湘江长株潭段水资源重金属污染修复及开发潜力研究

发布时间：2020-08-10 16:36

【摘要】：水资源是人类赖以生存的基本条件之一,是生态环境的控制性因素。我国水资源总量约为2.8万亿立方米,居世界第6位,人均占有水资源量2400m3/年,仅为世界平均水平的1/4,是世界13个水资源最贫乏的国家之一。近年来,随着人口迅速增长、社会经济的纵深发展,水资源环境压力巨增。过度消耗、无序开发和水环境污染等导致了严重的水资源退化和水生态灾害,很大程度上制约了区域经济发展甚至危害国家安全。湘江长株潭段是湘江中下游段,约132公里,两岸人口约1100万,是湖南建设两型社会的核心地带,在全省政治、经济和社会发展中具有十分重要的地位。上个世纪70年代以来,沿湘江长株潭段陆续建有各种工矿企业570多家,每年有大量重金属污染废水直接排入湘江,给该河段的水生态环境、沿岸动植物和居民生活带来巨大的环境风险,区域水资源环境的治理和恢复迫在眉睫。本文利用突变综合模型、实验探究、生态风险指数评价法和多层级灰色模型等研究工具,对以重金属铬为例的湘江长株潭段重金属污染环境进行评价,并在此基础上,开展湘江长株潭段铬污染环境生态修复的研究,为正在开展的湘江长株潭段重金属污染提供了理论支持和可供选择的修复方法。与此同时,对湘江长株潭段水资源可持续开发潜力进行研究,这对合理规划和开发湘江长株潭段水资源,保持该流域水资源开发的战略可持续性,促进区域水生态环境合理利用和有效保护,保障长株潭两型社会建设的顺利进行有着较为重要的实践意义。理论上,也丰富了河流重金属污染与修复、生态风险评价和管理的研究内容。因此,本项目开展了以下几个方面的研究:(1)在对湘江长株潭重金属污染物Cr(Ⅵ)的迁移转化方式进行了初步的探析的基础上,对该段河道、水体、水岸及流域因Cr(Ⅵ)的迁移所引起的生态风险进行了探索。研究发现,Cr(Ⅵ)污染物在湘江长株潭段重金属污染中的总贡献率为13.21%。水质污染指数综合均值为2.33,远远高于水质清洁指数。在重金属Cr(Ⅵ)污染下,沿岸和流域水陆生动物种群数平均每年下降约10种;资源鱼类产量减少快,某些珍稀鱼种濒临灭绝;微生物群落构成呈现单一化和惰性化,生态风险暴露表征明显,比较客观的呈现了重金属污染物Cr(Ⅵ)废水对湘江长株潭段亲水岸生态环境的影响程度和所产生的生态灾害,(2)利用突变理论(Catastrophe theory)对Cr(Ⅵ)污染物迁移造成的生态环境污染风险进行了评价,以期准确把握湘江长株潭段重金属污染对水资源生态环境的污染程度以及水资源可持续开发潜力。结果显示,该河段8个观测点的生态风险评价值普遍偏高,加权平均均值为0.958,生态风险属于较高范畴,重金属污染修复治理工作难度较大。(3)利用生态修复剂改性壳聚糖来物理修复湘江长株潭段水体中的Cr(Ⅵ)污染。实验证明,改性壳聚糖(Modified-chitosan)对实验室模拟污染水体中Cr(Ⅵ)的最大吸附容量为90.651mg/g。达到平衡的吸附时间是2h,吸附的最佳p H值范围为2~6。实验数据与准一阶动力模型和Langmuir吸附等温线拟合程度更高。印迹壳聚糖对湘江长株潭段检测点水样中Cr(Ⅵ)具有较明显的去除效果。0.05g印迹聚壳聚糖对200m L各湘江长株潭段检测点水样中Cr(Ⅵ)的去除率能达到90%以上。为控制Cr(Ⅵ)废水对湘江长株潭段河流生态环境的危害,为探索湘江长株潭段Cr(Ⅵ)污染修复的生态环境技术和管理手段提供依据。(4)李氏禾(Leersia Hexandra Swartz)对重金属污染物具有累积富集作用,本文在土壤中施加EDDS显著地增加了李氏禾地下部分的铬含量向地上部分转移。在5、10mmol/kg EDDS处理下,200、400、600、800mg/kg土壤中铬浓度的李氏禾的地上部分铬含量都大于1000mg/kg,而且转运系数都大于1,此时李氏禾已经达到铬超级累积植物的标准。在5 mmol/kg EDDS协助下,李氏禾提取铬的能力相对较强且植物生长相对较好,且李氏禾对底泥中的铬具有非常好的富集效果。因此,李氏禾为湘江沿岸铬污染底泥的修复提供的一种可供选择的方法。(5)采用多层级灰色模型(Multi-grey model)对重金属污染背景下湘江长株潭段水资源开发潜力进行研究。以湘江长株潭段水资源对区域社会生产活动、城市农村生活、工农业生产、生态环境等要素的影响度,以指标间的关联系数为判断依据,通过层次分析法(AHP)的甄选,最终确立三级判断指标。通过建立灰色矩阵,推算出湘江长株潭段水资源开发潜力系数约为2.983,属于次高层级开发潜力值域范围[2.5,3.25],理论上可判定长株潭城市群的水资源开发潜力比较高。相对较高的湘江长株潭段水资源开发潜力的能否成为两型社会未来可持续发展和战略开发的保障资源,很大程度上取决于未来湘江长株潭段乃至整个湘江流域的重金属和其它环境污染的治理力度和程度。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X52
【图文】：

类图,重金属污染,河区,世界

辽河区海河区淮河区黄河区西北诸河区西南诸河区珠江区长江区东南诸河区I, 2.6II, 2III, 23IV, 39V, 12劣V,19I, 0.67II, 6III, 53IV, 1V, 2.5劣V, 5.5I, 7II, 33III, 26IV, 11V, 6劣V, 17I, 1.8II, 43III, 23IV, 4V, 5劣V, 21I,0.16II, 7III,26IV,12V, 8劣V,47I,1.54II, 16III,18IV,11V, 6劣V,44IV,3414I,0.21II, 13III, 17IV, 9V, 4.8劣V,45I,3.8II,40III,15IV, 2V, 7劣V,35I, 2 II, 3III, 25IV,15V, 40劣V,21I 类II 类III 类IV 类V 类劣V 类图 1.1 我国主要河流所在区域水资源水质类别比例图g. 1.1 The proportion of water quality classification of the main rivers in different regions of C

工业污水,图片

1.2.1 工业污染水体重金属污染最大的污染源是工业生产。重金属作为生产制造的原料，广泛用于电池制造、镀膜、电解、皮革和电子制造等近80个行业中。其中，焊接、电镀、水泥、油漆、冶炼、耐火材料、制革、印染、金属研磨、等离子切割、燃油燃煤等数十个行业的工业废水废渣中，都含有较高浓度的重金属，主要涉污的重金属有As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn和Ni等。不同的工业废水中，所含的重金属的污染物种类和含量是不同的。污染物至少由三种以上的重金属混合化合形成。一般来说，在金属加工、非钢铁的金属冶炼行业和电镀废水中，污染物的浓度变化范围大。如钢铁制造、洗矿池废水中，污染物铅的浓度值变化范围是0.5~25mg/L[15]。加工制造业如儿童餐具制造、金属的镀膜、冶炼，重金属污染物镍的浓度可以高达130mg/L[15]。一些特种工业废水中如铬盐厂、涉铬废水中重金属Cr(VI)的浓度甚至可以超过1000mg/L。工业污染大多通过废渣、废水、废气排入环境，在人和动物、植物体内富集，从而对环境和人的健康造成很大的危害。

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湘江长株潭段重金属污染修复技术及水资源利用研究1.2.2 城乡生活用水、农业化肥污染经济发展带来了人口巨增，城市、乡村的生活用水量也大幅增加。以长株潭城市群为例，每年城市直排入湘江的的生活污水约4.3亿m3，农村生活污水约0.8亿m3。如此巨量的污水中富含大量超标存在的重金属元素如Cr、Pb、Cd、As等。这些生活污水常常被用于灌溉或者直接排入河流和湖泊，在迁移的过程中对水体和农田土壤造成巨大的污染，轻者可抑制农作物生长，重则可导致土壤性质改变、土质肥力下降、江河和地下水水质下降，形成重大生态环境隐患，直接威胁着人类和水生动植物的生命安全。现代农业生产大量使用各种农用化肥，大多数化肥中都还有金属或这类金属离子，这些化学物质累积在土壤或植被中，随物质循环和流水汇入河湖之中，对河流水环境造成污染。

【参考文献】