（环境工程专业论文）河流底泥污染物释放研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 底泥污染与整治作为城市河流污染的难点之一，是目前全世界普遍存在的突 出环境问题。在一定条件下，累积于底泥中的各种有机和无机污染物通过与上覆 水体间的物理、化学、生物交换作用，可重新进入上覆水中，成为影响河流水质 的二次污染源。了解和掌握河流底泥污染物的释放、扩散规律对河流水质的改善 有重要意义。 从上世纪8 0 年代开始，国内外学者就开始了底泥污染物扩散规律的研究，经 过几十年的发展，取得了许多成果，但是由于底泥污染物扩散过程本身的复杂性， 还有很多问题尚待研究解决。以往的研究大都集中在氮、磷及重金属释放规律方 面，研究手段以静态实验为主。动水条件方面的研究起步相对较晚，研究成果相 对较少。本文在前入研究的基础上，对动水条件下底泥中污染物释放规律进行了 水槽的实验研究。并以苏州河底泥为例，通过静态和动态的水槽模拟实验，分析 了不同流速、不同水深条件下，河流受污染底泥中释放出的c o d 。、d o 、p h 、 浊度、重金属等对上覆水体水质的影响。 本文在循环玻璃水槽内进行了9 组不同水深、不同流速下底泥污染物释放实 验，结果表明： 1 当有底泥存在时，底泥中污染物向上覆水体的释放造成了水体污染；当 无底泥存在时，水槽中由于存在着较高的溶解氧造成水体中c o d = 呈现下降的趋 势。 2 动水条件下苏州河底泥的c o d c 霹放率、p h 和d o 均比静水条件下的大， 但低流速动水条件下的浊度比静水条件下的浊度要低。 3 底泥中污染物释放率与水深和流速有关，在相同水深的工况下，释放率 随着流速的增加而增大，在相同流速的工况下，底泥的释放率随着水深的增大而 减少。 4 底泥中重金属向上覆水体的释放对上覆水体的影响并不是很大，上覆水体 中只检测出微量的n i 、z n 、m n 三种重金属。 关键词：底泥河流污染物释放释放率 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p r e h e n s i v et r e a t m e n ta n dp o l l u t i o np r e v e n t i o no f s e d i m e n t , au b i q u i t o u sa n d s i g n i f i c a n te n v i r o n m e n t a li s s u ei nt h ew o r l d ，i so n eo f t h eb i g g e s tp r o b l e m si nu r b a n r i v e rt r e a t m e n t av a r i e t yo fi n o r g a n i ca n do r g a n i cp o l l u t a n t si nt h eb o r o ms e d i m e n t ， u n d e rc g t t a i nc i r c u m s t a n c e ，w i l lr e l e a s et oa q u a t i ce n v b o n m e n tt h r o u g hc h e m i c a l ， p h y s i c a la n db i o l o g i c a le x c h a n g e ，w h i c hm a yb et h em a j o rc o n t a m i n a t i o ns o u r c eo f u p p e rw a t e r i ti sv e r yi m p o r t a n tt ok n o wt h el a w so fr e l e a s ea n dd i f f u s i o no fb o r o m s e d i m e n tt oi m p r o v et h ew a t e rq u a l i t y s i n c e1 9 6 0 s t h ee n v i r o n m e n t a lc o n c e r no v e rt h el a w so f s e d i m e n tr c l e a s eh a sl e d t ot h ed e v e l o p m e n to fs t u d yi nt h i sf i e l d t h ef a t ea n dt r a n s p o r to fs e d i m e n tr e l e a s e a r eg o v e r n e db yc o m p l e xi n t e r a c t i o n so f p h y s i c - c h e m i c a lp r o c e s s e st h a td e p e n do nt h e s e d i m e n tp r o p e r t i e s ，h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s ，a n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa n ds o o n p r e v i o u sr e v i e ws t u d i e so ns e d i m e n tr e l e a s em a i n l yc o n c c n t r a t e d0 1 1t h el a w so f r e l e a s en i t r o g e n , p h o s p h o r u sa n dh e a v ym e t a l s ，w h i l et h ed y n a m i ce x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r en o ts u f f i c i e n t i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ns e d i m e n t r e l e a s ei sc a r r i e do u ti nw a t e rc h a n n e l t h eb o r o ms e d i m e n to fs u z h o uc r e e ki s s e l e c t e da ss a m p l et oc o n d u c te x p e r i m e n t sw i t hm e t h o d so fs t a t i ca n dd y n a m i c s i m u l a t i o n s ，f r o mw h i c ht h ee f f e c t so fs e d i m e n tc o n t a m i n a n to nu p p e rw a t e rq u a l i t yi s c a r e f u l l yi n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gr e l e a s e dc o d e r , d o ，p h ，t u r b i d i t ya n dh e a v y m e t a l s u n d e rt h ed i f f e r e n th y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s i nt h ec i r c u l a t i n gw a t e rc h a n n e le x p e r i m e n t s ，n i n ec a s e so fb o t t o ms e d i m e n t r e l e a s ew i t hd i f f e r e n th y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ： 1 i nb o t hs t a t i ca n dd y n a m i cc i r c u m s t a n c e s ，c o n t a m i n a n tr e l e a s i n go fs e d i m e n t l e a d st o u p p e rw a t e rp o l l u t i o n i nt h ea b s e n c eo fs e d i m e n t ss e l f - p u r i f i c a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，c o d “p r e s e n t e dad e g r e s s i v et r e n db e c a u s eo f t h ee x i s t e n c eo f al a r g ea m o u n to f d i s s o l v e do x y g e ni nw a t e rc h a n n e l 2 u n d e rd y n a m i cc o n d i t i o n ，t h es e d i m e n tc o n t a m i n a n tr e l e a s i n gr a t e ，p ha n d d ow e r ea l ll a r g e rt h a nt h o s eu n d e rs t a t i cc o n d i t i o n b u tr e v e r s e l yt h et u r b i d i t yi n 上海大学硕士学位论文 l o wf l o wv e l o c i t yt o o ko nl o w e rv a l u ec o m p a r e dw i t hs t a t i cc o n d i t i o n 3 t h ew a t e rd e p t ha n dt h ef l o wv e l o c i t yb o t hc o n t r i b u t et os e d i m e n t c o n t a m i n a n tr e l e a s i n gr a t e a tas a l l l ed e p t h t h er e l e a s i n gr a t em c r e a s e da l o n gw i m t h ev e l o c i t yi 1 1 c r e 鸽i n 吕w h i l ea tt h ef i x e dv e l o c i t yc o n d i t i o nt h eb o t t o mr e l e a s i n g r a t ed e e a s e dw i t ht h ei n c e n s e m e n to f d e p t h 4 t h er e l e a s eo fh e a v ym e t a l si ns e d i m e n t st ou p p e rw a t e r si m p a c ti sn o tv e r y s i g n i f i c a n t ad r a mo f n i c k e l ，z i n c ，m a n g a n e s ec a nb ed e t e c t e di nt h eu p p e rw a t e r k e y w o r d s ：b o s o ms e d i m e n t r i v e rr e l e a s er a t ec o n t a m i n a n tr e l e a s e 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：名蝉 日期：鱼! ! ：! 苎 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：三基地 导师签名：重至! 墨日期：翌21 ：! 墨 上海大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章概述 水是生命之源，是人类发展最重要的自然资源。人类所有的活动都离不开 水的支持。河流系统是陆地水环境中的重要组成部分，河流系统环境质量的好 坏直接影响到湖泊和海洋环境质量的好坏。然而由于缺乏环保意识，在2 0 世纪 9 0 年代以前，我国污染物的处置问题一直没有得到很好的重视，在很多地区， 环境基础设施的建设速度滞后于经济的发展速度，导致大量工业废水、生活污 水等直接排入江河湖海中。 在环境学中，河流水体是由水、溶解性物质、悬浮性物质、水生生物和底 泥组成的自然综合体。底泥一般是指江河湖海的沉积物，是自然水域的重要组 成部分。河湖底泥的基本物理结构包括与水体相接触的沉积物界面层和界面层 下的原沉积物层。沉积物界面层主要由底栖生物及其残体、代谢产物和颗粒很 细的粘性泥沙组成，由于颗粒很细，极易出现絮凝现象，在床底形成浮泥层， 它们对有机污染物有很强的吸附作用。界面层下的原沉积物层主要是由无机矿 物的泥沙组成，它们对界面层起到支撑的作用，在长期物质扩散的基础上，有 机污染物会从界面层向原沉积物层部分转移，使得在一般的情况下污染物向水 体中的释放较为困难。在天然水体中，悬浮沉积物一般是组成复杂的聚集体， 其基本骨架是粘土矿物或其他矿物微粒，由腐殖质及金属水合氧化物粘附架桥 聚集在一起，各种微污染物如有机有毒物、重金属以及细菌、病毒等吸附在表 面上，发生生态环境效应。污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷 进入水体，最后沉积到底泥中并逐渐富集，使底泥受到严重污染。上世纪菜茵 河流域、美国的大湖地区、荷兰的阿姆斯特丹港口、德国的汉堡港，底泥污染 情况十分严重【l 】。在外污染源控制达到一定程度后，城市河流的底泥由于历年 排放的污染物大量聚集，底泥对上覆水体水质的影响就突出表现出来，此时底 泥成为一个污染“源”，从而造成对水体的二次污染。如穿越上海市区的苏州河， 在一定流速条件下，底泥对上覆水体的作用可使水中c o d e r 增加1 5 6 7 m g 1 【2 】。 河流底泥中的污染成分复杂，主要污染物为有机污染物和重金属等，底泥中的 上海大学硕士学位论文 硫和氮含量较高是造成河流黑臭的主要原因之一。当河流污染较严重时，底泥 污染物释放对河水水质的影响并不明显；当河水污染程度减轻、水质改善后， 河水中污染物浓度与底泥中污染物浓度的梯度增大，底泥中污染物释放作用就 会增加，造成污染【3 1 。即使是发达国家在水质改善方面相当成功，对河流底泥 的控制也不容乐观，如美国国家环保总局( u s e p a ) 在1 9 9 8 年9 月的污染沉 积物战略总报告中指出，。在全美国许多水域，污染沉积物都造成了生态和人 体健康的危机，沉积物已成为污染物的储存库。鱼类和底栖生物从它们富集有 毒化合物进入鱼、鸟和哺乳动物体内直到有毒水平。在美国已发生的2 1 0 0 起鱼 类消费问题，经多次证实污染来自底泥” 4 1 。2 0 0 2 年，杭州西湖内源污染负荷 已经达到外来污染负荷的4 1 ，安徽巢湖内源污染负荷是外来负荷的2 l ，而 云南滇池中8 0 的氮和9 0 的磷都分布在底泥中p 】。 1 2 苏州河自然环境概况 苏州河历史上又称吴淞江，古代曾是太湖东部排水的主要入海通道，后经 淤积变迁，逐渐缩窄变成黄浦江最大的一条支流，是太湖与黄浦江的主要联系 水道之一。苏州河全长1 2 5 k i n ，西起太湖瓜泾口，经江苏省苏州市后曲折东流， 横贯上海市区，流经上海市8 个区，在外白渡桥附近与黄浦江交汇。苏州河在 上海市市内全程约5 3 1 k m ，其中市区段约2 3 8 k m ，河面平均宽度5 0 6 0 m ，河 底宽度1 5 2 0 r n 。 苏州河穿越上海市区中心，是中等强度感潮河流，属浅海不正规半日潮。 苏州河潮流界在青浦赵屯附近，沿途地势平坦，河道比降较小，从黄渡到河口 的河底比降只有万分之零点八五。河道蜿蜒曲折，从赵屯至外白渡桥共有1 6 个 “v ”字形弯道，其中市区段就占了9 个弯道。尤其是从凯旋路至恒丰路桥河 段形成一个大凸湾，弯道曲率半径较小，是苏州河曲折迂回最严重的河段。该 段直线距离仅4 ，6 8 0 m ，实际河道长度却达9 , 3 0 0 m ，弯曲系数达1 9 9 。由于河道 比降小、弯道多，致使水流不畅，流速缓慢，最大流速仅0 5 8 m s ，由北新泾排 入苏州河的污水约需五六天时间才能最终泄入黄浦江【6 】。 苏州河上游太湖瓜泾口多年平均流量为1 9 m 3 s ，但流经上海境内的黄渡多 年平均流量只有6 m 3 s ，减少了6 8 4 ，在合流污水一期工程实施后，外白渡桥 2 上海大学硕士学位论文 净下泄流量为1 0 m 3 s 。夏季上游农田用水量高峰期，来水减少，若遇大潮讯， 污水上溯加剧。因地表坡度缓和，以及1 年中的大部分时间缺水，苏州河的排 泄容量受下游水位的控制，旱季( 1 2 3 月) 较低的海平面，导致上游来水注 入黄浦江比雨季还多。 1 2 1 苏州河水质概况 苏州河的水质原本清澈见底，是水产品种繁多、渔业兴盛之地，松江鲈鱼 曾久享盛名。1 9 1 1 年兴建于苏州河恒丰路桥附近的上海第一座水厂即以清洁的 苏州河水为水源。从1 9 2 0 年起，随着上海城市规模的迅速扩大，苏州河两岸工 厂林立，人口剧增，大量的工业废水和生活污水不经处理直接排入苏州河，导 致河流水质不断恶化。每逢夏季高温时期，苏州河市区段就会出现季节性的水 体黑臭现象，某些重金属含量超过饮用水标准几十倍。1 9 2 8 年，闸北水厂被迫 迁移至军工路现址，改以黄浦江为水源。闸北水厂的搬迁可视为苏州河水质恶 化，导致影响饮用的一个标志。 1 9 4 9 年春，苏州河中山西路的监测资料表明，b o d s 达1 7 m g l ，n h 3 n 达 4 5 7 m g l ，均己超过国家地面水v 类标准。1 9 4 9 年后，由于在苏州河畔及其支 流上兴建北新泾、彭浦、桃浦、安亭等工业区，一些重污染行业如化工、印染、 棉纺、造纸、制革、食品、制药等纷纷兴起，同时市区苏州河两岸居民也猛增 至3 0 0 万，使苏州河水质污染日趋严重，污染范围逐年上溯：1 9 5 6 年污染带影 响到北新泾。1 9 6 4 年扩展至华漕，1 9 7 8 年已直达青浦的白鹤、赵屯【7 。此后， 苏州河在上海境内全部遭受污染，市区段水质远劣于国家地面水v 类标准，终 年黑臭，成了一条名副其实的臭水浜。 1 9 8 8 年上海市政府为削减苏州河市区段的污染源，开始建设合流污水治理 一期工程，一期工程结束后，干流水质主要指标年平均值基本达到国家景观水 标准，河道生态系统逐步改善。从2 0 0 5 年2 月的监测数据看，苏州河治理工程 成效还是较为显著的。然而苏州河的水质没有得到根本性的改善，干流水质总 体上呈改善趋势，但仍存在时空上的不稳定性；许多支流水体仍然黑臭，淤积 严重。 由表1 1 中可见，白鹤、黄渡、华漕、北新泾、武宁路桥和浙江路桥断面 上海大学硕士学位论文 的主要水质指标中，除n h 3 - n 全面超标外，c o d c r 、b o d 5 、d o 基本达到国家 地表水类水标准。苏州河2 0 0 5 年的水质污染情况与1 9 9 6 年至2 0 0 4 年同期相 比，各断面c o d c r 下降，但仍保持类水；下游断面b o d 5 明显下降：n h 3 - n 上游断面上升，下游断面基本持平；上游断面d o 基本持平，下游断面d o 明 显上升。 表1 11 9 9 6 2 0 0 5 年苏州河典型断面污染物平均含量( r a g l ) 【8 】 断面c o d c ，b o d s 年份 1 9 9 61 9 9 71 9 9 82 0 0 42 0 0 51 9 9 61 9 9 71 9 9 82 0 0 42 0 0 5 浙江路桥 5 81 7 11 5 12 0 0 02 3 3 31 51 3 7 1 5 6 6 7 55 4 4 武宁路桥 1 112 1 41 5 91 9 1 32 2 9 54 62 0 61 4 41 0 ，8 84 7 5 北新泾 华漕 黄渡 白鹤 断面 年份 9 1 6 3 4 3 2 0 11 4 52 0 6 32 4 5 22 82 1 9 1 3 89 7 55 0 9 1 2 91 0 9 1 7 0 0 2 5 3 01 l1 1 18 17 5 05 7 3 9 3 8 5 7 91 5 0 02 8 0 056 8 7 41 7 5 02 7 8 56 9 45 4 n h 3 - n 5 76 2 55 7 9 3 9 5 ，7 5 6 5 9 d o 1 9 9 61 9 9 71 9 9 82 0 0 42 0 0 51 9 9 61 9 9 71 9 9 82 0 0 42 0 0 5 浙江路桥 8 19 119 6 19 4 77 3 30 4 武宁路桥 1 1 21 2 69 6 78 9 77 7 1 北新泾l o 21 1 69 8 99 2 26 6 5 华漕 黄渡 5 68 2 16 5 3 8 8 7 6 3 2 0 8 1 3 0 7 0 5 1 9 1 94 1 53 8 11 1 “6 3 23 13 94 66 0 24 4 9 白鹤4 13 9 42 2 111 0 76 0 44 2 44 6 4 2 5 1 64 3 9 按照苏州河水环境数学模型，当二期工程全面竣工时，苏州河干流水质为： d o4 4 7 m g 1 ，c o d c r1 7 19 1 1 l 鲫，b o d 53 6 4 7 1 m g l ，n h 3 一n4 6 5 1 m g 1 1 9 1 。 1 2 2 苏州河底泥污染状况 在水体污染的外源越来越多地得到控制后，受污染底泥逐渐成为水体不可 忽视的重要内源污染【1 0 】【i l 】。由于历史上长年接受污水、废水的排入，在河流底 4 7 8 0 9 3 9 7 2 4 4 4 4 7 7 o 2 3 7 3 2 2 2 3 5 6 6 4 6 o 0 o 2 上海大学硕士学位论文 部形成了一定厚度并富含各种污染物质的底泥层，且苏州河干流中下游已有近 5 0 年未进行疏浚，底泥中累积了大量的无机污染物、有机污染物和重金属污染 物。底泥耗氧、底泥向上覆水体释放污染物，以及底泥在冲刷作用下的悬浮释 放等，都对水体的水质和水环境容量等产生显著影响；通过与上覆水体的物理、 化学和生物交换作用，苏州河底泥中的污染物也会在一定条件下大量释放，成 为影响和制约上覆水质的主要二次污染源。在河水一底泥体系中，底泥是各种 有机污染物积累富集转化的场所，底泥含污染物的程度可以间接反映河水的污 染程度，因此，底泥的污染状况是全面衡量水质的重要因素。河流底泥对上覆 水体水质的影响，主要表现为消耗水体溶解氧，降低了河水的自净能力，损害 了河道的生态系统，释放各类污染物以增加其在水体的浓度，从而导致水质下 降，甚至恶化【1 2 】【1 3 】。同时苏州河中下游河段狭窄、弯道多，码头附近淤积严重， 枯水期受扰动后底泥再悬浮等因素造成苏州河底泥成为不容忽视的内源污染。 即使将所有陆上点源、面源污染进行控制，由于内源污染存在，仍不能完全避 免水质的恶化。在内源污染的释放过程中，水力条件、污染物数量及特性起着 决定性作用。为了巩固前期所取得的成效，同时防止河水二次污染，解决苏州 河底泥对上覆水体二次污染，底泥再悬浮对苏州河水质的污染问题，则更显重 要。 据1 9 9 6 年末的实地采样，苏州河市区段受到污染的黑色底泥平均厚度约在 1 5 m 左右。根据苏州河底泥不同泥层的划分，研究表明，浮泥层和黑泥层都遭 受了不同程度的污染【8 1 。苏州河底泥中的污染物主要以重金属污染物和有机污 染物为主【1 1 】【1 4 1 。其中，铜在浮泥层和黑泥层中的含量分别为3 5 1 5 2m s k s 和 2 4 9 5 1m g k g ：铅在黑泥层中的含量为1 3 - 3 7 9 0m g k g ：锌在浮泥层和黑泥层中 的含量分别为1 5 6 9 4 8m g k g 和4 0 - 3 0 0 3m g k g ：镍在黑泥层中的含量为2 0 1 5 3 m g k g ：铬在黑泥层中的含量为3 7 2 0 5m g k g ：镉在浮泥层和黑泥层中的含量分 别为o 1 1 1 3 9m g k g 和o 1 3 - 4 5 5m g k g ：从重金属类别来看，铅、锌、铜、镉 的超标极为突出，而镍和铬的超标程度较小。从沿程分布来看，由于从中山路 桥至北新泾桥是苏州河沿岸主要工业分布区，重金属的污染程度在这一带明显 增高，而在下游区各重金属元素在表层底泥中的含量明显降低。从垂直分布来 看，在顶部浮泥层和底部自然沉积层中含量较低，而在中部黑色质泥层含量显 5 上海大学硕士学位论文 著偏高。另一方面，大量研究表明，在底泥水环境中许多重金属元素与铁锰氧 化物结合在一起，并伴随铁锰氧化物迁移转化 2 0 1 1 2 1 】【趋】【2 引。由于铁锰是典型的氧 化还原敏感性元素，当苏州河河水在夏季发黑发臭，出现季节性缺氧时，表层 底泥中的部分铁锰氧化物就会发生溶解，并通过孔隙水向上覆水和底泥深部双 向扩散【卅，在孔隙水矿物平衡控铝4 作用下，重新以无定型矿物的形态累积于底 泥；而向上覆水体扩散的铁锰则以溶解形态进入水体，导致河水的季节性底泥 释放污染。受这一过程的控制影响，与铁锰氧化物结合在一起的各种重金属元 素，也相伴产生季节性的释放和富集，这也是过去人们经常忽略重金属污染的 一种重要原因。 对于苏州河本身的底泥受污染情况国内已经在9 0 年代有了一定的研究。研 究运用钻孔采取苏州河底泥的方法，根据钻孔剖面的分析，发现不同类型河段 底泥主要污染物( 有机物和重金属) 的垂直变化具有典型的峰值分布特征，底 部灰黄色泥层为河流自然沉积层，污染物含量低；中部为黑色粉砂质泥层污染 物含量高；顶部为灰黑色淤泥层，污染物含量有所降低。 多年污染物的排放致使污染物质与自然沉积的泥沙一起淤积在河床上，形成 很厚的污染层。持久陛有机污染物( p o p s ) 、多环芳烃( p a h s ) 、有机氯代物( p c b s ) 等，容易被水中悬浮颗粒和沉积物所吸附。底泥中该类有机污染物的含量远大于 其在水中的含量，底泥污染层中c o d c r 最高可达3 3 ，0 0 0 1 3 0 ，0 0 0 m g k g “。苏州河 底泥不同层位c o d c ，的含量见表1 2 表1 2 苏州河底泥不同层位c o d c ，的含量( m g k g ) 1 9 1 根据以前的分析结果，从苏州河底泥中共鉴别出三大类1 9 种优先有机污染 物，其中大部分都是多环芳烃族化合物； ( 1 ) 多环芳烃：菲、葸、芘、荧葸、苯并葸、屈、苊、萘、芴、苯并荧蒽、 苯并芘、苯并北。 ( 2 ) 酯：双( 2 乙己基) 酯。 ( 3 ) 氯苯：1 ，2 二氯苯、1 , 3 二氯苯、l ，4 二氯苯、l ，3 ，5 三氯苯、l ，2 ，3 - 三氯 苯、1 , 2 。4 三氯裂1 9 1 。 6 上海大学硕士学位论文 在全球范围内，许多城市河流底泥中都积累了相当数量的重金属污染物。 重金属污染物主要以铅、锌、铜、铬、镉、镍、汞和砷为主【1 5 1 6 1 1 7 1 。如图1 1 所示，在一定的物理、化学和生物作用下，累积于底泥中的重金属污染物又会 重新释放，进入上覆水体，使城市河流水质降低【1 8 j 。而有机物污染物主要为多 氯联苯( p c b s ) 、多环芳烃( p a h s ) 、有机氯代烃等，这类污染物的特性是长期 贮存在底泥中，难被微生物降解，都属于美国国家环保局( e p a ) 列出的优先 有机污染物。 图1 1 底泥中污染物的物理、化学和生物迁移过程 城市化区域河流中，工业废水的污染物输入具有局部性。河流表层底泥耗 氧性有机污染和优先有机污染物的污染程度与沿岸工业排污密切相关。许世远 等【1 9 】等人利用碱式提取法分析了苏州河底泥中的优先有机污染物。研究结果表 明，苏州河底泥中的有机污染物以多环芳烃组化合物居多。 对苏州河底泥进行全面详尽的污染分析将有助于进一步了解河流底泥生态 系统，为底泥的处理处置提出科学的规划，改善上海市城市河流道路景观及城 市面貌都具有重大的社会经济意义。上海大学环化学院在2 0 0 4 - - 2 0 0 5 年对苏州 河底泥进行了实地的考察，在苏州河流经区域选择了6 个底泥采样点，对苏州 河底泥物理化学特性和重金属含量进行了分析，可以更加根本地了解苏州河受 污染底泥不同断面的详细构成和固有性质，苏州河底泥采样点如图1 。2 所示。 表1 3 可以看出，底泥的含水率为3 2 - - 5 3 ，底泥粒径分布表明以泥沙 为主。p h 值略微为偏碱性，氧化还原电位显示不同的采样点。底泥的氧化还原 7 上海大学硕士学位论文 电位差别较大，s 1 采样点的底泥氧化性较强达到了1 3 3m v ，而s 6 采样点的底 泥呈现出较强的还原性为1 5 1m v ，总体来说，由于采样均为底泥表层，容易受 到氧化，底泥还原性不强。底泥有机物含量平均为3 5 左右，无机物含量平均 为4 6 。底泥阳离子交换容量平均在1 1 5 6c r a o l k g 左右，阴离子交换容量平均 在6 3 4 c m o t k g 左右。 图1 2 苏州河底泥采样点分布 重金属在底泥环境中存在于沉积物与孔隙水中，它在固液两相间的流动分配 决定了重金属在底泥中的生物有效性和毒理性。因此对于重金属在两相中的含量 有助于深入了解重金属在底泥水体环境中的迁移行为和转变规律。 表1 4 显示，s 1 至s 7 的底泥均有不同程度的污染，从采样点分布来看，其中 尤以s 5 的底泥污染最为严重。s 5 底泥锌含量达至1 j 6 0 2 6 m g k g 、铅3 3 5 8 m g k g 、铜 3 6 3 m g k g 、砷2 6 5 8 m g k g 、镉6 1 m g k g 、镍1 5 0 1 m g k g 和铬1 7 5 5 m g k g 。s l 和s 2 采样点的底泥重金属污染较轻，主要的重金属元素如铅、锌、铜、镍、铬都含量 较低，镉在这两个采样点没有发现存在；在s 3 和s 4 ，砷、铬、铅的污染较为严重； 在s 6 和s 7 ，砷、铬、锌的污染较为严重。 农用污泥污染物控制标准( g b 4 2 8 4 8 4 ) 和土壤环境质量标准( g b l 5 6 1 8 - 9 5 ) 虽然可以作为苏州河底泥污染的参考标准，但它们都非特定的底泥底质标准， 无法正确科学的反映苏州河底泥的重金属污染状况。因此本文采用美国e p a 的 上海大学硕士学位论文 底泥质量指导方针( s e d i m e n tq u a l i t yg u i d e l i n e ) 作为借鉴2 5 1 。2 0 世纪9 0 年代 e p a 认识到底泥中的许多污染物由于其毒理性和难降解性而长期贮存在水体环 境中，通过与上覆水体的不断交换释放作用，底泥中的污染物极易引起二次污 染。为此美国e p a 提出了污染底泥的全局规划，规划中的一项关键任务就是设 立了底泥质量指导方针( s e d i m e n tq u a l i t yg u i d e l i n e ) 。 表1 3 苏州河底泥物理特性 底泥特性 s l s 2s 3s 4 含水率( 呦 3 23 74 55 3 p h7 7 57 3 57 1 06 9 8 o r ( r n v ) 1 3 36 11 2- 2 8 有机物含量( ) 2 9 5 4 - 0 0 32 9 6 4 - _ 0 0 43 9 4 o ，0 54 4 1 0 0 2 4 5 0 无机物含量( ) 3 6 2 o 0 54 2 5 0 0 34 6 6 0 0 44 5 4 0 0 3 8 5 0 碳m 1 2 0 4 0 2 32 0 4 0 3 82 6 9 0 2 82 5 8 4 - 0 0 4 氮( ) 3 0 l4 - 0 0 l2 7 9 4 - 0 1 50 4 5 0 2 40 5 0 0 8 阳离子交换容量1 1 4 8 0 1 41 1 6 5 4 - 0 0 91 1 4 6 0 0 71 0 7 2 4 - 0 ，1 1 ( c m o l k g ) 阴离子交换容量4 6 9 - 6 0 3 74 8 0 0 3 76 3 84 0 1 46 9 1 o 1 3 ( c m o l k g ) 底泥特性 s 5s 68 7 含水率( ) 3 34 44 6 p h7 6 57 4 47 4 6 o r p ( m y ) - 9 6 1 5 19 6 有机物含量( ) 3 ，8 2 0 0 23 3 8 4 0 0 33 7 2 0 0 3 4 5 0 无机物含量( ) 5 5 8 0 0 55 2 4 4 - 0 0 35 2 5 0 0 3 8 5 0 碳惭) 氮惭) 阳离子交换容量 ( c m o v k g ) 阴离子交换容量 ( c m o 址酚 2 9 5 0 3 2 0 7 4 4 - 0 0 2 1 2 0 8 0 0 6 1 1 3 0 0 5 1 1 3 4 - 0 0 5 1 1 8 5 4 - 0 0 5 3 0 9 0 3 5 2 1 7 0 4 7 1 1 5 2 4 - 0 0 3 7 4 8 0 1 46 4 7 0 0 26 3 8 0 3 9 9 上海大学硕士学位论文 表1 4 不同采样点的底泥重金属含量f m g k g ) 元素 s 1s 2s 3 s 4 1 4 8 3 8 8 9 9 1 71 2 7 3 4 5 4 6 2 0 1 3 1 4 8 8 1 3 5 91 9 3 7 8 0 2 0 1 7 7 1 3 2 4 - 0 3 5 1 1 6 2 82 3 3 7 - - + 1 5 62 2 2 5 4 - 2 3 8 2 2 3 2 4 - 1 5 ，61 1 4 9 - - + 2 3 0 6 9 0 4 1 1 92 5 0 1 2 7 5 b d lb d 工， 5 4 6 1 95 7 3 0 6 4 3 9 4 - 5 15 0 2 4 4 1 9 6 14 - 1 7 9 1 8 7 3 3 4 8 9 14 - 7 68 4 9 9 63 1 0 7 4 - 2 0 1 3 3 0 3 4 - 2 1 8 1 5 8 7 4 9 4 - 6 3 31 3 4 4 5 1 8 3 9 7 3 2 5 1 6 7 2 5 4 93 3 9 7 0 0 3 2 3 4 1 3 9 4 5 1 4 83 7 9 3 4 - 9 0 7 1 7 0 4 - 3 4 16 9 8 14 - 4 9 3 4 0 4 1 25 0 9 4 - 3 61 4 2 8 2 6 61 7 0 2 4 - 8 5 1 3 7 4 3 41 7 5 2 2 12 3 5 3 9 5 2 3 3 1 1 4 5 2 4 7 7 1 2 5 + _ 5 3 5 6 32 4 5 1 4 1 3 + _ 2 6 2 8 72 9 4 2 3 8 5 + _ 5 1 5 6 3 2 6 4 7 7 6 6 1 5 7 2 1 9 1 1 1 8 6 7 4 3 6 8 9 9 7 5 0 1 9 8 39 3 8 8 1 3 0 7 79 4 9 2 ，8 3 4 5 0 2 5 2 9 4 - 1 1 32 8 3 6 - - - - 4 - 3 3 75 3 2 1 8 8 9 5 5 4 7 4 - 4 3 6 s 5s 6s 7 2 0 6 4 9 3 4 - 1 3 8 62 2 5 8 2 5 4 - 7 8 92 1 7 0 5 5 2 3 9 7 2 6 5 8 3 3 72 5 0 9 2 1 7 2 4 7 1 1 7 5 3 3 1 3 3 2 7 3 5 5 1 4 - 1 5 42 3 8 2 3 6 3 6 1 0 1 85 5 1 1 44 9 4 l l 1 7 5 5 _ 4 - 5 71 7 1 4 1 0 2 1 6 8 5 4 - 5 8 3 6 3 0 4 - 1 0 62 2 0 5 4 - 1 4 5 3 3 1 1 2 2 6 3 0 8 4 7 4 4 9 4 3 3 0 7 7 5 0 3 6 0 6 52 8 1 9 0 3 4 - 3 6 6 5 7 0 0 3 4 - 1 6 86 7 3 0 4 - 2 1 96 4 6 1 3 5 1 1 5 0 1 5 91 2 6 4 1 4 5 1 2 0 2 1 3 2 3 3 5 8 4 - 1 7 4 2 3 8 9 4 - 1 4 72 1 8 3 q - _ 6 3 2 8 4 1 7 6 8 + _ 2 1 4 7 7 2 2 3 4 8 7 ，6 + _ 9 0 4 32 9 6 0 7 4 3 + _ 3 5 0 8 7 b d ，l 一一b e l o w 8 5 8 2 6 1 5 8 4 8 6 4 1 6 2 8 3 67 8 1 5 4 1 5 6 9d e t e e t i o n “m i t ， z n6 0 2 6 - + 4 6 05 4 0 9 4 - 3 7 35 0 1 2 4 - 1 3 3低于检测限 1 0 m 缸 o n 聃 甜 缸 盈 醵 m 舡 m 跚 。 印 i ! ： 晰 聃 & 鼬 上海大学硕士学位论文 美国e p as m i m e n tq u a l i t yg u i d d i n ef s q g ) 共对2 8 种底泥污染物进行了标 准划分，其中重金属8 种，p a h ( 多环芳烃) 1 0 种和p c b ( 多氯联苯) 1 种以 及有机氯杀虫剂9 种。重金属包括了砷、镉、铬、铜、铅、汞、镍、锌。s q g 对这些底泥污染物浓度采取了2 种不同浓度进行表征，它们分别是t e c 和p e c ： e p a 认为当底泥中的污染物低于t e c 的浓度标准时，它对于水体环境的危害作 用只是偶尔发生。如果底泥中的污染物高于p e c 的浓度标准时，那么它对于水 体环境的危害作用就会经常发生。因此，我们采用s q g 中的p e c 浓度标准来 评价苏州河底泥中重金属的污染现状。 若以此为重金属污染评价标准，则苏州河底泥各重金属均出现严重超标( 见 表1 5 ) 。其中砷的含量分别为1 1 2 6 5 m g k g ，平均超标6 倍，最大超标8 倍；镉的 含量分别为0 - 6 1 m g k g ，平均超标7 倍，最大超标1 2 倍；铬的含量分别为 5 4 - 1 9 6 m g k g ，最大超标1 倍，污染较轻；铜的含量分别为8 4 3 6 3 m g k g ，平均超 标1 倍，最大超标2 倍；镍的含量分别为4 0 1 7 0 m g k g ，平均超标2 倍，最大超标4 倍；铅的含量分别为1 3 7 - 3 3 5 m g k g ，平均超标2 倍，最大超标3 倍；锌的含量分别 为2 5 3 6 0 2 m g k g ，略高于标准，属于轻度污染。显然，砷、镉、镍、铅4 个元素 的超标较为突出，而铬、铜、锌的超标程度相对较小。 表1 5 底泥质量指导方针 注：t e c t h r e s h o l de f f e c tc o n c e n t r a t i o n ；p e c - p r o b a b l ee f f e c tc o n c e n t r a t i o n d w - 干重( d r yw e i g h o 河流底泥对上覆水体水质的影响，主要表现为消耗水体溶解氧，释放各类污 染物以增加其在水体的浓度，从而导致水质下降，甚至恶化“2 1 1 3 1 【2 6 】【2 7 l 。其影晌 上海大学硕士学位论文 程度主要取决于底泥污染物的组成和含量以及水体的氧化还原条件等。底泥中的 污染物以溶解形态和悬浮微粒存在，通过孔隙水扩散和沉积物再悬浮作用进入上 覆水，由于这过程在底泥和上覆水之间持续不断的循环进行( 见图1 3 ) ，因此 了解孔隙水中的重金属的迁移变化将有助于了解底泥这一内源污染物对上覆水 质的影响作用。 图1 3 底泥污染物通过孔隙水的迁移和转变 表1 6 苏州河底泥孔隙水重金属浓度( m 蚋 b d i i b e l o wd e t e c t i o nl i m i t ，低于检测限； 如表1 6 所示，7 个采样点的孔隙水重金属含量结果表明，铅和铜的含量相 对较高，镉和锌的含量较低。在s l 和s 2 采样点，镉浓度低于检测限。比较a v s s e m 结果，发现相比较铅和铜而言，锌和镍