污染负荷指数(L)污染程度分级标准

1.4.3 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法由瑞典学者Hakanson提出,该方法将重金属元素含量、重金属的生态与环境影响和毒理学有机结合,被广泛应用于评价沉积物中重金属的潜在生态风险[18-19]。

潜在生态风险指数(risk index,RI)计算公式为:

Cfn=wsn/Cn

(13)

Ern=TrnCfn

(14)

R=∑Ern=∑TrnCfn

(15)

其中,Cfn为沉积物中重金属元素n的污染富集系数;wsn为沉积物中重金属元素n的实测质量比;Cn为重金属元素n的参比值,本文使用安徽省土壤重金属元素背景值作为参比值;Trn为重金属元素n的毒性响应因子;Ern为重金属元素n的潜在生态风险系数;R为底泥中多种重金属元素潜在生态风险指数。As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb及Zn的毒性响应因子(Trn)分别为10.0、30.0、2.0、40.0、5.0、5.0、1.0。

Hakanson研究表明[20],Ern值风险分级的第1级上限值由非污染的污染富集系数(Cfn=1)与参评污染物中最大Trn相乘得到,其他风险级别的上限值分别由上一级的分级值乘以2得到。本研究的7种重金属中,Hg的Tr值最大(40.0),据此得到本研究Ern的第1级生态风险分级标准为“<40”,其余依次乘以2得到。

由于RI的大小与参评重金属元素的种类和数量有关,因此应用RI进行生态风险评价时,需要根据参评重金属元素的种类和数量对其进行调整。根据文献[21]的研究做如下调整:先以Hakanson的第1级分级界限值(150)除以8种污染物(多氯联苯(polychlorinated biphenyls,PCBs)、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr及Zn)的Tr总和(133)[20],得到单位Tr的RI分级值(1.13);然后将该分级值乘以本研究7种重金属元素的Tr总和(93),将所得数值在十位取整数得到RI第1级界限值(1.13×93=105.09≈100),其他级别的分级值分别由上一级的分级值乘以2得到。

根据Ern和RI进行潜在生态风险评价的分级标准见表4所列。

表4 潜在生态风险评价分级标准

2 结果与分析

2.1 城市黑臭水体评价

按照(2)～(5)式、(7)～(8)式计算各采样区的单因子水质标识指数(Pi)与综合水质指数(X4.X5),结果见表5所列。

由表5可知,6个采样区的X4.X5从大到小依次为滩圩新村水塘、贾滩圩十字干渠、东撇洪沟、世纪大道中沟、安城圩干渠、陆家河,其X4.X5均大于7.0。

表5 各采样区单因子水质标识指数(Pi)与综合水质指数(X4.X5)

由此可知，采样区水质皆为劣Ⅴ类且黑臭,其中滩圩新村水塘黑臭情况最为严重。

2.2 底泥重金属评价

2.2.1 地累积指数法评价

本研究以安徽省土壤重金属元素背景值作为参比值,按照(9)式计算各采样区底泥重金属元素(As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb及Zn)的地累积指数(Igeo),结果见表6所列。

表6 各采样区各重金属元素地累积指数(Igeo)

6个采样区底泥中重金属元素的Igeo从大到小排序特征各有差异;Cd是最主要的污染物,其中4个采样区底泥中Cd的Igeo污染级别为2,属于偏中度污染。具体情形如下:东撇洪沟,排序为Cd、 Hg、 Cu、 Ni、Pb、Zn、As,Cd为偏中度污染;安城圩干渠,排序为Cd、 Hg、 Cu、Zn、 Ni、Pb、As,Cd为偏中度污染;世纪大道中沟,排序为Cd、Cu、Zn、 Hg、Pb、 Ni、As,Cd的 Igeo污染级别为1,属于轻度污染;陆家河,排序为Cd、 Hg、 Cu、 Ni、Zn、Pb、As,Cd为偏中度污染;贾滩圩十字干渠,排序为Cd、 Hg、 Cu、 Ni、Zn、As、Pb,Cd为偏中度污染;滩圩新村水塘,排序为Cd、 Hg、 Cu、 Ni、Zn、As、Pb,Cd的Igeo污染级别为1,属于轻度污染。综上所述，对于6个采样区，底泥中的主要金属污染物是Cd 、Hg 及Cu，且4个采样区Cd、 Hg、 Cu、 Ni的Igeo依次减小。

2.2.2 污染负荷指数法评价

本研究以安徽省土壤重金属元素背景值作为参比值,按照(10)～(12)式计算各采样区底泥中重金属的污染负荷指数(Lzone),结果见表7所列。

由表7可知,各采样区底泥中重金属综合污染程度排序从大到小依次为陆家河、安城圩干渠、东撇洪沟、世纪大道中沟、贾滩圩十字干渠、滩圩新村水塘,6个采样区Lzone在1.23～1.70之间,皆属于中等污染。

表7 各采样区污染负荷指数(Lzone)

2.2.3 潜在生态风险指数法评价

本研究以安徽省土壤重金属元素背景值作为参比值,按照(13)～(15)式计算各采样区重金属元素的潜在生态风险系数(Ern)和潜在生态风险指数(RI),结果见表8所列。

表8 各采样区潜在生态风险系数(Ern)与指数(RI)

根据各重金属元素Er可得底泥中重金属元素的生态风险高低及主要风险来源。

(1) 6个采样区底泥中重金属元素的生态风险级别由高到低排序特征有差异;Cd和Hg是主要的风险来源,两者对综合生态风险的贡献高达83.22%～90.17%。具体情形如下:东撇洪沟,排序为Cd、 Hg、 Cu、 As、Ni、Pb、Zn,Cd和Hg的贡献为88.62%;安城圩干渠,排序为Cd、 Hg、 Cu、 As、Ni、Pb、Zn,Cd和Hg的贡献为87.25%;世纪大道中沟,排序为Cd、 Hg、 Cu、 Ni、Pb、Zn、As,Cd和Hg的贡献为87.86%;陆家河,排序为Cd、 Hg、As、 Cu、Ni、Pb、Zn,Cd和Hg的贡献为87.97%;贾滩圩十字干渠,排序为Cd、 Hg、 As、Cu、Ni、Pb、Zn,Cd和Hg的贡献为90.17%;滩圩新村水塘,排序为Cd、 Hg、As、 Cu、Ni、Pb、Zn, Cd和Hg的贡献为83.22%。

(2) 各采样区底泥中As、Cu、Ni、Pb、Zn 的Er均小于40,为轻微风险。东撇洪沟、陆家河、贾滩圩十字干渠底泥中Cd 的Er介于162.19～ 167.42,生态风险级别为很强;世纪大道中沟、安城圩干渠底泥中Cd 的Er介于99.74～ 138.14,生态风险级别为较强;滩圩新村水塘泥中Cd 的生态风险中等。东撇洪沟、安城圩干渠底泥中Hg的Er介于92.85～ 98.59,生态风险级别为较强;陆家河、世纪大道中沟、滩圩新村水塘、贾滩圩十字干渠底泥中Hg的Er介于71.52～ 79.19,生态风险级别为中等。

各采样区底泥中7种重金属的RI为163.97～287.79,其综合生态风险级别由高到低依次为东撇洪沟、陆家河、安城圩干渠、贾滩圩十字干渠、世纪大道中沟、滩圩新村水塘,其中前5个采样区综合生态风险级别为较强,最后一个采样区综合生态风险级别为中等。

2.2.4 3种方法评价结果对比分析

本文3种不同评价方法得到的结果有相似之处,即底泥中的主要重金属污染物是Cd 和Hg,其中Cd的污染危害程度最高。不同之处在于:每个水体底泥中单金属元素的污染程度排序与相对应的生态风险强弱排序不同,每个水体底泥中重金属元素的综合污染程度与相对应的综合生态风险强弱排序也不同。6个采样区中有4个采样区Cd、Hg、Cu、Ni的Igeo依次减小,Cd、Hg、Cu、Ni、Pb、Zn的单金属元素生态风险级别依次减小。其原因可能是:

(1) 毒性高的污染物对RI的贡献大,Cd和Hg的Tr较高,而Zn的Tr最低。

(2) 3种评价方法的侧重点各不相同。地累积指数法侧重于各重金属元素与其背景值的比较,反映外源重金属的富集程度;潜在生态风险指数法侧重于将污染物与其生物毒性联系起来,考虑了重金属元素在沉积物中普遍的迁移转化规律以及重金属元素区域背景值的差异,但不能反映重金属元素在时间和空间的变化趋势;污染负荷指数法侧重于某一点或某一区域的沉积物重金属综合污染程度和区域综合污染程度的评价,对整个区域各个样点的所有重金属元素进行定量判断,该方法能避免污染指数加和关系造成的误差,但忽略了不同重金属元素污染自身存在的背景差异。

3 结 论

本文选择CODCr、BOD5、NH3-N、TP和DO作为巢湖市城区水体黑臭评价关键指标,结合综合水质标识指数法构建了黑臭水体评价指标体系,各水体综合水质指数X4.X5均大于7.0,从大到小依次为滩圩新村水塘、贾滩圩十字干渠、东撇洪沟、世纪大道中沟、安城圩干渠、陆家河,水质皆为劣Ⅴ类且黑臭,其中滩圩新村水塘黑臭情况最为严重,该评价结果与实际情况基本吻合。

由地累积指数法与潜在生态风险指数法分析,结合参评重金属元素的种类和数量对生态风险评价分级标准进行调整。研究得到:① 6个采样区中有4个采样区Cd、Hg、Cu、Ni的地累积指数Igeo依次减小,底泥中的主要金属污染物是Cd、Hg 及Cu;② 底泥中重金属元素的生态风险主要来源于Cd和Hg,两者对综合生态风险的贡献高达83.22%～90.17%;③ 6个水体底泥中主要重金属污染物是Cd和Hg,Cd的生态风险级别整体偏向于很强,Hg的生态风险级别整体偏向于中等。潜在生态风险指数法在地累积指数法的基础上考虑不同重金属元素的生物毒性的影响,相比之下,潜在生态风险指数法的评价结果更加全面和准确。

由污染负荷指数法与潜在生态风险指数法分析,结合参评重金属元素的种类和数量对生态风险评价分级标准进行调整。研究得到:① 底泥中重金属污染负荷指数Lzone在1.23～1.70之间, 综合污染程度皆为中等污染;② 底泥中重金属的潜在生态风险指数RI介于163.97～287.79之间,综合生态风险级别由高到低依次为东撇洪沟、陆家河、安城圩干渠、贾滩圩十字干渠、世纪大道中沟、滩圩新村水塘,其中前5个采样区综合生态风险级别为较强,最后一个采样区综合生态风险级别为中等。潜在生态风险指数法考虑到重金属元素区域背景值的差异,但这种方法加权带有一定的主观性;污染负荷指数法能避免污染指数加和关系造成的误差,但忽略了不同重金属元素污染自身存在的背景差异。2种方法结合可以相互弥补对方的缺点,从而达到综合评价重金属污染的目的。