中国水环境重金属污染的研究现状与防治对策
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3/2002漳州职业大学学报
中国水环境重金属污染的研究现状与防治对策
陈双雅
摘要:本文以公开发表的文献资料为依据,阐述了中国水环境重金属污染的现状。近年来,各国科学家开展多方面工作,水环境重金属污染的研究取得重大进展,本文介绍了水环境重金属
污染的防治对策。
关键词:环境科学
中图分类号:X592
水体污染水环境重金属
防治
文献标识码:A文章编号:1008—2913{2002}03—0054—05
由于自然资源的开发及废弃物重返水环境,在许多国家和地区,已经超出自然水体的自净能力,造成了严重的水环境污染。因此,水环境污染已成为世界各国普遍关注的课题。重金属污染是水环境污染的一个重要方面。随着工农业的发展,包括重金属在内的大量污染物排人河流,造成了水质El益恶化,也带来了一系列严重后果。日本曾出现由汞污染引起的“水俣病”和镉污染引起的“骨痛病”事件。为了控制和治理水体重金属污染,保护人类生存环境,国内外开展了大量的研究工作。本文就中国水环境重金属污染的现状、水环境重金属污染研究进展及防治对策进行了
综述。
明显增高。[11乐安江受德兴铜矿的影响,表层沉积物也受到重金属严重污染,主要超标重金属是Cu、孙、Pb等,沉积物生态风险性指数评价结果表明,乐安江沉积物具有潜在的生态危害性。【21
浙江于岛湖湖底沉积物中,Cd、Hg、Zn的自然富
集系数大于正常值的两倍,呈现Cd、Hg、办污染的迹
象o
13]
南京玄武湖属浅水型湖泊,湖水主要靠钟山北麓雨水供给,湖底沉积物中重金属的含量均超过南京相应地区冲积土中重金属的平均值,主要重金属污染物
为Zn、Cu、Cr、Hg。川
南四湖位于山东省西南,是南阳、独山、昭阳、微山四湖的总称,是山东省最大的浅水型淡水湖泊,底
1中国水环境重金属污染现状
影响水质的重金属元素很多,而水体沉积物中的重金属的含量又受到多种因素的影响。例如,区域水文地质条件、土壤条件、水质酸碱特征、水体氧化特征、工业废水的排放等等。因此,不同水体常常存在不
同的重金属污染。
质中重金属污染物主要是Cr、Hg。151
滇池水系也受到重金属污染,主要污染元素为
Sn、Pb、Cr、Hg。‘51
四川凉山州大桥水库是一座大型综合利用工程,流域内无大中型工矿企业分布,工业污染源极少,监测结果表明,水体中仅铜元素超标,底泥中重金属检出项目较多,含量大体与上游背景值相近,主要是库区地壳矿物质背景条件偏高所致,而人为影响次要。【61
风雨湖位于湖南省吉首市吉首大学新校区内,由于工业和生活污水的排放,大肠菌群已严重超标,但水样重金属离子均未超标。【7,
苏州河上海市区段,底泥呈现cr和Cd污染状
江西鄱阳湖地处中国中部,是中国最大的淡水湖,受江西德兴铜矿开采的影响,目前其沉积物中Pb、Cu、Zn、Cr、bin、Cd、Hg含量均高于正常土壤背景值。其中,以zn、Pb、Cu、cr较为严重,这些重金属可以随着水体的活动而稀释出来,造成湖水重金属的含量
中国水环境重金属污染的研究现状与肪治对策・55・
态,Cr污染尤为严重。18]
水环境中重金属存在形态包括溶解态(溶解于河广东省浈水河水体由于铅锌矿区的矿尾砂和矿水中)和颗粒态(存在于悬移质中的悬移态及存在于区废水的排放,沉积物及悬浮物中Pb、zn、cd含量较表层沉积物中的沉积态)。水环境中的重金属存在于高,并且对下游地区有污染隐患。191
水相中甚微,绝大部分均结合于颗粒物中。排入水体条子河属于辽河水系,在吉林四平市内受工业和的重金属污染物,由于各种物理、化学过程,迅速由水生活污水的污染较严重,底泥中污染的主要重金属为
相转入固相,首先吸附于悬浮物中,而悬浮物在随水(:r、Pb、Cd、Cu。【10I
流运动过程中,逐步转移为沉积物。大量的研究也表长江干流地区重金属污染尚不存在超标情况,但明,在受重金属污染的水体中,水相中重金属的含量在某些支流地区仍存在重金属?亏染,有的还比较严很低,即使接近污染物排放口,水中重金属的含量也苇,如江西境内铙河cd和Pb超标;赣江cd和Pb超不高。而且随机性很大,常受排放状况与水力学条件
标,靖江六价Cr为主要污染物,长江某些江段即使在影响,含量分布往往无规则。沉积物中重金属的含量
丰水期仍有Hg轻度超标。Ill!这些支流的污染主要来
比相应水相中的重金属含量高得多,常常得到积累,源于支流地区的化工、造纸、印染、电镀等以排放重金
并表现出较明显的含量分布规律性。因此,对沉积物属污水为主的企业,污染的支流仍会影响到长江整个进行研究常可反映水系受污染的状况。近年来,沉积流域水质,并由生物食物链富集,从而可能进入人体,
物分析已经成为一个新的领域,成为追踪内陆和沿海造成极大危害。
水体人为污染影响的重要途径。
香港淡水资源来自天然的河流,其河流众多,均2.2由对重金属的总量研究转向其化学形态的研
属山区河流。香港众多的河流中,已有2/3以上被工究
业废水、禽畜废物及生活污水所污染,水质严重恶
不同金属,不同的形态对生物的作用是不同的,化。对锦I日河、城门河、屯门河和大埔河沉积物中主要
往往只是金属的某种形态或某几种形态才会被生物重金属含量的分析测定表明:各河流基本上属轻微生所吸收,对生物造成危害-。另一方面,水中的重金属离态危害或接近中等生态危害,产生生态危害的主要重
子在…定条件下,有相当多的一部分会进人沉积物,金属污染物是Cd、Cu、Pb、zn。Il'1
而在条件变化时,它们又会从沉积物重返水相。在此海南三亚湾近些年来,随着旅游业的兴旺,海湾
过程中重金属离子反应进行的方式和程度,皆取决于水质呈轻度污染状态,河口水质已接近严重污染,重
水体和沉积物中金属的形态、水质条件、沉积物组成金属Pb的含量明显超出标准,Cu、zn含量虽未超出和环境因素等。因此,研究水体中重金属的化学形态标准,但也表现出近岸含量高,远岸含量低的特点,表
及转化规律。对于弄清水体污染状况,采取有效的污
明存在着较大的人为活动影响。除正常河流输人、污染控制措施非常必要。
水排放外,H益增多的海上船舶交通对重金属的输人
研究水体中重金属存在形态的方法主要是
作片j也小町低估。113,14|
Tessier等人提出的逐级化学提取法。
现行的地面水环境质量标准,是以总锌、总镉、总水体中颗粒态重金属的存在形态可分为离子交铅的浓度(rag/L)来进行分类的,而造成水体污染的换态、碳酸盐(又称颗粒有机碳particulate
organic
ear.
重金属有多种不同形态,并非水体中重金属的所有形bon,POC)结合态、铁锰水合氧化物(FeOOH、MnOOH)态都具有毒性效应,所以对水体重金属化学形态及迁结合态、有机硫化物(又称酸可挥发性硫化物,acid
移转化的研究也同样具有霞要意义。
volatile
suhide,AVC)结合态及残渣态。其中离子交换
态和碳酸盐结合态易被生物吸收,铁锰水合氧化物结
2水环境重金属污染研究概况
合态对生物有潜在有效性,而后两种形态较稳定,不易被生物吸收利用¨引。至于在水中,大部分重金属的本文所指水环境,包含水、悬浮物和表层底泥。对溶解度随水中PH值的增加而明显减少。
水环境熏金属污染的研究,各国科学家开展了多方面2.3研究水体重金属的迁移转化过程
的工作,近年来的研究重点包括以下几个方面:
重金属在水体的迁移转化过程几乎包括水体中2.1由对水中溶解态重金属的研究转向对悬浮物
各种已知的物理、化学及生物过程,这些过程同时发沉积物中结合态重金属的研究
生,综合作用。其中,重金属在水体中的迁移、吸附与
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释放十分重要。
物重金属的浓度。即RI值应随表层金属污染程度的
2.3.1水溶态重金属的迁移能力分析
水溶态的金属,直接随水流往下迁移,所以它迁移最快,迁移也最远。如果水中几种金属元素含量都很高,则迁移能力与它们与水中溶解度有关。
2.3.2水中重金属的吸附
研究水体重金盾吸附的模式包括Henery型、
Langmuir型和Freundlich型。115
I
加重而增大。(2)重金属?亏染物的种类。即受多种重金属污染的沉积物的RI值应高于少数几种重金属污染的沉积物的RI值。(3)重金属的毒性水平。即毒性高的重金属应比毒性低的重金属对砒值有较大的贡献。(4)水体对重金属污染的敏感性。即对重金属污染敏感性较大的水体应比敏感性小的水体有较高的RI
值。
对水中重金属的吸附有较大影响的因素包括泥沙粒度、温度、PII值等。一般泥沙粒径越小,吸附量及
吸附速度越大;温度升高,吸附速度增大,解吸速度减
少;PH位升高,吸附速率增大,解吸速率减少。其它影响因素还包括水体泥沙浓度、泥沙存在方式、矿化度
等:,
2.3.3底泥中重金属释放
对于底泥中重金属释放影响最大的因素是pH值及氧化还原电位E,pH值与E以一定的地质地理条件为背景,在正常情况下,具有一定的稳定性,需要指
出这种稳定性只是相对的,实际上,底泥中的重金属
在天然条件下也能释放,但是酸性条件下更易释放,碳酸盐结合态的金属pH变化最敏感,pH降低时会释放出来。有机硫化物结合态金属较稳定,一般情况下不易释放,但能被氧化而释放。残渣态金属包含在矿物晶体中,最稳定,很难释放。除此之外,对释放影响较大的因素还有泥沙浓度、颗粒粒径、沉积物污染浓
度、温度、有机质等。
邬建中等对浈水水体的重金属迁移与吸附特性进行了研究(1996),结果表明,浈水河水体的Pb、Zn、
Cd以悬浮物中含量为主,重金属迁移与水土流失有
义,I目此防止水土流失是减少污染物扩散的重要措
施。19’
2.4从沉积物角度应用潜在生态危害指数法(The
PotentialEcologicalRisk
Index)等方法进行重金属对环境的污染评价
瑞典科学家Hakanson的潜在生态危害指数法,
不仅反映了某一特定环境中的各种污染物的影响,而
且也反映r多种污染物的综合影响,并且用定量的方
法划分出潜在生态危害的程度。从目前来看,在研究沉积物中重金属对环境的影响评价中,Hankanson的潜在生态危害指数法是众多污染指数中应用最广的
・种,在国际上具有深刻影响。
考虑到影响污染的各方面,潜在生态危害指数
(简称RI值)受F列因素的控制和影响:(1)表层沉积
贾振邦等(1997)应用该方法对香港四条河流重金属污染的潜在生态危害进行了分析,结果表明4条
河流基本上属于轻微生态危害和接近中等生态危害的河流,主要重金属污染物是(:=(i,其次足Cu、Pb.然后
是Zn。㈦
2.5水体沉积物中重金属生物毒性评价
最金属的生物毒性主要反映在:与蛋白质的一SH
结合引起蛋白质变性凝集,从而影响酶的生物活性、贫血及神经元的皱缩损伤;与核酸结合,引起核酸裂解,影响细胞分裂、DNA复制及转求,从而在细胞水、r
上表现出染色体畸变。
2.5.1重金属形态对生物毒性的影响
重金属元素的毒性都是以金属的不同形态与生物分f配体结合的。重金属的牛物毒性不仅与其总量有关,更大程度上由其形态分艄决定二运用阳极溶出伏安法(ASV)、离子交换树脂法、膜滤方法、有机萃取
法,可以分析重金属的形态,从而来评价环境中重金
属对生物体的毒性。II乱17J
一系列研究表明游离的水合重金属离子(或问隙水中的自由金属离子)是生物可吸收的形态,能直接产生生物效应,而沉积物的系金属浓度和沉积物水化积物中重金属的毒性。
2.5.2沉积物重金属毒性评价方法
对评价重金属的生物毒性而言,毒理学方法是唯
象,通过它们的存活时问或繁殖量等指标直接判定毒
由J二敏感性低,仍大量使用非底栖牛物,包括细菌、浮
面,由于沉积物的毒性‘-j问隙水的污染程度密切相
关,因此间隙水相是进行沉积物毒理学的理想实验相。1181实验中,酸度、某峰无机离f(如ca“、M92+)、
法、色谱法(GC、LC)与光谱法(AAS、AES)联用等方学通过控制问隙水中的自由离了-的活度,从fnf影响沉一可靠的方法。即在生物体和细胞水平上以生物为对
性人小。底栖动物是检验沉积物毒性的最好生物,但游植物、大型植物、浮游动物、鱼和两栖动物。另一方有机物(如腐植酸HA)等对最金属毒性均有影响。117l
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近年来,生物指标(biomarker)被引入沉积物毒理学巾,以酶、蛋白质和核酸等生物大分子为对象,应用分子生物学技术和手段进行环境检测和保护逐渐受到人们的高度重视。利用鱼m清乳酸脱氢酶和血清过
氰化物酶检测废水和底泥重金属污染已有成功报道:,119J而金属硫蛋白(Metallothionein,MT)对水域重
金属污染的监测也极具发展前景。l'0l由于MT富含Cys.因此可牢固结合犬量重金属。正常情况下,鱼体内MT含量很低,当受到重金属污染时,体内解毒系统就会诱导合成这类蛋白质。利用示差脉冲极谱法、HPI。(:、门I.(j、免疫化学法、Northez・n印迹杂交技术、酶联免疫吸附技术(ELISA)等化学、分子生物学技术和
手段可对MT进行检测,从而监测水域的重金属污
染,,张林等(1997)提出了一种新的生物毒性试验方
法,原理足根据水中有毒物质对细菌细胞脱氢酶活性的抑制程度来评估水质毒性大小:应用该方法,张林测定r水中多种重金属的毒性,结果农明重金属离子Cdh、cuh、Pb2+、Ag+、Zn’+、I{岔+等均对细菌脱氢酶具有较大抑制作用。I
2¨
毒理试验能直接反映化学物质对水坐生物的影响j除此之外,数值汁算方法根据沉积物重金属的结合与释放机制模型,计算金属在沉积物和问隙水之间
的分配和形态,预测和评价沉积物金属的毒性。基准法利,lj水质和沉积物基准,也足一种常用的预测和评价沉积物重金属毒性的方法。1埔’
3水环境重金属污染的预防对策
最会属离了是有毒的,在环境中4:易转化。环境中的_i五:金属离予通过各种途径进入水体,经过水体中
各种生物链的富集,最终由水产品进人人体,并对人的健康产牛危害。
3.1去除水中重金属离子的对策
传统的处理方法有:离子交换法、化学沉淀法、电
解法、j:浮法、吸附法等。其中吸附法是通过投加吸附剂去除水体重金属的水处理方法,价廉高效。这些吸
附剂包括天然矿物(如蒙脱百、磁铁矿等)、工业剐产物(如炼销J二业中碱浸残渣和电J‘煤灰均富含铁氧化
物和铝硅酸钠及高岭土等)、有机复合材料(如聚乙烯硅一聚乙烯胺复合材料)、单宁类、壳聚糖和其它生物吸附剂等。1221大多数吸附剂对/1if,11币=会属离了的吸附
能力有差别,利用这个差别可能有利于重金属离子的分离与回收。其巾生物吸附法的吸附材料米源广泛,
其中原核微生物中的细菌、放线菌,真核微,E物中的
酵母菌、霉菌都具有吸附重金属的能力,椠些海藻也
表现出极强的吸附重金属能力。近年来,鸡蛋壳膜、红树叶碎屑也被用于I吸附废水中的重金属12引。生物吸附
法作为一种新兴的处理技术,rl:I于其材料来源丰富、吸附量高、吸附速度快、成本低等特点,在处理低浓度
最金属废水方面,有着极为广阔的前景。同时,应加强基因工程研究,构造具有强吸附能力的一I:程菌,继续
加强多组分金属离子吸附的研究和加强生物吸附机
理的研究,从而为进一步工、Jk放大提供口T能.;
3.2消减底泥中重金属的对策
底泥中重金属在一定的物理化学条件下会向水体释放,从而导致水质恶化。对于水体中重金属的治理而言,
一方面婴减少外源性污染物的排放,另一方
陬要改善I:Jj’J源性环境。冈此提出如下对策:
(1)减少外源性重金属的进入。要大力控制污水
中重金属的排放,尽可能建诳污水处理厂。
(2)涮书水质的氧化特性和酸碱度。以控制河流底泥中最金属向水体释放,造成二次污染:
(3)对严重污染的戚泥的治理。对E层底泥疏浚,并填入清洁泥沙或碎石,可以有力地抑制底泥对河水
的■次污染,若用具有吸附功能的粘土作为铺填物,
则有望进一步改善水质。
(4)进行水体生态修复‘』重建。有必要栽培一些
耐性较强且速生的植物,攀取底泥中的重金属。
(5)有些河流水体的重金属是以悬浮物中含量为主,悬浮物来源于水七流失,冈些减轻重金属污染、迁
移扩散的途径主要足开展丰jIi树造林,防止水士流失。
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