王云鵬,紀 良,時國梁,汝少國**
(1.中國海洋大學海洋生命學院,山東 青島266003;2.華電青島發電有限公司,山東 青島266031)
華電青島發電有限公司采用海水脫硫工藝進行煙氣SO2脫除。由于脫硫海水中含有以及重金屬等特征性污染物[1-7],可能導致排水口下游海域海水水質和沉積物質量下降,并對海洋生物造成影響。郭娟[3]和駱錦釗等[4]報道海水吸收煙氣顆粒會造成SS增加,出現殘留則會導致COD升高,繼續氧化消耗海水中的DO將導致DO降低。目前國內已有研究認為脫硫海水不會對附近海水水質產生嚴重的影響,然而這些研究大多是電廠建設前的預測研究,尚缺少電廠運行后的周年現場跟蹤監測,對海洋沉積物質量和海洋生物群落的影響研究也尚少或不夠深入[3-7]。由于浮游生物和底棲生物是海洋中的重要生物類群,也是海洋生態系統的重要組成部分,其群落結構和生物多樣性水平在很大程度上反映了海洋生態環境的污染程度[8-10]。因此,為查明脫硫海水排放對海洋生態環境的影響,本文在電廠脫硫海水排水口附近海域水質、表層沉積物質量調查的基礎上,開展了海洋生物群落結構的周年跟蹤調查,為深入地開展脫硫海水生態環境影響評價和提出有效的海洋生態環境保護措施提供依據。
共設置14個調查站位(見圖1、表1),分冬季(2011年12月27日)、夏季(2012年6月5日)2次采樣。

表1 調查站位設置Table 1 Sampling stations in the study sea area
水質 水溫、DO、COD、無機氮、活性磷酸鹽、SS、pH、、總Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb。

圖1 采樣站位位置Fig.1 Maps of the sampling stations
表層沉積物 Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb。大型底棲生物、浮游動物和浮游植物 種類組成及密度調查。采樣與分析均按照《海洋監測規范》(GB17378—2007)和 《海洋調查 規范》(GB12673—2007)的要求進行。
1.3.1 海水水質 以《海水水質標準》(GB3097—1997)第三類為評價標準,參照白艷艷等[11]的單因子評價法和多種污染物綜合污染的內梅羅污染指數法進行評價。
1.3.2 表層沉積物 重金屬的潛在生態危害評價采用Hakanson[12]的潛在生態危害系數評價單項污染物的污染程度,采用潛在生態危害指數RI評價多項污染物潛在生態危害程度,分別為:


表2 膠州灣沉積物中重金屬濃度背景值Table 2 The background concentrations of the heavy metals in the sediments of Jiaozhou Bay
表3 和RI與生態危害程度的關系[14]Table 3 The relationships ofwith the ecological risk,and RI with the ecological risk

表3 和RI與生態危害程度的關系[14]Table 3 The relationships ofwith the ecological risk,and RI with the ecological risk
Eir與潛在生態危害程度The relationships of Eir with the ecological risk RI與潛在生態危害程度The relationships of RI with the ecolog低度危害40≤Eir<80 中度危害 150≤RI<300 中度危害80≤Eir<160 較重危害 300≤RI<600 重度危害160≤Eir<320 重度危害 RI≥600 嚴重危害Eir≥320 ical risk Eir<40 低度危害 RI<150嚴重危害
1.3.3 海洋生物多樣性分析方法 調查海域生物的優勢種根據優勢度(Y)進行確定:

式中:ni為第i種的個體數;N為所有種類的總個體數;fi為該種在所有站位中出現的頻率。底棲和浮游生物均以Y值大于0.02的種類確定為優勢種[18-20]。
采用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Margalef物種豐富度指數(D)和Pielou均勻度指數(J′)共3項群落指數來表征脫硫排水口附近海域的生物多樣性。

式中:N為個體總數;Pi為種i的個體數占總個體數的比例;S為總種數。
電廠脫硫海水取水口與排水口水質監測結果見表4。由表4中可見,利用海水脫除了煙氣中的SO2后,pH明顯降低,由正常的弱堿性轉變成了弱酸性,DO下降了1.57mg/L,Cu、Cd濃度升高,總Cr濃度下降,其余重金屬變化規律不明顯,雖然排水口的N、P、COD等污染物濃度相對于取水口有所升高,但是含量均較小,除pH 外均能滿足《海水水質標準》(GB3097—1997)第三類海水水質標準要求。
由附近海域海水水質跟蹤監測結果圖2可見,排水口下游水溫較上游有明顯升高,pH、DO則降低,擴散至4#站位即已恢復至排水口上游1#站位水平,擴散700m至膠州灣后已無明顯水溫升高和pH、DO降低現象。

表4 排水水質與取水口海水水質比較Table 4 Comparation of the water qualities between the drainage water and seawater from the water intake point

圖2 海水水質調查結果Fig.2 Monitoring results of the seawater qualities
排放口附近海域COD、無機氮和活性磷酸鹽均出現了較嚴重的污染程度,其他指標均符合相應海水功能區標準要求(見圖3)。從排水口附近的1#~4#站位水質比較可見,排水口上游1#站位的I值為8.03,處于嚴重污染狀態,與脫硫海水混合后的2#站位I值急劇下降,為1.13,處于輕污染狀態,而與海泊河污水處理廠尾水混合后的3#站位,I值又有一定程度的升高,污染等級上升為中度污染狀態(見表5、圖4)。其它指標均不呈現十分明顯的變化規律。

圖3 調查海域各污染物平均濃度的Pi值Fig.3 The Pivalue of the pollutants in the study waters
不同站位沉積物中的重金屬含量調查結果見圖5,由圖5可見,2011年冬季2#站位的Cu、Zn、Cd、Pb含量均低于1#站位,3#站位均高于2#站位,4#以后站位的含量無顯著變化;2012年夏季Zn、Cd在2#站位的含量均高于1#和3#站位,Cu在1#~3#站位呈下降趨勢。Cr、As、Hg等濃度均較低,且在各站位間無明顯變化。

表5 內梅羅污染指數與綜合污染程度對應關系[11]Table 5 Corresponding relationships between the Nemerow Pollution Indexes and the integrated pollution levels

圖4 站位間內梅羅污染指數變化情況Fig.4 Variation of Nemerow pollution indexes in different sampling stations
從各站位沉積物質量調查結果看(見表6、圖6),脫硫排水口附近海域重金屬的潛在污染風險較小。6種重金屬的綜合潛在生態危害程度高于膠州灣對照點的潛在污染水平,但是RI值遠低于150,潛在生態風險處于“低度危害”狀態,而且各個站位重金屬的Eir值除Hg外均低于40,單項指標的潛在生態風險也處于“低度危害”狀態,Hg處于“中度危害”狀態。

圖5 沉積物中重金屬含量調查結果Fig.5 Content of the heavy metals in the sediments

表6 單項重金屬的潛在生態危害系數變化范圍Table 6 Variation of Eirof every heavy metal

圖6 6種重金屬元素在各站位的綜合潛在生態危害指數(不包括Hg)Fig.6 Integrated potential ecological risk index of 6heavy metals in each sampling station(excluding Hg)
2011年冬季調查海域共鑒定出大型底棲生物5門59屬62種,浮游動物5大類22種,浮游植物4門26屬31種;2012年夏季共調查發現8門78種大型底棲生物,6大類36種浮游動物,4門63種浮游植物。
底棲生物以多毛類為主,浮游植物以硅藻門占絕對優勢,浮游動物以橈足類為主。2011年冬季調查發現大型底棲動物優勢種4種,為長葉索沙蠶Lumbrinereislongiforlia(Y=0.1987)、中蚓蟲Mediomastussp.(Y=0.129 5)、西方似蟄蟲Amaeanaoccidentalis(Y=0.039 0)、寡鰓齒吻沙蠶Nephthysoligobranchia(Y=0.021 1);浮游植物優勢種4種,為中肋骨條藻Skeletonemacostatum(Greville)Cleve(Y=0.368 3)、加拉星平藻Asteroplanuskarianus(Grunow)Gardneretrawford(Y=0.205 2)、海鏈藻Thalassiosiraspp.(Y=0.049 6)和脆桿藻Fragilariaspp.(Y=0.027 3);浮游動物優勢種5種,為橈足類幼體Copepoda larva(Y=0.287 2)、擬長腹劍水蚤Oithonasimilis(Y=0.138 0)、克氏紡錘水蚤Acartiaclasi(Y=0.050 1)、小擬哲水蚤Paracalanusparvus(Y=0.034 7)和小毛猛水蚤Microsetellanorvegica(Y=0.032 3)。而2012年夏季發現大型底棲動物優勢種6種,為長葉索沙蠶Lumbrinereislongiforlia(Y=0.272 2)、刺櫻蟲Potamillasp.(Y=0.074 1)、雙櫛蟲Amphareteacutifrons(Y=0.062 2)、樹蟄蟲Pistasp.(Y=0.024 1)、中蚓蟲Mediomastussp.(Y=0.022 5)和東方縫棲蛤Hiatellaorientalia(Y=0.022 1);浮游植物優勢種3種,為丹麥細柱藻LeptocylindrusdanicusCleve(Y=0.698 0)、尖刺偽菱形藻Pseudo-nitzschiapungens(Grunow ex Cleve)Hasle(Y=0.104 4)和海鏈藻Thalassiosiraspp.(Y=0.039 1);浮游動物優勢種6種,為夜光蟲Noctilucidaescientillans(Y=0.549 0)、橈足類無節幼蟲 Nauplius larva(Copepoda)(Y=0.127 0)、雙刺紡錘水蚤Acartiabifilosa(Y=0.099 6)、克氏紡錘水蚤Acartia clausi(Y=0.029 9)、擬長腹劍水蚤Oithonasimilis(Y=0.026 0)和 橈 足 幼 體 Copepodite larva (Y=0.024 0)。

圖7 各調查站位生物群落指數Fig.7 Biocommunity indexes in every station
各站位的群落指數見圖7。由圖7可見,2011年冬季浮游動物的Shannon-Wiener多樣性指數和 Margalef豐富度指數隨著擴散距離增加而呈現出上升趨勢,而在2012年夏季三大群落指數則均有隨著擴散距離增大而下降的趨勢;浮游植物在2012年夏季Shan-non-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數呈現出隨擴散距離增加而下降的趨勢,在2011年冬季的變化規律則不明顯;而底棲生物三大生物群落指數在各站位間的變化卻無明顯規律。此外,2012年夏季調查海域內個別站位(7#、12#)出現了浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數小于1、Pielou均勻度指數小于0.3的現象外,其他站位生物多樣性均較高。
Vidal Barrero等[1]報道脫硫海水中pH 會有明顯的降低,同時煙氣脫硫過程中部分重金屬也會溶入海水中[2]。因此,pH(H+)、SO2-4以及重金屬是脫硫海水排放的特征性污染物。本研究結果表明排水中的特征污染物會導致排水口下游的2#~3#站位,pH、DO明顯降低、水溫明顯升高,擴散至4#站位(排水口下游400m)即可恢復至排水口上游水平,擴散700m后已無明顯影響。
3.1.1 對海水pH的影響 脫硫海水pH降低的原因主要是海水吸收SO2,產生亞硫酸,并電離出 H+,SO2-3氧化為SO2-4的過程也會釋放出大量H+,使海水呈現較強的酸性[1],從而導致海水酸化,海水酸化會增強某些重金屬的毒性,還會對海洋生物的新陳代謝等生命活動產生不利影響。楊世超等研究表明,pH的降低加劇了重金屬Cu、Cd對日本虎斑猛水蚤的急性毒性效應[21];李鵬等研究發現重金屬Zn、Cu從沉積物中的釋放主要是在酸性條件下發生,在酸性區域內的釋放量隨pH的升高而迅速降低[22];丁兆坤等認為隨著海洋酸化不斷加劇,海洋生物呼吸代謝酶活性下降,呼吸代謝方式改變,嚴重影響海洋生物的正常生長發育和生存[23];劉文廣[24]等研究表明,在pH 值為7.4~8.1范圍內,海水酸化對馬氏珠母貝的受精率無顯著影響,但是幼蟲的存活率明顯降低,生長顯著受抑制,畸形率顯著升高。由此可見,排水口400m范圍內的海水pH降低,會影響海洋生物的正常生長發育和生存,還可能導致沉積物中重金屬向水體的釋放和增強重金屬的毒性,但是從跟蹤監測的結果看,無論是水質和沉積物中重金屬含量均較低,表明該區域pH降低對重金屬釋放的影響是有限的。
3.1.2 對海水DO的影響 脫硫海水中DO下降是曝氣池中SO2-3氧化消耗了水中大量的氧氣所致,雖通過曝氣予以補充,但海水中的DO仍有所下降,若SO2-3氧化不徹底,殘留部分會繼續氧化并消耗排放海域中的DO。DO濃度降低會引發一系列環境問題,文湘華等研究表明,Cu和Pb在低DO條件下從沉積物向水體中的釋放量均高于高DO條件,鐵錳氧化物結合的重金屬在缺氧環境下易于釋放入水體[25],李文紅等研究表明,高DO水平(>5mg/L)能夠有效地抑制底泥向上覆水體釋放總氮,而低DO水平下(<1mg/L),底泥向上覆水體釋放總氮十分明顯,DO降低(<1mg/L)還會導致磷元素從底泥釋放入水體,不利于水體中的好氧微生物降解有機物,還能抑制COD降解[26]。吳群河的研究也表明,低DO水平加快底泥釋放氨氮速度和釋放量,向上覆水體中釋放總氮明顯增加[27]。然而,調查結果顯示,電廠脫硫海水排放口下游水體中的DO水平雖下降了,但仍在5mg/L左右,不會引發N、P等污染物從底泥向水體釋放的問題。DO降低也會影響海洋生物的生命活動,如韋柳枝[28]研究發現,長期處于低氧水體的中國明對蝦體內水分含量升高,蛋白質、脂肪和糖類能量含量顯著降低,當水體DO低于4.13mg/L時實驗蝦生長受到抑制,幼蝦死亡率升高。雖然電廠出水中DO濃度尚高于4.13mg/L,但是已低于取水口(11#站位)的濃度。
3.1.3 對海水溫度的影響 排水口下游水溫升高主要是由于電廠冷卻水排放所致。電廠冷卻水大部分直接由排放口排放,從而導致排放口400m范圍內水溫升高,其余冷卻水作為脫硫海水,經脫硫后排放溫度與排放口上游的水溫基本相當,可見水溫升高并非脫硫海水排放造成的。
楚憲峰等在該電廠脫硫設施運行后不久(2006年8月),跟蹤調查了溫排水排放海域的水溫變化,結果發現,高潮時海泊河口以外500m范圍內的海域受溫排水影響較為嚴重,溫升超出4℃,而低潮時影響更嚴重,受影響范圍擴大至河口以外750m,溫排水會導致受影響海域DO濃度下降,浮游生物耐熱種類增加而其它種類減少,最終會改變物種組成和降低群落的生物多樣性[29]。鄭琳等于2010年6月針對該電廠溫排水進行了跟蹤監測調查并分析了其環境影響,認為入海口區域有0.17km2海域受到溫排水的影響,約0.03 km2海域面積溫升達4℃,溫排水對海洋生物有一定影響,如高溫引起藍、綠藻數量增多和硅藻明顯減少,抑制餌料生物生長,延長藻類的生長期等[30]。而本研究中,排水口下游相對于1#站位發生溫升的區域僅限于海泊河道內,而擴散至河口以外后溫升影響甚微。
3.1.4 對COD、無機氮和活性磷酸鹽的影響 本研究還跟蹤監測了COD、無機氮和活性磷酸鹽等污染物,研究結果表明排放口附近海域COD、無機氮和活性磷酸鹽均出現了較嚴重的污染現象,其他指標均符合相應海水功能區標準要求。根據Vidal Barrero等[1]對海水脫硫工藝的報道,該工藝不會新增海水中N、P等污染物,本文跟蹤監測結果也表明排水口水質中的COD、活性磷酸鹽和無機氮的濃度均較低,雖然較電廠取水口11#站位的濃度有所升高,但仍基本滿足三類海水水質標準要求。從排水口附近的1#-4#站位水質比較可見,排水口上游1#站位的I值為8.03,處于嚴重污染狀態,與脫硫海水混合后的2#站位I值急劇下降,為1.13,處于輕污染狀態,而與海泊河污水處理廠尾水混合后的3#站位,I值又有一定程度的升高,污染等級上升為中度污染狀態。綜上可見,排放口附近海域COD、無機氮和活性磷酸鹽出現的較嚴重污染現象與脫硫海水排放無明顯關聯。
從脫硫海水排放對海洋沉積物質量和生態環境影響看,脫硫海水排放附近海域重金屬的潛在污染風險較小,6種重金屬的綜合潛在生態危害程度RI值遠低于150,處于“低度危害”狀態。可見,脫硫工藝排水未造成表層沉積物重金屬污染。
從調查海域的優勢種組成看,已出現了污染指示種類,如2011年冬季出現的中肋骨條藻Skeletonema costatum(Greville)Cleve和2012年夏季出現的夜光蟲Noctilucidaescientillans均為耐污種,也是造成我國沿海赤潮的重要種類[31-33]。表明受 N、P、COD 等污染影響,某些耐污種已成為該海域某一生物類群的優勢種,然而由前述分析可知,COD、無機氮和活性磷酸鹽出現的較嚴重污染現象與脫硫海水排放無明顯關聯。
Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數及Margalef物種豐富度指數分別反映群落的復雜程度、種類數量分布情況和群落內物種分配的均勻程度,是衡量群落多樣性的重要指標,可以在一定程度上反映出海區的生態環境質量現狀。從排水口下游各生物類群的三大生物群落指數變化來看,脫硫海水在冬季會對浮游動物群落結構產生不利影響,但是隨著擴散距離增加,其生物群落指數很快恢復至膠州灣對照點的水平,不利影響程度有限;在夏季脫硫海水排放并未造成各生物群落指數下降,對海洋生物群落結構的不利影響較小。而且國內常以Shannon-Wiener多樣性指數小于1、Pielou均勻度指數小于0.3作為多樣性較差的綜合評價標準[34~36]。根據該標準,2011年冬季脫硫海水排放海域各類群生物多樣性較高,群落結構較穩定;2012年夏季調查海域內除個別站位(7#、12#)外,其他站位生物多樣性均較高。因此,整體上看脫硫海水排放未對生物群落結構和生物多樣性造成明顯的不利影響。
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