表面流人工濕地對(duì)Cr6+和有機(jī)物污染水體的生態(tài)修復(fù)研究

胡渭平，范 偉，張 章，邊敏娟，韓 蕾，王 薇，劉 翔

（1.核工業(yè)二〇三研究所環(huán)境工程與評(píng)價(jià)中心，陜西咸陽(yáng)712000；2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055）

表面流人工濕地對(duì)Cr6+和有機(jī)物污染水體的生態(tài)修復(fù)研究

胡渭平1，范 偉1，張 章1，邊敏娟1，韓 蕾2，王 薇1，劉 翔1

（1.核工業(yè)二〇三研究所環(huán)境工程與評(píng)價(jià)中心，陜西咸陽(yáng)712000；2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055）

模擬自然條件下表面流人工濕地的啟動(dòng)和運(yùn)行，利用濕地中微生物，對(duì)同時(shí)存在Cr6+和有機(jī)物污染的水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù).結(jié)果表明，人工濕地在運(yùn)行穩(wěn)定的條件下，對(duì)Cr6+和有機(jī)物有較好的去除效果，Cr6+平均去除率可達(dá)90%以上，COD去除率可達(dá)48%；表面流人工濕地內(nèi)生物多樣性豐富.①

表面流人工濕地；Cr6+；COD；生態(tài)修復(fù)

0 引言

隨著近年來環(huán)境問題的頻發(fā)，環(huán)境污染的治理對(duì)策及其研究得到越來越高的重視，與此同時(shí)，水體污染的治理由單一污染物的去除轉(zhuǎn)向多種污染物的同時(shí)去除［1］.目前，重金屬污染與有機(jī)物污染，屬于水體污染治理的兩大焦點(diǎn)［2-3］.在重金屬污染種類中，鉻污染的普遍性排在第二位，僅次于鉛.六價(jià)鉻對(duì)人體和動(dòng)物有很強(qiáng)的毒害作用.重金屬鉻與有機(jī)物同時(shí)存在于水體中時(shí)，在有機(jī)物消耗水中的溶解氧量和六價(jià)鉻對(duì)生物的毒性雙重作用下，水中微生物大量死亡，水體失去自凈的基礎(chǔ)，水質(zhì)嚴(yán)重惡化，并進(jìn)而引起一系列環(huán)境效應(yīng)，影響到水體周圍生物的正常生長(zhǎng)和生活在附近居民的身體健康［4-5］.因此，對(duì)于去除水體中重金屬鉻和有機(jī)污染物，是在目前水環(huán)境嚴(yán)峻的形勢(shì)下，維護(hù)水體健康的一項(xiàng)重要課題.

模擬自然條件下，通過反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行，監(jiān)測(cè)表面流人工濕地系統(tǒng)對(duì)重金屬鉻和COD的去除能力，并記錄人工濕地中的生物量，以研究表面流人工濕地對(duì)此種水體的生態(tài)修復(fù)效果.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置小試裝置如圖1所示，裝置前后設(shè)置一個(gè)集水池和出水池，濕地整體隔斷成小格式，水流呈S型在裝置中循環(huán)流動(dòng).采用PVC板加工制作而成.選用蘆葦作為濕地植物［6］，種植密度均為14叢·m-2.人工濕地中填充礫石及河沙［7］.

1.2 試驗(yàn)用水及運(yùn)行供試水質(zhì)參考某制革工廠廢水，用攜帶微生物的景觀用水配制而成，其水質(zhì)狀況如表1所示.為加快濕地中微生物的富集，接種某污水處理廠二沉池污泥1 L.

試驗(yàn)裝置啟動(dòng)于2014年2月17日，蠕動(dòng)泵從集水池抽水進(jìn)入濕地，流量為：282 mL/h.考慮到六價(jià)鉻對(duì)生物的毒性和污泥對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)性，在裝置啟動(dòng)初期，進(jìn)水箱中不投加六價(jià)鉻化合物，在運(yùn)行的過程中，逐步提高六價(jià)鉻的投加量.

1.3 靜態(tài)吸附試驗(yàn)取2 g填料與250 mL的錐形瓶中，加入Cr6+質(zhì)量濃度為2 mg/L溶液100 mL，再加入3滴三氯甲烷以防止微生物活動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.將錐形瓶置于恒溫?fù)u床中在轉(zhuǎn)速150 r/min、溫度25℃條件下振蕩48 h，水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后測(cè)量其中Cr6+濃度.試驗(yàn)設(shè)置3平行2重復(fù).

1.4 分析方法COD的測(cè)定采用快速消解分光光度法，六價(jià)鉻的測(cè)定采用二苯碳酰二肼分光光度法［8］.

圖1 表面流人工濕地示意圖

表1 供試廢水水質(zhì)狀況mg·L-1

2 結(jié)果與討論

2.1 人工濕地對(duì)六價(jià)鉻的去除分析在試驗(yàn)裝置啟動(dòng)一周之后，由于氣溫、光照等自然條件的限制，微生物尚處于對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)階段，對(duì)污染物的去除率尚不明顯.第14天，人工濕地已運(yùn)行穩(wěn)定，生物數(shù)量和種類都在增多，出水已逐漸清澈，開始在進(jìn)水中加入六價(jià)鉻化合物（Cr6+0.1 mg/L）.第21天，生物生長(zhǎng)正常，進(jìn)一步提高Cr6+加入量至0.5 mg/L.第28天，提高至1 mg/L.第35天，提高至5 mg/L.第50天，提高至10 mg/L.

進(jìn)水中投加六價(jià)鉻化合物之后，反應(yīng)器中微生物生長(zhǎng)情況穩(wěn)定，第14天開始對(duì)進(jìn)水和出水中的六價(jià)鉻進(jìn)行測(cè)定，不同進(jìn)水濃度下，Cr6+的出水濃度和去除率如圖2所示.

從圖中可以看出，人工濕地中生物對(duì)Cr6+表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，去除率穩(wěn)定，且比較高，最高達(dá)96%.隨著進(jìn)水中Cr6+濃度的增加，去除率有所降低.在進(jìn)水鉻濃度增加到5 mg/L及10 mg/L時(shí)，出水濃度增加比較明顯，且持續(xù)較高.人工濕地對(duì)Cr6+的去除，主要是填料的吸附沉淀、植物的吸收和微生物作用［9-10］.

為判斷人工濕地中填料是否對(duì)Cr6+具有吸附效果，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)填料進(jìn)行靜態(tài)吸附試驗(yàn)并對(duì)人工濕地小試裝置中采集的生物膜進(jìn)行消解，檢測(cè)生物膜中Cr6+含量.靜態(tài)吸附結(jié)果表明，48 h之后，錐形瓶中水樣Cr6+濃度并沒有變化.采集到的生物膜經(jīng)冷凍干燥后，酸化消解，檢測(cè)到生物膜中Cr6+含量為2.98 mg/g，采集自試驗(yàn)用水的景觀河中生物膜Cr6+含量為0，綜合以上表明本裝置對(duì)廢水中Cr6+的去除主要依靠微生物的作用.

開始監(jiān)測(cè)時(shí)，Cr6+的去除率較低，此時(shí)微生物還處于對(duì)Cr6+的適應(yīng)期.而在Cr6+投加一周之后，第21天，進(jìn)水Cr6+濃度為0.5 mg/L，Cr6+的去除率達(dá)到96%.由此可以推測(cè)，經(jīng)過Cr6+較低濃度進(jìn)水的馴養(yǎng)，人工濕地中耐鉻性微生物已逐漸生長(zhǎng)成為優(yōu)勢(shì)菌，在這些微生物的絮凝和吸附作用下，人工濕地對(duì)Cr6+的去除率已逐漸趨于穩(wěn)定.進(jìn)水中Cr6+濃度提高到5 mg/L開始，出水中的Cr6+濃度略有增大，第35天高達(dá)1.4 mg/L，但隨著時(shí)間的推移，Cr6+的出水濃度也逐漸降低，去除率也逐漸增大；進(jìn)水中Cr6+濃度提高到10 mg/L開始，也呈現(xiàn)同樣的去除特征.分析原因在于，人工濕地系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間較短，運(yùn)行尚未完全穩(wěn)定；Cr6+的濃度的突然增大，對(duì)微生物生長(zhǎng)有不利影響等，造成了Cr6+出水濃度和去除率的波動(dòng).整體上看，人工濕地中微生物對(duì)Cr6+濃度的不斷提高，表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性.Cr6+的平均去除率在90%以上.

2.2 人工濕地對(duì)COD的去除分析在人工濕地基本運(yùn)行穩(wěn)定之后，從第14天開始對(duì)進(jìn)水和出水COD指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如圖3所示.

圖2 人工濕地對(duì)Cr6+的去除效果

圖3 人工濕地對(duì)COD的去除效果

表面流人工濕地對(duì)COD的去除主要依靠根系的攔截和微生物的降解，COD可供微生物的生長(zhǎng)［11-12］.從圖3可以看出人工濕地對(duì)COD的平均去除率可高達(dá)到48%.人工濕地作為一種去除有機(jī)物較為成熟的工藝，在本次模擬試驗(yàn)中對(duì)COD表現(xiàn)出良好的去除效果.從第14天開始檢測(cè)，到第35天，COD去除率較為穩(wěn)定，加入少量的六價(jià)鉻化合物對(duì)COD的去除影響不大.但第35天起，如圖所示，COD的去除率有明顯降低的過程，但在接下來的時(shí)間里又慢慢的回升，其原因主要是因?yàn)橥蝗惶岣吡薈r6+濃度，Cr6+抑制了濕地系統(tǒng)中微生物的活性，使得微生物降解COD的能力下降，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，微生物逐漸適應(yīng)了Cr6+的濃度，COD的去除率又緩慢地提高.第50天所產(chǎn)生的現(xiàn)象也是同樣的原因.在小試裝置運(yùn)行過程中，COD去除率隨著進(jìn)水中Cr6+的濃度提高也有適當(dāng)?shù)牟▌?dòng)和輕微的下降，但整體上表現(xiàn)了對(duì)COD良好的去除能力，系統(tǒng)中的微生物雖然對(duì)Cr6+有良好的適應(yīng)性，但在這一馴化過程中，Cr6+的毒性還是抑制了一些微生物的生長(zhǎng).整體上看，此人工濕地系統(tǒng)可以對(duì)Cr6+和有機(jī)物同時(shí)去除，且去除效率高.

2.3 人工濕地中生物多樣性分析人工濕地作為一種自然的水處理凈化工藝，其啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定之后，形成一個(gè)由藻類、細(xì)菌、水生植物、水生動(dòng)物等生物構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng).系統(tǒng)中的植物，微生物，腐殖質(zhì)以及無機(jī)或有機(jī)碳、氮、磷的轉(zhuǎn)換等就是其中的子系統(tǒng)［13］.

試驗(yàn)裝置運(yùn)行兩個(gè)月之后，藻類、細(xì)菌、真菌、浮游動(dòng)物等生長(zhǎng)良好，填料，植物根部在裝置壁上已可清晰地看到為生物絮凝體，出水清澈，反應(yīng)器中可看到大量浮游微生物在水中運(yùn)動(dòng).通過觀測(cè)，第70天，人工濕地中浮游微生物生長(zhǎng)最密集處密度約為15只/100 mL，在顯微鏡下，還可以看到細(xì)菌絮凝體，真菌絮凝體、小球藻、纖毛蟲、鐘蟲等大量微生物，人工濕地中已形成多種生物共存的生態(tài)系統(tǒng).

3 結(jié)論

1）表面流人工濕地填料主要為河沙，河沙對(duì)Cr6+的吸附效果不明顯，系統(tǒng)中對(duì)Cr6+的去除主要是微生物的作用.

2）表面流人工濕地在運(yùn)行期間，對(duì)COD和Cr6+均有很好的去除率，多種生物生長(zhǎng)的互生關(guān)系生物群落，形成較為穩(wěn)定的食物鏈，對(duì)于去除污染物具有一定優(yōu)勢(shì).

3）表面流人工濕地系統(tǒng)對(duì)Cr6+的平均去除率可達(dá)到90%以上.濕地中微生物經(jīng)一定條件的馴化，對(duì)于污（廢）水中Cr6+具有高效的去除效率.

4）表面流人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD的平均去除率可達(dá)到48%.污水中的有機(jī)污染物，為人工濕地中的細(xì)菌、真菌等微生物提供了碳源.

（5）表面流人工濕地中具有豐富的微生物，包括藻類、細(xì)菌、真菌、水生植物、水生動(dòng)物等，可運(yùn)用于Cr6+和有機(jī)物污染水體.

［1］李培昌.水污染環(huán)保綜合治理思路及解決方案［J］.祖國(guó)：建設(shè)版，2013（8）:136-137.

［2］Duruibe J O，Ogwuegbu M O C，Egwurugwu J N.Heavy metal pollution and human biotoxic effects［J］.International Journal of Physical Sciences，2007，2（5）:112-118.

［3］蔣耀新.水環(huán)境現(xiàn)狀及水污染防治［J］.甘肅環(huán)境研究與監(jiān)測(cè)，2003（4）:35-39.

［4］梁奇峰.鉻與人體健康［J］.廣東微量元素科學(xué)，2006（2）:67-69.

［5］鄧志瑞，余瑞云.重金屬污染與人體健康［J］.環(huán)境保護(hù)，1991（12）:26-27.

［6］李志剛，李素麗，梅利民，等.美人蕉（Cɑnnɑ indicɑ Linn.）和蘆葦（Phrɑgmite sɑustrɑlis L.）人工濕地對(duì)含鉻生活污水的凈化效果及植物的生理生態(tài)變化［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）:358-365.

［7］胡紅艷.多級(jí)串聯(lián)潛流人工濕地系統(tǒng)處理制革廢水的研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2011.

［8］水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［9］Dotro G，Larsen D，Palazolo P.Treatment of chromium-bearing wastewaters with constructed wetlands［J］.Water and Environment Journal，2011，25（2）:241-249.

［10］黃海連.人工濕地對(duì)含Cr6+生活污水的凈化效果及機(jī)理研究［D］.南寧：廣西大學(xué)，2010.

［11］Akratos C S，Papaspyros J N E，Tsihrintzis V A.An artificial neural network model and design equations for BOD and COD removal prediction in horizontal subsurface flow constructed wetlands［J］.Chemical Engineering Journal，2008，143（1）:96-110.

［12］曹優(yōu)明.人工濕地對(duì)城市生活污水的凈化研究［J］.水處理技術(shù)，2008（9）:26-29.

［13］朱四喜.人工濕地中生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.

（責(zé)任編輯 游?。?/p>

Ecological restoration of polluted water bodies contain Cr6+and organic pollutants by SFCW

HU Weiping1，F(xiàn)AN Wei1，ZHANG Zhang1，BIAN Minjuan1，HAN Lei2，WANG Wei1，LIU Xiang1
（1.The Center of Environmental Engineering and Assessment，No.203 Research Institute of Nuclear Industry，Xianyang 712000，China；2.School of Environmental and Municipal Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

The surface flow constructed wetlands get up and running under simulated natural conditions，using the microorganisms in wetlands，to meet the restaration of water that polluted of Cr6+and organic.The results showed that the constructed wetlands have better removal for Cr6+and organic，during its stable operation.The average removal rate of Cr6+was over 90%，and COD removal rate was up 48%.It as well had abundant biodiversity in the constructed wetland.

surface flow constructed wetland；Cr6+；COD；ecological restoration

X703

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2015.05.002

1000-2375（2015）05-0411-04

2014-12-09

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2011CB403400）資助

胡渭平(1980-)，男，碩士，工程師，E-mail:pingping_1117@163.com