南四湖水環(huán)境污染特征及其重金屬離子去除機理研究.pdf

1、南四湖是山東省最大的淡水湖泊,同時也是我國華北地區(qū)最大的淡水湖泊,作為南水北調(diào)東線工程的重要輸水通道和調(diào)蓄湖泊,在保障周邊地區(qū)經(jīng)濟社會穩(wěn)定發(fā)展和生態(tài)環(huán)境文明方面起著至關(guān)重要的作用。近年來,南四湖整個湖區(qū)水質(zhì)已基本屬于中度富營養(yǎng)化和富營養(yǎng)化水平,富營養(yǎng)化已成為南四湖面臨的最重要的水環(huán)境問題之一。由于國家對南水北調(diào)沿線采用了嚴(yán)格的污染排放標(biāo)準(zhǔn),有關(guān)部門采取綜合防治措施,以確保在南水北調(diào)東線工程投入運行前,各入湖河流水質(zhì)提前達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)

2、量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)。但是,南四湖湖區(qū)作為一個龐大的、復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),其與外界物質(zhì)、能量和信息的交流受多種影響因素。尤其是湖區(qū)水質(zhì)污染受到特別的關(guān)注。在湖區(qū)水環(huán)境水質(zhì)污染的影響因素中,除了通過河道流入湖區(qū)的污染水體外,還有湖區(qū)周邊的面源污染、高空大氣沉降和湖區(qū)內(nèi)水生生物新陳代謝、湖底沉積物二次污染等。在這樣的背景下,從不同學(xué)科出發(fā),選擇南四湖水環(huán)境中一個或幾個具有代表性的問題進(jìn)行研究,就顯得具有重要的理論指導(dǎo)

3、意義和現(xiàn)實社會應(yīng)用價值。其中,由于湖泊沉積物在影響湖區(qū)水環(huán)境中的特殊作用和地位,越來越引起人們的關(guān)注。隨著研究成果的不斷豐富,對湖泊沉積物的形成過程、組成成份、形態(tài)特征及遷移運動規(guī)律有了更深的理解掌握。開展對湖區(qū)表層沉積物中的重金屬和營養(yǎng)鹽進(jìn)行相關(guān)研究,可為調(diào)水前沉積物治理積累數(shù)據(jù)資料,為湖區(qū)開展流域污染綜合治理提供科學(xué)依據(jù)?？傮w來說,受人類活動的影響,近二十年來南四湖水環(huán)境發(fā)生了很大的變化,并且這種變化的趨勢還在進(jìn)一步加劇,特別是像南

4、四湖二級大壩和南水北調(diào)東線這種改變自然生態(tài)景觀的人為工程的建設(shè),對南四湖現(xiàn)代水環(huán)境的影響更是難以估量的。
　　 基于以上考慮,本文對南四湖水環(huán)境污染特征及其重金屬離子去除機理進(jìn)行了相關(guān)研究,主要結(jié)論如下:
　　 1、南四湖沉積物中營養(yǎng)鹽的含量及分布
　　 湖泊柱狀沉積物中保存有湖區(qū)環(huán)境變化的豐富信息,營養(yǎng)鹽含量的變化是湖泊富營養(yǎng)化漸進(jìn)過程的標(biāo)志。同一水體不同深度的底泥中積累的氮、磷物質(zhì)也就記錄著人為活動和自然變化

5、對湖泊環(huán)境的影響。因此建立與恢復(fù)柱狀沉積物中的營養(yǎng)鹽含量的變化序列,對于研究湖泊環(huán)境污染歷史具有重要的理論意義,并且可為現(xiàn)代湖泊環(huán)境的整治工程提供科學(xué)依據(jù)。
　　 (1)磷的含量及重直分布。對分別取自南陽湖和昭陽湖湖區(qū)的兩個柱狀沉積物進(jìn)行分析,柱狀沉積物中總磷含量的統(tǒng)計值表明,不同地點所采集的柱狀巖芯中總磷的含量差別較大,南陽湖Core-1巖芯的平均值高達(dá)787 mg/kg,昭陽湖Core-2巖芯的平均值僅為590 mg/kg。

6、由最小值和最大值的差距來看,Core-1號巖芯的最小值為512mg/kg,最大值為1374mg/kg,兩者之間的差距超過2.5倍,Core-2巖芯的最小值為520mg/kg,最大值為768mg/kg,差距低于1.5倍。兩個巖柱沉積物在總磷含量垂直變化上,分布曲線體現(xiàn)出從巖芯底部向頂部逐漸升高的趨勢。南陽湖和昭陽湖在巖芯的底部磷含量基本都是處于500-550mg/kg左右的含量,南陽湖沉積物中磷含量上升較快,昭陽湖磷含量從底部向上部也呈現(xiàn)

7、逐漸上升趨勢,但在底部和中段表現(xiàn)不是非常明顯,沒有南陽湖上升幅度大。總體來看,昭陽湖巖芯中磷含量,對應(yīng)深度上低于南陽湖。這可能與磷的來源、湖泊湖流運動規(guī)律或湖泊沉積環(huán)境有關(guān)系。
　　 (2)總氮、總有機碳、總碳含量及分布。南四湖不同地點沉積物中總氮、總有機碳和總碳含量存在差異。南陽湖柱狀沉積物中總氮最大值為6056mg/kg,為最小值的近10倍,平均值為2240 mg/kg;總有機碳最大值為5.61％,為最小值的10倍多,平均值

8、為2.21％；總碳最大值為7.56％,最小值為1.48％。昭陽湖柱狀沉積物中總氮最大值為11228mg/kg,為最小值的10倍多,平均值為5707
　　 mg/kg;總有機碳最大值為9.62％,為最小值的12倍多,平均值為5.35％；總碳最大值為12.37％,最小值為6.66％。由數(shù)據(jù)分析看出,不同地點所采集的柱狀巖芯中總氮、總有機碳、總碳的含量差別較大。昭陽湖巖芯中總氮的平均值約為南陽湖總氮平均值的2.5倍；南陽湖巖芯中有機碳

9、的平均值為2.21％,而昭陽湖巖芯的平均值則高達(dá)5.35％,由最小值和最大值的差距來看,昭陽湖巖芯總碳、總有機碳、總氮含量的最小值、最大值都普遍比南陽湖里的大。在垂直變化上,兩個柱狀巖芯中總碳、總有機碳、總氮含量的變化?？梢钥闯銮€的變化趨勢與總磷的變化趨勢相似,曲線變化也呈現(xiàn)出有底部到頂部逐漸上升的趨勢。
　　 通過對南四湖上級湖表層沉積物與柱狀沉積物分析結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:濟寧市及其他市縣的城市生活污水、農(nóng)業(yè)退水和工業(yè)廢

10、水排放進(jìn)入南陽湖是南四湖有機質(zhì)和TP污染的主要來源；柱狀沉積物中營養(yǎng)元素具有較穩(wěn)定的垂直分布,并具有明顯的由底部向頂部逐漸上升分布特征,反映了流域社會經(jīng)濟的發(fā)展導(dǎo)致營養(yǎng)元素的釋放量增加,造成了湖泊現(xiàn)代沉積物中營養(yǎng)元素的積累。
　　 2.南四湖沉積物重金屬含量和形態(tài)組成研究
　　 對南四湖重金屬元素形態(tài)組成分析上,利用的是本課題組2005年9月在南四湖主要入湖河流及湖區(qū)采集的28個表層(0～10cm)沉積物樣品。采集時對樣

11、品現(xiàn)場進(jìn)行pH、Eh測定,樣品裝入密封袋中低溫運回實驗室,冷凍干燥后進(jìn)行沉積物粒度組成、重金屬元素形態(tài)、TOC含量等分析。分析表明,豐水季節(jié),南四湖流域泗河、京杭運河、洙趙新河、洗府河上游、上級湖南部湖區(qū)及下級湖區(qū)表層沉積物中重金屬人為污染程度較弱,重金屬元素形態(tài)組成主要反映了其自然屬性,Cr、Cu、Ni、Zn以殘渣態(tài)為主,Pb、Mn主要賦存于殘渣態(tài)和可氧化態(tài)。老運河、洗府河入湖口、白馬河表層沉積物中Cr、Cu、Ni、Zn的可氧化態(tài)、酸

12、提取態(tài)、可還原態(tài)含量明顯增加,其次生相富集系數(shù)最高達(dá)10.5,明顯受到人為污染,污染源主要是濟寧市及白馬河上游地區(qū)；隨著表層沉積物中有機質(zhì)的礦化分解及環(huán)境條件的改變,這些水體沉積物中Cr、Ni、Cu、Zn等重金屬元素可發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化,具有較高的潛在生態(tài)風(fēng)險。
　　 對于南四湖沉積物重金屬含量的空間分布,本文在兩個方面進(jìn)行了研究。一是沉積物含量垂直分布上,按照湖泊沉積物地球化學(xué)樣品采集工作方法要求,利用重力采樣器在南陽湖和昭陽湖各采

13、集了一個長0.37m的柱狀沉積巖芯,標(biāo)號分別為core-1、core-2。對每個巖柱前面15cm每0.5cm取樣,后面每1.0cm取樣。每樣品各取樣52個,分別登記編號。樣品分析項目包括:總氮(TN)、總有機碳(Org-C)、總磷(TP)、金屬元素(汞、砷、鉛、銅、鎳、鋅等)、210Pb等。重金屬元素等由中國地質(zhì)科學(xué)院地球化學(xué)研究所實驗室測試,測試過程嚴(yán)格按照生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求進(jìn)行。本研究采用的是210Pb紀(jì)年模式中的第一

14、種計算模式,即CIC模式,計算出結(jié)果如下:南陽湖平均沉積速率為0.35cm/a,昭陽湖平均沉積速率為0.26cm/a。該研究結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)論基本吻合。在垂直方向上,汞的含量是較高的,富集系數(shù)達(dá)到12.5。二是重金屬含量水平分布上。利用抓式取樣器,分別在南四湖上級湖、下級湖和主要入湖河流河口區(qū)三個湖區(qū)單元,采集了40個沉積物樣品,通過利用地積累指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)兩種指標(biāo)相結(jié)合的方法,利用在室內(nèi)化驗分析取得的測試結(jié)果進(jìn)行綜合評價

15、。結(jié)果表明,Cd是湖區(qū)主要污染元素,As污染次之,其它金屬元素均屬于較輕的污染程度。主要入湖河流河口區(qū)和上級湖區(qū)處于很強生態(tài)危害污染狀態(tài),下級湖處于輕微生態(tài)危害狀態(tài)。因此,在南四湖水環(huán)境的治理保護(hù)當(dāng)中,對重金屬Cd和Hg的富集及其生態(tài)效應(yīng)問題應(yīng)引起高度重視。
　　 3.南四湖富營養(yǎng)化評價與因為分析
　　 濟寧市及周邊地區(qū)工農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)的迅猛發(fā)展發(fā)展,產(chǎn)生的大量污染物被排入南四湖,使其水質(zhì)急劇惡化,出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象。南四湖

16、水質(zhì)的惡化,不僅制約著濟寧市社會經(jīng)濟的發(fā)展,還影響著數(shù)百萬人民群眾的生活質(zhì)量的提高和在南水北調(diào)工程中所起的作用。通過選取了與水體富營養(yǎng)化關(guān)系密切的葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)五項代表性的檢測指標(biāo)作為調(diào)查項目,采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)作為評價方法,對南四湖2008年8月份的62個水質(zhì)樣品進(jìn)行計算。根據(jù)計算數(shù)值,采用0-100的一系列連續(xù)數(shù)字對南四湖營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級。結(jié)果

17、表明,四個湖區(qū)中南陽湖的葉綠素a、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)的含量最高,分別為0.056 mg/m3、0.43 mg/L、3.38 mg/L和7.3 mg/L；微山湖中含葉綠素a、總磷和高錳酸鹽指數(shù)的含量最低,分別為0.01 mg/m3、0.03 mg/L和5.16 mg/L；昭陽湖中的總氮含量最低為1.62mg/L。而透明度的值卻與葉綠素a、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)的值變化趨勢正好相反,南陽湖的透明度只有0.47 m,昭陽湖最高達(dá)到0.