汾河水库底泥污染特征及资源化利用分析_石玉飞.pdf

资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.06汾河水库底泥污染特征及资源化利用分析石玉飞1范毅2白兴全2高峰1(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092;2.山西汾河流域水生态环境管理有限公司，山西 太原 030000)摘要:水库清淤后的底泥如何进行有效地资源化利用是目前亟待解决的问题，全面分析水库底泥的污染特征是探索适合水库底泥资源化利用方案的前提和关键。本研究采集汾河水库的底泥，系统地分析了水库底泥的物理性状、营养物质、粒径分布和有毒有害有机物污染物，有针对性地制定底泥资源化方案。研究结果表明，汾河水库底泥 pH 值为 7.08.0，含水率高。汾河水库底泥中的总氮含量属于中低水平，总磷含量属于低水平，有机质营养等级较高。底泥颗粒粒径越小占比越大，整体颗粒较细，具有较好的可塑性。汾河水库底泥主要有黏粒和粉粒组成，具有较好的膨胀性能。在汾河水库的底泥中均未检测到有机污染物苊、蒽、苯并(a)蒽、苯并(a)芘、艹屈、萘、菲和芘等的存在。根据以上对汾河水库底泥的特性分析，资源化利用方式可以考虑农田、园林绿化用土。本研究可为今后各水库底泥的资源化利用提供一定的理论依据和技术参考。关键词:水库;底泥;污染特征;资源化;分析中图分类号:S181文献标识码:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20230330019收稿日期:20220808基金项目:黄土高原地区水库库区清淤技术及淤积泥沙利用技术研究(项目编号:2021LS036)作者简介:石玉飞(1995)，男，硕士在读。研究方向:水污染控制;通讯作者高峰，男，博士。研究方向:水环境整治，底泥资源化。我国是世界上水库数量最多的国家，现有水库98002 座，总库容 9323 亿 m31，在减轻洪涝灾害、维系区域生态平衡、保障区域供水和生物资源利用方面发挥不可替代的重要作用24。据报道，每年由于泥沙淤积造成的全球水库总库容损失达0.5%1.0%5。我国水库平均年淤积速率为 2.3%，大于国外水库淤积速率6。我国尤其北方河流含沙量高，库容年损失率高于世界平均水平，淤积问题尤为严重。山西省地处黄土高原、黄河中游，水资源严重短缺和水土流失十分严重。汾河水库位于汾河干流上游段，是汾河流域第 1 座综合利用的大型水利枢纽，是山西省目前最大的水库，也是太原市生活用水重要水源地，其上游流域地面物质组成及侵蚀特征，具有典型的黄土高原水库特性。水库建成以来，形成了大量泥沙淤积，库区地形基本呈盆地形状，库底左侧至右侧淤积面呈水平状态。大量泥沙淤积侵占了水库库容，直接影响了水库防洪、灌溉、供水、发电、航运、生态环境等功能效益的发挥79。因此，对淤积严重的水库进行清淤是维持水库正常运行的必要措施之一。然而，对水库清淤后的底泥进行有效地资源化利用也是目前亟待解决的问题。底泥、水质和水生生物是水生态系统中重要的环境要素，在生态系统的能量流动和物质循环中具有重要的作用10。底泥由大量的氮、磷、有机质和长期累积的沉积物等物质组成。底泥成分复杂，在吸收外源污染物(如有机污染物)的同时，也会向水环境中释放大量的污染物，导致水体的污染物浓度增加11，12，并产生二次污染，引起水质恶化和水生生物死亡13，14。目前，清淤后底泥的资源化利用研究多集中在湖泊、河道和污水处理厂的底泥上1517，缺乏对水库底泥的资源化利用研究。因此需要全面分析水库底泥的污染特征，并探索适合水库底泥资源化利用的方案。本文选取汾河水库为研究对象，通过对汾河水库底泥的物理性状、营养物质、粒径分布和有毒有害有机污染物进行分析，有针对性地制定底泥资源化方案，为今后各水库底泥的资源化利用提供理论依据和技术参考。1材料和方法1.1样品采集本研究在汾河水库一共布设了 24 个底泥采样点，382023，Vol.43，No.06农业与技术资源环境见图 1，采样点较均匀地覆盖了整个汾河水库。使用抓斗式采泥器采集水库底泥，每个取样点取 3 次混合样，每个混合样取 3 次，混合样总体积为 1L。将采集的水库底泥保存后，立即避光送回实验室进行分析。图 1汾河水库底泥取样点示意图1.2底泥检测指标和分析方法底泥检测指标包括 pH、含水率、有机质、总氮、总磷、粒径分布和有毒有害有机污染物。1.2.1含水率底泥的含水率采用重量法测定，将样品放进温度为 105的电热鼓风干燥箱中烘干 12h，自然冷却后计算底泥烘干前后的重量变化。1.2.2总氮和总磷底泥的总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷采用钼锑抗分光光度法测定，具体检测方法参考 水和废水检测分析方法(第 4 版)18。1.2.3有机质底泥的有机质采用重量法测定，将样品放进温度为 600的马弗炉中灼烧 2h，自然冷却后计算底泥灼烧前后的重量变化。1.2.4粒径分布对底泥进行干燥和破碎后，采用国家统一标准筛:100 目(150m)、200 目(75m)、300 目(48m)和400 目(38m)，对样品进行筛分，测定底泥的粒径分布。1.2.5有机污染物使用索氏提取器对底泥中的有机污染物进行萃取前处理，采用气相色谱质谱联用仪对有机物污染物含量进行检测，具体检测方法参考 水和废水检测分析方法(第 4 版)18。2结果分析2.1汾河水库底泥物理性状分析汾河水库底泥 pH 值变化范围为 7.0 8.0，见表1，符合农用的要求。汾河水库底泥含水率高，变化范围为 53.30%0.98%81.02%1.06%，普遍大于50%，见表 1。其中，上游底泥含水率(如采样点 1为 53.30%0.98%，采样点 2 为 54.42%0.68%)和下游底泥含水率(如采样点 24 为 53.40%024%)明显低于中游底泥含水率(如采样点 12 为 78.16%0.99%，采样点 14 为 81.02%1.06%)。沿岸的底泥含水率(如采样点 8 为 63.61%0.44%，采样点 15为 62.90%0.83%，采样点 22 为 60.67%0.54%，采样点23 为59.71%0.13%)也低于中游底泥含水率。2.2汾河水库底泥营养物质分析底泥中的氮磷含量在一定程度上为水库水体的富营养化程度提供参考，底泥中氮磷的释放会导致水库水体的富营养化。由表 1 可知，汾河水库底泥中总氮、总磷、有机质含量分布不均，总氮含量范围在62.923.711150.838.04mgkg1，总磷含量范围在 0.830.0597.072.46mgkg1，总氮和总磷含量处于较低水平。底泥中较高的总氮和总磷含量主要集中在采样点 5(总氮含量为 1150.838.04mgkg1、总磷含量为 97.072.46mgkg1)、采样点 6(总氮含量为 399.775.45mgkg1、总磷含量为 26.261.09mg kg1)、采 样点 7(总 氮 含 量 为 627.23 5.20mgkg1、总磷含量为 41.301.16mgkg1)、采样点8(总氮含量为 460.042.10mgkg1、总磷含量为27.051.30mgkg1)和采样点9(总氮含量为400.890.62mgkg1、总磷含量为28.280.22mgkg1)。汾河水库底泥中有机质含量范围在 24.630.66 90.660.88mgkg1，其中，采样点 8 有机质含量最高，采48资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.06样点 19 有机质含量最低。这可能是由于采样点 8 附近有大片果园，植物茂盛，采样点 19 附近是裸土地。中等含量有机质主要在水库中游，如采样点 12(64.310.99mgkg1)和采样点 17(69.080.58mgkg1)。根据单因子标准指数法评价汾河水库底泥的氮磷污染风险21，其中总氮的标准指标为 550mgkg1，总磷的标准指标为 600mgkg1。由表 1 可以看出，只有采样点 5 和采样点 7 的总氮污染指数大于 1，有潜在的生态风险，其它采样点的总氮和总磷污染指数均小于 1。表 1汾河水库底泥物理参数和营养物质含量采样点pH含水率/%总氮/(mgkg1)总氮污染指数总磷/(mgkg1)总磷污染指数有机质/(gkg1)17.190.0453.300.98246.8216.090.0319.710.100.4580.271.0627.500.0454.420.68182.593.340.018.000.120.3370.280.3837.500.1657.570.9162.923.710.000.830.050.1132.241.1447.240.0163.560.95237.782.100.0211.500.920.4380.780.6957.690.0963.230.961150.838.040.1697.072.462.0982.420.9667.740.0475.010.42399.775.450.0426.261.090.7338.270.4377.590.1879.631.63627.235.200.0741.301.161.1461.471.2287.580.0463.610.44460.042.100.0527.051.300.8490.660.8897.490.0964.541.01400.890.620.0528.280.220.7374.840.63107.300.0455.940.61479.595.820.0530.310.510.8770.000.22117.350.0777.440.48134.458.660.016.390.720.2442.630.85127.580.0878.160.99333.190.500.0426.451.280.6164.310.99137.800.0070.430.2888.543.340.014.120.240.1639.691.18147.300.0281.021.06166.130.500.015.200.020.3068.060.33157.520.0462.900.83263.401.730.0211.870.890.4869.250.39167.450.0464.340.44106.237.180.013.510.310.1926.680.62177.410.0879.400.27187.660.250.018.460.480.3469.080.58187.510.0574.400.11270.202.350.018.410.000.4963.620.63197.600.0665.010.2599.051.980.014.770.120.1824.630.66207.580.0474.520.74288.270.620.016.750.310.5247.930.56217.560.1169.490.52128.510.990.002.890.310.2345.770.81227.330.3760.670.54137.796.560.014.140.020.2572.580.80237.710.0359.710.1391.511.360.013.660.020.1738.910.73247.770.1253.40024178.504.210.015.860.680.3245.420.822.3汾河水库底泥粒径分布分析采用国家统一标准筛对样品进行筛分，汾河水库各采样点底泥的粒径分布如表 2 所示。汾河水库底泥粒径 400 目 占 26.65%67.92%、300 400 目 占7.02%27.35%、200 300 目占 5.65%36.28%、100 200 目占 3.74%21.45%、100 目占 3.10%16.33%。在底泥粒径400 目中，采样点 15(26.65%)、采样点 16(26.79%)、采样点 2(28.63%)和采样点 6(30.61%)占比最少。在底泥粒径100 目中，采样点 22(12.64%)、采样点 13(12.69%)和采样点 16(16.33%)占比最多。2.4汾河水库底泥有机污染物分析根据汾河水库的地形，选取了 12 个采样点(采样点 1