黑臭水体环保清淤深度确定的研究

赵宝华，关永发，周国旺

(1. 中国水利水电第一工程局有限公司，吉林 长春 130033；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 引言

近年来，随着城市的不断发展和人口的快速膨胀，导致城市河道受到越来越多的污染。河流本身的自净作用无法承受各类污染物的大量涌入，从而导致城市河道水质恶化严重，并呈现严重的黑臭现象，对居民工作、生活和城市的发展造成不利影响[1]。底泥污染正是河流污染的一个重要后果，受污染的底泥相当于一个储藏的污染源，即使外界污染源消除后，河流底泥仍能在相当长时间对上覆水体的水质不断产生影响[2～4]。对污染底泥进行清淤是削减内源污染的主要手段，且清淤深度的确定直接影响内源污染削减的效果[5]。本文以北方某黑臭水体为例，分析和研究了污染物的时空分布、吸附-解吸特征和潜在生态风险，计算了污染物含量控制值，并确定了环保清淤深度。

2 材料和方法

2.1 样品的采集

实验所需的底泥取自北方某黑臭河道，共设置2个取样点(A、B)，泥样分别按照0～20 cm(A1、B1)、20～40 cm(A2、B2)、40～60 cm(A3、B3)、60～80 cm(A4、B4)和80～100 cm(A5、B5)分割并密封遮光后运回实验室，运回的柱状样分为2部分，一部分在室温下阴干，除去碎石杂物后磨碎过筛并装入自封袋，用于底泥理化性质的测定，另一部分用于吸附-解吸实验。

2.2 理化性质的测定

理化性质主要分为污染物成分(TN和TP)和重金属(Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr和Ni)，其中TN采用《土壤全氮测定法(半微量开式法)》(GB7173-87)，TP采用《土壤全磷测定法》(NY/T 88-1988)，Hg、As和Pb采用《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》(GB/T 22105-2008)，Cu和Zn采用《土壤质量铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138-1997)，Cr采用《土壤质量 总铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17137-1997)，Ni采用《土壤质量 镍的测定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17139-1997)，镉采用《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)[6，7]。

2.3 底泥氮、磷吸附-解吸实验

用磷酸二氢钾配置磷的系列浓度：0、0.01、0.02、0.025、0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 mg/L，按照水土比100∶1加入底泥和不同浓度的含磷溶液，在25 ℃下恒温振荡48 h，离心(10000 r/min，10 min)，取上清液过0.45 μm纤维滤膜后测定可溶性无机磷浓度，TP采用《水质总磷的测定 钼锑抗分光光度法》(GB 11893-89)[8,9]。

底泥中氮、磷的吸附-解吸量的计算公式如下：

p=(q0-q)·V/m

(1)

式(1)中：p为底泥中氮、磷的吸附-解吸量(mg/kg)；q0为初始溶液中的氮、磷浓度(mg/L)；q为最终测定溶液的氮、磷浓度(mg/L)；V为溶液体积(L)；m为底泥样品的质量(g)。当q0-q>0时，说明底泥对溶液中氮磷进行了吸附；当q0-q< 0时，则说明底泥中氮磷发生了解吸。通过吸附-解吸量p与初始氮磷浓度q0进行线性相关拟合，计算底泥样品对氮、磷吸附-解吸平衡点的水体氮、磷浓度。

2.4 底泥营养盐污染评价

底泥营养盐污染评价主要考虑其污染物的释放对于达到相应地表水质标准所要求水质的影响，通过建立底泥中污染物含量与吸附-解析平衡点浓度之间的回归方程，根据水质目标要求(如不劣于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的V类水质)，计算出水体达到相应地表水质标准所要求水质时底泥中的污染物含量，并作为环保清淤控制值。

2.5 底泥重金属污染评价

(2)

(3)

(3)综合重金属潜在生态风险指数RI：

(4)

潜在生态风险指数计算所需沉积物毒性参数及其污染等级划分见表1和表2，根据《湖泊河流环保疏浚工程技术指南》的要求，当综合重金属潜在生态风险指数RI≥300时，对于河道的潜在生态风险较高，因此作为环保清淤控制值[6]。

表1 单一重金属的毒性响应参数值

表2 沉积物中重金属潜在生态风险程度划分标准

3 结果与讨论

3.1 底泥氮污染环保清淤深度的确定

3.1.1 底泥中TN含量的空间分布特征

底泥中TN含量统计结果见表3，A点的TN含量为901～2685 mg/kg，B点的TN含量为748～2702 mg/kg，TN含量均随着深度的增加而降低。根据加拿大安大略省环境和能源部发布的底泥中营养盐的环境质量评价标准(其中安全级TN含量小于550 mg/kg)[13]，说明采样点的底泥中的氮污染较为明显。

表3 底泥TN含量统计

图1 底泥的吸附-解吸量与初始浓度的关系

表4 底泥的吸附-解吸量与初始浓度的关系及平衡点浓度

3.1.3 底泥氮污染环保清淤深度的确定

图2 底泥TN含量与吸附-解析平衡点浓度之间的关系

3.2 底泥磷污染环保清淤深度的确定

3.2.1 底泥中TP含量的的空间分布特征

底泥中TP含量统计结果见表5，A点的TP含量为611～1845 mg/kg，B点的TP含量为624～1881 mg/kg，TP含量均随着深度的增加而降低。根据加拿大安大略省环境和能源部发布的底泥中营养盐的环境质量评价标准(其中安全级TP含量小于600 mg/kg)[13]，说明采样点的底泥中的磷污染较为明显。

表5 底泥TP含量统计

3.2.2 底泥TP吸附-解吸特征分析

底泥对TP的吸附-解吸特征见图3，当初始溶液TP的浓度较低时，各底泥样品中的TP均出现不同程度的解吸，并在同一浓度的初始溶液中，TP的解吸量随着底泥中TP含量的增加而增加。随着初始溶液TP含量的不断升高，各底泥样品均逐渐开始吸附溶液中的TP，并在同一浓度的初始溶液中，TP的吸附量随着底泥中TP含量的增加而减少。

图3 底泥TP的吸附-解吸量与初始浓度的关系

各底泥样品TP的吸附-解吸量和初始溶液的浓度之间存在良好的线性关系，并可计算得到在吸附-解吸达到平衡点时水体的TP浓度(即q0-q=0时对应的溶液浓度)，详见表6，各底泥样品的TP平衡点浓度在0.227～0.690 mg/L之间。与国家地表水环境质量Ⅴ类标准(TP≤0.4 mg/L)相比，A点的A1、A2、A3和A4样品(即0～80 cm深度的样品)的TP浓度超出该标准，底泥会向上覆水体释放TP，从而对水体造成污染；B点的B1、B2和B3样品(即0～60 cm深度的样品)的TP浓度超出该标准，底泥会向上覆水体释放TP，从而对水体造成污染。

表6 底泥TP吸附-解吸量与初始浓度关系及平衡点浓度

3.2.3 底泥磷污染环保清淤深度的确定

底泥TP含量与吸附-解析平衡点TP浓度之间的关系见图4，由于所取底泥样品的河道的水质要求为国家地表水环境质量V类标准(TP ≤0.4 mg/L)，因此底泥磷污染环保清淤TP含量控制值为1094 mg/kg，其对应的底泥厚度为控制磷污染的环保清淤深度。A点的TP污染控制值介于样品A4和A5之间，对应的底泥厚度为80～100 cm，因此，A点控制磷污染的环保清淤深度为100 cm；B点的TP污染控制值介于样品B2和B3之间，对应的底泥厚度为40～60 cm，因此，B点控制磷污染的环保清淤深度为60 cm。

图4 底泥TP含量与吸附-解析平衡点TP浓度之间关系

3.3 底泥重金属污染环保清淤深度的确定

3.3.1 底泥中重金属含量的空间分布特征

底泥中重金属含量统计结果见表7，其中B点0～20 cm底泥的Zn含量为456 mg/kg，超过农用地土壤污染风险筛选值300 mg/kg，其它元素均满足农用地土壤污染风险筛选值的要求，说明底泥存在一定的重金属污染，对植物的生长可能存在风险。

表7 底泥重金属含量统计 mg/kg

3.3.2 底泥重金属污染环保清淤深度的确定

表8 底泥重金属潜在风险指数及生态风险程度评价统计

综合分析可知，底泥污染物主要为营养物质氮、磷和重金属，应综合考虑深度较深者作为复合污染的环保清淤深度。A点控制氮污染的环保清淤深度为80 cm，控制磷污染的环保清淤深度为100 cm，无需对重金属进行环保清淤，因此，A点的环保清淤深度为100 cm；B点控制氮污染的环保清淤深度为80 cm，控制磷污染的环保清淤深度为60 cm，无需对重金属进行环保清淤，因此，B点的环保清淤深度为80 cm。

4 结论

底泥的氮、磷和重金属的含量及污染程度随着底泥深度的增加而降低。氮、磷的吸附-解吸实验表明，A点和B点底泥仍具有向上覆水体释放氮磷的能力，并对水体造成污染，并确定了环保清淤TN含量控制值为1620 mg/kg，TP含量控制值为1094 mg/kg；重金属的潜在生态风险为低生态风险，对生态环境影响较小。综合分析氮、磷和重金属污染控制，A点的环保清淤深度为100 cm，B点的环保清淤深度为80 cm。