生态净化工程中的重金属污染特征及其生态风险

来源:用户上传      作者:王刚

　　摘要：为了揭示生态净化工程中的重金属污染特征，在苏南多个污水处理厂尾水生态净化工程采集了底泥和植物样本，测定其中常规污染指数及重金属元素含量，分析了生态处理中重金属的分布特性，并评价了其潜在生态风险。结果表明，底泥中重金属的生态风险较低，其中镉的生态风险达到了中等水平。虽然低污染水中的重金属浓度平均值较低，但鉴于污水处理量较大，植物对重金属的富集指数高于一般陆生植物。
　　关键词：生态净化工程;重金属;生态风险
　　Abstract：In order to reveal the characteristics of heavy metal pollution in ecological purification system， plants and sediment samples were collected from the system which received tail water from five sewage treatment plants in Southern Jiangsu，heavy metals and other index were detected， the distribution characteristics of heavy metals were analyzed，and potential ecological risks were evaluated. The results show that the ecological risk of most heavy metals in sediment is low， among which the ecological risk of cadmium reaches a medium level. Although the average concentration of heavy metals in water is low， the enrichment index of heavy metals in plants is higher than that in terrestrial plants due to the large amount of sewage treated.
　　Key words：Ecological purification system;Heavy metals;Ecological risk
　　在过去的经济发展中，太湖流域的污染日益嚴重。其中重金属污染由于其生物毒性的持久性、富集性尤其引人瞩目。近年来通过“脱氮脱磷提标”改造后，虽然太湖流域所有城镇污水处理厂的尾水都已经达到了国家一级A类（GB18918-2002）排放标准，但尾水中一些污染物浓度仍高于国家地表水IV类水水质标准，排出尾水的水质仍然为劣V类水质，对于受纳水体来说，这种尾水仍是潜在的污染源[1， 2]。特别是重金属，虽然浓度不高，但是由于在污水处理厂中缺乏有效的处理，其总量不容忽视[3]。这种介于国家一级A排放标准和IV类地表水标准之间的尾水，可称之为低污染水。为避免低污染水对湖泊河流的富营养化和污染加重并降低成本，组合了前置库、稳定塘、人工湿地、微生物强化、生态沟渠等各处理单元的生态净化工程已经在多地建立，以使污水处理厂出水与受纳河道水质衔接[4]。
　　本研究调查了太湖流域多个低污染水生态净化工程中的重金属污染特征，在分析重金属污染现状和分布特征的基础上，评价其潜在生态风险。
　　1 材料与方法
　　1.1 调查采样区域
　　本次调查采样区域为苏南地区的五个示范工程，位置见图1。
　　1.2 调查采样主要内容
　　调查内容为课题各个示范工程的进出水、底泥及主要植被中的重金属含量，包括：总铬、铜、锌、铅、镉、镍、砷。
　　1.3 调查检测方法
　　依据《湖泊生态安全调查与评估技术指南》（环办〔2014〕111号）以及《淡水生物资源调查技术规范》（DB43/T 432-2009）、土壤环境监测技术规范（HJ/T 166）要求，结合各个示范工程地形特征和植被现状，对各个示范工程中的进出水、底泥和人工湿地植被进行采集。采集后分别对水样、底泥和植物样品进行重金属含量的检测，其中植物样中铜、锌、铅、镉、铬、镍、砷的测定采用电感耦合等离子体发射光谱法（GR QW 601-2016 1/0）;水样中铜、锌、铅、镉、铬、镍、砷的测定采用电感耦合等离子体发射光谱法 （HJ 776-2015）;底泥中砷、铬、铜、锌、镍的测定采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（HJ/T 350-2007），铅、镉采用原子吸收分光光度法（LY/T1262-1999、GB/T 17141-1997）。
　　1.4 评价方法
　　对于底泥中的重金属污染进行评价，最常用的方法是瑞典Hakanson （1980） 提出的潜在生态指数法（The Potential Ecological Risk Index）（RI），根据含量条件、数量条件、毒性条件和敏感性条件四个方面确定的，评价结果更为准确，是生态风险评价最常用的方法[5， 6]。
　　其中潜在生态风险因子（The potential ecological risk factor，Eri）用于定量分析特定区域特定污染物的潜在生态风险。而单项污染指数（Contamination factors， Cf ）为某一金属的实测值Ci与该金属的潜在风险值或该区域背景值之间的比值。本文选择江苏省土壤本底值作为区域背景值[7]。Tr为重金属r的毒性响应系数，本文研究的重金属中，毒性响应顺序为Cd>As>Pb=Cu=Ni>Cr>Zn=Mn，毒性系数见表1[8]。Eri和RI的评判标准见表2[5， 6]。 　　2 结果与讨论
　　2.1 水中的重金属
　　将检测结果和渔业水质标准（GB11607-89）、地表水质量标准V类（GB3838-2002）、农田灌溉水质标准（GB5082-92）对比，从表3可以看到，水中的总铬、铜、铅、镍、镉和镍浓度低于检测限，锌和砷的浓度平均值低于各种标准。同时，各种重金属的潜在生态危害系数均小于40，表明水中重金属存在轻微生态危害。对于处理过的废水，其中金属浓度通常能保持在较低水平，这样也能够避免对生态工程的冲击。
　　2.2 底泥中的重金属
　　底泥样品中的重金属含量如表4所示，除了铜、锌、砷达到土壤环境质量二级标准，其他重金属含量均低于一级标准限值。以土壤环境质量一级标准（表5）为参照时，各种重金属的潜在生态危害系数均小于40，表明底泥重金属存在轻微生态危害;以全国土壤背景值（表5）为参照时，镉的潜在生态危害系数大于40，表明其具有中等风险，其他重金属的潜在生态危害系数均小于40，仅存在轻微生态危害。
　　具体到各样品的潜在生态危害系数和潜在生态风险指数RI（图2）：以土壤环境质量一级标准为参照时，只有30%的样品中镉的潜在生态危害系数大于40，其他样品中重金属的潜在生态危害系数均小于40。而所有样品的潜在生态风险指数都没有超过150。以全国土壤背景值为参照时，有10%样品中的砷和50%样品中的镉，它们的潜在生态危害系数超过了40，更有30%样品中重金属的潜在生态风险指数超过了150。
　　综上所述，底泥中重金属总铬、铜、锌、砷、铅、镍的生态风险较低，只有镉的生态风险达到了中等水平。考虑到生态工程中进出水的镉浓度都很低，部分样品中的浓度甚至低于检测限，底泥中镉的高风险可能是因为进水量很大，而且水中pH值偏碱性（7.66），水下的溶解氧也偏低5.81，这些都能促进镉在底泥中沉淀，从而提高了底泥的生态风险。
　　2.3 植物中的重金属含量
　　在生态净化工程现场选取了圆币草、狐尾藻、鸢尾、菖蒲、再力花、茭白、芦苇、金鱼藻、菹草九种典型的水生植物，检测得到其重金属含量如表6所示。结果显示，虽然镉的生态风险相对较大，但是植物中的镉含量比较小，并没有达到很高水平。
　　根据底泥中重金属的含量，计算出八種水生植物对重金属的富集系数（图3）。其中，金鱼藻中锌的富集系数，菹草中锌和镉的富集系数都超过了2，表现出一定的富集能力。值得注意的是，锌是常见污水处理工艺中去除率较低的一种[9]。因此，金鱼藻和菹草是常见污水处理工艺的有效补充。相对于其他植物，菹草对多种重金属元素的富集系数都较高，说明菹草能够吸收更多的污染物，是适合生态净化工程的植物种类。
　　3 结论
　　生态净化工程的低污染水重金属浓度较低，仅有轻微生态风险;而底泥中镉的生态风险达到了中等水平，而其他重金属的生态风险为较低水平。金鱼藻对锌，菹草对锌和镉有一定的富集能力。因此，金鱼藻和菹草是常见污水处理工艺的有效补充，菹草对多种重金属元素的富集系数都较高，是适合生态净化工程的植物种类。
　　参考文献
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　　[3]刘书谐.中小型城镇污水厂重金属去除及排放水体的生态风险研究[D].杭州：浙江师范大学，2019.
　　[4]吴毅.太湖流域污水处理厂尾水生态净化工程绩效评估研究[D].南京：南京大学，2015.
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　　[6]MAANAN M， SADDIK M， MAANAN M， et al. Environmental and ecological risk assessment of heavy metals in sediments of Nador lagoon， Morocco [J]. Ecological Indicators， 2015，48（1）：616-626.
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　　[8]徐争启，倪师军，庹先国，等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J].ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY，2008，31（2）：112-115.
　　[9]罗丽，康得军，王晓昌.城市污水处理中典型重金属离子去除与迁移规律研究[J].安全与环境学报，2010，10（01）：52-55.
　　收稿日期：2020-05-17
　　作者简介：王刚（1980-），男，汉族，博士，助理研究员，研究方向为环境污染的生物效应和生物修复。
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