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建立水体沉积物重金属质量基准的方法研究进展

2003年7月内蒙古大学学报(自然科学版)Jul.2003第34卷第4期ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisNeiMongolVol.34No.4

文章编号:1000-1638(2003)0420472206

建立水体沉积物重金属质量基准的方法研究进展①

王立新1,陈静生2

(1.内蒙古大学生态与环境科学系,呼和浩特010021;

2.北京大学城市与环境学系,北京100871)

摘要:利用20世纪90年代以来加拿大、美国佛罗里达、澳大利亚、新西兰、英国、荷兰及中国

香港等国家和地区水体沉积物质量基准研究的最新资料,综述了建立水体沉积物重金属质量

基准的方法研究新进展,重点介绍了目前国际上广泛采用的用于制定沉积物质量基准的两种

方法—基于生物效应数据库的响应型阈值法(生物效应数据库法)和基于分配模型的相平衡分

配法.

关键词:沉积物质量基准;重金属;生物效应数据库法;相平衡分配法;方法

中图分类号:X142 文献标识码:A

大量研究表明,水体沉积物既是微量污染物(如重金属和持久性有毒有机物)的汇,又可能是对水

质具有潜在影响的次生污染源,而目前各国的水质基准只关注上覆水(watercolumn)的水质评价和

管理,却忽视了水体沉积物对水质的重要影响〔1〕.为了有效保护水环境质量和水生态系统健康,需要

建立与水质基准相应的水体沉积物的质量基准(SedimentQualityCriteria󰃗Guideline,SQC或SQG),

包括重金属质量基准和有机物质量基准〔2〕.但由于沉积物中污染物化学行为和生物效应的复杂性,对

沉积物质量基准的研究直到80年代中后期才开始取得有意义的进展,目前正成为水环境管理、水环

境化学和生态毒理学研究的热点问题之一.尤其近10多年来,随着沉积物中重金属污染问题的日益

严重,以及底泥疏浚工作的需要,在研究和制定沉积物质量基准方面取得了长足的进展,部分国家和

地区都已经或正在制定适合本国或本地区的重金属SQC.

与国际上相比,我国在此领域尚无系统研究工作.国内学者曾分别从不同角度撰文介绍国际上对

此问题的研究进展〔3,4〕.中科院生态环境中心结合鄱阳湖水系乐安江河沉积物质量评价工作,探讨了

应用平衡分配法建立河流沉积物重金属质量基准的问题〔5〕.黄河水源保护研究所的张曙光等结合鱼

体实验应用平衡分配法研究了黄河部分河段沉积物重金属质量基准的建立问题〔6〕.陈静生亦曾以北

京和唐山的实际土壤为例,研究了建立以保护地下水为目标的土壤重金属质量基准的理论和方法〔7〕.

但从总体上来说,我国在此领域的研究工作十分薄弱,急待对这一问题开展研究.

目前制定SQC的方法很多,如:背景值法、水质参数法、相平衡分配法、整体沉积物毒性法、间隙

水法、生物组织残余法、生物检测法、水平筛选法、表观效应阈值法、生物效应数据库法和沉积物质量

三合一法等〔8〕.但对各国用于制定重金属SQC的方法总结起来,只有两种制定方法占据着主导地位:

一种是经验的方法,即基于生物效应数据库的响应型阈值法(生物效应数据库法);另一种是基于平衡

分配模型的相平衡分配法〔9〕.其中,加拿大、美国佛罗里达、澳大利亚、新西兰和中国香港等国家和地

区重金属SQC的制定主要利用生物效应数据库法,而荷兰和英国等则利用平衡分配法.所以本文作

者在查阅国内外最新资料的基础上,对建立水体沉积物重金属质量基准的方法研究进展情况作一综

①收稿日期:2001211209基金项目:国家自然科学基金(49971018);内蒙古大学青年基金(ND0109)作者简介:王立新(1975～),男,内蒙古赤峰人,硕士,讲师.

据库法和基于分配模型的相平衡分配法.

1　生物效应数据库法制定重金属SQC研究新进展

生物效应数据库法是目前国际上最被广泛接受的制定重金属SQC的方法〔10〕.1990年美国国家

海洋与大气局开展国家状况与发展趋势课题(theNationalStatusandTrendsProgram,NSTP)研

究,作为该课题的一部分成果,Long和Morgan首先提出了基于生物效应数据库的响应型阈值法,亦

称NSTP法〔11〕.该方法通过整理和分析大量的水体沉积物重金属含量及其生物效应数据,以确定沉

积物中引起生物毒性与其它负面生物效应的重金属浓度阈值.该方法假定,随着沉积物中重金属浓度

的升高,其潜在生物毒性也在升高〔12〕.目前加拿大〔13〕、美国佛罗里达〔14〕、澳大利亚和新西兰〔15〕、中国

香港〔8〕等国家和地区分别制定了淡水和(或)海水中重金属的沉积物临时质量基准(interimsediment

qualityguidelines,ISQG).

应用生物效应数据库法建立水体沉积物重金属质量基准的基本步骤如图1.

其具体步骤包括:沉积物生物效应数据库(theBiologicalEffectsDatabaseforSediments,

BEDS)的建立;水体重金属SQC的建立,即确定可能产生效应阈值(ThresholdEffectLevel,TEL)

和必然产生效应阈值(ProbableEffectLevel,PEL)(TEL和PEL均指表层沉积物中某种重金属的总

浓度,并以干重形式表达(mg󰃗kg).如果沉积物中某一重金属浓度低于其TEL值,意味着负面生物

效应几乎不会发生;高于其PEL值,意味着负面生物效应经常发生;如介于两者之间,则意味着负面

生物效应偶尔发生.);最后对TEL和PEL值进行可比性、可靠性和可预测性检验.本文作者曾作为

方法学探讨的角度,应用该方法初步建立了锦州湾沉积物重金属质量基准〔16〕.所以,利用该方法建立

水体重金属质量基准的具体步骤在此不再赘述.本文着重介绍一下应用该方法所制定的重金属质量

基准在中国香港底泥疏浚中的应用.

在香港,由于大规模底泥疏浚和泥沙倾废工程的开展、圈定的倾废区设备供应日益昂贵以及倾废

空间的限制,这就需要管理部门制定沉积物质量基准以对污染沉积物的危害程度进行分类,从而决定

采用最佳途径进行处理〔17〕.为此,香港特别行政区市政工程署委托加拿大EVS环境咨询委员会利用

生物效应数据库法建立了包括8种重金属及类金属As的临时沉积物质量值(InterimSediment

QualityValues,ISQV)(包括临时沉积物质量值低值(ISQV2low)和临时沉积物质量值高值(ISQV2

high))〔9〕.同时,EVS还应用这些制定的ISQV值为香港底泥疏浚物质的管理提供了一种分步检测系

统(图2)〔18〕.该系统主要包括:收集现有数据,分析沉积物是否受污染.如果没有受污染,即可以将疏

浚沉积物直接向公海倾倒;如果已受污染,则进行“化学筛选”和“生物筛选”,从而将疏浚沉积物依污

染程度分为三类,针对不同类的沉积物采用不同的方法来处理.此外,香港初步的水体沉积物质量基

准不仅仅用于沉积物的疏浚管理,还应用于确定沉积物重金属污染区域和程度以及鉴别特定区域的

重金属污染物种类〔19〕.

2　相平衡分配法制定重金属SQC研究新进展

建立沉积物质量基准的相平衡分配法是由美国环保局(USEPA)于1985年提出的.此后,荷兰和

英国环境管理部门分别利用该方法建立了水体沉积物重金属质量基准〔20,21〕.该方法基于3个经验依

据之上:1)化学物质在沉积物和间隙水相间的交换快速而可逆,处于热力学的平衡,因而可用分配系

数KP描述这种平衡;2)沉积物中化学物质的生物有效性与间隙水中该物质的游离态浓度呈良好的

相关性,而与总浓度无关;3)底栖生物和上覆水生物对化学物质具有相近的敏感性,因而可以将已有

的水质基准(WaterQualityCriteria,WQC)应用于沉积物质量基准的建立〔22〕.因此,当与沉积物处于

平衡的水相中的化学物质浓度达到水质基准时,此时沉积物中化学物质的浓度可视为该物质在沉积

物中的质量基准,即:374第4期王立新等　建立水体沉积物重金属质量基准的方法研究进展

KP=CS󰃗CIW(2)

式中,CS、CIW分别是沉积物及间隙水中重金属的浓度;KP为重金属在沉积物-水相间的分配系数.

图1　应用生物效应数据库法建立沉积物重金属质量基准框图

Fig.1　Overviewofthederivingsedimentqualitycriteria

forheavymetalsusingthebiologicaleffectdatabase2basedapproach

在这里,拟指出的是,与有机污染物不同,沉积物中的重金属并非全部与水相中的重金属处于平

衡之中,其中沉积物原生矿物中含有的重金属(相当于沉积物重金属形态分析提取操作中残渣态重金

属含量)通常并不与水相保持平衡,而且这一部分重金属通常也不具有生物有效性〔23〕.此外,DiToro

等(1990,1992)与Allen等(1993)研究发现,当沉积物中酸可挥发性硫化物含量较高时,重金属强烈

倾向于生成不具有生物有效性的重金属硫化物沉淀,所以与硫化物生成沉淀的这部分重金属一般也

不参与上述平衡分配〔24～26〕.据此,可以将(1)式修正为:

SQC=KPWQC+[M]R+[M]AVS(3)474内蒙古大学学报(自然科学版)2003年

合的重金属.

图2　香港疏浚物质管理分步检测系统〔17〕

Fig.2　TieredtestingsystemrecommendedformanagementofdredgedmaterialinHongKong

目前,由于我国尚没有有关河流重金属慢性生物毒性的水质基准,所以公式中的WQC可采用美

国USEPA依据水生生物对重金属的慢性毒性水平(FCV)和水质硬度制订的水质基准来计算〔27〕,此

外,也可参考中国地面水环境质量标准(GB3838288)〔28〕.

而沉积物固相与间隙水水相的平衡分配关系是当前研究的焦点.迄今为止,对重金属在沉积物-

水相间的分配系数(KP)的获得主要有两种方法:1)利用沉积物和上覆水的重金属现场监测数据直接

计算,即利用同一时间、同一地点采集和测得的沉积物(<63Λm粒级沉积物)和上覆水相(通过0.45

Λm滤膜滤出得水样)中重金属的浓度和形态分配数据资料进行计算〔29〕;2)根据表面络合理论的扩散

层模式拟合KP,通过沉积物吸附实验以求得相应金属的固有表面络合常数,然后利用迭代逼近算法

优化电位滴定数据的计算程序软件(例如FITEQL系列程序)来求解KP〔30〕.

至于公式中的[M]R是通过沉积物重金属形态分步提取操作测定残渣态重金属含量获得的,其

中最典型的方法是Tessier(1979)的5步提取法〔31〕.而酸可挥发性硫化物[M]AVS则主要是利用对氨

基二甲基苯胺和硫酸高铁铵溶液分光光度法的分析来获得〔32〕.从而通过上述参数的确定即可得出不574第4期王立新等　建立水体沉积物重金属质量基准的方法研究进展

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