河口區底泥中重金屬再懸浮的研究進展

孫瑋瑋，胡蓓蓓

（1.上海市水環境監測中心，上海200940；2.天津師范大學 城市與環境科學學院，天津300387）

1 引言

由于環境污染的加劇，全國城市水域受污染率已高達90%以上，不少城市已很難找到合格水源地［1］。珠江三角洲、長江三角洲，已出現了因水體污染而導致的水質型缺水。進入水環境的持久性毒害污染物，會在水體不同介質中重新分配，而沉積物是各類污染物發生累積和富集的主要介質［2，3］。研究發現，累積于沉積物中的重金屬不是固定不變的，可以通過一系列的物理、化學和生物過程釋放出來，造成水環境的“二次污染”。如Haag等［4］研究發現，在發生較大的洪水時，河流底部剪切壓力造成河流沉積物的侵蝕，使累浮積于德國的Neckar河流沉積物中的污染物發生釋放，并向河流下游發生遷移。

根據前期有關工作，各河口區某些岸段沉積物已經受到Pb、Cd、Hg、Cr和As等有毒重金屬的污染，由于河口區是一個典型的開放系統，容易受外界風暴潮等水動力條件和溫度、pH 值、鹽度等環境條件的影響，使累積于沉積物中的重金屬發生再懸浮釋放。通過再懸浮進入水體中的有毒重金屬，勢必會影響河口飲用水源地的水質安全。

本文旨在收集整理國內外河口區底泥中重金屬的再懸浮釋放研究進展以及室內模擬情況，為河口區各環境介質中重金屬的進一步的研究提供理論指導。

2 河口潮周期過程中底泥重金屬再懸浮研究進展

目前國內外對淺水、河口區物理擾動條件下沉積物中重金屬的再懸浮的研究越來越多。早在1999 年，John J.G.［5］等就利用示蹤金屬對含蘭西南部Scheldt河口沉積物再懸浮過程進行了研究。研究表明，Scheldt河口區中受河水和海水的物理混合對于重金屬在各介質中的遷移轉化起了很大作用。在風力擾動下太湖的沉積物中重金屬懸浮顆粒物和水體中的分配，隨著風速的增加，水體表面重金屬總濃度也會增加。Zheng Shasha［6］在風速在1.6～3.62m／s時，重金屬濃度大小與DO 和pH 值是密切相關的。SPM 濃度在風速達到6.36～14.10m／s時，變成一個重要的影響因子。Carmelo Calvo，［7］在對威尼斯河道底泥再懸浮過程中重金屬的遷移轉化時認為，Cu，Zn，Pb，As在再懸浮過程中隨著硫化物的氧化而被釋放，Mn和Ni則向孔隙水釋放。Kyung-Yup Hwang［8］研究了實驗室模擬裝置對韓國河道水中富氧和厭氧沉積物中重金屬的釋放情況，再懸浮事件的釋放會引起河道水體的短暫發生重金屬污染。

畢春娟等［9］通過對崇明東灘沉積物中重金屬在潮汐變化過程中的研究，認為顆粒態重金屬均在漲潮初期、高平潮前后及落潮末期出現較高含量，水體中的鹽度、DO 及pH 等環境因子對潮周期內顆粒態重金屬的變化影響不大。陳松［10］等認為再懸浮過程中Pb、Cu在兩相間的分配主要受氧化鐵和有機質的吸附-解吸和沉淀-溶解過程所控制，Cd的分配主要受CdS的沉淀-溶解過程所控制。Huan Feng等［11］認為沉積物再懸浮和側面流（橫向水平對流）對于下游河口區Zn等污染物向上游河道的傳輸以及在河口區重金屬污染物的再分配起著至關重要的作用。Nayar等［12］研究發現，由疏浚、船舶航行等引起的沉積物再懸浮，使累積于沉積物中的Cu、Ni等釋放出來，對水體中的浮游植物和細菌產生了毒害作用。Price等［13］研究發現，在愛琴海西北部的Thermaikos灣，每年9月和10月份的拖網活動引起底部沉積物發生再懸浮，使底部20m 的水體中Zn、Pb和Cd等元素的含量大量增加。

再懸浮的沉積物顆粒一旦進入水體中，各種地球化學作用就會使原先結合在固相中的重金屬重新變為溶解態［14］，增加了重金屬的生物可利用性。如Hajime Obata等［15］研究發現，沉積物再懸浮影響著東南亞Sulu海水體中溶解態與顆粒態Fe的分布。Hirst 和Aston［16］觀察到在再懸浮和厭氧沉積物被氧化的過程中，溶解態的Zn和Cu被重新吸附到顆粒物上。

3 河口底泥重金屬再懸浮模擬試驗研究進展

水體當中重金屬的遷移轉化過程是錯綜復雜的，主要包括擴散、對流、絡合、沉降、再懸浮、吸附、解吸等過程［17］。Cantwell等［18］利用PES裝置（Particle Entrainment Simulator）進行了重金屬的再懸浮模擬試驗，發現在12h的試驗過程中，有大量的Cd、Ni和Mn發生了釋放，進入了上覆水相中，而顆粒態Fe、Pb和Zn的含量變化不大。沉積物的擾動會導致沉積物化學特性的改變，并進而引起累積于沉積物中的污染物的遷移與轉化，特別是以硫化物形態存在的重金屬在再懸浮作用下的解析速率變化較大，如Hg、Pb和Cu的釋放比Zn的釋放要快的多［19］。引起沉積物再懸浮的動力條件隨時間變化較大，影響著顆粒物在水體中的沉降速率和重金屬污染物的滯留時間。Slotton and Reuter［20］研究發現，在氧化條件下，Zn能快速的再次吸附到顆粒物上，而Cd在水相中的滯留時間比其他重金屬要長的多［21］。Mark G.Cantwell［22］利用PES再懸浮裝置對美國Garragansett Town Beach底泥進行了室內再懸浮模擬實驗，在短暫的再懸浮過程中，厭氧性沉積物中低級別的重金屬會以溶解態的形式釋放到水體當中。Cantwell［18］曾在2002年就利用PES裝置進行實驗室的再懸浮實驗。

微量元素有從再懸浮沉積物上解吸下來的傾向［23］，特別當沉積物中微量元素的含量遠遠高于上覆水體懸浮顆粒中的含量時［24］。Cobelo-Gar′cia 和Prego［25］通過沉積物再懸浮實驗，發現有機配位體與Cu、Pb、Zn一起可以從再懸浮顆粒上解吸下來，對水生生物潛在危害較大。Eggleton等［26］總結了沉積物擾動事件發生時污染物的生物有效性和再懸浮釋放的影響因素，指出在水體的氧化還原電位發生變化時，金屬被釋放出來的動力學過程研究還相當薄弱。

重金屬在水／顆粒物界面的吸附-解吸作用受多種外界因素的影響。鹽度和接觸時間是影響河口區水／粒界面重金屬吸附-解析行為的主要因素，在法國Loier河口，除Fe以外，其他元素的解吸作用隨鹽度增加而增強［27］。在我國長江河口混合帶，在懸浮物質上的吸附作用事溶解態Co和Pb的主要分配機制，其含量隨鹽度增加持續降低，而溶解態Cd隨鹽度增加含量線性上升［28］。研究發現，Fe／Mn水合氧化物、有機質含量和沉積物粒徑在金屬離子的遷移過程中扮演者重要角色［29-31］。如在英國Mersey河口，Cd在沉積物和水之間的分配（以分配系數Kp表示）隨鹽度增加而降低，Fe-Mn氧化物和有機質均是Cd的重要吸附劑，Hg的分配系數Kp隨鹽度增加而增加，顆粒態有機質在溶解態Hg的去除上比Fe-Mn氧化物的貢獻要大［31］。

此外，pH 值可以影響重金屬的溶解度和顆粒物中自然膠體表面的吸附特征，對重金屬在水／粒界面的吸附和釋放行為施加顯著影響。如Dittmar［32］研究發現，位于智利北部Atacama地區的Elqui河是本區20萬人的飲用水源區，在上部河流系統與具有pH 緩沖能力的水體匯合區，Fe的氫氧化物交替增加，引起所有重金屬的共沉淀，富集了重金屬的懸浮固體只在Elqui河下游發生沉降。李魚等［33］研究發現，pH 值對淤泥中Cu、Pb、Zn、Cd重金屬的釋放影響最大，在pH 值為2時重金屬的釋放能力最強，隨著pH 值的增大重金屬的釋放能力減弱。畢春娟（2009）［34］等利用PES再懸浮裝置對長江口河口沉積物中Hg的研究發現，再懸浮過程中，上覆水體中Hg的含量變化與pH 值、Eh、DO、TSS均沒有明顯的相關性，隨時間和動力變化影響顯著。畢春娟等［35］利用PES模擬裝置對長江口近岸沉積物中Cd、Pb、Cr的再懸浮實驗發現，重金屬的相間遷移轉化過程主要包括：生物膜上吸附重金屬的解吸釋放、孔隙水中溶解態重金屬的再懸浮釋放和擴散釋放、沉積物中酸可揮發行硫結合態重金屬的氧化釋放、上覆水中懸浮顆粒對重金屬的吸附以及上浮水中顆粒態重金屬的沉淀等過程。李猛［36］對長江口潮灘中Hg的室內模擬再懸浮實驗發現，上覆水中鹽度的變化對于再懸浮中Hg的釋放有重要影響，擾動動力在（210±5）r／min。

4 結語

目前在水環境重金屬的研究中，對河流、河口、海洋等水體中重金屬的含量、分布、賦存形態與遷移轉化及其影響因子的研究較多，但絕大多數僅局限于重金屬吸附／解析等界面行為的單因子影響因素研究，對沉積物-水界面物理、化學因素耦合影響下重金屬的釋放行為研究較少涉獵。

國內外目前對于沉積物模擬實驗的研究都較為成熟。再懸浮模擬試驗不僅僅局限于物理擾動，對于多因子耦合影響下，重金屬的釋放情況都有所涉獵，但國內較為滯后，室內再懸浮裝置亟待完善。

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