蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)對造紙廢水中鉛的凈化研究

蘇芳莉,周 欣,陳佳琦,蘆曉峰,王鐵良 (沈陽農業(yè)大學水利學院,遼寧 沈陽 110866)

蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)對造紙廢水中鉛的凈化研究

蘇芳莉,周 欣,陳佳琦,蘆曉峰,王鐵良*(沈陽農業(yè)大學水利學院,遼寧 沈陽 110866)

采集遼寧雙臺河口蘆葦濕地蘆葦樣品,于沈陽農業(yè)大學實驗場的試驗池內進行了對廢水中Pb凈化的模擬試驗.分析了蘆葦生長季內,造紙廢水、濕地土壤和蘆葦組織中的Pb分布特征.結果表明,蘆葦灌溉20%濃度的造紙廢水,對Pb的去除率最高;蘆葦在拔節(jié)期階段,去除效果最好.對于同一生長期,在10cm水深處Pb的含量最少,凈化效果最明顯;在10～40cm深度土壤對Pb的熱力學吸附差異顯著.隨著采樣深度的增加,土壤在10cm深處對Pb的吸附量最大,凈化效果最明顯.蘆葦組織中Pb的分布特征為,在蘆葦整個生長期內,蘆葦根組織對Pb的吸收量最大,其次為莖組織,而葉組織對Pb的吸收量最小.

Pb；造紙廢水；蘆葦；濕地生態(tài)系統(tǒng)；凈化

目前,重金屬在生態(tài)系統(tǒng)中的運移和積累已引起廣泛關注[1-2].近年來,關于人工濕地處理有機廢水的去除機理和效應進行了廣泛深入的研究,取得了重要的研究成果[3-6].對于沿海河口濕地生態(tài)系統(tǒng)中重金屬的遷移、凈化行為研究亦有報道

[7-9].有研究表明[10],紅樹林可以吸收細顆粒物質,可使底部沉積物增加,并且可以通過根、莖、葉等使潮灘重金屬遷移和富集.也有研究發(fā)現(xiàn)[11],某些濕地植物可以吸收和轉化土壤中的重金屬,從而減少重金屬在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的危害.遼寧盤錦市雙臺河口濕地作為雙臺河進入渤海的最后一道屏障,近年來入海河水水質不斷惡化,已為Ⅳ類水或劣Ⅴ類水.其中,重金屬鉛的含量明顯超過國家地表水Ⅱ類(湖庫)標準[12].而關于利用盤錦雙臺河口濕地生態(tài)系統(tǒng)對造紙廢水中 Pb的凈化方面的研究尚鮮見報道.因此,本研究通過構建模擬天然濕地小試裝置,人為調控試驗條件和實時觀測,系統(tǒng)研究蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)對造紙廢水中鉛的凈化效果,并探討了其去除機理,為濕地對造紙廢水進行生態(tài)修復提供理論依據(jù)與技術支撐.

1 材料與方法

1.1 供試廢水

供試廢水取自遼寧省金城造紙廠排污口.每月1號取供試造紙廢水10桶,每桶25L,運回沈陽農業(yè)大學試驗場內,置于陰涼處為試驗池內灌水所用.自4月份取水至11月份共采集8個月.經(jīng)測定,灌入造紙廢水的主要成分:COD為1610mg/L, BOD5為823mg/L,Pb濃度為0.12mg/L,揮發(fā)酚濃度為 0.05mg/L,SS濃度為 141mg/L,礦化度為3569mg/L,pH值7.87.

1.2 供試土壤

2009年4月自盤錦濕地內取自然狀態(tài)下的自然土壤,運回沈陽農業(yè)大學試驗場作為移栽蘆葦所用.該濕地的土壤類型為草甸土,土壤pH值為8.47,有機質含量為1.12%,容重為1.03g/cm3.

1.3 供試植物

蘆葦采自遼寧省盤錦市雙臺河口國家級自然保護區(qū)核心區(qū),品種為遼濱葦、盤錦葦、小紫散穗等當?shù)仄贩N天然混栽.2009年4月取土同時,挖取未萌發(fā)的帶有健康芽眼的蘆葦根莖,截成30cm的小段,外裹適量土壤,裝入麻袋,適量灑水(以保證根系濕潤),運回沈陽農業(yè)大學試驗場內,移栽至試驗池中.

1.4 試驗設置

試驗于2009年在沈陽農業(yè)大學水利學院試驗場內進行.在試驗場平坦處用混凝土砌成25個大小相等的試驗池作為模擬天然濕地—盤錦雙臺河口濕地的小試裝置,具體設置如圖1所示.每個試驗池的尺寸為長×寬=2.0m×1.0m,試驗池基礎埋深0.8m,地上部分高0.9m,內部深度0.8m.在移栽蘆葦之前首先在試驗池底部用從雙臺河口濕地取回的土壤墊土高約0.2m,然后將該濕地取回的長約0.3m蘆葦根進行移栽,每個試驗池平均移栽1250株,株距×行距為0.04m×0.04m.移栽后對上部進行覆土,覆土厚度約為 0.1m.在每個試驗池外側安裝4個出水管,分別用來接取4種不同土壤深度下的水樣,每層水深高差為10cm.

具體灌溉造紙廢水方式如下:按全國《灌溉試驗規(guī)范》中劃分作物生育階段的標準,將蘆葦整個生長季劃分為發(fā)芽、展葉、拔節(jié)、抽穗、成熟5個生長階段.根據(jù)蘆葦?shù)?個生長期,將25個試驗池分為5組,編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ.將造紙廢水用清水調成5個濃度(100%、80%、60%、40%、20%)作為試驗處理,編號為C1、C2、C3、C4、C5.在蘆葦?shù)牟煌L期灌入不同濃度的造紙廢水,并進行編號.如 C1Ⅰ代表在發(fā)芽期灌入濃度為100%的造紙廢水,以此類推.

蘆葦根系萌發(fā)后如圖1.

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Experimental device schemes

在蘆葦各個生長期開始之初,一次性灌入 5個處理濃度的造紙廢水,灌水深為10cm,計0.2m3.余后用清水灌入,保持水面 10cm.具體做法為:在展葉期灌入污水的試驗處理,在發(fā)芽期只灌清水,維持10cm水層,保證蘆葦正常生長;在拔節(jié)期灌入污水的試驗,在發(fā)芽期和展葉期均灌清水;以此類推,不會產生 Pb在濕地系統(tǒng)中的積累效應.清水為自來水(居民飲用水),經(jīng)檢測,鉛含量基本為零,不會對實驗結果產生影響.在下個生長期灌入造紙廢水的前一天取水樣、土樣和植物樣.

1.5 樣品采集及處理方法

水樣通過安裝在試驗池外側的 4個出水管進行分層采集.采集后的水樣用直徑為7cm的中速定性濾紙進行過濾,然后裝入塑料容器中待測.為防止廢水中成分發(fā)生變化,將待測水樣放入4℃冰箱內保持恒溫.土樣采用直徑6cm、高 1m的取土鉆分4層取土,與水樣相對應,每層取土厚度均為10cm,封裝,置陰涼處風干.風干后,用100目篩子進行過篩,對過篩后的土壤參照龍新憲等

[13]的消化法進行消化,裝入塑料容器中待測.植物樣選擇每個試驗池中長勢較好的3株,經(jīng)洗凈后,把植株分為根、莖和葉 3部分,參照王小平

[14]的植物處理及分解方法對植物樣進行預處理,裝入塑料容器中待測.

1.6 儀器分析

本試驗使用的儀器:電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國熱電公司);使用的試劑:含56種金屬的多元素標準溶液(國家標準樣品)(購于中國標準物質網(wǎng));濃硫酸、濃硝酸、高氯酸等均為分析純試劑(均購于沈陽市國藥集團).

采用等離子發(fā)射光譜法測定蘆葦濕地系統(tǒng)中水、土壤、植物中Pb的含量.結果由計算機聯(lián)機打印出.采用 SPSS統(tǒng)計軟件對土壤和植物中的指標數(shù)據(jù)進行相關分析.

2 結果與討論

2.1 蘆葦不同生長期及不同濃度廢水對 Pb去除率的影響

由表1及表2可知,對于蘆葦同一生長期而言,不同的廢水灌溉濃度會導致對Pb不同的去除效果.例如,發(fā)芽期,灌溉濃度為 100%的造紙廢水處理后,廢水Pb含量由0.070mg/L降低為0.056mg/L,去除率為 20%.當灌溉濃度為 80%的造紙廢水處理后,廢水Pb含量由0.056mg/L降低為0.029mg/L,去除率為48.21%,去除率提高,去除效果明顯增強.當灌溉濃度為60%的造紙廢水處理后,廢水Pb含量由 0.042mg/L降低為 0.027mg/L,去除率為35.71%,雖然濃度有所降低,但Pb的去除率卻沒有灌溉 80%濃度的廢水去除效果明顯.當灌溉濃度為40%、20%的造紙廢水處理后,廢水去除率均有所降低.由此可以得出,對于蘆葦同一生長期,灌溉不同濃度的造紙廢水對 Pb去除效果從大到小排序為:20%＞40%＞ 80%＞60%＞100%.

表1 蘆葦不同生長期不同濃度造紙廢水中Pb去除量(mg/L)Table 1 Pb removal amount from different concentration papermaking wastewater at different growth stages of reed (mg/L)

表2 蘆葦不同生長期不同濃度造紙廢水中Pb去除率(%)Table 2 Pb removal rate from different concentration papermaking wastewater at different growth stages

對于灌溉同一濃度的造紙廢水,蘆葦不同生長期也會對Pb的去除產生一定的影響.由表1可知,以灌溉濃度為100%廢水為例,在發(fā)芽期,Pb的去除率為 20%,去除率最低;在展葉期,Pb的去除率為 31.43%;在拔節(jié)期,Pb的去除率為 62.86%,去除率最高;在抽穗期,Pb的去除率為51.43%;在成熟期,Pb的去除率為45.71%.由此可以得出,對于灌溉同一濃度的造紙廢水,蘆葦不同的生長期對Pb的去除效果由大到小排序為:拔節(jié)期＞抽穗期＞成熟期＞展葉期＞發(fā)芽期.

2.2 蘆葦不同生長期Pb在水體中的分布

由圖2可知,無論蘆葦處于何種生長期,Pb在水體中的分布情況大體一致,在 10cm水層處 Pb含量最低,凈化效果最好,在30cm水層處Pb含量最高,凈化效果最差.不同水深Pb含量由高到低排序為:30cm水深＞40cm水深＞20cm水深＞10cm水深.不同水深 Pb的凈化效果由高到低排序為:10cm水深＞20cm水深＞40cm水深＞30cm水深.

從縱向比較來看,對于相同的水深(如在30cm 水深處),蘆葦發(fā)芽期水體內 Pb含量為0.027mg/L,含量最高,凈化效果最低;蘆葦展葉期水體內Pb含量為0.020mg/L;蘆葦拔節(jié)期水體內Pb含量為 0.016mg/L,含量最低,凈化效果最好;蘆葦抽穗期水體內Pb含量為0.017mg/L;蘆葦成熟期水體內Pb含量為0.018mg/L.可見在同一水深處,對于蘆葦不同生長期,廢水中 Pb的凈化效果由高到低排序為:拔節(jié)期＞抽穗期＞成熟期＞展葉期＞發(fā)芽期.

圖2 蘆葦不同生長期水中Pb含量的分布Fig.2 Distribution of Pb content in wastewater at different growth stages of reed

2.3 濕地土壤對造紙廢水中 Pb的吸附熱力學Langmuir等溫線方程:

式中:C為吸附質離子的平衡濃度,mg/L;CS為吸附量,mg/g;常數(shù) B表示最大吸附能力;常數(shù)K表示吸附能量.用1/C與1/CS值作圖可得到斜率為1/(KB)、截距為1/B的直線,表明沉積物對重金屬的吸附符合 Langmuir等溫線模型.直線的截距l(xiāng)gKL表示吸附能力,斜率1/n表示吸附強度[15].

Freundlich等溫線方程:

式中:常數(shù) Kf表示吸附量;常數(shù)n表示吸附強度.用lgCS對 lgC作圖得到斜率為1n,截距為 lgKf的直線.表明濕地土壤對Pb的吸附符合上述等溫

兩邊取對數(shù)得到:方程式[15].

從表 3列出的相關系數(shù)可以看出,Langmuir和Freundlich等溫曲線均可以描述Pb在不同土壤深度上的熱力學吸附過程,即顯著性水平可達到P=0.01(n=8).以Langmuir等溫曲線為例,雖然不同深度的土壤吸附Pb的能力差異較小,但隨著采樣深度的增加,土壤樣品對Pb的最大吸附量也存在一定的變化趨勢,即土壤在10cm深處對Pb的吸附量為最大,而在30cm深處對Pb的吸附量為最小.這可能是因為上層土壤中較細土壤粒子的含量一般均大于下層土壤,從而下層土壤的吸附能力較強.因為許多研究都表明,土壤的吸附能力與土壤的粒度密切相關.土壤顆粒的大小決定了顆粒的比表面積,而物質的比表面積越大,其表面能也就越大,對處于表面的分子吸引力也就越強[16].

2.4 造紙廢水灌溉對蘆葦組織中Pb含量影響

由圖3可見,無論是蘆葦?shù)陌l(fā)芽期,還是展葉期,蘆葦根部吸收的Pb含量遠遠高于莖和葉吸收Pb的含量,而莖組織和葉組織吸收Pb的含量相差不大,一般為莖組織吸收Pb的含量略高于葉組織吸收的含量.這也是大多數(shù)植物吸收重金屬的規(guī)律,其原因是植物根系內皮組織能阻止重金屬向地上部分運輸.朱鳴鶴等[17]研究潮灘翅堿蓬對重金屬吸收特性也得到了類似的結果.

表3 土壤不同深度吸附Pb的熱力學擬合結果Table 3 Thermodynamics fitting results of Pb adsorption at different soil depths

雖然蘆葦根系在濕地重金屬污染去除中起著主要的作用,但植物根系形態(tài)結構不同對重金屬去除也具有一定的影響.如粗根和細根、深根和淺根等,這些根系特征均關系到濕地內部環(huán)境狀況,影響到根系周圍重金屬的有效狀態(tài),從而影響對重金屬的吸收和積累.這些也是本研究要繼續(xù)深入研究之處.

從圖3得知,蘆葦根組織中Pb的含量在拔節(jié)期最高,而發(fā)芽期最低.同樣,蘆葦莖組織中Pb的含量在拔節(jié)期最高,在發(fā)芽期最低.蘆葦葉組織中Pb的含量在拔節(jié)期最高,在展葉期最低.造紙廢水灌溉后,各個生長期 Pb在蘆葦中的分布,均以根中含量最高.且Pb在蘆葦各組中的含量分別為根0.082mg/kg干重最高,莖0.033mg/kg干重其次,葉0.023mg/kg干重最低.

圖3 不同生長期蘆葦各組織中Pb含量Fig.3 Pb content in various reed tissues at different growth stages

圖4 不同生長期蘆葦各組織中Pb含量百分比Fig.4 Pb percentage content in various reed tissues at different growth stages

從圖4得知,在不同生長期,蘆葦?shù)那o葉和根對Pb的吸收和分布積累特性都呈現(xiàn)出相似的規(guī)律,即 Pb主要分布在蘆葦?shù)母抵?占整個蘆葦組織的50%以上,莖葉中含量相對較少,分別占整個蘆葦組織的30%和20%左右.重金屬在蘆葦體內含量雖然很高,但主要富集于植株的地下部分,且植物生物量所占植株比例較小.

2.5 造紙廢水Pb含量和蘆葦各組織Pb含量的相關分析

從表4可以看出,無論在蘆葦?shù)娜魏紊L期,蘆葦不同組織和造紙廢水中Pb含量的相關性在蘆葦根組織處的相關性非常顯著,相關系數(shù)均在0.92以上,尤其在蘆葦拔節(jié)期,蘆葦根組織處的相關系數(shù)在0.96以上,在莖和葉組織處相關性開始減弱.說明在蘆葦生長的任何時期,根組織對 Pb的吸附能力最強,吸附效果最好,而莖和葉組織則相對較弱.其結果與圖3反應的情況相一致.從表4還可看出,在蘆葦拔節(jié)期,蘆葦根、莖、葉組織的平均相關系數(shù)最大,達到0.92以上,相關性最顯著.而在蘆葦發(fā)芽期,蘆葦根、莖、葉組織的平均相關系數(shù)最小,為 0.86,相關性較顯著,說明在蘆葦拔節(jié)期,造紙廢水中含 Pb量最少,凈化效果最明顯.而在蘆葦發(fā)芽期,造紙廢水中含Pb量最大,凈化效果不明顯,與表1結果相一致.

表4 蘆葦組織和造紙廢水中Pb含量的線性相關分析Table 4 line correlation analysis of Pb content between reed tissue and paper wastewater

2.6 討論

本研究只考慮栽植一種濕地植物對造紙污水中的一種重金屬的凈化研究,但在實踐中,對于多種重金屬構成的復合污染,需要多種植物組合來進行治理.當這些植物被種植在一個濕地中,植物之間是否會通過根系或其他途徑出現(xiàn)協(xié)同或拮抗作用還有待于進一步研究.

3 結論

3.1 對于蘆葦同一生長期,灌溉不同濃度的造紙廢水對Pb去除效果從大到小排序為:造紙廢水(濃度20%)＞(濃度40%)＞(濃度80%)＞(濃度60%)＞(濃度 100%).對于灌溉同一濃度的造紙廢水,蘆葦不同的生長期對Pb的去除效果由大到小排序為:拔節(jié)期＞抽穗期＞成熟期＞展葉期＞發(fā)芽期.

3.2 蘆葦對不同水深 Pb的凈化效果由高到低排序為:10cm水深＞20cm水深＞40cm水深＞30cm水深.而對于同一水深而言,蘆葦不同生長期 Pb的凈化效果由高到低排序為:拔節(jié)期＞抽穗期＞成熟期＞展葉期＞發(fā)芽期.

3.3 利用Langmuir和Freundlich等溫吸附曲線對土壤不同深度對Pb的熱力學吸附數(shù)據(jù)進行擬合,土壤在10cm水深處對Pb的吸附量最大,而在

30cm水深處對Pb的吸附量最小.

3.4 對于蘆葦不同生長期,蘆葦各個組織對 Pb的吸收量由大到小排序為:根＞莖＞葉.對于蘆葦根組織而言,蘆葦不同生長期對Pb的吸收量由大到小排序為:拔節(jié)期＞抽穗期＞成熟期＞展葉期＞發(fā)芽期.對于蘆葦莖組織而言,蘆葦不同生長期對

Pb的吸收量由大到小排序為:拔節(jié)期＞抽穗期＞成熟期＞展葉期＞發(fā)芽期.對于蘆葦葉組織而言,蘆葦不同生長期對Pb的吸收量由大到小排序為:拔節(jié)期＞抽穗期＞成熟期＞發(fā)芽期＞展葉期.

3.5 根據(jù)蘆葦根、莖、葉組織和造紙廢水中Pb的含量間的線性相關分析得出,蘆葦根組織處的相關性非常顯著,相關系數(shù)均在0.92以上,尤其在蘆葦拔節(jié)期,蘆葦根組織處的相關系數(shù)在0.96以上,在莖和葉組織處相關性開始減弱.并且在蘆葦拔節(jié)期,蘆葦根、莖、葉組織的平均相關系數(shù)最大,而在蘆葦發(fā)芽期,平均相關系數(shù)最小.

[1] 路永正,閻百興.顫蚓擾動作用對鉛鎘在沉積物-水相中遷移的影響 [J]. 中國環(huán)境科學, 2010,30(2):251-255.

[2] Green I D, Jeffries C, Diaz A, et al. Contrasting behaviour of cadmium and zinc in a soil-plant-arthropod system [J]. Chemosphere, 2006,64(7):1115-1121.

[3] Rupali Mohansingh. Statistical analyses of the performance of a small-scale constructed wetlands system [D]. Nevada: University of Nevada, 2005.

[4] Carleton J N, Grizzard T J, Godrej A N, et al. Perfo constructed wetlands in treating urban stormwater [J]. Water Environment Research, 2000,72(3):295-304.

[5] Kadlec R H, Knight R L. Constructed wetlands for pollution control: process, performance, design and operation [M]. London, UK: IWA Publishing, 2000.

[6] 謝 龍,汪德爟,戴 昱,等.水平潛流人工濕地有機物去除模型研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2009,29(5):502-505.

[7] 宋 萍,封 磊,洪 偉,吳承禎,等.閩江口濕地主要土壤-植物系統(tǒng)硒的分配特征 [J]. 華僑大學學報(自然科學版), 2009, 30(6):673-676.

[8] 李 玫,廖寶文,劉金苓,等.無瓣海桑模擬濕地系統(tǒng)對污水的凈化效應 [J]. 生態(tài)科學, 2008,27(2):46-49.

[9] 宋 萍,封 磊,洪 偉.閩江河口濕地土壤植物系統(tǒng)Zn、Cd的分布特征 [J]. 福建林學院學報, 2009,29(1):17-22.

[10] Kruitwagen G, Pratap H B, Covaci A, et al. Status ofpollution inmangrove ecosystems along coastofTanzania. Marine Pollution Bulletin, 2008,56(5):1022-1031.

[11] 韓志萍.鉻銅鎳在蘆竹中的富集與分布 [J]. 環(huán)境科學與技術, 2006,29(5):106-108.

[12] 劉 娟.渤?；瘜W污染物入海通量研究 [D]. 青島:中國海洋大學, 2006.

[13] 龍新憲,楊肖娥,倪吾鐘.重金屬污染植物修復技術研究的現(xiàn)狀與展望 [J]. 應用生態(tài)學報, 2002,13(6):757-762.

[14] 王小平.不同分解方法對 ICP-AES測定植物樣品中元素含量的影響 [J]. 光譜學與光譜分析, 2005,25(4):563-566.

[15] 王文軍.天然水體中生物膜對污染物環(huán)境化學行為的影響 [D].長春:中國科學院長春地理研究所, 2001.

[16] 孫衛(wèi)玲,倪晉仁.泥沙吸附重金屬研究中的若干關鍵問題 [J].泥沙研究, 2002(6):53-59.

[17] 朱鳴鶴,丁永生,鄭道昌,等.潮灘植物翅堿蓬對 Cu、Zn、Pb和Cd累積及其重金屬耐性 [J]. 海洋環(huán)境科學, 2005,24(2):13-16.

Purification of Pb in papermaking wastewater by reed wetland ecosystem.

SU Fang-li, ZHOU Xin, CHEN Jia-qi, LU Xiao-feng, WANG Tie-liang*(College of Water Resourse, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China). China Environmental Science, 2001,21(5)：768～773

Based on sampling in Shuangtai estuary wetland and simulation experiments at laboratory pool, distribution characteristics of Pb in papermaking wastewater, wetland soil and reeds tissue was analyzed respectively within a growing season. The removal rate of Pb was the highest by irrigation 20% concentration wastewater and the best removing effect emerged at jointing stage. For the same period, Pb content in water was least at 10cm water depth and purifying effect was the most significant. The difference of Pb thermodynamics adsorption was remarkable in 10～40cm depth soil. As the sampling depth increases, the adsorption property of Pb was best in 10cm soil depth where the purification effect was significant. Distribution characteristics Pb in reed organization was different. The absorbing capability order of reed tissue to Pb was root＞stem＞leaves in the whole growth period.

Pb；papermaking wastewater；reed；wetland ecosystem；purification

X171.1

A

1000-6923(2011)05-0768-06

2010-09-13

國家自然科學基金資助項目(50879046);中國博士后科學基金(20090451281);遼寧省博士啟動基金(20081070)

* 責任作者, 教授, tieliangwang@126.com

致謝：本實驗的現(xiàn)場采樣工作由盤錦市歡喜嶺鎮(zhèn)東郭葦場拾里分場的工作人員協(xié)助完成,在此表示感謝.

蘇芳莉(1977-),女,遼寧省營口市人,副教授,博士,主要從事農業(yè)水土環(huán)境和水土保持與生態(tài)環(huán)境評價方面的的研究.發(fā)表論文20余篇.