吉林市排污河底泥的污染狀況及其生態風險評價

李瓊+張海歐+和利釗+董小龍+鄭子健+王學東

摘要：以吉林市排污河中底泥為主要研究對象，布置12個監測斷面35個代表性采樣點，采集并分析了河道內底泥樣品中8種重金屬及16種USEPA優先控制的多環芳烴的含量，并分別采用地質累積指數法（Igeo）、潛在生態風險評價法（PERI）、沉積物質量基準法（SQGs）對排污河底泥中污染物進行了生態風險評價。結果表明，該排污河底泥中重金屬及多環芳烴均不同程度超過松花江水系沉積物背景值，其中Hg、Pb、Cu、As、NAP、ANT超標倍數分別為87.5、10.2、6.18、5.90、115.6和228.5；Igeo顯示Hg的生態風險最大，Igeo達到了5.82，而Cd和Ni的風險較小，這與PERI中Hg風險最大的結果一致；SQGs評價結果表明由重金屬及多環芳烴引起的污染會產生生物毒性，且不利生物毒性將頻繁發生；（3）以上結果說明，該排污河呈現以Hg為主要風險因子的重金屬與多環芳烴復合污染現象，在今后應加強底泥監測和定期清淤，從而推動區域生態環境的治理與恢復。

關鍵詞：底泥；重金屬；多環芳烴；生態風險評價；汞

中圖分類號：X522 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0079-08

Abstract：[HJ1.7mm]Jilin is one of the most important chemical industry cities located in China's northeastern old industrial base.Heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） have been detected in the sediments of different regions in China，but little is known about the sewage-received river of Jilin，whose pollution was very severe owing to long-time discharge of industrial and municipal wastewater.The aim of this study was to investigate the pollution of heavy metals and PAHs in sediments and to assess their ecological risks.A total of 35 sediment samples from 12 monitoring sections along this sewage-received river were collected for determination of the concentrations of 8 heavy metals （Hg，Pb，As，Cu，Zn，Cr，Cd，Ni） and 16 USEPA priority pollutant PAHs.Geoaccumulation index，Hkanson potential ecological risk index，and sediment quality guidelines （SQGs） were respectively used to assess the pollution and potential ecological risks of these pollutants in the sediments.The concentrations of heavy metals and PAHs were higher than the background values，especially those of Hg，Pb，Cu，As，NAP，and ANT.The geoaccumulation index indicated that the ecological risks of heavy metals in the sediments from high to low were as follows： Hg>Pb>As>Cu>Zn>Cr>Cd>Ni.The Hkanson potential ecological risk indexes of heavy metals were ranked as follows： Hg>As>Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr.SQGs indicated that adverse benthic impacts would occur frequently.The sediments were polluted by PAHs and heavy metals，especially Hg.

Key words：sediment；heavy metal；PAHs；ecological risk assessment；Hg

底泥一般指河流、湖泊、水庫和海灣等水體底部長期存積的沉積物，是水環境的重要組成部分。它不僅是水體中各種污染物（營養鹽、重金屬、難降解有機污染物等）的主要蓄積場所，也是對水質有潛在影響的次生污染源[1-3]，因此，底泥的污染狀況不僅可以反映水體的污染程度，也可對水體產生重要影響。底泥的污染狀況和底棲生物的分布、生長和種群組成也有密切關系[4]，基于此，開展底泥污染狀況調查及生態風險評價研究具有十分重要意義[5-6]。

作為一個城市重要的排洪泄污通道，城市排污河在城市發展過程中發揮著重要作用，然而隨著城市化進程不斷加快，城市居住人口的逐步增多，城市排污河在長期的生活污水和工業廢水排放的影響下，水環境質量已不斷下降，嚴重影響到周圍居民的生活質量[7]。同時，排污河底泥中的污染物含量通常較高，當外界環境條件發生變化時，污染物極有可能重新釋放回水體，對當地水質甚至下游受納水體水質產生威脅[8]。因此探明城市排污河底泥的污染狀況，明確污染特征及污染物分布，劃定底泥生態風險等級，對城市水環境保護有著重要意義。

目前許多國家和地區已出臺水體沉積物相關標準和評價方法，如沉積物環境質量標準[1，9-10]、地質累積指數法[11]、沉積物質量基準法[12]、潛在生態風險評價法[13]、污染負荷指數法[14]、次生相與原生相分布比值法[15]、臉譜圖法[16]、回歸過量分析法[17]等。許多學者利用這些方法進行了底泥沉積物等的深入研究[18-19]，但很少同時涉及重金屬和有機污染物的評價分析。基于此，本研究選取東北老化工城市吉林省吉林市某排污河為研究對象，分析檢測其底泥中重金屬和多環芳烴質量分數，在此基礎上采用Igeo、PERI、SQGs對污染物生態風險進行評價，以探明該排污河污染物的空間分布特征和污染物生態風險水平，為后續綜合治理和生態功能恢復提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

該城市排污河位于東北老工業城市吉林省吉林市龍潭區，自東向西匯入松花江，流域面積13.5 km2，河道長6.65 km（圖1）。該河流經龍潭區城鄉結合部，河道兩岸多為居民區及化工廠，自二十世紀五十年代始，作為城市主要納污水體，該河接收了大量生活污水和工業污水。長期的污水排放已導致污染物沉積、水質下降，不斷威脅著河道水生態環境及周邊居民的生活環境質量。

1.2 樣品采集及地理位置

在龍潭區排污河各重點路橋設置監測斷面12個，位置見圖1。利用土鉆每50 cm深度采集一個底泥混合樣品，直至河道底部，通常采集深度在50～200 cm。12個監測斷面共計采集35個底泥樣品（表 1）。樣品采集后裝入玻璃材質的土壤瓶中密封，低溫運至實驗室用于重金屬和多環芳烴分析檢測。

1.3 樣品處理與分析

底泥樣品經冷凍干燥后剔除礫石及動植物殘體，用瑪瑙研缽研磨后過100 目尼龍篩，以備分析測試用。樣品檢測指標包括8種常見重金屬（Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg）和USEPA規定的16種多環芳烴，即萘（NAP）、苊烯（ANY）、苊（ANA）、芴（FLU）、菲（PHE）、蒽（ANT）、熒蒽（ALT）、芘（PYR）、苯并（a）蒽（BaA）*、世（CHR）*、苯并（b）熒蒽（BbF）*、苯并（k）熒蒽（BkF）*、苯并（a）芘（BaP）*、茚并（1，2，3-cd）芘（IPY）*、二苯并（a，h）蒽（DBA）*、苯并（g，h，i）苝（BPE），其中*號物質具有致癌性。

重金屬的消解及測定：Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd的消解采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸全分解法，As、Hg采用王水消解，Cu、Zn、Cr、Ni、Pb和Cd采用火焰原子吸收分光光度法，As、Hg采用原子熒光法。

多環芳烴的提取及測定：準確稱取10 g沉積物樣品加5 g無水硫酸鈉，用二氯甲烷/丙酮溶液提取24 h，并脫硫。萃取液干燥后繼續淋洗萃取后濃縮定容，冷藏待測。采用的儀器為Agilent7890A-5795C氣相色譜-質譜聯用儀，色譜柱為HP-5MS 30×0.25 mm×0.25 μm。

1.4 質量控制

重金屬的測定采用國家標準河流沉積物樣品（GBW 08301）進行分析質量控制。平行樣相對誤差<20%，標準物重金屬回收率在95%～120%之間。多環芳烴的平行樣相對誤差<35%，加標回收率在85%～116%之間。分析中采用3個平行樣，試驗用水均為超純水，所用試劑均為優級純。玻璃及塑料器皿在使用前均采用的HNO3 浸泡24 h以上。

1.5 底泥中污染物的生態風險評價方法

1.5.1 地質累積指數法

1.5.3 沉積物質量基準法

沉積物質量基準法（Sediment Quality Guidelines，SQGs）可快速評價污染沉積物的生物毒性[12]，該方法不僅可用于評價底泥中重金屬的污染程度，也可用于評價有機污染物的污染程度。目前影響最大的SQGs是Long等人[22]由北美沉積物生物效應數據庫（The Biological Effects Database For Sediments，BEDS）導出的效應范圍低值（Effects Range Low，ERL）和效應范圍中值（Effects Range Median，ERM），當污染物質量分數低于ERL時，不利生物毒性效應很少發生，當污染物質量分數高于ERM，不利生物毒性效應將頻繁發生。此外，紐約環境保護局（NYSDEC）[9]和新澤西環保局（NJDEP）[10]以MacDonald等人[23]和Persaud等人[24]所得出的最低效應閾值（Lowest Effects Levels，LELs）和嚴重效應閾值（Severe Effects Levels，SELs）為基礎，設立沉積物生態篩選標準。當污染物質量分數低于LEL時表示表明污染物對大部分底棲生物沒有負效應，高于SEL時則說明底泥沉積物已受到嚴重污染并且會影響底棲生物的健康。該方法不僅可以評價重金屬的生態風險，同樣可以評價有機物污染的生態風險。ERL/ERM、LEL/SEL相關數值見表7。

2 結果與討論

2.1 底泥重金屬及PAHs質量分數

表4中列出了該排污河底泥中8 種重金屬和16 種多環芳烴的質量分數水平、不同監測斷面各污染物質量分數均值。從表4可以看出，底泥樣品中重金屬和多環芳烴質量分數變化較大，8種重金屬變異系數在0.41～1.07之間，其中Cd、Cu質量分數變化最為顯著，最大值與最小值之間分別相差69.67、55.30倍，這表明不同點位重金屬富集情況不同。有機污染物的變異系數在0.33～2.86之間， NAP、PHE、ANT的質量分數變化最為明顯，最大值與最小值相差倍數分別達到2 784.23、1 166.32、1 105.10倍。可能原因是這3種多環芳烴均為低環，易揮發和生物降解[25]，從而導致沉積物中質量分數差別較大。同佘中盛等[26]、聶海峰等[27]對排污河底泥背景值調查結果比較，取樣點重金屬及多環[HJ2.3mm]芳烴均不同程度超過背景值，8 種重金屬平均值超標倍數在0.30～87.47之間，多環芳烴超標倍數在-0.04～228.45之間，其中Hg、Pb、Cu、As、NAP、ANT等平均值已分別超背景值87.47、10.21、6.18、5.90、115.55、228.45倍，這表明多年的污水排放已導致上述物質在沉積物中大量累積。具有致癌效應的BaP在35 個樣品中檢出率達65.71%，平均值超背景值1.05倍。從污染物的沿程分布來看，8 種重金屬在不同位置的富集情況不同，質量分數最高點主要集中在B8、B7和B4，這可能與排污河兩側的化工企業排污歷史相關。在20世紀50年代至80年代，該排污河是吉化染料廠和吉化電石廠兩個企業的排污渠道，直至20世紀80年代初吉化公司才建成污水處理廠。但20世紀80年代后居民產生的生活污水仍舊直排入該河道，故其接納污水來源廣，污染成分復雜。

2.2 底泥中污染物的生態風險評價

2.2.1 地質累積指數法

為真實反映該排污河底泥重金屬的積累及變化，選擇佘中盛等[24]測得的松花江水系沉積物地球化學背景值計算了12個監測斷面的地質累積指數并分級，結果列于表5。8種重金屬中，Hg的Igeo平均值最高（5.82），污染等級在4～6之間，處于偏重-嚴重污染水平。其次為Pb（2.64），污染等級在1～5之間，B4～B6、B10～B12兩段處于偏重污染水平。As的Igeo平均值為1.96，污染等級在1～4之間，處于輕度-偏重污染水平。Cu的Igeo平均值為1.72，污染等級在0～4之間，處于清潔-偏重污染水平，B4、B8位置為偏重污染。Zn、Cr、Cd的大部分點位處于輕度-中度污染水平。Ni的Igeo平均值為-0.31，為清潔狀態。8種重金屬Igeo的均值排序為Hg（5.82）>Pb（2.64）>As（1.96）>Cu（1.72）>Zn（1.63）>Cr（0.54）>Cd（-0.04）>Ni（-0.31）的特征。這表明，該排污河底泥Hg的生態風險最大，Cd和Ni的風險較小。Hg的嚴重污染可能與排污河沉積物中有機物累積較多相關，Hg易于富集在有機相以有機結合態沉降滯留在底泥中[28]。

2.2.2 潛在生態風險評價法

采用佘中盛等[26]人測得的松花江水系沉積物地球化學背景值計算了排污河重金屬的生態風險，評價結果見表6。8種重金屬Eir均值排序為Hg>As>Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr。研究區域中Hg的Eir平均值最高（4 145.78），范圍在575.76～7 016.06之間，均處于極強生態風險級別。其次為As和Cd，其Eir平均值分別為70.28和62.96，生態風險級別在輕微生態風險與很強生態風險之間。Pb和Cu的Eir平均值分別為58.29和37.42，風險級別均在輕微生態風險-強生態風險之間。Ni、Zn、Cr的Eir平均值分別為6.42、5.22、4.64，均屬于輕微生態風險級別。從多種重金屬綜合生態風險（RI）角度來看，RI值范圍為634.16～7 523.77，均處于極強生態風險水平，原因是Hg的單因子生態風險極高，對RI值產生顯著影響。從空間分布來看，8種重金屬的潛在生態風險等級在監測斷面B1、B2位置低于其他監測斷面，B4、B7、B8、B10則明顯高于其他監測斷面。

2.2.3 沉積物質量基準法

ERL/ERM、LEL/SEL相關數值及35個底泥樣品的SQGs評價結果列于表7。除Cd以外，其余重金屬的ERL超標率均高于60%，LEL超標率均高于80%，可能因為重金屬質量分數的地區差異導致部分背景值已高于ERL和LEL，且重金屬質量分數實測值較高。生物毒性較大的Hg的ERM和SEL超標率已超過60%，說明由Hg引起的不利生物效應將頻繁發生，底泥已受到嚴重污染并且影響底棲生物的健康。16種PAHs也不同程度超ERL、LEL、ERM， ANY和ANA超過SEL，這是因為與ERM相比，SEL標準值過高，兩者最大相差已達924倍（BaA）。從空間分布來看，Hg、Zn在B3-B12的平均質量分數均超過ERM，說明在上述斷面由Hg、Zn引起的不利生物毒性效應將頻繁發生。

As、Hg在B4-B12的平均質量分數超過SEL。NAP、ANA、FLU、PHE、ANT在B4-B12的平均質量分數已超ERM，BaP在B11的平均質量分數超過ERM。SQGs分析結果表明，該排污河底泥的生態風險主要由Hg引起和多環芳烴引起，其不利生物毒性將頻繁發生。

2.2.4 評價結果比較

綜合比較Igeo、PERI、SQGs三種方法，結果均顯示Hg是主要的風險因子，一方面是因為Hg的背景值較低，另一方面是因為其生物毒性系數極高，是Ni的8倍，Cr的20倍。

Igeo和PERI中8種重金屬的生態風險級別排序有所不同，這是因為Eif值不僅與背景值有關，還與重金屬的種類和生物毒性效應有關，比如Igeo的排序結果中Cd處于第7位，而在Eif結果中Cd處于第3位。PERI考慮了Cd的生物毒性效應，且其生物毒性系數較大，僅次于Hg，致使其排序發生前移。

兩套SQGs（ERL/ERM和LEL/SEL）的結果均表明該排污河底泥中多環芳烴質量分數已超ERL和LEL，多環芳烴已經開始對底泥產生不良影響，需要對其生態風險進行關注。

3 結論

（1）該排污河底泥中8種重金屬及16種多環芳烴均不同程度超松花江沉積物環境背景值。重金屬污染物在監測斷面B4、B7、B8、B12的質量分數較高，4環及以上多環芳烴多集中于監測斷面B11。

（2）Igeo評價結果顯示，不同重金屬污染程度按Igeo從大到小排序為Hg>Pb>As>Cu>Zn>Cr>Cd>Ni。PERI結果顯示，各重金屬生態風險危害依次為Hg>As>Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr，兩種評價結果均顯示Hg的生態風險最高，底泥呈現出以Hg為主的多種重金屬復合污染特征。SQGs評價結果顯示，重金屬及多環芳烴均不同程度超過ERL、LEL，說明污染物已經開始對底泥產生不良影響。

（3）該排污河底泥中Hg的風險水平遠高于其它元素，是構成了潛在的生態危害的主要因素。在今后區域生態環境的治理與恢復工程中，應特別關注Hg對生態環境影響。

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