水体沉积物重金属来源解析及风险评价综述_胡凯.pdf

山东化工专论与综述收稿日期:20220801基金项目:银川市科技计划项目重大(重点)项目(2020ZG001)作者简介:胡凯，硕士研究生，研究方向为水体沉积物重金属。水体沉积物重金属来源解析及风险评价综述胡凯1，邱小琮1，2(1宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川750021;2宁夏大学 生命科学学院，宁夏 银川750021)摘要:水体沉积物重金属污染是一个世界性的环境污染难题，水体中的沉积物重金属污染物由于其不易被分解的特性，不仅持续对水体和水生生物造成危害，而且当其所处的环境发生变化时还会对水体造成二次污染，严重危害到人类健康和生态环境。本文通过对国内外沉积物重金属污染的归纳研究，分析总结了沉积物重金属污染的来源和危害，并主要列举了两种沉积物重金属评价方法:污染负荷指数法和地累积指数法的优缺点和适用范围。关键词:水体沉积物重金属污染;二次污染;沉积物重金属评价方法中图分类号:X52文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03006603eview on Source Analysis and isk Assessment of Heavy Metals in Water SedimentsHu Kai1，Qiu Xiaocong1，2(1School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan750021，China;2School of Life Sciences，Ningxia University，Yinchuan750021，China)Abstract:Heavy metal pollution in water sediments is a worldwide environmental pollution problem Because of its difficultdecomposition，heavy metal pollutants in water sediments not only continue to cause harm to water bodies and aquatic organisms，but also cause secondary pollution to water bodies when their environment changes，seriously endangering human health andecological environmentIn this paper，the sources and harms of heavy metal pollution in sediments are analyzed and summarizedthrough the inductive study of heavy metal pollution in sediments at home and abroad，and the advantages，disadvantages andapplication scope of two heavy metal evaluation methods in sediments:pollution load index method and geoaccumulation indexmethod are mainly listedKey words:metal pollution in water sediments;secondary pollution;evaluation method of heavy metals in sediments水体沉积物污染是一个非常棘手的环境问题，在水生态系统中，水体沉积物具有不可忽视的环境、生态地位，是水体污染的源和汇1。近年来，随着社会经济以及城市化快速发展，人们日常生产生活产生的污染物数量也显著增加，大量未经处理的污染物直接排入到河流湖泊中，导致水体重金属含量增加，通过吸附作用沉积到底泥中。如果水化学、水动力等外部条件发生变化时，底泥中的重金属污染物会再次被释放到水体当中，造成水体二次污染，产生更多环境问题，严重危害水体中的生物安全甚至是人类健康2。重金属一般是指密度大于 5，相对密度大于 45 g/cm3的金属，主要包括 Fe、Mn、Zn、Ni 等化学元素3。这些元素广泛存在于自然界中，经过长年的风化容易释放到河道水流当中，并且毒性大难以降解，容易在生物体中累积，对生物和环境及人类造成很大危害4，且危害是不可逆转的，因此对重金属污染的重视被提升到了极高的高度5，尤以 Cu、Zn、Ni、Pb、Cr 和 Cd 被我国列为优先控制的重金属污染物6。本文通过对国内外沉积物重金属研究进展、污染危害及重金属污染程度评价进行全面研究分析，系统了解沉积物重金属的来源与归趋，为重金属污染风险评价及治理提供依据。1国内外水体沉积物重金属研究进展11国外水体沉积物重金属研究进展20 世纪初，世界各国进入工业化后期，由于毫无节制地排放污水，导致河流污染达到了空前未有的程度。1956 年，日本“水俣病”Hg 中毒事件震惊世界，1977 年，日本“痛痛病”Cd 中毒事件让人们意识到了重金属污染的可怕7。一次又一次的重金属中毒事件让国外学者开始对河流沉积物中的重金属进行了探索。20 世纪中期，德国科学家 Muller 首次在欧洲提出地积累指数法用于研究沉积物及其他污染物质。20 世纪 70 年代，地积累指数法经过不断地发展已经逐渐成熟，应用到了河流湖泊沉积物重金属的分析研究当中，被用来评价水体重金属污染程度8。20 世纪 80 年代，瑞典科学家 Hakanson9 提出了潜在生态风险指数法，此方法是根据重金属特有的性质以及考虑到环境影响的特点，从土壤沉积物的角度出发，对河流中的重金属沉积物污染进行评价的方法。该方法从土壤重金属含量出发，将重金属污染物的毒性大小、多种重金属元素混合协同作用以及环境对重金属污染的敏感度都考虑在内，在环境沉积物重金属评价中得到了广泛应用。Hilton 等10 提出了回归过量分析法，将沉积物中的重金属浓度分为背景浓度、加速侵蚀浓度以及污染程度三部分用于评价沉积物重金属污染。12国内水体沉积物重金属研究进展自 21 世纪以来，我国经济快速增长，城市化进展加速，大量未经处理的工厂污水排放到河流中，导致河流中重金属以及其他污染物严重超标，严重危害人类身体健康。我国幅员辽阔，地大物博，很多地方重金属矿石没有得到合理的开采，导致66SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.066第 3 期流失到河流当中造成重金属污染加剧。有关数据表明，我国沉积物重金属污染率达到 801%11。邱丽君12 等对湘江衡阳段沉积物重金属沉积现状分析表明:该江段沉积物重金属种类繁多，沉积量大，包含 Cd、Hg、As、Pb 等多种毒性大、难分解的重金属离子。马正虎13 等采用地累积指数法和 Hakonson 潜在生态危害法对宁夏银川阅海湖污染状况和生态风险进行评估，发现阅海湖底泥中 Hg 和 Co 都远超背景值。肖怀宪14 等对资江疏浚沉积物重金属的赋存形态及其生态风险进行研究发现，资江沿线所有的点位沉积物重金属都超过背景值，其中 Cd 的污染最为严重。我国部分河流湖泊沉积物重金属含量如表 1 所示，由表 1可知我国大部分河流湖泊都已经遭受到了不同程度的重金属污染，因此我们要加强沉积物重金属污染的研究力度，确保河流湖泊不再进一步受到重金属的侵害。表 1我国部分湖泊、河流底泥重金属污染情况水体名称污染物污染状况参考文献太湖As、Hg、Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、NiAs、Hg、Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni 八种重金属含量均超过太湖地区土壤背景值，其中 Zn 和 Ni 分别达到 44 和 40 倍 15昭阳湖As、Co、Cu、Hg、Mn、Pb、NiAs、Co、Cu、Hg、Mn、Pb、Ni 七种重金属含量均超过昭阳湖地区土壤背景值，分别超标 15，16，13，25，14，12，13 倍 16南阳湖As、Co、Cu、Hg、Mn、Pb、NiAs、Co、Cu、Hg、Mn、Pb、Ni 七种重金属含量均超过南阳湖地区土壤背景值，分别超标 13，14，12，80，11，12，11 倍 16阅海湖As、Hg、Cr、Cd、Cu、CoAs、Hg、Cr、Cd、Cu、Co 五种重金属均超过银川平原引黄灌区土壤背景值，其中 Hg 和 Co 分别达到背景值的 516 和224 倍 13黄河As、Cd三角洲地带沉积物中 As、Cd 的含量分别为当地背景值的 38和 101 倍 17辽河流域As、Cr、Cu、Ni、CdAs、Cr、Cu、Ni、Cd 五种重金属底泥含量均超过辽宁省土壤背景值，其中 Cd、Pb 和 Zn 最为严重 18淮河中下游Zn、Cr、Cu、Ba、Cd、PbZn、Cr、Cu、Ba、Cd、Pb 六种重金属底泥含量均超过淮河流域土壤背景值 192重金属污染溯源分析重金属来源可以分为点源污染、面源污染以及内源污染20。其中点源污染指大企业或者大的居民点在某个范围内集中大量排放受到污染的水流到河流湖泊当中;面源污染是指分散很大的小企业或者居住很散的居民在大片范围内少量污水的排放;受到污染的大气通过扩散沉降对土壤和地表水体的污染以及污灌区农田污染物和畜牧业污染物排放到水体当中;内源污染又被称之为“二次污染”，是指河流湖泊内长期以来积累的污染物又一次受到环境变化导致不稳定再次释放到河流中的污染。其实从广义上我们可以将底泥重金属污染分为自然原因和人为原因两种。在自然界中，河湖蒸发、大气降雨以及岩石风化等，每一个环节都有可能存在重金属进入到河流并积到河流底泥中。人为原因是河流重金属严重污染的罪魁祸首，主要包括工业污染、城镇污染、农业污染以及生活污水排放等。3沉积物重金属污染的危害重金属不仅可以轻易通过任何途径进入到大气、水体和土壤当中，并且可以在三者直接相互迁移转化21。当重金属进入沉积物之后，由于环境微生物无法对重金属进行降解，这些重金属污染物通过食物链在生物体中不断富集累积，从而造成更大的危害，当浓度达到一定程度之后更会导致生物体受到致命的伤害。31对水体和水生生物的危害虽然土壤和水体中都含有一定量的重金属，但是随着社会工业化的发展大部分未经处理的生活污水和工业污水直接排放到土壤和水体当中，导致土壤水体中的重金属含量超过了其本身的背景值，水体中重金属含量超标。水生生物生活在重金属含量超标的水体中，重金属就会富集累积在水生生物体内，当重金属含量超过其所能容纳的最大值后，严重者水生生物就会中毒或死亡22。32对人体健康的危害由于重金属不能被生物降解，并且会随着时间逐渐积累，所以当重金属进入到水体中最终将会在底泥中聚集积累。人体接触到或者饮用了受到重金属污染的水体之后，就会通过皮肤、呼吸道以及消化道等各种因素进入到人体中。重金属在进入到人体之后，会和人体内的蛋白质以及其他各种生物酶发生反应，使其失去活性，也有可能在器官内富集，如果超过人体器官的最大限度就会造成中毒，严重的甚至会危及生命。4沉积物重金属污染的评价方法沉积物重金属污染的评价方法国内外有很多种。诸如，单因子指数法在土壤、大气以及水体重金属污染中广泛应用，仅适用于环境污染中主要重金属元素的判断，但是当存在多种重金属元素复合污染时，单因子指数法就无法判断。内梅罗综合指数法:此法是在单因子指数法的基础上得出的全面判断各重金属元素对环境的污染程度，方法简单，过程简捷，但是此法过重突出极大值对环境的影响，没有思考污染的质变特征以及重金属的生物毒性作用。本文选取了最广泛应用的两种方法进行了详解。41污染负荷指数法污染负荷指数法是 Tomlinson 等人23 1988 年从事重金属污染水平的分级研究中而提出来的一种评价方法。该方法主要应用于土壤和河流底泥重金属污染的评价，能够体现出重金属污染的时空变化趋势以及各种重金属对环境污染的贡献度。计算公式如下:Pi=Ci/Coi(1)Ipl=nF1 F2 F3 Fn(2)式中，Pi是重金属元素的最高污染系数，Ci为重金属元素的实测含量，Coi为重金属元素的评价标准，即背景值，一般选用全球土壤重金属含量平均值作为重金属的评价标准，mg/kg;式中，为某一点的污染负荷指数;Ipl为被评价重金属的个数。76胡凯，等:水体沉积物重金属来源解析及风险评价综述山东化工某一特定区域的污染负荷指数为:Iplzone=nIpl1 Ipl2 Ipl3 Ipln(3)式中，Iplzone代表区域污染负荷指数，n 为采样点个数。污染负荷指数一般分为 4 个等级，表 2 为污染负荷指数与污染程度之间的关系表24。表 2污染负荷指数与污染程度之间的关系Ipl指数等级污染程度10无污染121中等污染232强污染33极强污染该评价方法可对评价区域内的所有重金属同时进行分析，并且采用了求积的统计方法，可以避免指数加和对评价结果造成不符的情况，还可以直观清晰地看出各种重金属对环境所造成的污染以及重金属元素在时间、空间内的整个变化趋势，最主要的一点是能够清晰地对整个被污染的区域做出定量的判断，但是不能反映出来重金属元素的化学活性和生物可利用性和不同重金属污染物引起的差别。42地累积指数法地累积指数法25 是 1969 年德国学者 Muller 在海德堡大学沉积物研究所工作时提出来的重金属污染程度评价方法，主要用来定量评价水环境底泥沉积物中的重金属污染程度，在整个世界被广泛使用。地累积指数法的公式为下:Igeo=log2Cn15 Bn(4)式中，Cn代指重金属元素 n 在水环境底泥沉积物中的实测含量;Bn代指重金属元素 n 在当地环境条件下的背景值，给背景值乘于 15 是考虑到背景值可能由于环境变化而发生变动。根据地累积指数的数值大小，Igeo共分为 06 七个层级，分别表示重金 属 污 染 程 度 从 无 到 最 强，其 与 污 染 程 度 的 分 级如表 326。表 3地累积指数与污染程度分级Igeo等级污染程度00无污染011轻微污染122中等污染233中等污染强污染344强污染455强污染极强污染56极强污染地累积指数法将污染因素、环境地球化学背景值以及可能由于人为活动或其他因素影响的背景值变化都应用到了重金属污染评价中，可以清晰地反映出采样点的污染情况以及污染来源分布，但是该方法不能针对整个环境内和环境内包含的所有重金属元素进行全面的分析。5结语通过对国内外关于底泥重金属论文的阅读，可以发现随着社会工业化进程的加快，湖泊以及河流或多或少都存在一定的重金属污染，有的甚至已经是重度污染。在重金属无法被自然环境降解的情况下，控制重金属元素排放，减少对环境和人类健康的危害已经迫在眉睫。同时，现有的污染评价方法并不能适配所有实际情况下的重金属污染，要综合考虑沉积物用途、生态情况以及时间和空间上的变化情况。多种评价方法同时使用成为一种方便、全面、准确的评价模型，可以更清楚地了解到每一受到污染的地块在涉及时空变化、环境变化等等情况下底泥重金属的变迁情况。此外，对河流湖泊进行全面治理也显得十分重要，防止重金属污染和氨氮、磷以及其他有机物发生反应，构成协同污染。参考文献 1WAYE K K，CLOW A A，EDEADS S S，et alEffects ofnighttime low frequency noise on the cortisol response toawakening and subjective sleep qualityJ Life Sciences，2003，72(8):863875 2 黄廷林水体沉积物中重金属释放动力学及试验研究 J 环境科学学报，1995(4):440446 3 施周，贺维鹏饮用水水源中重金属污染防控技术与对策 J 给水排水，2012，38(8):13 4ISLAM M S，HOSSAIN M B，MATIN A，et alAssessment ofheavy metal pollution，distribution and source apportionmentin the sediment from Feni iver estuary，BangladeshJ Chemosphere，2018，202:2532 5 GANUGAPENTA S，NADIMIKEI 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