复配贻贝壳粉作吸附剂对水库水质的影响

2022-01-27刘尚来周钰博滕易娜

沈阳工业大学学报 2022年1期

刘尚来，邹桢，周钰博，滕易娜，刘娟

(1. 大连海洋大学水产与生命学院，辽宁大连 116023； 2. 沈阳建筑大学管理学院，沈阳 110168； 3. 云南大学昌新国际艺术学院，昆明 650091； 4. 东北财经大学管理科学与工程学院，辽宁大连 116025)

居民饮水安全关系到每个人的健康，水库作为城市供水的主要渠道之一，水质的优劣将在源头上决定城市供水的整体质量.因此，在引进水库水源作为居民饮水来源之前，对水库水质进行预处理显得尤为重要.基于经济等方面的考虑，水库水质预处理过程要便于操作且具有实质性效果.贻贝壳[1]作为海产品类固体废弃物，可以被利用之处微乎其微，绝大部分被当作废弃物就地堆积.针对贻贝壳的化学成分、结构及其性质的分析发现，该贝壳粉具有多级层状结构，其成分为95%碳酸钙和5%有机物[2].大部分碳酸钙经过高温煅烧生成氧化钙，成分中的碳酸钙和氧化钙都具备吸附除污性质.因此，可将煅烧贝壳粉、壳聚糖、硅藻土按比例混合形成复配贻贝壳粉[3]，当pH为7.5时，将其用作水库水质预处理的吸附剂能够有效吸附水库水质中的固体悬浊物以及其他污染物质.基于此，本文以辽宁省庄河市朱隈水库水域作为试验样地，将处理之后的贻贝壳作为吸附材料进行吸附作用测试，并通过综合指数法建立评价体系，运用简单计算对吸附前后的水库水质进行定量评价，以评估复配贻贝壳粉所具有的吸附价值，从而发挥其经济效益、环境效益和健康效益，为该区域居民提供更加健康优质的饮水环境.

1 数据来源和评价方法

1.1 数据来源

本文研究数据包括水域水质监测报告和国家有关水质标准文件两类数据.水域水质监测报告数据来源于2021年1月庄河市水务局对朱隈水库水质的检测报告，检测项目包括水温、pH值、电导率、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、氯化物、挥发酚、总磷、总氮、铜、锌、氯化物、砷、汞、镉、六价铬、铅与石油类物质.国家有关水质标准文件数据检测标准参考《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[4]，且基本项目限值Ⅲ类水标准，评价标准参考《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[5].

1.2 评价方法

根据目前现有研究文献可知，水质评估通常采用模糊评价法、灰色系统法、组合权重法等研究方法.根据本文的研究目的和研究方法的适用性，在参考袁东等[6]提出的水质评价综合指数法的基础上，分析结合分指数法、最差因子判别法、内梅罗指数法与加权平均法综合评价复配贻贝壳粉吸附前后水库水质环境的变化程度.水质综合指数法的优势在于利用各种指数将复杂的水质特征通过计算整合在一起，最终以一个简单数值来反应水体的污染程度.水质综合指数法与常规评价方法不同的是不会因为某一项指标不合格而否定整个水样，该方法考虑到了不同污染指标对人体危害的差异，且水质综合指数法能够对污染物超标程度进行定量评价.常规水质评价方法多数只能定性评价水体质量，无法衡量水体间各类污染指标对整体水质的影响程度.

1.2.1 分指数法

分指数可以表示为

Ii=Ci/Si

(1)

式中：Ci为i指标的实测浓度；Si为i指标的国家标准限值.进行分指标处理能够很好地处理各个子指标测度单位不统一所造成的评估差异问题.

1.2.2 最差因子判别法

最差因子判别法测度公式为

WQIi=Iimax

(2)

式中：WQIi为各分类指数；Iimax为分指数最大值.该种方法最大优点就是不会掩盖污染问题，可以用于评价对人体健康影响显著的指标.

1.2.3 内梅罗指数法

相对于能对人体健康产生较大影响的指标，那些对人体健康影响不显著的指标适用内梅罗指数法，其表达式为

(3)

1.2.4 加权平均法

按照健康意义对各项指标进行分类，再结合各类指标的综合指数，赋予各类指标权重进行加权计算，得出水库水质综合评价指数表达式，即

(4)

式中，Wi为各分类指标的相对权重值，其数值可以参考既往研究成果[7].

将朱隈水库水体指标分为感官和一般化学性指标、一般毒性指标、有机污染类指标、肠道传染病类指标、致癌类指标五类，具体权重结果如表1所示.在致癌类指标中Ⅰ、ⅡA、ⅡB、Ⅲ类指标权重分别为0.5、0.3、0.14和0.06.

1.2.5 评价等级的建立

本文以WQI是否低于1.00作为判断水质是否合格的标准，具体分级结果如表2所示.

2 试验材料、仪器与过程

2.1 试验材料与仪器

试验材料主要包括：煅烧贝壳粉(货号为034)，粒径为6.175 μm，煅烧温度为1 200 ℃，煅烧时间为1.5 h，产地为河北光辉矿业有限公司；壳聚糖BR脱乙酰甲壳素(化学纯)，产地为上海国药集团生物试剂有限公司；煅烧硅藻土助滤剂(型号为ZC3000#)，粒径为5.37 μm，产地为武汉普洛夫生物科技有限公司.主要试验仪器包括：pH计(型号为PHSJ-4F)、生化培养箱(型号为SPX-2508-Z)、可见分光光度计(型号为7230G)、紫外可见分光光度计(型号为L5S)、离子色谱仪(型号为ICS 600)；原子荧光光度计(型号为AFS-933)、便携式溶解氧仪(型号为JPBJ 608)和原子吸收光谱仪(型号为PINAAc le900H).

表1 朱隈水库水质指标分类及其权重Tab.1 Classification and weights of water quality indicators of Zhukuma reservoir

表2 评价等级的划分与意义Tab.2 Division and significance of evaluation grades

2.2 试验过程

3 试验结果与改善效果评价

3.1 试验结果

复配贻贝壳粉吸附试验的测试结果如表3所示.复配贻贝壳粉对水库水质中总磷[8]、总氮[9]具有明显吸附效果，原水体中的氮、磷元素含量明显下降；同时对水库水质中的金属元素也具有一定的吸附能力，原水体中的铜、锌等金属元素含量也略有下降；最为关键的是，水体致癌类指标中的重金属元素砷、镉[10]、汞、铅[11]含量均明显下降.相关污染指标的下降表明复配贻贝壳粉作为水库水源预处理吸附剂具有较强的吸附除污能力，因而复配贻贝壳粉作为水质预处理的吸附剂颇具实践意义.吸附试验只能定量反映各污染指标数值的变化，并未体现是否能够提升水质饮用等级，以及具备何种健康意义.因此，需要结合综合指数评价体系进一步评价复配贻贝壳粉对水库水质污染指标的净化程度.

3.2 改善效果评价

考虑到一般毒性指标、有机污染类指标、肠道传染病类指标以及致癌类指标对人体健康影响较大，故采用最差因子判别法进行评价，感官和一般化学性指标不会对人体健康产生显著影响，可用内梅罗指数法进行评价.首先计算出各类指标的分指数和类综合指数，最后采用加权平均法得出水质综合评价指数.根据评价等级确定WQI所在级别与其所具备的健康意义.

朱隈水库水质主要污染指标变化情况如表4所示.由表4可见，经复配贻贝壳粉预处理后水体的感官和一般化学性指标的类综合指数为0.351 0，约提升0.31%；一般毒性指标的类综合指数为0.091 6，约降低25.29%；有机污染类指标的类综合指数为0.075，约降低31.19%；致癌类指标的类综合指数为0.133，约降低20.83%.此外，经复配贻贝壳粉预处理后水体的水质综合指数为0.65(原水体为0.75)，约降低13.33%.

表3 复配贻贝壳粉吸附结果

表4 预处理前后类综合指数变化情况Tab.4 Changes of class synthetic index before and after pretreatment

朱隈水库水质主要污染物指数情况如表5所示.由表5可见，经复配贻贝壳粉吸附前后，高锰酸盐指数、挥发酚、生化需氧量、氰化物、氟化物、氨氮的类综合指数差异不大，铜、锌金属元素的类综合指数分别下降0.03和0.013；总磷、总氮的类综合指数分别下降0.2、0.04；砷、汞、镉、六价铬、铅重金属元素的类综合指数分别下降0.001、0.12、0.002、0.028、0.005.经分析可知，复配贻贝壳粉对水库水质中污染指标的吸附性强弱次序为：有机污染类指标>致癌类指标>一般毒性指标>感官和一般化学性指标；对污染指标中具体污染物的吸附性强弱次序为：总磷>汞>总氮>铜>六价铬>锌>铅>镉>砷.采用复配贻贝壳粉对水库水质进行预处理后，水质综合指数可以降低0.1，而有机污染类指标与致癌类指标的类综合指数的降低对水质综合指数的降低具有巨大贡献.铅、镉等重金属在较低浓度时就可以对人体的神经系统[12]、生殖系统和免疫系统等造成伤害.铜、锌虽然是人体中的必需元素，但过量的铜和锌也会造成人体机理紊乱，危害人体健康，因而其含量的下降对人体健康而言颇具卫生学意义.此外，复配贻贝壳粉对有机污染类指标中磷元素吸附能力较强的主要原因为：复配贻贝壳粉具有多级层状结构，经过煅烧后其空间和结构特征几乎不变，但比表面积增大[13].复配贻贝壳粉对一般毒性指标中汞的吸附效率较高的原因为：水体中的磷元素可与汞元素形成Hg3(PO4)2[14].