陽澄湖地區水體重金屬銻的總量控制

閔志華

(重慶水利電力職業技術學院,重慶 402160)

銻(Sb)是一種廣泛分布于自然界的非生物體必需的兩性稀有重金屬元素,與砷同屬第V主族,兩者在化學性質上有一定的相似之處[1鄄2]。在自然界中,銻主要以-3、0、+3、+5這4種價態存在,其價態與其毒性大小密切相關,其毒性由大到小依次為Sb、Sb3+、Sb5+、有機 Sb。 天然水體中,銻以 Sb3+、Sb5+及有機Sb(包括一甲基次銻酸和二甲基次銻酸)的形式存在[2]。銻及其化合物有廣泛的用途,主要用于生產陶瓷、玻璃、電池、油漆、煙火材料、阻燃劑、剎車片及紡絲聚合時的催化劑,還用于生產半導體、紅外線檢測儀、兩極真空管及用做驅蟲劑等[2鄄5]。隨著銻及其化合物在工業上的大量使用,導致了環境中銻的含量急劇增加,已成為一種全球性的新污染物[6鄄7]。銻及其化合物因其毒性和致癌性已被美國環境保護署(USEPA)和歐盟(EU)列為優先控制的污染物[1鄄3]。近年來,國內外學者對環境中的銻開展了研究,劉飛等[8]揭示了不同形態銻在水-沉積物體系中的遷移轉化機理;張亞平等[9]從水、土環境中銻污染的現狀出發,對銻在環境中的存在形態與化學行為以及污染控制方法與技術手段的相關研究進行了綜述;黃艷超等[10]總結了目前各國水環境中銻污染現狀和主要修復方法的研究進展。然而關于水體銻總量控制方面的研究尚不多見。2014年8月至2015年5月,陽澄湖水源地銻濃度多次超標,嚴重威脅飲用水源安全。為此,本文對陽澄湖地區水體銻的總量控制進行研究,以期為陽澄湖地區銻污染防治提供科學依據和技術支持,也為類似地區銻的總量控制提供借鑒。

1 研究區概況

陽澄湖位于蘇州市區的東北部,跨蘇州市區、蘇州工業園區及昆山市,是太湖流域重要的淡水湖泊之一[11]。陽澄湖作為蘇州“四角山水冶的重要組成部分,是蘇州重要的戰略備用水源,其水質變化關系到湖區周邊近百萬居民的飲用水供給安全,它同時還承擔著養殖、旅游、航運和維持生態平衡的作用。陽澄湖東西寬約11 km,南北長約17 km,總面積約119 km2,分為東湖、中湖、西湖3個湖區,其中東湖最大,3湖之間有河道相通[12]。3湖平均水深分別為1郾70 m、1郾80 m 和 2郾65 m,最大水深 5 m,湖內常水位2郾90m左右,容積1郾7億m3。陽澄湖有出入湖河道63條,其中西面和北面以入湖為主,東面和南面以出湖為主。本次研究區域為:西至望虞河和西塘河,北至長江,東至鹽鐵塘和常熟市縣界,南至婁江,以及兩條引水通道七浦塘和楊林塘沿岸縱深1 km范圍,涉及蘇州市相城區、蘇州工業園區、常熟市、昆山市和太倉市,面積約1700km2。研究區域內相城區涉及渭塘鎮、陽澄湖鎮、黃埭鎮、太平街道、元和街道、北橋街道、黃橋街道;常熟市涉及梅李鎮、古里鎮、沙家浜鎮、支塘鎮、董浜鎮、碧溪新區,以及海虞鎮、虞山鎮、尚湖鎮、辛莊鎮的望虞河東側區域。

2 污染源調查

2.1 含銻廢水來源

通過對研究區域內工業廢水的調查發現,陽澄湖湖體中的銻污染主要源于紡織印染企業排放的廢水。紡織印染企業在化纖絲的聚合過程中以乙二醇銻或三氧化二銻作為催化劑,以化纖絲和化纖布為原料的印染、紡織、纖維紡絲工藝均有銻析出,紡織和纖維紡絲工藝一般析出的銻較少,進入城鎮污水處理廠稀釋后基本可達標;印染的前處理工藝(退漿和堿減量)需要高溫高壓,銻的析出量較大,一般在1000滋g/L以上,是廢水中銻的主要來源。

基于現場調研和資料收集,相城區涉及紡織印染企業共94家,其中2家企業的印染廢水直排入河道,92家企業的印染廢水均接入相應的集中式污水處理廠,尾水主要排入界涇、渭涇塘、元和塘、冶長涇、十字港等河流,主要通過陽澄湖西線河流入湖。常熟市涉及紡織印染企業117家,其中接管企業共88家,直排企業29家,尾水主要受納河流為常滸河、白茆塘、張家港等,含銻廢水主要通過陽澄湖北線河流入湖。

2.2 污染負荷計算

基于對直排企業和污水處理廠含銻廢水的統計結果,相城區含銻廢水排放合計為51 375 t/d,常熟市含銻廢水排放合計為115074 t/d。直排企業和污水處理廠含銻廢水排放情況見表1。

由于常熟市望虞河以西的10家企業廢水(約10365t/d)最終排入四新河和錫北運河,不進入陽澄湖,因此研究區域內含銻廢水排放量約為156084t/d。

表1 含銻廢水排放情況

2015年4月21日和5月13日對研究區域內接納紡織印染企業廢水的主要集中式污水處理廠等污染源中銻的質量濃度進行檢測,平均值為79郾30滋g/L,具體結果見表2。經統計計算得銻的現狀排放量為12郾38 kg/d。

表2 主要集中式污水處理廠尾水中銻的質量濃度

3 水環境容量計算

3.1 計算方法

銻為難降解的重金屬污染物,為考慮不利情況,保證環境容量計算結果的安全性,只考慮其稀釋容量,不考慮其降解容量,計算方法[13]為

式中:W為銻的水環境容量;Q0為來水稀釋流量;Q1為含銻廢水排放流量;籽s為目標質量濃度;籽0為來水中銻的質量濃度本底值。

3.2 計算參數

a.水體水質目標。陽澄湖作為戰略備用水源地,其銻的含量應滿足GB3838—2002《地表水環境質量標準》中集中式生活飲用水源地特定項目標準,銻的質量濃度標準限值為0郾005 mg/L,即籽s=0郾005 mg/L=5滋g/L。

b.來水稀釋流量。來水流量主要包括西線望虞河的補充水以及北線常滸河和白茆塘的引長江水及常熟第三水廠補充水。望虞河來水有3種情景:一是平水年平均流量42郾8 m3/s;二是枯水年平均流量17郾3m3/s;三是極端最枯流量 8郾9 m3/s。 2011—2014年常滸河和白茆塘的平均引水量分別為1郾17m3/s和1郾61 m3/s。

c.含銻廢水排放量。研究區域內含銻廢水排放量為156084 t/d,故Q1=156084 m3/d。

d.來水銻質量濃度本底值。在研究區域上游的望虞河龍墩橋和長江常熟第三水廠取水口進行采樣檢測,銻的質量濃度本底值分別為3郾26滋g/L和1郾34滋g/L。

3.3 計算結果

按照望虞河來水的平水年平均流量、枯水年平均流量、極端最枯流量3種流量條件對研究區域的水環境容量進行計算,計算結果見表3。

表3 銻的水環境容量計算結果

計算結果表明:來水稀釋流量越小,銻的水環境容量越小。在最不利條件即極端最枯流量8郾9 m3/s的情況下,陽澄湖地區銻的水環境容量為3郾0 kg/d。為保證飲用水安全,并確保在各種情景下區域內銻排放量均不超出環境容量,研究區域內銻的水環境容量取 3郾0 kg/d。

4 總量控制研究

4.1 銻排放質量濃度限值

根據銻的水環境容量計算結果,采用下式計算區域內各污染源銻排放濃度限值籽限:

根據式(2)可計算得研究區域內含銻廢水中銻的允許排放質量濃度僅為19郾22滋g/L。由于考慮的最不利條件是理論情況下的,因此,建議各直排點源及集中式污水處理廠的出水銻質量濃度標準限值為20滋g/L。

4.2 總量削減方案

根據最不利條件確定的銻的水環境容量為3郾00 kg/d,而現狀銻的排放量約為12郾38 kg/d,因此銻排放量需削減9郾38 kg/d,削減率為75郾8%。

根據主要集中式污水處理廠排放的尾水中銻的質量濃度,計算其削減率,結果見表4。對于其他直排紡織印染企業,若尾水銻濃度不能達到20滋g/L的限值,建議對其停產整改,直至滿足尾水銻質量濃度在20滋g/L以下之后方可恢復生產。

表4 集中污水處理廠尾水銻削減率

5 結 語

本文調查了陽澄湖地區含銻廢水污染源,計算了研究區域內銻的水環境容量,在此基礎上建議紡織印染直排企業及接納含銻廢水的集中式污水處理廠尾水中銻的排放質量濃度限值為20滋g/L,制訂出陽澄湖周邊主要紡織印染直排企業及接納含銻廢水的集中式污水處理廠尾水中銻削減方案,為陽澄湖地區水體銻的總量控制提供了理論依據,同時為類似湖泊的重金屬總量控制提供了借鑒。本文銻的污染負荷計算結果精確度可進一步提高,對涉及銻企業的含銻廢水均應統計水量和檢測銻質量濃度;銻是持久性污染物,可加強底泥中銻的釋放和沉積的機理研究。

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