河流重金属污染分析研究现状与展望

河流重金属污染分析研究现状与展望

0河流重金属污染研究随着现代工业的发展，从环境中排放的重金属废水逐年增加，大量河流受到污染，破坏了水生生态系统的结构、功能和水资源利用。并且由于重金属污染具有潜伏期长、毒性大、难去除和可在食物链中被富集吸收,从而对人类和其他生物造成很大的健康甚至生命威胁,因此河流中重金属污染研究一直是近年来国内外研究的热点。研究内容主要包括:重金属的分布特征和变化趋势分析,重金属的存在形态研究,重金属污染的综合评价方法研究。总的特征是研究空间范围广,测定方法较成熟,但是每种研究方法都有其局限性,并且目前对河流重金属污染的治理研究还较少,且没有行之有效的成熟解决方法。因此,笔者对以上各种重金属污染研究方法进行了系统地分析研究,总结了各种方法的优缺点,并提出了河流水污染评价和治理的相关建议。1重金属分布的空间分布及其污染状况为了了解重金属污染可能的环境危害,学者们曾经广泛研究了重金属在水体系统的分布特征和趋势分析,内容主要包括:(1)对水体系统中水相、悬浮物和沉积物中重金属的研究,且重点主要集中在对沉积物的重金属污染研究。研究表明,水相重金属含量总是最低的,悬浮物中重金属含量一般高于水相和沉积物,这是因为悬浮颗粒物能捕集大量重金属离子,又由于悬浮物的沉降,使沉积物成为最终的重金属污染的主要宿地。因此,目前国内的大多数河流重金属研究都只针对沉积物重金属污染进行分析,缺乏对水体、悬浮物和沉积物的河流水体系统重金属污染研究;(2)对重金属在沉积物剖面中的分布和地域分布特征研究,从而找出重金属污染的来源和可能的污染变化趋势。国外学者早在20世纪就开展了对死海、莱茵河日耳曼湾等水系中重金属污染的研究。Woitke等根据重金属的当地背景值,对多瑙河及其主要支流的悬浮物和沉积物中重金属污染空间分布及其污染状况进行了分析。Stéphane等对法国洛特河水库50年重金属污染状况进行研究,研究表明Cs的平均沉积率较高为每年2.4~2.8cm,在此地区Cd和Zn污染最严重。Zourarah等对摩洛哥大西洋海岸的Oualidia湖的重金属50年沉积污染进行了研究,报告了Cs和Pb的活动以及重金属的深度剖面的变化。Cs和Pb有较高的平均沉积率是每年0.6~1cm。在过去的70年里Al、Fe和Cr的含量围绕1个平均值变化,Pb、Zn、Cu和Hg的含量不断升高,它们富集在20~30cm深度处,主要来源于1960—1975污染物的排放。Bartłomiej等分析了峡谷漫滩地形情况下因为水力特征的不同沉积物中重金属分布特征。国内学者对中国各大水系重金属污染一直进行广泛研究。中科院长春地理研究所“六五”期间进行了松花江、珠江和洞庭湖水系环境背景值大规模的调查研究;“七五”期间对长江水系环境背景值进行了调查研究。滕洪辉等对四平市城区河流水中重金属污染特性进行了分析与研究。结果表明,重金属浓度与物理、化学、生物作用有关,且与水量的大小有关。郝立波等对第二松花江枯水期和丰水期悬浮物重金属分布特征进行了研究。研究表明,重金属在悬浮物中的浓度与悬浮物的特性有关,在枯水期悬浮物以吸附能力强的粘土矿物为主,重金属含量较高。在丰水期悬浮物以长英质碎屑矿物为主,其中重金属含量较低。黄本生等在细致考虑重金属在水体中迁移转化因素如物理、化学和生物因素的影响,根据质量守恒定律,建立了河流重金属随水-悬浮物-底泥迁移转化稳态和紊动耦合模型,在一定的边界条件和起始条件下可实现模型的简化求解。刘伟等对上海市小城镇,枫泾镇、松江城、朱家角的河流沉积物中重金属的污染特征进行了研究。研究表明,Zn污染最严重,其次是Pb和Cu。且Fe,Mn,Zn污染区域性差异小,Pb、Cu、Cr污染区域差异性大。通过TP与重金属,重金属与Fe之间的相关性分析,可知小城镇河流中Pb污染主要来源于城市污水地面排放对地面灰尘的冲刷。重金属与水系中其他元素的相关系分析是目较新的研究方向。以上分析方法主要建立在总量分析的基础之上,由于总量分析方法无法更精确地说明重金属对环境的危害程度,因为重金属对环境的危害不仅与其存在于环境中的总量有关,而且与其在环境中的存在形态有关,形态不同对环境的危害程度也不相同。因此,研究者提出了形态分析方法。2重金属形态检测据分析河流重金属污染主要存在于沉积物中,沉积物有相当大的污染物储存能力。有研究表明,进入河流的污染物中只有1%以下的污染物能溶解于水中,99%以上的污染物会沉积在河流沉积物中。又因沉积物对重金属的吸收能力取决于它的组成成分,对重金属来说,吸收能力主要取决于其颗粒存在形态。因此,近20年来沉积物中重金属的形态研究被国内外学者广泛进行。形态分析的主要目的是确定具有生物毒性的重金属含量。水环境中重金属的存在形态可分为溶解态(溶解于水相)和颗粒态(存在于悬浮物中和沉积物中)。形态分析有助于了解重金属的毒性及其地球化学过程,进而评估其潜在的迁移规律和可能造成的环境危害。土壤中重金属的赋存形态不同,其活性、生物毒性及迁移特征也不同。对沉积物中重金属不同地球化学形态提取方法较多,主要包括单级提取法和多级连续提取法。单级提取法是指生物可利用萃取法。Ure进行过详细地论述,这种方法评估的是颗粒介质中重金属能被生物吸收利用的部分,或者能对生物的活性产生影响的那一部分,通常将这部分金属称为有效态。根据样品的组成、性质、萃取重金属元素的种类以及萃取目的的不同,所用试剂也不同。多级连续提取法基础在不同强度的崒取剂可以提取不同组分的元素相,逐级提取颗粒物样品中不同有效性的重金属元素的方法。这个过程通常包括吸附、离子交换和氧化(硫化物和有机物)还原(氢氧化物和一些氧化物)等。由于多级提取法可以获得更多关于重金属元素化学形态的详细信息。因此,到目前为止多级连续提取法得到了广泛地发展和应用。近30年来,多级连续提取法已经发展成为最方便和最常用的测定沉积物中重金属的形态和确定重金属的生物可利用程度的方法。目前被认为重现性较好、应用较多的有2种方法Tessier法和BCR法,最早的多级连续提取法是Tessier法,也称5步连续提取法,这种方法认为沉积物中重金属的存在形态为:可交换态、碳酸盐结合态、铁铁锰氧化物结合态、有机物结合态和碳酸盐结合态、残渣态。BCR法是欧共体标准局提出一种3级4步连续提取法,它将重金属的形态分为4种:乙酸可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态。3实验室污染评价目前,评价河流重金属污染的方法很多,大致可分为:化学形态分析法、指数评价法和毒理性分析法以及3种方法中两者或三者相结合的方法。每种方法各有其优缺点,化学形态分析法考虑了重金属的存在形态影响其环境危害的程度,评价结果更科学,所以目前国内外研究的最多。但是,这种方法也有其缺点,即实验室操作繁琐、复杂、重金属污染一般都是痕量污染,对实验设备要求高;毒性评价方法较成功用来预测实际水体的生态学变化结果,而且方法简单、迅速、直观、经济和敏感性高,目前研究也较多。但是,由于测试环境不同、所选测试物种的不同,以及物种的个体差异,观察到的毒性很难定量化,并且实验室有限的测试物种导致毒性评价很难成功用来预测实际水体的生态学变化结果;指数评价方法是建立在环境背景值的基础之上,同时考虑各种重金属污染因子共同作用效果对环境的危害程度。因其方法简单、易操作目前在国内应用较广泛,其中主要包括:单因素指数法、内梅罗综合污染指数法、地积累指数法(Mull指数)、模糊数学法和灰色聚类法等。总体而言,目前研究者对河流重金属污染评价主要集中在各种重金属的总量、对河流的综合污染以及重金属的不同存在形态对河流的不同影响,但都不够深入,且对单种重金属元素污染评价研究比较成熟,而对多种重金属协同污染评价研究也不够深入。4方法和技术研究目前,国内外学者对河流重金属污染的研究取得了大量的成果,为今后的进一步研究奠定了科学基础。主要体现在以下3个方面:(1)研究空间范围广。全球主要河流重金属污染状况都有研究。重金属沿流域方向和重金属在剖面中的污染变化以及由此反映的历史污染状况都进行了深入地研究;(2)重金属污染测定方法取得了很大的进步,主要有各种主要重金属污染元素总含量研究、形态分析法研究、生物有效性研究和数理统计方法引入等的应用,对河流重金属的污染进行了较深入、广泛地研究;(3)重金属对生物体的毒性效应以及生物对其响应机制进行了较为系统地研究。目前,对河流重金属污染物的测定和评价方法研究都比较广泛和成熟。但是还存在缺陷,需要进行更深入地研究和改进。本研究认为:(1)对河流水体系统的研究应包括水、悬浮物和沉积物的共同监测分析。因为每条河流都存在自身的特征,影响河流重金属