沉积物中重金属释放规律研究杨丽莉,张登峰,曾向东 (昆明理工大学环境科学与工程学院,国家环境保护工业废物循环利用工程技术中心,云南昆明650093)

摘要 总结了沉积物中重金属诱发释放的影响因子,包括:沉积物所处的水环境化学条件、水流紊动强度及国内外学者关于沉积物中重金属诱发释放的最新研究得出的影响因子。通过对这一系列影响因子诱发释放作用规律的归纳,从而为解决沉积物中重金属释放的二次污染问题提供理论依据;对于水生生态系统的维护、饮用水的安全供给具有重要意义。关键词 沉积物;重金属;释放;影响因子;二次污染中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2007)27-08630-02

ResearchontheReleasing-ruleofHeavyMetalsfromSedimentYANGL-ilietal (FacultyofEnvironmentalScienceandTechnology,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093)Abstract Ingredientsonreleaseofheavymetalsfromsediment,mainlyincluding:thechemicalconditionofwaterenvironmentwheresedimentwaslocatedweresummarized,includingintensityofstreamturbulenceandtheinfluencingingredientsonreleaseofheavymetalsnewlystudiedbydomesticandoverseasresearchers.Byconcludingthisseriesofregulationsoftheinfluencingingredientsonelicitingrelease,theprinciplefoundationofsolvingthesecondary-po-llutioncausedbyreleaseofheavymetalsfromsedimentwasitsupported;whichalsoembodiedprolongsignificancesofmaintainingwaterecosystemandsafelysupplyingdrinkingwater.Keywords Sediment;Heavymetals;Release;Influencingingredient;Secondary-pollution

沉积物中重金属的释放将会导致二次污染,重金属污染的威胁在于它不能被微生物分解。然而,生物体可以富集重金属,并且能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机物。自20世纪50年代在日本出现水俣病和骨痛病,并查明这是由于汞和镉污染所引起的/公害病0以后,重金属的环境污染问题受到人类极大关注[1]。在水环境中,沉积物(悬浮物)是元素地球化学循环过程的重要控制因子,它能从天然水体中富集重金属等有害物质,起净化剂的作用,因而成为污染物的指示剂[2]。大量研究结果表明,排入水体中的重金属绝大部分能够迅速被水中悬浮颗粒和底部沉积物所吸附,并在其中富集,成为潜在的重金属二次污染源[3]。因而,研究沉积物中重金属释放的诱发因素(主要包括水体中盐浓度、氧化还原条件的变化、pH值、水环境中配合剂含量、水体紊动强度以及最新研究得出的影响因素等),对于水生生态系统的稳定和维护、引用水的安全供给、研究水环境中污染物的迁移规律以及提高对污染物可能产生的环境效应的预测能力具有实际意义和理论价值。1 沉积物中重金属释放水环境化学条件1.1 水体中盐浓度 碱金属和碱土金属阳离子可将被吸附在固体颗粒上的金属阳离子交换出来,这是金属从沉积物中释放出来的主要途径之一,例如水体中Ca2+、Na+、Mg2+等对悬浮物中Cu、Pb和Zn的交换释放作用。在0.5mol/LCa2+作用下,悬浮物中的Cu、Pb、Zn可以解吸出来,这3种金属被Ca2+交换的能力不同,其顺序为Zn>Cu>Pb。1.2 氧化还原条件的变化 在湖泊、河口及近岸沉积物中一般均有较多的耗氧物质,使一定深度以下沉积物中的氧化还原电位急剧降低,并可使铁、锰氧化物部分或全部溶解,故被其吸附或与之共沉淀的重金属离子也同时释放出来。1.3 pH值变化产生的影响 pH值降低,导致碳酸盐和氢氧化物的溶解,H+的竞争作用增加了金属离子的解吸量。一基金项目 云南省环保局科技发展基金资助项目(YNH-2005)。作者简介 杨丽莉(1982-),女,陕西汉中人,硕士研究生,研究方向:水污染控制。收稿日期 2007-07-16般情况下,沉积物中重金属的释放量随着反应体系pH的升高而降低(图1)。其原因既有H+的竞争吸附作用,也有在低pH值条件下致使金属难溶盐类以及配合物的溶解等。因此,在酸性废水排放的受纳水体中,金属的浓度往往很高。

图1 美国White河中Zn和Cu释放量与pH的关系[4]1.4 水环境中配合剂含量 天然或合成配合剂用量的增加能与重金属形成可溶性配合物,有时该配合物稳定度较大,可以溶解态形式存在,使重金属从固体颗粒物上解吸下来。除上述因素外,一些生物化学迁移过程也能引起重金属的重的新释放,从而引起重金属从沉积物中迁移到动植物体内,可能沿着食物链进一步富集,或者直接进入水体,或者通过动植物残体的分解产物进入水体。2 沉积物中重金属释放的水流紊动强度河流中重金属的释放除取决于沉积物所处的水环境化学条件外[5],还与水流紊动强度密切相关。由于河流边界条件、泥沙条件及水流紊动条件等的时空变化,水流含沙量实际上是冲刷沿程恢复、饱和挟沙及过饱和沿程淤积3种过程的交替[6]。在一定的水化学条件下,对于研究河流底泥中重金属的悬浮释放及迁移转化规律,含沙量的沿程恢复过程显得更为重要[7]。因为作为重金属次生污染源的河流沉积物,只有当它被冲刷悬浮时,才可能对河流水质构成直接威胁。根据分析结果[8],重金属释放的动力学过程实质上是各形态相互转化综合作用的结果,归属于物理化学过程。由于重金属的释放与时间有关,而水流紊动强度、平衡挟沙量并

安徽农业科学,JournalofAnhuiAgri.Sci.2007,35(27):8630-8631 责任编辑 孙红忠 责任校对 李菲菲不随时间而变化,仅仅取决于水力条件和泥沙条件,此为一纯物理过程,因而水流紊动强度对重金属释放动力学过程的影响只是通过对某一固定时刻重金属释放强度的影响来体现,不可能从根本上改变重金属释放的动力学过程。周孝德等[9]利用因次分析的方法,得出了同一时刻重金属释放浓度与水流紊动强度间的关系式:Cr=KRe1.3式中,Cr为重金属浓度,mg/L;K为重金属释放动力学常数;Re为设定参流紊动条件下的参比雷诺数。关于水力紊动条件下,不同雷诺数对应的重金属释放量与时间的关系见图2。图2 水力紊动条件下重金属释放动力学过程[9]3 沉积物中重金属释放影响因子的研究进展沉积物中重金属的释放除了与所处水环境化学条件、水流紊动强度有关外,结合国内外学者的研究状况,笔者将沉积物中重金属释放的研究进展归纳如下两个方面:3.1 沉积物中酸可挥发硫化物含量对重金属释放特性的影响 沉积物中结合重金属的主要成分为有机物、Fe-Mn氧化物和硫化物等[10]。最近研究表明,沉积物中酸可挥发硫化物(AVS)的含量对沉积物中重金属在水与沉积物间的分配行为有决定性影响[11-17]。在缺氧水体或沉积物中,许多金属能和硫化物紧密结合,由于硫化物的溶解度很低,这一过程能明显降低沉积物中重金属的移动性[12]。3.2 溶解氧对重金属释放特性的影响 从实验结果看,水中溶解氧浓度的提高并没有增加Cu和Pb的释放量,相反在连续充氮的低溶解氧条件下,样品所含Cu和Pb的释放量均高于相应样品充空气的高溶解氧条件下的释放量;Cd和Zn释放量受溶解氧浓度的影响不大;铁锰氧化物结合的重金属在缺氧环境下易于释放入水体[18]。4 结语(1)水体中盐浓度、氧化还原电位、pH值、配合剂的含量对沉积物中重金属的释放有着重要影响。(2)沉积物中酸可挥发硫化物含量、溶解氧等因素对沉积物中重金属的释放量也有一定影响。(3)从影响沉积物中重金属释放的上述因素入手,对于控制重金属的释放从而预防和改善内源污染意义深远。参考文献[1]戴树桂.环境化学[M].北京:高等教育出版社,1997:299-308.[2]廖文卓.海水pH对疏浚物中重金属释放的影响[J].台湾海峡,1994,13(4):388-393.[3]黄廷林.水体沉积物重金属释放动力学及试验研究[J].环境科学学报,1995,15(4):440-446.[4]金相灿.沉积物污染化学[M].北京:清华大学出版社,1992.[5]THOMPSONJ.Numericalsolutionofflowproblemsusingbody-fittedcoordinatesystemscomputationalfluiddynamics[M].NewYork:HemispherePublishingCorporation,1980:1-98.[6]BENQUEJP,CUNGEJA,FEUILLETJ,etal.Anewmethodfortidalcurrentcomputation[J].JWaterwaysHarboursDivASCE,1981,108:396-417.[7]WILLEMSEJFTM.Solvingtheshallowwaterequationswithanorthogonalco-ordinatetransformation[J].DelftHydraulicCommunication,1986,356:78-81.[8]吴江航.计算流体力学的理论方法与应用[M].北京:科学出版社,1988.[9]周孝德,周延林,唐允吉.河流底流中重金属释放的水流紊动效应[J].水利学报,1994(11):22-25.[10]FORSTNERU,WITTMANNGTW.Metalpollutioninaquaticenvironment[M].Berlin:Springe-rVerlag,1984:197-269.[11]ALLENHE,FUG,DENGB.Analysisofacid-volatilesulfide(AVS)ands-imultaneouslyextractedmetals(SEM)fortheestimationofpotentialtoxicityinaquaticsediments[J].EnvironmentalToxicologyChemistry,1993,12:1441-1453.[12]DITORODM,MAHONYJD,HANSENDJ,etal.Toxicityofcadmiuminsed-iments:Theroleofacidvolatilesulfide[J].EnvironmentalToxicologyChem-istry,1990,9:1487-1502.[13]CALMANOW.Chemicalmobilityandbioavailabilityofsedimen-tboundheavymetalsinfluencedbysalinity[J].Hydrobiologia,1992,235/236:605-610.[14]CARLSONAR,PHIPPSGL,MATTSONVR,etal.Theroleofacid-volatilesulfideindeterminingcadmiumbioavailabilityandtoxicityinfreshwatersed-iments[J].EnvironmentalToxicologyChemistry,1991,10:1309-1319.[15]ANKLEYGT.Predicationtheacutetoxicityofcopperinfreshwatersediments:Evaluationoftheroleofacid-volatilesulfide[J].EnvironmentalToxicologyChemistry,1993,12:315-323.[16]MORILLOJ,USEROJ,GRACIAI.Heavymetaldistributioninmarinesed-imentsfromthesouthwestcoastofSpain[J].Chemosphere,2004,55:431-442.[17]MORSEJW,MILLEROFJ,CORNWELLJC,etal.Thechemistryofthehy-drogensulfideandironsulfidesystemsjnnaturalwaters[J].EarthScienceRe-views,1987,42:1-42.[18]文湘华,HERBERTEALLEN.乐安江沉积物酸可挥发硫化物含量及溶解氧对重金属释放特性的影响[J].环境科学,1997,18(4):32-34.