河流沉积物中重金属Cd、Pb时空变化及来源分配研究.pdf

专题与综述-149-河流沉积物中重金属Cd、Pb时空变化及来源分配研究徐 晨1，李圣杰2（1.肥西自来水有限公司，合肥 230601；2.中水淮河规划设计研究有限公司，合肥 230601）摘要：为探明河流沉积物中重金属Cd和Pb的时空变化和污染来源，本研究选取望虞河西岸四条河流的不同季节表层沉积物样品，测定其中重金属含量和Pb同位素比率，综合运用受体模型（PMF）分析和地理信息系统（GIS）插值等方法来确定望虞河西岸的重金属污染来源分配。结果表明：河网区表层沉积物中重金属Cd和Pb含量普遍高于江苏省土壤环境背景值，Cd最高值是背景值的130倍。重金属含量具有季节性变化，Cd在夏季时含量明显升高，而Pb在冬季时含量最高。多种源解析方法显示Pb的主要污染来源是机械冶炼和燃煤，占比81%，而Cd的主要污染来源是有机肥及磷肥，占比约85%。关键词：重金属；来源分配；PMF分析中图分类号：TS5 文献标志码：A DOI：10.20025/ki.CN10-1679.2023-19-51An Integrated Research to Access Heavy Metal Content and Source Apportionment From the River SedimentsXu Chen1,Li Shengjie2(1.Feixi Water Supply Co.,Ltd.,Hefei 230601,China;2.China Water Huaihe Planning Design and Research Co.,Ltd.,Hefei 230601,China)Abstract:To explore the distribution and sources of heavy metals from the river sediments,the concentrations of Pb and Cd and stable Pb isotopes were analyzed in surface riverbed sediments from the four rivers in different seasons.The results showed that the content of Pb and Cd in surface sediments was high,which was signifi cantly higher than the environmental background values.There was a signifi cant Cd concentration increase during summer and the concentration of Pb during winter is highest.GIS Mapping suggested that Pb pollution originated from point sources,whereas Cd could be traced back to non-point sources.Further identifi ed coal combustion and mechanical smelting activities as potential anthropogenic Pb sources.Positive Matrix Factorization(PMF)indicated that Cd was mainly inherited from agricultural sources.Key words:heavy metals;source apportionment;positive matrix factorization引言重金属毒性大、来源广、不能被微生物降解，是对生物潜在风险极大的富集性污染物1。环境中排放的重金属进入水体后迅速与水中悬浮颗粒物吸附结合，最终储存在水体沉积物中2,3。因此河流沉积物的污染来源对水域重金属污染具有指示作用。先前的文章多采用单一、定性的方法识别重金属的污染来源类型，无法获得重金属的具体来源。本文通过测定不同季节河流沉积物的重金属Cd、Pb含量，了解重金属含量的时空分布。综合运用受体模型（PMF）分析和地理信息系统（GIS）插值等源解析方法来确定河流重金属污染来源分配，以便相互验证并获得更准确可靠的结果。1材料与方法1.1研究区域概况研究区域主要位于江苏省无锡市，主要有福山塘、张家港、锡北运河、九里河、伯渎港等自西向东排水入望虞河的5条河流4,5。该地区的各类社会经济活动，如机械、塑料、有色金属、印刷、食品等重大工业项目，增加了河流污染风险，见图1。图1研究区域工业分布与采样点分布示意 第一作者简介：徐晨（1994-），女，硕士，助理工程师，研究方向：河流重金属污染。专题与综述-150-1.2样品采集与分析分别于2017年11月、2018年3月和2018年6月采集望虞河西岸典型主干河道伯渎港（BD）及其三条支流张塘河（ZT）、古市桥港（GS）和徐塘桥河（XT）共23个监测断面的表层沉积物样品。利用彼得逊抓斗式采样器采集15 cm底泥装入聚乙烯塑料罐中。经冷冻干燥，研磨过筛后测定沉积物重金属含量。沉积物样品（0.5 g）在20 mL比例为1:1:2的HNO3+HClO4+HF混合溶液中硝化10 h6，然后使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，Agilent 7 500a，美国）分析样品中重金属Cd和Pb的浓度。1.3PMF模型PMF模型是综合了数据中的误差估计来解决一个受限制加权最小二乘线性模型的矩阵分解法7。PMF所需的两个输入文件：样品的浓度值和样品的不确定度。均可以通过公式计算得出。因此，PMF模型能够精准得出不同污染源的贡献值。2结果与讨论2.1重金属含量时间变化望虞河西岸河网区沉积物中重金属Cd和Pb含量，沉积物中的重金属含量范围为Cd 0.0925.15 mgkg-1、Pb 16.32304 mgkg-1，普遍高于江苏省土壤环境背景值8。其中，Cd最大值是背景值的130倍，Pb最大值是背景值的5倍，这反映了采样点区域人为和地质条件的贡献，见表1。表1望虞河西岸表层沉积物中重金属含量均值单位：mgkg-1采样点CdPb伯渎港6.774.1张塘河10.137古市桥港6.924.7徐塘桥河7.351.5江苏省土壤背景值0.12626.2望虞河3.2711.98太湖0.479372017年11月、2018年3月和2018年6月采集的样品代表了冬季、春季和夏季的重金属含量水平。可以看出重金属Cd在春季时含量很低，接近土壤背景值。而在夏季，Cd的浓度是春季浓度的2030倍。而重金属Pb在不同季节分布较平均，冬季时含量较高。重金属Cd和Pb不同的季节分布显示着两种金属的污染来源不同，见图2。图2不同季节河网区沉积物中Cd和Pb含量分布2.2重金属含量的空间变化采用地理信息系统中的Kriging法对原始数据进行插值，得到重金属Cd和Pb在工业、农业和居民区的空间分布特征图。在工业区中观察到具有高浓度Pb的“热点”区域，且工业区内机械制造、金属制品企业的空间分布与Pb浓度分布呈现出较强的相关性。该类行业在生产机械设备（如机床、仪器、仪表等）的过程中，易向周边环境中排放Pb、Cu等含量超标的废水、废气和废渣，导致沉积物中重金属浓度超标。因此该区域中的Pb污染可能来源于点源污染。重金属Cd在工业区的含量分布并不高，而沿着农业区的Cd浓度是均匀的并且远高于其它区域中的Cd浓度，因此考虑该区域中的高Cd可能是由非点源引起的，见图3。图3重金属含量空间分布图2.3PMF分析望虞河西岸河网区重金属来源分配本文的PMF源解析使用EPA PMF 5.0模型，经过多次运行最终确定3个因子。可以看出，Pb含量空间分布主要受因子1影响，Cd含量空间分布主要受因子2影响，两种金属受因子3的影响较低，见图4。图4PMF结果一般而言，地表环境中Pb含量受燃煤和铅锌矿工业的影响较大9，机械冶炼也是铅污染的重要来源，且GIS分析显示Pb污染较高处主要位于工业区，因此推测因子1为机械冶炼和燃煤。而Cd浓度较高地区并不是企业分布数量较为集中的工业区，且GIS空间分析表明Cd为非点源污染，因此考虑农业施肥的影响。例如，有机肥和化肥的大量施用会増加土壤中As和Cd含量，而长时间施用磷肥会导致重金属Cd的含量升高10。研究区内河流靠近农田，且种植两季油菜花，春油菜在4月底种植，冬油菜在911月份种植，农事施肥时间恰好与重金属Cd含量升高时间一致。因此极有可能是农田施用的有机肥或化肥流入水体，进而沉积在沉积物中。将Cd和Pb的重金属含量和沉积物中有机质含量进行相关性分析，可以看出Cd含量与总有机质（TOM）含量具有显著相关性，进一步证明了Cd的污染与有机肥的施用有关。专题与综述-151-因此推测因子2为有机肥、磷肥等的使用。环境中的重金属来源除了人为污染外，仍有一部分来源于地质过程，这是跟土壤母质密切相关的。因此推测因子3为土壤母质，见表2。表2相关性分析元素TOMPbCdTOM1.00Pb0.1741.00Cd0.860*0.0421.00*：在0.05水平（双侧）上显著相关*：在0.01水平（双侧）上显著相关2.4河网区重金属污染来源及其贡献率由前文可以看出Pb污染来源为机械冶炼活动和燃煤，Cd污染来源为有机肥和磷肥的施用。利用PMF软件可以计算出每种重金属对每类污染的占比。重金属Pb的机械冶炼和燃煤污染来源达到81%，有机肥及磷肥污染占比为4%左右，土壤母质来源含量为15%。而重金属Cd机械冶炼和燃煤污染来源为10%以上，有机肥及磷肥污染占比达到85%，土壤母质来源含量极少。3结论（1）望虞河西岸河网区表层沉积物中Cd和Pb含量较高，普遍高于江苏省土壤环境背景值，且重金属含量具有季节性变化。Cd在春季时含量很低，夏季时含量为春季的2030倍；而重金属Pb在不同季节分布较平均，冬季时含量最高。（2）由地理信息绘图和PMF分析组成的综合方法显示81%的Pb来源为机械冶炼活动和燃煤，85%的Cd来源为磷肥、有机肥等的施用。参考文献：1何海星，于瑞莲，胡恭任，等.厦门西港近岸沉积物重金属污染历史及源解析J.中国环境科学，2014，34（4）：1 045-1 051.2王漫漫.太湖流域典型河流重金属风险评估及来源解 析D.南京：南京大学，2016.3俞慎，历红波.沉积物再悬浮-重金属释放机制研究进展J.生态环境学报，2010，19（7）：1 724-1 731.4陈亚男，逄勇，赵伟，等.望虞河西岸主要入河支流污染物通量研究J.水资源保护，2011，27（2）：26-28.5任凌霄，王沛芳，王超，等.望虞河表层沉积物中氮的分布与形态变化特征J.环境工程学报，2015，9（3）：1 201-1 208.6Jiang X,Teng A,Xu W,et al.Distribution and pollu tion assessment of heavy metals in surface sediments in the Yellow SeaJ.Marine Poll ution Bulletin，2014，83（1）：366-375.7高蒙，安俊琳，杭一纤，等.PMF和PCA/APCS模型对南京北郊大气VOCs源解析对 比研究J.气象与环境学报，2014，30（1）：43-50.8魏复盛，杨国治，蒋德珍，等.中国土壤元素背景值基本统计量及其特征J.中国环境监测，1991（1）：1-6.9Duzgoren-Aydi n N S.Sources and characteristics of lead pollution in the urban environment of GuangzhouJ.Science of the Total Environment,2007,385（13）:182-195.10王书琪.土壤重金属污染修复技术研究进展J.石油化工技术与经济，2018，34（4）：59-62.（上接第142页）3.4.3 轻质可燃物分离出的轻质物中含有大量塑料等可回收物，同时也含有大量的其他轻质物未分离出的灰土，其热值在24 000 kJ/kg左右。筛分出来的轻质可燃物应优先交由焚烧厂处理，处理量预计为100 t/d，处理时间为1.5年，总处理量为5.475万吨，在焚烧厂无多余接纳容量后采用回收处理方式。3.4.4 腐殖土筛分出来的腐殖土应先进行检测，在检测合格并达到土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）（GB 36600-2018）中的标准要求后，可将腐殖土转运到万亩生态林内，作为绿化底肥使用5。4结论与建议本项目采用综合治理、筛分资源化利用工艺，能够彻底治理存量垃圾，可以实现存量垃圾的“减量化、资源化、无害化”，有效控制存量生活垃圾对环境的影响。填埋场的垃圾经自然腐熟降解需要100年甚至更久的时间，期间填埋场的土地无法用于建（构）筑物，这会降低土地利用率，造成土地资源紧张的情况。垃圾筛分工艺在我国已经有非常成熟的经验，可以对垃圾场的生活垃圾实行筛分资源化利用，从而彻底消除存量生活垃圾，符合城市发展、土地合理利用的需要，同时也符合国家和省生态建设及环境保护政策6。参考文献：1黄鑫峰.存量生活垃圾填埋场治理工程应用研究J.工程质量，2023，41（5）：95-98.2段怡彤，景国瑞，耿欣等.填埋场存量生活垃圾资源化处理技术方案研究J.中国资源综合利用，2023，41（2）：49-51.3占松林，高磊，周克斌.存量生活垃圾填埋场治理方式及商业模式的探讨J.环境卫生工程，2022，30（6）：11-15.4付荣昊，胡永龙.生活垃圾填埋场综合治理过程中的异味控制J.广东化工，2022，49（14）：139-141.5胡健明.简易填埋场内存量垃圾治理 技术浅析J.广州化工，2019，47（14）：139-141.6冯猛，杨再兴，庄胜佳.小型存量生活垃圾填埋场治理方案初探J.科技与创新，2018（6）：8-10.