湘江水體及底泥重金屬污染現(xiàn)狀

湘江水體及底泥重金屬污染現(xiàn)狀與修復技術羅玉梅（湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院長沙410081）摘要:湘江是湖南最大河流，為長江主要支流之一。湘江流域集中了湖南省60%的人口和70%左右的國內(nèi)生產(chǎn)總值，亦承載了60%以上的污染，是言丁前中國重金屬污染最為嚴重的河流。近年來隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、城市圈的擴大、沿江兩岸礦產(chǎn)資源的開發(fā)，湘江重金屬污染日趨嚴重。湘江綜合治理不僅關系到湖南經(jīng)濟的發(fā)展、社會的和諧，還關系到長江流域的可持續(xù)發(fā)展。本文在對湘江水資源作基本介紹的基礎上，著重調(diào)查了重金屬污染現(xiàn)狀與己形成的影響，對重金屬污染來源與原因進行了分析，提出了湘江重金屬污染防治的對策與修復技術。關鍵詞:湘江重金屬污染現(xiàn)狀修復技術1引言湘江是湖南最大河流，為長江主要支流之一,在湖南永州市區(qū)與瀟水匯合，開始稱湘江。湘江自西向東北蜿蜒而下，流經(jīng)廣西興安、全州兩縣，在義江入湖南東安縣下江好，斜貫湖南省境，經(jīng)永州、冷水灘、祁陽、祁東、常宇、衡南、衡陽、衡東、衡山、株洲、湘潭、長沙、望城等縣市，從湘陰縣蘆林潭入洞庭湖。干流全長856公里，其中湖南省境內(nèi)干流長670公里，流域面積為85383平方公里，占全省總國土面積的40.3%,沿途接納大小支流1300多條。它是洞庭四水中流域面積最大、產(chǎn)水最多的河流。湘江流域是湖南省的主要經(jīng)濟帶，該流域內(nèi)人口數(shù)占全省人口的57.1%,GDP占全省的72.4%,工業(yè)增加值占全省的64.3%,經(jīng)濟總量和工業(yè)發(fā)展總體水平居全省之冠，亦承載了60%以上的污染，是忖前中國重金屬污染最為嚴重的河流。湘江干支流兩岸大中型工礦企業(yè)達到1600多家。湘江上游的郴州主要是礦產(chǎn)原料供應地，而重化上業(yè)基本集中在株洲、衡陽和岳陽等中下游區(qū)域。沿江分布的工礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中將工業(yè)廢水和廢渣等大量排入湘江。根據(jù)湖南省環(huán)保局湘江的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:湘江水質(zhì)自上世紀94年代以來惡化日趨嚴重，主要污染來源是工業(yè)污染和生活廢水污染，其中工業(yè)排放的重金屬污染尤為嚴重。“十五”規(guī)劃以來湖南的汞、福、鉆、鉛排放量位居全國首位;碑名列甘肅之后居第二位。湘江長株潭河段是湘江干流污染最為嚴重的河段，該河段除了有清水塘和竹埠港兩個重要工業(yè)區(qū)外，還分布著包括機械、化工、鋼鐵、冶煉和輕工業(yè)在內(nèi)的五口多個污水重點排放行業(yè)該河段每年的上業(yè)廢水排放量超過兩萬八千萬噸，排放量占湘江流域總排放量得57%,排放的污染物主要包括COD,氨氮化合物、汞、鍋、碑以及六價鋸。2011年3月，國務院已批準《湘江流域重金屬污染治理實施方案》，未來治污資金總額將達595億元。2湘江水體及底泥重金屬污染現(xiàn)狀近年來，由于湘江沿岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和人口增長，特別是采選、冶煉、化工等高污染企業(yè)多分布于湘江兩岸，重金屬污染物入江量大幅度增加，湘江水體和底泥中污染物不斷累使湘江水體富營養(yǎng)化程度日趨嚴重，湘江流域已成為我國重金屬污染最嚴重的區(qū)域，直接影響到流域內(nèi)4000萬人口的生活用水安全。1重金屬與重金屬污染概述物理學上,重金屬一般是指密度大于或者等于5g/cm3的金屬，如銅(Cu)、汞(Hg),鉛(Pb)等;某系類金屬元素，如神(As)、硒(Se)，因為其環(huán)境效應和對生命體的毒性作用，在環(huán)境科學的研究中，也被稱為重金屬元素。我國制定的《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》CGB15618-1995)中，檢測項目包括:鉆、銅、汞、鉛、神、洛、鋅、氮在《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)中，汞、福，神、輅、鉛、彼、銀、銀作為一類排放污染物，二類排放物中包括銅、鋅、鐳?！吨骰铒嬘盟l(wèi)生標準》(GB3749-2006)中，水質(zhì)常規(guī)指標中“毒理指標”包括神、鍋、鋸、鉛、汞、硒。以上標準中提到元素物質(zhì)一般被默認為重金屬物質(zhì)。重金屬污染是指山重金屬及其化合物引起的環(huán)境污染。重金屬污染物在環(huán)境中難以降解，并容易在動植物體內(nèi)富集，對生物機體造成巨大的危害。對植物，重金屬污染物通過土壤、水、空氣進入植物體內(nèi)，因其難以排除植物體外,而在植物體內(nèi)富集;不同植物對不同重金屬物的忍耐度不同，但其超過其忍耐度時，便會產(chǎn)生病變狀，表現(xiàn)為植物體態(tài)畸形、變色甚至死亡，并可能對其果實產(chǎn)生不可逆的損害，造成植物的絕產(chǎn)。重金屬可以通過食物、飲水、呼吸其至是皮膚接觸進入到動物或者人類體內(nèi)。重金屬在動物或者人類體內(nèi)積累，當積累到一定程度時，便可能會對動物或者人類的神經(jīng)、排泄、運動、生殖等系統(tǒng)造成損害，進而影響生物的生長發(fā)育、生理生化機制，乃至引起生物的死亡。必須指出的是，有些重金屬屬于微量元素而被生物體所必須，缺少或者量不足都會影響生物的健康;但如果攝入量過大，也會對機體造成損害。2.2重金屬污染歷史重金屬污染是湘江最顯著的特征，其污染由來已以，1966年檢測出Cr、Pb、Mn、Zn、As,1971年部分江段飲用水重金屬超標，同年11月衡陽發(fā)生了中國環(huán)境史上第一次因重金屬超標而停水數(shù)天的事件；1978年，中科院地理研究所指出，湘江已成為國內(nèi)污染最嚴重的河流之一。環(huán)境重金屬累積引起的歷史污染造成湘江重金屬重要原因之一。湘江流域礦業(yè)開采歷史悠久，重金屬積累問題同樣十分嚴重。以水口山冶煉地為例，水口山礦藏自宋代發(fā)現(xiàn)以來就有開采，主要以銀礦開采為主；明朝時期開采發(fā)達，也主要以銀礦和硫磺為主，鉛鋅礦石大多被拋棄；清朝時才收為官辦，于1896年建立水口山礦務局，后兒次更迭，現(xiàn)成為水口山有色金屬集團有限公司，距今已有110余年歷史。礦業(yè)開采當時，可能不存在或者很少出現(xiàn)重金屬污染現(xiàn)象，但是長時間的積累和沉積，底泥中的重金屬污染物長時間積累，含量過高，如果不對其采取相應的技術處理，在出現(xiàn)較大的水文現(xiàn)象時，如短時間大雨沖刷、大面積的河底采砂，可能就會造成湘江流域水質(zhì)重金屬污染的再次發(fā)生。2006年湘江福污染事件后經(jīng)調(diào)查便是在對霞灣港進行清淤過程中處理不當，致使底泥中積累的福再次進入水體，造成污染。2.3水體中重金屬污染現(xiàn)狀作為全球極具盛名的“有色金屬之鄉(xiāng)”，湖南有10種常用有色金屬產(chǎn)品產(chǎn)量居全國前3位，其中鉛、鋅、弟產(chǎn)量均居全國首位。因高耗水、高排污特點，冶金、化工等行業(yè)大多依水而建。在湘江流域，分布著株洲冶煉集團、水口山集團、中鹽株化集團、湖南海利化工集團、湘潭電化集團以及華菱鋼鐵集團旗下三大鋼鐵企業(yè)等國內(nèi)行業(yè)規(guī)模名列前茅的企業(yè)，大部分為中國〃一五”計劃和〃三線”建設時期布點的老工業(yè)企業(yè)，這些“大塊頭”以及數(shù)以萬計的冶金、化工、建材、輕工、機械等中小型企業(yè)，也就成為湘江治污的重點和難點，并產(chǎn)生了郴州三十六灣、衡陽水口山、株洲霞灣港、湘潭竹埠港4大治污“主戰(zhàn)場”。目前,湘江水污染中的主要重金屬污染已由血轉(zhuǎn)變?yōu)镃d和人、。其入河量分別為：血1.17ta-1,Cd148.55ta-l,As81.85t&-1。據(jù)湖南省環(huán)保局公布的數(shù)據(jù)顯示,2006年-2007年，湘江流域所設的40個省控水質(zhì)監(jiān)測斷面,2006年超標斷面為56%,2007年為50%[4]o湘江水系的污染區(qū)域主要集中在郴州、衡陽、株洲、湘潭四個江段。郴州位于湘江支流（耒水、春陵水等）的上游，擁有143種礦產(chǎn)資源,被譽為“世界有色金屬博物館”。礦產(chǎn)開采和冶煉活動所產(chǎn)生的廢水量很大，僅縣屬以上21個礦山的廢水排放量就高達2375X10m3a-lo據(jù)統(tǒng)計，郴州境內(nèi)有85%的河流匯入湘江。郴州境內(nèi)的河流中大多數(shù)金屬元素均超過了地面水或工業(yè)廢水排放標準，如Cd超過排放標準約1?2、9倍[5]。衡陽市是湖南省重要的工業(yè)城市，湘江呈南北向縱貫市區(qū)，徑流長61.25km。此江段分布了水口山礦務局等廠礦28個，排入湘江的廢水量為2752X10m&-1,尤以水口山四廠和鉛鋅礦所排廢水中的重金屬超標最為嚴重，常宇市水口山鉛鋅礦，享有“世界鉛都”、“中國鉛鋅工業(yè)的搖籃”之美譽。湘江在衡陽段有蒸水和耒水匯入，在蒸水河兩岸分布有化工廠、紡織廠、造船廠、釀酒廠、造紙廠等大小工廠近百家，工業(yè)廢水排放量達3526X10 此外，部分工廠的廢渣及居民生活垃圾的傾倒造成蒸水中含有大量的毒物和病原體。孫樹青等曾對湘江干流水環(huán)境進行健康風險評價，結果表明，湘江干流衡陽以上江段水質(zhì)良好，衡陽以下江段水質(zhì)較差。株洲市工業(yè)密集，是全國有名的工業(yè)污染區(qū)，主要有株洲冶煉廠、化工廠、水泥廠、氮肥廠、塑料廠等210家排污企業(yè)，其中189家企業(yè)被列入污染企業(yè)名單。據(jù)統(tǒng)計，該工業(yè)區(qū)平均每天生產(chǎn)粉煤灰、爐渣、有色冶煉渣等工業(yè)廢渣近4000t,其中株洲冶煉廠的廢渣場，堆存了200多萬噸冶煉廢渣，占地約23公頃。據(jù)報道，該冶煉區(qū)2003年排放Hg、As、Cd、Pb等有毒重金屬34噸，占全市有毒重金屬排放量的90%以上。包曉風等認為“十五”期間湘江株洲段水體中Cd和As的污染指數(shù)分別從2001年0.220和0.125上升到0.431和0.353,引幅度也較大。湘江干流湘潭段分布于湘潭市境東側(cè)，境內(nèi)全長61km,沿途有較大工業(yè)廢水排污口15個，日污水排放總量在1.50t以上，秦普豐等［9］依據(jù)2001-2005年的水質(zhì)監(jiān)測資料，結果表明，湘江湘潭段在所監(jiān)測的指標中,Cr6+、Cu和Zn等未超標；Pb、CN、CODMn和B0D5等偶爾超標；Hg、Cd和As等經(jīng)常超標。2.4底泥中重金屬污染隨著工業(yè)廢水和人類生活污水的大量排放，水體底泥污染尤其是重金屬污染日益嚴重。對湘江流域沉積物中重金屬污染的研究，已有許多報道，如20世紀80年代初，張立成等，代昭華等，陳喜保和章申，毛美洲等，童霆，王曉麗分析了湘江流域沉積物中重金屬Cu、Cd、Pb、Zn等的含量和賦存狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)湘江流域沉積物重金屬凈化的主要動因是重金屬與碳酸鹽及鐵鐳氧化物的共沉淀，并認為沉積物中Cd的污染等是重要環(huán)境污染問題。曾小敬等曾對湘江干流河道表層沉積物中重金屬的富集特征和狀態(tài)等進行分析，結果表明重點污染區(qū)域霞灣港重點污染因子Cd,Cu,Pb,Zn形態(tài)特征為:Cd,Zn主要趨向于與Fe-Mn水合氧化物和碳酸鹽結合；Pb主要于鐵鐳氧化態(tài)和殘渣態(tài)為主;而Cu趨向于與有機質(zhì)結合，殘渣態(tài)含量也較大。對于霞灣生物有效性分析，霞灣各重金屬鐵鐳氧化態(tài)Cd,Pb,Zn的含量較高，鐵鐳氧化態(tài)對生物的有效性比較復雜；Cd和Zn的碳酸鹽態(tài)含量較高，當水體pH值降低時，碳酸鹽態(tài)的金屬離子游離出來，易于被水體中的生物吸收富集，容易對環(huán)境造成影響;霞灣除了Cu的有機硫化態(tài)含量較高外，其它金屬含量均較低，有機態(tài)的Cu對周圍的生態(tài)系統(tǒng)構成一定的威脅；四種金屬除Cd的可交換態(tài)含量較高外，其它重金屬元素含量均很低，可交換態(tài)最易為生物所利用、毒性最強，所以霞灣Cd的生物有效性不可忽略。唐文清等報道了湘江衡陽段底泥中重金屬綜合污染指數(shù)為重度污染,污染程度的順序為:Pb>Cd>As>Zn>Hg>Cu>Cr;污染元素超標率:Zn和As在18個采樣點高達100%。李軍等［20］采集湘江長株潭段10個斷面的表層沉積物，發(fā)現(xiàn)沉積物中重金屬總量的范圍變化范圍較大,Pb47.76」111.83mgkg-l>Cd3.28~423.26mg kg-l、Cu20.53~390.15mgkg-1和Zn152.08~4643.88mgkg-lo3湘江重金屬污染修復技術1水體重金屬污染修復技術3.1.1物理和化學修復利用物理、化學方法處理含重金屬廢水的有沉淀法、螯合樹脂法、高分子捕集劑法、天然沸石吸附法、膜技術、活性炭吸附工藝、離子交換法等。鄭兆芳研究報道在廢水中加入FeC12、消石灰和高分子凝聚劑，可使Se與Ca、Mg、Fe、Pb等形成氫氧化物沉淀，從而去除水中的Se。而采用氫氧化物聚集沉淀法可去除廢水中的Cd和Pb，也可利用活性炭法將污水中Hg的含量降至0.01〃0.05mg/L,另據(jù)報道，采用離子交換樹脂法可使廢水中的血含量降至0.02mg/Lo3.1.2生物修復技術生物修復技術包括植物修復技術、微生物修復技術和動物修復技術。植物修復就是利用植物吸收、提取、轉(zhuǎn)化、分解或固定沉積物、土壤、地表或地下水、污泥中有毒有害的污染物的技術的總稱，LI前發(fā)現(xiàn)的對重金屬具有超積累能力的植物有45科約400多種，如向日葵和印度芥菜可大量積聚As、Ce、Cr、U、Hg、Pb、Zn等重金屬；羊齒類鐵角蕨屬植物對Cd有超耐性；香蒲植物天葉紫花苕子對Pb具有超耐性。韋朝陽等人在湖南發(fā)現(xiàn)神超累積植物一一大葉井口邊草。湖南農(nóng)業(yè)大學曾清如等在湖南郴州東坡鉛鋅尾礦砂的嚴重污染區(qū)種植了對重金屬有明顯抗性的楊樹，這種樹生長快，既可美化環(huán)境乂可富集土壤中的重金屬，凈化土壤，木材可用來生產(chǎn)火柴，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。植物修復技術普遍被認為具有物理化學修復和化學修復所無法比擬的成本低、不破壞場地結構、能起到美化環(huán)境作用、可操作性、不造成地下水的二次污染、易于為社會所接受等優(yōu)點，微生物修復則是利用微生物對某些重金屬的吸收、沉積、氧化和還原等作用，減少植物攝取，從而降低重金屬的毒性。不同類型微生物對重金屬污染的耐性也不同，通常為真菌〉細菌〉放線菌。真菌是一種非常有效的重金屬蓄積器，重金屬主要沉積在真菌共生體細胞壁外表面上，或者進入真菌細胞壁之內(nèi)。因