兴仁高砷煤矿区沉积物污染特征及重金属潜在生态风险评价
2022-06-09
摘要：为评价兴仁高砷煤矿区水体沉积物的污染水平及其生态风险，以贵州省表生沉积物背景值作为基准评价沉积物污染水平，采用Hakanson潜在生态风险指数法评价了沉积物中重金属的环境生态风险。结果表明：交乐、潘家庄和小尖山煤矿区水体沉积物均表现出低pH值，高SO2-4、As、Fe等特征。与贵州表生沉积物背景值相比，交乐煤矿区水体沉积物中Fe、As和Hg平均值分别超过背景值4082倍、358.8倍和19.3倍;潘家庄煤矿区水体沉积物中Fe、As和Hg平均值分别超过背景值3478倍、8.3倍和0.55倍;小尖山煤矿区水体沉积物中Fe、As和Hg平均超过背景值2457倍、5.6倍和0.65倍。利用潜在生态风险指数法分析表明：交乐、潘家庄和小尖山煤矿区水体沉积物主要受到As、Hg污染。交乐、潘家庄和小尖山煤矿区水体沉积物各重金属的潜在生态风险指数（Eir）从高到低依次为As>Hg>Cd>Cu>Pb>Cr>Zn，As>Hg>Cd>Cu>Pb>Zn>Cr，As=Hg>Cd>Cu>Pb>Cr>Zn。生态风险指数（RI）交乐>小尖山>潘家庄，交乐沉积物中重金属生态风险程度为很强风险，潘家庄和小尖山沉积物中重金属生态风险程度为中等风险。
关键词：兴仁;沉积物;重金属;生态风险
1引言
兴仁县是典型的地方性砷中毒地区[1]，因煤含砷量较高[2，3]，大多数高砷煤矿已关闭，但在闭矿后矿区附近未及时进行生态恢复，大量的矸石、围岩直接暴露于环境中，矿物在一定的物理化学条件下氧化产生含有重金属和有毒有害物质的酸性矿山废水（AMD），这些重金属和有毒有害物质在水体悬浮物、各种物理化学条件下，能被悬浮物吸附或沉淀进入沉积物。沉积物作为水环境的基本组成部分，它既是底栖生物的栖息地，又是重金属等有毒有害物质的贮藏库[4，5]。在环境条件发生变化时，如pH值、流速、氧化还原电位和溶解氧等因素变化时，沉积物中的重金属等有害物质会被释放到上覆水体中[6～8]。同时底栖动物的扰动也会加剧沉积物有害物质的释放[9～11]。沉积物作为污染物的源和汇，在污染物的迁移及转化方面有重要作用，所以研究煤矿区水体沉积物污染特征及生态风险具有重要意义。以兴仁县交乐、小尖山、潘家庄煤矿区水体沉积物为研究对象，在污染分析的基础上，采用潜在生态风险指数法对其重金属污染及潜在生态风险进行定量评价，以期为煤矿区水体沉积物的治理提供可靠依据。
2材料与方法
2.1样品采集及分析方法
从交乐、小尖山和潘家庄煤矿区采集水体表层沉积物（0～10cm）样品22个，其中交乐煤矿区12个，小尖山煤矿区4个，潘家庄煤矿区6个。采样区相对位置见图1。沉积物样品测定参照土壤测定方法。pH值用玻璃电极法测定。硫酸根的测定用比浊法。氟化物的测定用离子选择电极法。沉积物Fe、Mn用原子吸收（AAS）测定;Zn、Cu、Pb、Ni、Cr、Cd、Tl等用ICP-MS测定;As、Hg用双道原子荧光光度仪测定。
2.2评价方法
采用Hakanson潜在生态风险指数法[12]，分析矿区沉积物中Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Hg和As的污染程度及生态风险。潜在生态风险指数（RI）的计算公式如下：
RI=∑mi=1Eir=∑mi=1Tir×Cif=∑mi=1Tir×CiCB
式中：Cif为单个污染物污染系数，计算公式为Cif=Ci/CB。Ci为沉积物污染物含量实测值，Cb为沉积物背景参考值，本文参考贵州表生沉积物地球化学背景值[13]，相关元素值见表1。Tir为各污染物的毒性响应系数，反映污染元素的毒性水平和生物对污染物元素的敏感程度。Tir参考Hakanson研究成果，具体数值见表1。Eir为第i种污染物潜在生态风险系数，Eir=Cif×Tir。Cif、Eir和RI值相对应的污染程度和潜在生态风险程度见表2。
3结果与分析
3.1煤矿区沉积物的污染特征
从表3可知，交乐、潘家庄和小尖山煤矿区水体沉积物pH值较低，SO2-4、Fe、As较高。交乐、潘家庄和小尖山水体沉积物pH值均值分别为2.91、2.89和2.84，小尖山的pH值最低。交乐沉积物中SO2-4含量为0.46～8.81g·kg-1，均值为4.82g·kg-1;潘家庄SO2-4含量为2.05～23.33g·kg-1，均值为7.92g·kg-1;小尖山SO2-4含量为7.14～23.06g·kg-1，均值为17.70g·kg-1。与贵州表生沉积物背景值相比，小尖山煤矿区沉积物中氟化物均值均未超过背景值，交乐和潘家庄氟化物均值分别超过背景值0.01倍和0.26倍。三个煤矿区沉积物中的氟化物均有部分点位超过背景值，其中交乐最大超过背景值2.7倍，潘家庄最大超过背景值4.5倍，小尖山最大超过背景值0.05倍。交乐沉积物Fe含量为112.70～181.75g·kg-1，超过背景值2889～4659倍;潘家庄含量为70.46～184.06g·kg-1，超过背景值1806～4718倍;小尖山含量为22.39～168.55g·kg-1，超过背景值573～4321倍。交乐煤矿区沉积物中As高达47124.10g·kg-1，As超过背景值33.2～3164倍，平均超过背景值358.8倍;潘家庄超过背景值1.1～13.6倍，平均超过背景值8.3倍：小尖山超过背景值2.2～10.1倍，平均超过背景值5.6倍。交乐和小尖山沉积物中的Hg全部点位超过背景值，潘家庄部分点位超过背景值;交乐、潘家庄、小尖山均值分别超过背景值19.3倍、0.55倍和0.65倍。三个煤矿区沉积物中的Cd均较接近背景值，交乐、潘家庄和小尖山Cd均值分别超过背景值0.02倍、0.25倍和0.31倍。交乐和潘家庄沉积物中Ni未超过背景值;小尖山煤矿区部分点位Ni超过背景值，最大超过背景值2.9倍。三个煤矿区沉积物中的Cu和Zn部分点位超过背景值，但和背景值较为接近;Mn、Co、Cr、Pb均值未超过背景值。
三个煤矿区SO2-4、Fe、As等含量较高，可能与煤矿开采活动和当地地质环境有关。煤矿中As、Fe、S等含量较高[14，15]，在一定的物理化学条件下，黄铁矿氧化而产酸加剧了煤矿中As、Fe、S等污染物的溶出，溶出的As、Fe、S等污染物通过吸附或沉淀等作用进入到沉积物中[16]，所以煤矿区pH值较低，SO2-4、Fe、As等含量较高。
关键词：兴仁;沉积物;重金属;生态风险
1引言
兴仁县是典型的地方性砷中毒地区[1]，因煤含砷量较高[2，3]，大多数高砷煤矿已关闭，但在闭矿后矿区附近未及时进行生态恢复，大量的矸石、围岩直接暴露于环境中，矿物在一定的物理化学条件下氧化产生含有重金属和有毒有害物质的酸性矿山废水（AMD），这些重金属和有毒有害物质在水体悬浮物、各种物理化学条件下，能被悬浮物吸附或沉淀进入沉积物。沉积物作为水环境的基本组成部分，它既是底栖生物的栖息地，又是重金属等有毒有害物质的贮藏库[4，5]。在环境条件发生变化时，如pH值、流速、氧化还原电位和溶解氧等因素变化时，沉积物中的重金属等有害物质会被释放到上覆水体中[6～8]。同时底栖动物的扰动也会加剧沉积物有害物质的释放[9～11]。沉积物作为污染物的源和汇，在污染物的迁移及转化方面有重要作用，所以研究煤矿区水体沉积物污染特征及生态风险具有重要意义。以兴仁县交乐、小尖山、潘家庄煤矿区水体沉积物为研究对象，在污染分析的基础上，采用潜在生态风险指数法对其重金属污染及潜在生态风险进行定量评价，以期为煤矿区水体沉积物的治理提供可靠依据。
2材料与方法
2.1样品采集及分析方法
从交乐、小尖山和潘家庄煤矿区采集水体表层沉积物（0～10cm）样品22个，其中交乐煤矿区12个，小尖山煤矿区4个，潘家庄煤矿区6个。采样区相对位置见图1。沉积物样品测定参照土壤测定方法。pH值用玻璃电极法测定。硫酸根的测定用比浊法。氟化物的测定用离子选择电极法。沉积物Fe、Mn用原子吸收（AAS）测定;Zn、Cu、Pb、Ni、Cr、Cd、Tl等用ICP-MS测定;As、Hg用双道原子荧光光度仪测定。
2.2评价方法
采用Hakanson潜在生态风险指数法[12]，分析矿区沉积物中Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Hg和As的污染程度及生态风险。潜在生态风险指数（RI）的计算公式如下：
RI=∑mi=1Eir=∑mi=1Tir×Cif=∑mi=1Tir×CiCB
式中：Cif为单个污染物污染系数，计算公式为Cif=Ci/CB。Ci为沉积物污染物含量实测值，Cb为沉积物背景参考值，本文参考贵州表生沉积物地球化学背景值[13]，相关元素值见表1。Tir为各污染物的毒性响应系数，反映污染元素的毒性水平和生物对污染物元素的敏感程度。Tir参考Hakanson研究成果，具体数值见表1。Eir为第i种污染物潜在生态风险系数，Eir=Cif×Tir。Cif、Eir和RI值相对应的污染程度和潜在生态风险程度见表2。
3结果与分析
3.1煤矿区沉积物的污染特征
从表3可知，交乐、潘家庄和小尖山煤矿区水体沉积物pH值较低，SO2-4、Fe、As较高。交乐、潘家庄和小尖山水体沉积物pH值均值分别为2.91、2.89和2.84，小尖山的pH值最低。交乐沉积物中SO2-4含量为0.46～8.81g·kg-1，均值为4.82g·kg-1;潘家庄SO2-4含量为2.05～23.33g·kg-1，均值为7.92g·kg-1;小尖山SO2-4含量为7.14～23.06g·kg-1，均值为17.70g·kg-1。与贵州表生沉积物背景值相比，小尖山煤矿区沉积物中氟化物均值均未超过背景值，交乐和潘家庄氟化物均值分别超过背景值0.01倍和0.26倍。三个煤矿区沉积物中的氟化物均有部分点位超过背景值，其中交乐最大超过背景值2.7倍，潘家庄最大超过背景值4.5倍，小尖山最大超过背景值0.05倍。交乐沉积物Fe含量为112.70～181.75g·kg-1，超过背景值2889～4659倍;潘家庄含量为70.46～184.06g·kg-1，超过背景值1806～4718倍;小尖山含量为22.39～168.55g·kg-1，超过背景值573～4321倍。交乐煤矿区沉积物中As高达47124.10g·kg-1，As超过背景值33.2～3164倍，平均超过背景值358.8倍;潘家庄超过背景值1.1～13.6倍，平均超过背景值8.3倍：小尖山超过背景值2.2～10.1倍，平均超过背景值5.6倍。交乐和小尖山沉积物中的Hg全部点位超过背景值，潘家庄部分点位超过背景值;交乐、潘家庄、小尖山均值分别超过背景值19.3倍、0.55倍和0.65倍。三个煤矿区沉积物中的Cd均较接近背景值，交乐、潘家庄和小尖山Cd均值分别超过背景值0.02倍、0.25倍和0.31倍。交乐和潘家庄沉积物中Ni未超过背景值;小尖山煤矿区部分点位Ni超过背景值，最大超过背景值2.9倍。三个煤矿区沉积物中的Cu和Zn部分点位超过背景值，但和背景值较为接近;Mn、Co、Cr、Pb均值未超过背景值。
三个煤矿区SO2-4、Fe、As等含量较高，可能与煤矿开采活动和当地地质环境有关。煤矿中As、Fe、S等含量较高[14，15]，在一定的物理化学条件下，黄铁矿氧化而产酸加剧了煤矿中As、Fe、S等污染物的溶出，溶出的As、Fe、S等污染物通过吸附或沉淀等作用进入到沉积物中[16]，所以煤矿区pH值较低，SO2-4、Fe、As等含量较高。