復配貽貝殼粉作吸附劑對水庫水質的影響

劉尚來， 鄒 楨， 周鈺博， 滕易娜， 劉 娟

(1. 大連海洋大學 水產與生命學院， 遼寧 大連 116023； 2. 沈陽建筑大學 管理學院， 沈陽 110168； 3. 云南大學 昌新國際藝術學院， 昆明 650091； 4. 東北財經大學 管理科學與工程學院， 遼寧 大連 116025)

居民飲水安全關系到每個人的健康，水庫作為城市供水的主要渠道之一，水質的優劣將在源頭上決定城市供水的整體質量.因此，在引進水庫水源作為居民飲水來源之前，對水庫水質進行預處理顯得尤為重要.基于經濟等方面的考慮，水庫水質預處理過程要便于操作且具有實質性效果.貽貝殼[1]作為海產品類固體廢棄物，可以被利用之處微乎其微，絕大部分被當作廢棄物就地堆積.針對貽貝殼的化學成分、結構及其性質的分析發現，該貝殼粉具有多級層狀結構，其成分為95%碳酸鈣和5%有機物[2].大部分碳酸鈣經過高溫煅燒生成氧化鈣，成分中的碳酸鈣和氧化鈣都具備吸附除污性質.因此，可將煅燒貝殼粉、殼聚糖、硅藻土按比例混合形成復配貽貝殼粉[3]，當pH為7.5時，將其用作水庫水質預處理的吸附劑能夠有效吸附水庫水質中的固體懸濁物以及其他污染物質.基于此，本文以遼寧省莊河市朱隈水庫水域作為試驗樣地，將處理之后的貽貝殼作為吸附材料進行吸附作用測試，并通過綜合指數法建立評價體系，運用簡單計算對吸附前后的水庫水質進行定量評價，以評估復配貽貝殼粉所具有的吸附價值，從而發揮其經濟效益、環境效益和健康效益，為該區域居民提供更加健康優質的飲水環境.

1 數據來源和評價方法

1.1 數據來源

本文研究數據包括水域水質監測報告和國家有關水質標準文件兩類數據.水域水質監測報告數據來源于2021年1月莊河市水務局對朱隈水庫水質的檢測報告，檢測項目包括水溫、pH值、電導率、溶解氧、高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、氯化物、揮發酚、總磷、總氮、銅、鋅、氯化物、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛與石油類物質.國家有關水質標準文件數據檢測標準參考《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)[4]，且基本項目限值Ⅲ類水標準，評價標準參考《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)[5].

1.2 評價方法

根據目前現有研究文獻可知，水質評估通常采用模糊評價法、灰色系統法、組合權重法等研究方法.根據本文的研究目的和研究方法的適用性，在參考袁東等[6]提出的水質評價綜合指數法的基礎上，分析結合分指數法、最差因子判別法、內梅羅指數法與加權平均法綜合評價復配貽貝殼粉吸附前后水庫水質環境的變化程度.水質綜合指數法的優勢在于利用各種指數將復雜的水質特征通過計算整合在一起，最終以一個簡單數值來反應水體的污染程度.水質綜合指數法與常規評價方法不同的是不會因為某一項指標不合格而否定整個水樣，該方法考慮到了不同污染指標對人體危害的差異，且水質綜合指數法能夠對污染物超標程度進行定量評價.常規水質評價方法多數只能定性評價水體質量，無法衡量水體間各類污染指標對整體水質的影響程度.

1.2.1 分指數法

分指數可以表示為

Ii=Ci/Si

(1)

式中：Ci為i指標的實測濃度；Si為i指標的國家標準限值.進行分指標處理能夠很好地處理各個子指標測度單位不統一所造成的評估差異問題.

1.2.2 最差因子判別法

最差因子判別法測度公式為

WQIi=Iimax

(2)

式中：WQIi為各分類指數；Iimax為分指數最大值.該種方法最大優點就是不會掩蓋污染問題，可以用于評價對人體健康影響顯著的指標.

1.2.3 內梅羅指數法

相對于能對人體健康產生較大影響的指標，那些對人體健康影響不顯著的指標適用內梅羅指數法，其表達式為

(3)

1.2.4 加權平均法

按照健康意義對各項指標進行分類，再結合各類指標的綜合指數，賦予各類指標權重進行加權計算，得出水庫水質綜合評價指數表達式，即

(4)

式中，Wi為各分類指標的相對權重值，其數值可以參考既往研究成果[7].

將朱隈水庫水體指標分為感官和一般化學性指標、一般毒性指標、有機污染類指標、腸道傳染病類指標、致癌類指標五類，具體權重結果如表1所示.在致癌類指標中Ⅰ、ⅡA、ⅡB、Ⅲ類指標權重分別為0.5、0.3、0.14和0.06.

1.2.5 評價等級的建立

本文以WQI是否低于1.00作為判斷水質是否合格的標準，具體分級結果如表2所示.

2 試驗材料、儀器與過程

2.1 試驗材料與儀器

試驗材料主要包括：煅燒貝殼粉(貨號為034)，粒徑為6.175 μm，煅燒溫度為1 200 ℃，煅燒時間為1.5 h，產地為河北光輝礦業有限公司；殼聚糖BR脫乙酰甲殼素(化學純)，產地為上海國藥集團生物試劑有限公司；煅燒硅藻土助濾劑(型號為ZC3000#)，粒徑為5.37 μm，產地為武漢普洛夫生物科技有限公司.主要試驗儀器包括：pH計(型號為PHSJ-4F)、生化培養箱(型號為SPX-2508-Z)、可見分光光度計(型號為7230G)、紫外可見分光光度計(型號為L5S)、離子色譜儀(型號為ICS 600)；原子熒光光度計(型號為AFS-933)、便攜式溶解氧儀(型號為JPBJ 608)和原子吸收光譜儀(型號為PINAAc le900H).

表1 朱隈水庫水質指標分類及其權重Tab.1 Classification and weights of water quality indicators of Zhukuma reservoir

表2 評價等級的劃分與意義Tab.2 Division and significance of evaluation grades

2.2 試驗過程

3 試驗結果與改善效果評價

3.1 試驗結果

復配貽貝殼粉吸附試驗的測試結果如表3所示.復配貽貝殼粉對水庫水質中總磷[8]、總氮[9]具有明顯吸附效果，原水體中的氮、磷元素含量明顯下降；同時對水庫水質中的金屬元素也具有一定的吸附能力，原水體中的銅、鋅等金屬元素含量也略有下降；最為關鍵的是，水體致癌類指標中的重金屬元素砷、鎘[10]、汞、鉛[11]含量均明顯下降.相關污染指標的下降表明復配貽貝殼粉作為水庫水源預處理吸附劑具有較強的吸附除污能力，因而復配貽貝殼粉作為水質預處理的吸附劑頗具實踐意義.吸附試驗只能定量反映各污染指標數值的變化，并未體現是否能夠提升水質飲用等級，以及具備何種健康意義.因此，需要結合綜合指數評價體系進一步評價復配貽貝殼粉對水庫水質污染指標的凈化程度.

3.2 改善效果評價

考慮到一般毒性指標、有機污染類指標、腸道傳染病類指標以及致癌類指標對人體健康影響較大，故采用最差因子判別法進行評價，感官和一般化學性指標不會對人體健康產生顯著影響，可用內梅羅指數法進行評價.首先計算出各類指標的分指數和類綜合指數，最后采用加權平均法得出水質綜合評價指數.根據評價等級確定WQI所在級別與其所具備的健康意義.

朱隈水庫水質主要污染指標變化情況如表4所示.由表4可見，經復配貽貝殼粉預處理后水體的感官和一般化學性指標的類綜合指數為0.351 0，約提升0.31%；一般毒性指標的類綜合指數為0.091 6，約降低25.29%；有機污染類指標的類綜合指數為0.075，約降低31.19%；致癌類指標的類綜合指數為0.133，約降低20.83%.此外，經復配貽貝殼粉預處理后水體的水質綜合指數為0.65(原水體為0.75)，約降低13.33%.

表3 復配貽貝殼粉吸附結果

表4 預處理前后類綜合指數變化情況Tab.4 Changes of class synthetic index before and after pretreatment

朱隈水庫水質主要污染物指數情況如表5所示.由表5可見，經復配貽貝殼粉吸附前后，高錳酸鹽指數、揮發酚、生化需氧量、氰化物、氟化物、氨氮的類綜合指數差異不大，銅、鋅金屬元素的類綜合指數分別下降0.03和0.013；總磷、總氮的類綜合指數分別下降0.2、0.04；砷、汞、鎘、六價鉻、鉛重金屬元素的類綜合指數分別下降0.001、0.12、0.002、0.028、0.005.經分析可知，復配貽貝殼粉對水庫水質中污染指標的吸附性強弱次序為：有機污染類指標>致癌類指標>一般毒性指標>感官和一般化學性指標；對污染指標中具體污染物的吸附性強弱次序為：總磷>汞>總氮>銅>六價鉻>鋅>鉛>鎘>砷.采用復配貽貝殼粉對水庫水質進行預處理后，水質綜合指數可以降低0.1，而有機污染類指標與致癌類指標的類綜合指數的降低對水質綜合指數的降低具有巨大貢獻.鉛、鎘等重金屬在較低濃度時就可以對人體的神經系統[12]、生殖系統和免疫系統等造成傷害.銅、鋅雖然是人體中的必需元素，但過量的銅和鋅也會造成人體機理紊亂，危害人體健康，因而其含量的下降對人體健康而言頗具衛生學意義.此外，復配貽貝殼粉對有機污染類指標中磷元素吸附能力較強的主要原因為：復配貽貝殼粉具有多級層狀結構，經過煅燒后其空間和結構特征幾乎不變，但比表面積增大[13].復配貽貝殼粉對一般毒性指標中汞的吸附效率較高的原因為：水體中的磷元素可與汞元素形成Hg3(PO4)2[14].

表5 朱隈水庫水質主要污染物指數情況Tab.5 Water quality indexes of main pollutants in Zhukuma reservoir

4 結 論

通過以上分析可以得出如下結論：

1) 復配貽貝殼粉作吸附劑可以顯著降低有機污染類指標與致癌類指標.經復配貽貝殼粉預處理后水體的水質綜合指數為0.65，水質處于Ⅱ類水標準，水質較好，符合飲用標準.

2) 復配貽貝殼粉對感官和一般化學性指標中的銅、鋅金屬元素的吸附能力較強，對其他污染物吸附能力較弱甚至無吸附能力.

3) 復配貽貝殼粉對有機污染類指標中的總氮、總磷的吸附能力較強，尤其是對磷元素的吸附效果最為明顯.復配貽貝殼粉對氨氮具有一定吸附能力，但吸附效果不明顯.

4) 復配貽貝殼粉對一般毒性指標、致癌類指標中的重金屬元素汞、鎘具備較強的吸附能力，對砷、鉛、六價鉻的吸附能力偏弱.