周建利 (长江大学农学院,湖北荆州434025)

吴启堂,卫泽斌,郭晓方,史学峰,邵 乐 (华南农业大学资源环境学院,广东广州510642)

酸性矿山废水 (Acid mine drainage,AMD)是指在矿产资源的开采过程中所产生的大量酸性废水[1]。酸性矿山废水含有大量的镉、铅、锌、铜等重金属离子,若不经处理直接进入水体,会对人和水中生物造成极大的危害;而且酸性矿山废水一旦排入矿山附近的河流、湖泊等水体,会导致水体的pH发生变化,抑制或阻止细菌及微生物的生长,妨碍水体的自净;同时重金属在水体中可以通过悬浮物的沉淀、吸附或离子交换作用进入次生矿物相,进而污染地表及地下水水体、地表土壤,使周边生态环境遭受严重的破坏[2-6]。目前,针对酸性矿山废水问题,国内外学者主要是从硫化物氧化机理及影响因素、重金属的迁移转化规律、酸性矿山废水污染的生态效应、水文地球化学模拟等方面进行研究[1]。有学者从酸性矿山废水对农村居民饮用水水质的影响以及与人群肿瘤死亡的相关性方面进行研究[7-8]。本研究以广东省清远市某村庄遭受酸性矿山废水污染的村边水沟及3个与水沟距离不同的居民水井水样为研究对象,通过为期9个月的连续采样监测,探讨了酸性矿山废水对农村居民饮用水和灌溉水的污染风险。

1 监测方法

1.1 采样地点和采样时间

采样地点位于广东省清远市某村庄,该村庄有一条流经村边的小水沟,枯水期水沟的水量较小,丰水期水量较大。水沟上游约4km处有一座硫铁矿,约6km处有一座铅锌矿,从2座矿山流出的经过简单处理的酸性矿山废水污染了水沟,该村居民经常利用沟水灌溉农田或洗衣洗菜。该村庄约有20户家庭,每个家庭都在房前打一口井,井深大多2～3m,用人工手摇水泵取水作为日常生活用水。

本研究共布设4个采样点:第1点为1号井,与最近水沟的距离为5m;第2点为2号井,与最近水沟的距离为20m;第3点为3号井,该居民水井与最近水沟的距离为100m;第4点为水沟,该采样点是至其他采样点距离最短的水沟。从2008年4月至2009年1月,除了2008年12月外每月采集1次,共采集9次水样。每次取样时,3个水井的水样是用人工手摇水泵汲取流出半分钟后的井水,水沟的水样是直接在水沟中间采集的表层水。水样密封在事先用硝酸洗液浸泡过的250ml干燥聚乙烯瓶中,回实验室后分成2份,其中1份用来快速测定pH;另1份经0.45μ m滤膜过滤于30ml干净的聚乙烯瓶,加一滴浓硝酸 (优级纯),置于冰箱中冷藏保存待分析重金属。

1.2 水样的测定方法

水样的测定方法参考 《水和废水监测分析方法 (第3版)》[9],水样重金属的测定采用原子吸收光谱法 (HITACHI Z-5700),pH采用pH计(PHS-3C)电位法。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 井水和水沟水样的pH及重金属含量特征

由表1可知,水沟水样的平均pH最低,属强酸性,其变幅和变异系数均较大。而3个居民井水的平均pH大小顺序是1号井＜2号井＜3号井,与距水沟距离呈正相关关系 (相关系数为0.999),即距离水沟愈近其pH愈小,表明水沟污水影响居民井水的pH值,距离愈近影响愈大。水沟水样的Cd、Pb和Zn含量均值皆最高,其Cd含量均值分别是1号井、2号井和3号井井水Cd含量均值的14倍、22倍和234倍,Pb含量均值的8倍、7倍和8倍,Zn含量均值的16倍、36倍和2070倍。由此可见,酸性矿山废水显著降低村边水沟水体的pH和提高其Cd、Pb、Zn含量,水沟污水重金属含量显著高于井水。这与Rattan等[10]报道的污灌水重金属含量明显高于同区域地下水重金属含量相一致。

井水平均Cd含量和Zn含量均是1号井＞2号井＞3号井,平均Pb含量是2号井＞3号井＞1号井 (表1)。井水Cd、Pb和Zn含量均值与距水沟距离均呈现一定程度的负相关性 (相关系数分别为—0.961、—0.326和—0.899)。结果表明重金属在井水中的分布明显受到水沟污水中重金属的影响,表现为距水沟较近的井水重金属含量高于较远井水的规律,但不同重金属其受影响程度不同,Cd和Zn的影响程度较高,Pb的影响程度较低。

表1 井水和水沟水样的pH及重金属含量

另外由表1可知,不同采样期水沟水样的Cd、Pb、Zn含量和pH的波动较大,在2008年6月和7月水沟水样的pH处在较高位,达到最高值,属中性,其他时期均为酸性至强酸性。水沟水样的Cd、Pb和Zn含量均在2008年4月和5月处在高位,达到最高值,而在6月和7月急速下降至低位,达到最低值,随后逐月上升,至10月和11月又达到另一高峰值。这主要是因为6月和7月处于该地区的丰水期,降水量较大,矿山废水被稀释,所以水沟污水重金属含量较低,而10月份后进入枯水期,沟水重金属含量较高。从不同采样期居民井水pH和Cd、Pb、Zn含量的变化来看,均较污沟污水的波动小。居民井水和水沟水样的pH和重金属含量的高低变化并不同步,居民井水的pH在6月和7月达最低值,而Cd含量在6月份达最高值,6月和7月居民井水的Pb、Zn含量也较高,与水沟污水刚好相反。这些结果表明全年不同采样期水沟污水重金属含量和pH的变异较大,主要受到降雨量大小的影响;而全年居民井水重金属含量和pH的变异较小,与水沟污水不同步。

由表2可知,井水和水沟污水中的Cd与Pb、Cd与Zn、Pb与Zn含量之间的相关性达极显著水平,表明居民井水的Cd、Pb和Zn具有同源性。这与杭小帅等人[11]的研究结果相似。

表2 井水和水沟污水中的各重金属含量之间的相关系数

2.2 井水和水沟水样的风险评价

由表3可知,参照生活饮用水卫生标准 (GB5749-2006),1号井井水pH的超标率最高,达100%;2号井和水沟水样次之,约为80%;而3号井井水pH的超标率为0。1号井井水和水沟污水Cd、Zn的超标情况较严重,水沟污水Cd、Zn超标倍数分别高达14.1和25.1。3个居民井水Pb的超标率均为33%,水沟污水的超标率为100%,而超标倍数也较高,达7.9。由此可见,3个居民井水已经遭受不同程度的重金属污染,均不适宜作为生活饮用水;而距水沟愈近的井水,受污染愈严重。水沟污水的pH和重金属含量不仅严重超过了生活饮用水标准,而且也严重超过了农田灌溉水质量标准。1号井井水的重金属也不同程度地超过了农田灌溉水质量标准 (GB5084-92)。因此,1号井井水和水沟污水既不适宜作为生活饮用水,也不能作为农田灌溉水。

表3 井水和水沟水样的pH及重金属的超标率和超标倍数

3 小结与讨论

(1)酸性矿山废水严重影响村边水沟水样的水质,其Cd、Pb、Zn含量和pH超过了田间灌溉水质量标准,不适宜作为农田灌溉水。

(2)重金属在井水中的分布明显受到水沟污水中重金属的影响,表现为距水沟较近的井水重金属含量高于较远井水的规律,但不同重金属受影响程度不同,Cd和Zn的影响程度较高,Pb的影响程度较低。

由于在酸性矿山废水与天然水混合过程中,酸性矿山废水中的Fe(Ⅲ)/Al(Ⅲ)水解沉淀而导致污染水体中含有丰量的无定形铁/铝氧化物颗粒,这些颗粒对水中溶解态重金属离子具有强烈吸附作用,因而控制了酸性矿山废水污染河流中的重金属浓度、形态分布及其迁移转化规律[12]。Schemel等[13]研究表明当pH＜4时,Cu、Pb和Zn等在无定形Fe氢氧化物表面没有发生吸附作用,只有在pH增加时,吸附作用才发生和加强。由表1可知,3个居民井水的pH均较高,所以水沟污水的重金属通过地下水向居民井水渗析过程中发生了强烈的吸附作用,从而影响重金属的迁移速率,造成井水重金属含量远低于水沟污水。重金属的渗析路径愈长其迁移速率受影响愈大,所以距水沟较远的井水重金属含量低于较近井水。

(3)全年不同采样期水沟污水重金属含量和pH的变异较大,主要受到降雨量大小的影响;而全年居民井水重金属含量和pH的变异较小,与水沟污水不同步。

(4)3个居民井水的Cd、Pb、Zn含量和pH均超过生活饮用水卫生标准,不适宜作为生活饮用水。

[1]丛志远,赵峰华.酸性矿山废水研究的现状及展望[J].中国矿业,2003,12(3):15-18.

[2]吴 攀,刘丛强,张国平,等.黔西北炼锌地区河流重金属污染特征[J].农业环境保护,2002,21(5):443-446.

[3]周建民,党 志,蔡美芳,等.大宝山矿区污染水体中重金属的形态分布及迁移转化[J].环境科学研究,2005,18(5):5-10.

[4]Dang Z,Liu C Q,M artin J H.Mobility of heavy metals associated with the natural weathering of coal[J].Environmental Pollution,2002,118:419-426.

[5]Aydinalp C,Fizpatrick E A,Cresser M S.Heavy metal pollution in some soil and water resources of Bursa Province,Tukey[J].Communication in soil Science and Plant Analy sis,2005,36:1691-1716.

[6]Sheoran A S,Sheoran V.Heavy metal removal mechainism of acid mine drainage in Wetlands:A Critical review[J].Minerals Engineering,2006,19:105-116.

[7]卢志坚,余新华,黄 权.矿山废水对饮用水水质及人群肿瘤死亡的影响[J].环境与健康杂志,2004,21(5):303-304.

[8]余新华,卢志坚.粤北某农村水污染与肿瘤死亡相关性研究[J].现代预防医学,2005,32(7):742-743.

[9]中国国家环保局.水和废水监测分析方法 (第3版)[M].北京:中国环境科学出版社,1998.

[10]Rattan R K,Datta S P,Chhonkar P K,et al.Long-term impact of irrigation with sewage effluents on heavymetal content in soils,Crops and groundwater-a case study[J].Agriculture,Ecosy stems and Environment,2005,109:310-322.

[11]杭小帅,王火焰,周健民.电镀厂下游水体中重金属的分布特征及其风险评价[J].环境科学,2008,29(10):2736-2742.

[12]栾兆坤,刘文新,汤鸿霄.受酸性矿水污染河流中悬浮颗粒对铜的吸附特征[J].环境科学学报,1998,18(4):385-391.

[13]Schemel L E,Kimball B A,Bencala K E.Colloid formation and metal transport through two mixing zones affected by acid mine drainage near Silverton[J].Applied Geochemistry,2000,15:1003-1018.