鳳眼蓮凈化含銅廢水的效果研究

蔡 青，雷澤湘 (仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510225)

胡宏偉 (廣東暨大基因藥物工程研究中心有限公司，廣東 廣州 510632)

陳中義 (長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

鳳眼蓮凈化含銅廢水的效果研究

蔡 青，雷澤湘 (仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510225)

胡宏偉 (廣東暨大基因藥物工程研究中心有限公司，廣東 廣州 510632)

陳中義 (長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

采用水培的方法對鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)在不同Cu2+質(zhì)量濃度和不同pH條件下進(jìn)行培養(yǎng)，研究了鳳眼蓮對水體Cu2+的吸收特性以及Cu2+質(zhì)量濃度、pH對鳳眼蓮吸收Cu2+的影響。結(jié)果表明：鳳眼蓮在短期內(nèi)對含銅廢水具有良好的凈化效果，在Cu2+質(zhì)量濃度為2.00、4.00和8.00 mg/L時(shí)鳳眼蓮對Cu2+的總?cè)コ史謩e達(dá)91.38%、91.64%和77.64%；在銅離子濃度為4.00 mg/L，pH為4.0、5.5和7.0時(shí)，鳳眼蓮對Cu2+的總?cè)コ史謩e為88.02%、93.15%和81.32%。鳳眼蓮對含銅廢水的凈化主要依靠根的吸收富集，但當(dāng)Cu2+質(zhì)量濃度高于20 mg/L時(shí)，鳳眼蓮植株受害癥狀明顯。

鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)；銅離子；去除率；耐受性

鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms Laub)又名洋水仙、水葫蘆，屬雨久花科鳳眼藍(lán)屬多年生浮水草本植物，由于其繁殖速度快、去污能力強(qiáng)，被認(rèn)為是一種高效、廉價(jià)的污水凈化植物，對消除污染、改善和提高水質(zhì)等方面意義重大[1]。它對重金屬亦有較強(qiáng)的富集作用，可凈化的重金屬有Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、As、Hg、Ag等。Mehra等[2]研究表明，鳳眼蓮能夠吸收除Co、Al和Fe外的幾乎所有金屬元素。Zhu等[3]指出鳳眼蓮富集痕量金屬Cd2+、Cu2+等都有良好的效果。本研究通過靜態(tài)水培試驗(yàn)，研究了鳳眼蓮對污染水體中Cu2+的短期去除率、去除量及pH對鳳眼蓮吸收Cu2+的影響，同時(shí)對鳳眼蓮在高濃度含銅廢水中的耐受性進(jìn)行了探討，旨在為相關(guān)研究與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

鳳眼蓮采集于廣州市郊水塘。

1.2 試驗(yàn)方法

在室外采用水培法進(jìn)行。將鳳眼蓮栽培于40 cm×30 cm×26 cm的塑料箱中，每箱4株，每箱水量為15 L，置于向陽處，自然光照。試驗(yàn)時(shí)間為2007年3月17日至4月3日，試驗(yàn)期間日平均氣溫為22 ℃左右，日平均水溫為17 ℃左右。

(1)Cu2+質(zhì)量濃度對鳳眼蓮吸收Cu2+的影響 在pH(6.0～7.0)相同，Cu2+質(zhì)量濃度不同的條件下進(jìn)行。參照《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)第二類污染物最高允許排放濃度中相關(guān)數(shù)據(jù)，分別設(shè)置2.00、4.00、6.00、8.00 mg/L 4個(gè)Cu2+質(zhì)量濃度梯度；并設(shè)置1個(gè)空白對照，每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

(2)pH對鳳眼蓮吸收Cu2+的影響 保持Cu2+質(zhì)量濃度為4.00 mg/L，pH分別設(shè)置為4.0、5.5和7.0，并設(shè)置1個(gè)空白對照，每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

試驗(yàn)所用水溶液由自來水加營養(yǎng)液組成，再加不同質(zhì)量濃度的Cu2+(CuSO4·5H2O)配成，其中營養(yǎng)液的組成為：CaCl20.5 mmol/L、NaNO30.5 mmol/L、MgSO40.2 mmol/L、KH2PO40.1 mmol/L、H3BO310.00 μmol/L、ZnSO41.0 μmol/L、NH4Cl 0.5 mmol/L和KCl 0.5 mmol/L。

種植后，每天9：00和18：00各攪動(dòng)1次，并于13：00點(diǎn)取樣1次，觀測5 d內(nèi)鳳眼蓮的長勢，測定和分析水樣中Cu2+質(zhì)量濃度的變化及達(dá)標(biāo)情況，計(jì)算日去除率和累積去除率。隔天采集植物測定鳳眼蓮對銅的富集量，采集的植物在80 ℃下烘至恒重，再搗碎，過60目篩后用硝酸浸泡24 h，再與水樣同樣用HNO3-HClO4消解法進(jìn)行處理，定容后用BFS2100雙光束原子吸收分光光度計(jì)測定植物和水中的含量[4, 5]。

有關(guān)各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

根、莖葉Cu2+增長倍數(shù)=試驗(yàn)根、莖葉Cu2+含量÷對照根、莖葉Cu2+含量

Cu2+富集量=試驗(yàn)根、莖葉Cu2+含量-對照根、莖葉Cu2+含量

Cu2+富集系數(shù)=試驗(yàn)根、莖葉Cu2+含量÷培養(yǎng)液起始Cu2+質(zhì)量濃度

(3)鳳眼蓮耐受性試驗(yàn) 配制濃度為0.00、10.00、20.00、30.00和40.00 mg/L的銅離子溶液，進(jìn)行鳳眼蓮的耐受性試驗(yàn)，觀察鳳眼蓮的生長情況及其毒害癥狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 鳳眼蓮對不同質(zhì)量濃度Cu2+廢水中Cu2+的去除作用

試驗(yàn)中，空白對照組Cu2+質(zhì)量濃度基本保持不變，說明水體對Cu2+的自凈能力很低，故對水體的自凈作用忽略不計(jì)。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各試驗(yàn)組水體Cu2+質(zhì)量濃度逐漸降低(圖1)，培養(yǎng)鳳眼蓮5 d后，2～4 mg/L含銅廢水中90%以上的Cu2+被去除；而在Cu2+質(zhì)量濃度為8 mg/L的含銅廢水中，其累積去除率則已降低，只有77.6%。

由圖2可知，Cu2+質(zhì)量濃度為2 mg/L與4 mg/L的試驗(yàn)組中，在第1、2 天鳳眼蓮對Cu2+的日去除率均接近或超過45%，以后幾天的去除率逐漸減??；Cu2+質(zhì)量濃度為8 mg/L的試驗(yàn)組，其日去除率均比前兩組低。圖3結(jié)果也顯示，在第1天，鳳眼蓮對銅離子的去除量是最高的，其后的去除量逐日下降；但在Cu2+質(zhì)量濃度為8 mg/L的試驗(yàn)組，在培養(yǎng)的5 d中，每日的去除量均高于其它兩組。表明鳳眼蓮的“去除率”和“去除量”并非一致。

鳳眼蓮在不同質(zhì)量濃度Cu2+廢水中對Cu2+的積累量和富集量測定結(jié)果見表1。由表1可知，鳳眼蓮根部對Cu2+的積累量最高，其次是老莖葉。說明Cu2+被鳳眼蓮吸收后，大部分停留在根部，少量向莖葉部分遷移，這與耐受性試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象相符。表1結(jié)果還表明，鳳眼蓮對Cu2+的富集量隨Cu2+的起始濃度增高而增大，而富集系數(shù)隨起始濃度的增高而呈一定程度的減小，說明在Cu2+濃度較低時(shí)，其富集效果更好。

圖1 鳳眼蓮對不同質(zhì)量濃度Cu2+廢水中Cu2+的累積去除率Figure1 TheaccumulatedremovalratesofCu2+indifferentconcentrationsofCu2+wastewaterbyE．crassipes、圖2 鳳眼蓮對不同質(zhì)量濃度Cu2+廢水中Cu2+的日去除率Figure2 ThedailyremovalratesofCu2+indifferentconcentrationsofCu2+wastewaterbyE．crassipes

圖3 鳳眼蓮對不同質(zhì)量濃度Cu2+廢水中Cu2+的日去除量Figure 3 The daily removal amount of Cu2+ in different concentrations of Cu2+ wastewater by E. crassipes

2.2 pH對鳳眼蓮富集Cu2+的影響

在不同pH條件下，空白對照組Cu2+質(zhì)量濃度也是基本不變的，各試驗(yàn)組Cu2+濃度逐漸降低，鳳眼蓮對不同pH的含銅廢水中Cu2+的累積去除率、日去除率、日去除量測定結(jié)果分別見圖4、圖5和圖6。

由圖4可知，經(jīng)過5 d的培養(yǎng)，pH為5.5的試驗(yàn)組Cu2+質(zhì)量濃度最低，累積去除率最高，而pH為7.0的試驗(yàn)組Cu2+質(zhì)量濃度最高，累積去除率最低。圖5也同樣顯示，pH為5.5的試驗(yàn)組，其日去除率較其余兩組是最高的。說明本試驗(yàn)中，pH為5.5的條件是較為適合鳳眼蓮去除Cu2+的。有資料[6,7]顯示，Cu2+富集量最高時(shí)pH值為4.5～6.0，本試驗(yàn)結(jié)果與之相近。

表1 不同Cu2+質(zhì)量濃度下鳳眼蓮的不同部位對Cu2+的積累量和富集量Table 1 The accumulation and enrichment amount of Cu2+ of different position in different concentrations of Cu2+ wastewater by E. crassipes

圖5、圖6也同樣顯示，pH為5.5的條件下，鳳眼蓮對Cu2+日去除率和日去除量也是最高的。但隨后的4 d，其對Cu2+的日去除量與其余2種pH條件的相近，這可能與培養(yǎng)液離子濃度逐漸減小、根部金屬離子結(jié)合位點(diǎn)漸趨飽和有關(guān)。

鳳眼蓮對不同pH的含銅廢水中Cu2+的積累量和富集量的測定結(jié)果見表2。表2結(jié)果顯示，鳳眼蓮根部對Cu2+的積累量最高，其次是老莖葉，但鳳眼蓮對Cu2+的富集量在不同pH條件下有顯著差異。當(dāng)pH由酸性向中性變化時(shí)，鳳眼蓮對金屬的富集量逐漸上升，在pH為5.5左右時(shí)較大，隨后開始下降，這與不同pH條件下水體中Cu2+質(zhì)量濃度的變化是相符的。有研究[8]表明，鳳眼蓮在pH為6.5～7.5中的養(yǎng)殖廢水中生長旺盛，廢水凈化效率高。但對于鳳眼蓮富集Cu2+而言，其最適pH與之有一定差異。

圖4 鳳眼蓮對不同pH的含銅廢水中Cu2+的累積去除率Figure4 TheaccumulatedremovalratesofCu2+inCu2+wastewateratdifferentpHbyE．crassipes圖5 鳳眼蓮對不同pH的含銅廢水中Cu2+的日去除率Figure5 ThedailyremovalratesofCu2+inCu2+wastewateratdifferentpHbyE．crassipes

圖6 鳳眼蓮對不同pH的含銅廢水中Cu2+的日去除量Figure 6 The daily removal amount of Cu2+ in Cu2+ wastewater at different pH by E. crassipes

2.3 鳳眼蓮對銅離子的耐受性

培養(yǎng)在Cu2+質(zhì)量濃度為40 mg/L水中的鳳眼蓮，在栽培1 d后就出現(xiàn)了受害癥狀，葉片邊緣脫水，第3 天葉片開始干枯，5 d后1/3的葉片干枯死亡。培養(yǎng)在Cu2+質(zhì)量濃度為20 mg/L水中的鳳眼蓮，栽培3 d后植株開始出現(xiàn)受害癥狀。多數(shù)鳳眼蓮的受害癥狀為：根部先發(fā)黑，然后是外圍的老葉開始受害，最后才是中心的嫩葉死亡。而濃度為10 mg/L試驗(yàn)水中的鳳眼蓮，栽培5 d后，生長狀況與未加入Cu2+水中的鳳眼蓮相近，僅是根部發(fā)黑，葉片沒有出現(xiàn)明顯的受害癥狀。

表2 不同pH條件下鳳眼蓮對Cu2+的積累量和富集量Table 2 The accumulation and enrichment amount of Cu2+ at different pH by E. crassipes

3 小結(jié)與討論

(1)鳳眼蓮對低濃度含銅廢水有良好的凈化效果。在2～8 mg/L質(zhì)量濃度梯度內(nèi)，Cu2+累積去除率隨著含銅廢水濃度的增高而降低，但去除量則隨著濃度的增高而提高，大約2～4 d內(nèi)可以使水中絕大部分的Cu2+被去除。定期收獲體內(nèi)金屬含量已趨于飽和的鳳眼蓮可提高生物處理系統(tǒng)對廢水的凈化效率。

(2)鳳眼蓮根部對Cu2+的富集系數(shù)最高，其次是老莖葉。有研究[9]表明，水生植物不同器官重金屬富集能力有一定的規(guī)律，即大多數(shù)水生植物表現(xiàn)為根部的富集系數(shù)大于莖葉。本研究中，鳳眼蓮對重金屬的富集作用亦是根部的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于莖葉。因?yàn)轼P眼蓮發(fā)達(dá)的根系與水體接觸面積大[8]，形成了一道密集的過濾層，故其根際過濾作用使得根系對重金屬離子的吸附作用明顯。

(3)水體pH對鳳眼蓮去除Cu2+的能力有一定影響。本研究中，pH約為5.5時(shí)，鳳眼蓮去除Cu2+的效果最好，此時(shí)的富集量和富集系數(shù)也是最高的。因此在實(shí)際操作中可通過調(diào)節(jié)pH，提高水生植物對水體的凈化效果。

(4)當(dāng)Cu2+質(zhì)量濃度高于20 mg/L時(shí)，栽培3～4 d鳳眼蓮植株就開始出現(xiàn)受害癥狀，觀察到的現(xiàn)象與蔡成翔等[10]相似。不少研究[7,8,11]表明，污染物在地上部分積累越多，植物的耐受性就越差。隨著污染物濃度的增加，水生植物就會(huì)表現(xiàn)出不適應(yīng)，以致出現(xiàn)受害癥狀。因此在污水凈化實(shí)踐中，注意控制污染物的濃度十分重要。

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X52

A

1673-1409(2009)02-S068-04

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2009.02.019

2008-12-01

仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院科研啟動(dòng)基金(G2360239)；湖北省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2006AA201C60)

蔡 青(1985-)，女，廣東韶關(guān)人，主要從事環(huán)境治理研究.

雷澤湘，E-mail：leizexiang@sina.com.