不同基質(zhì)人工濕地去除電鍍重金屬(Cr，Zn)的研究*

張曉斌　劉鵬　李星

(1.湘潭市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院　湖南湘潭 411100，　2.浙江師范大學(xué)植物學(xué)實(shí)驗(yàn)室　浙江金華 321004)

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環(huán)境管理與咨詢

不同基質(zhì)人工濕地去除電鍍重金屬(Cr，Zn)的研究*

張曉斌1劉鵬2李星2

(1.湘潭市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院湖南湘潭 411100，2.浙江師范大學(xué)植物學(xué)實(shí)驗(yàn)室浙江金華 321004)

選取沸石、煤渣、沸石+煤渣作為基質(zhì)，研究3種不同基質(zhì)人工濕地對(duì)電鍍重金屬(Cr，Zn)污水的凈化效果。結(jié)果表明，3種基質(zhì)對(duì)于重金屬Cr，Zn均有明顯的去除效果，去除率都在74%以上；煤渣和沸石發(fā)生了協(xié)同作用，對(duì)重金屬Cr的去除效果好于其單獨(dú)使用；種植植物的煤渣與沸石混合基質(zhì)人工濕地去除重金屬Cr，Zn能力優(yōu)于種植植物的沸石基質(zhì)人工濕地。

煤渣沸石人工濕地重金屬

0　引言

人工濕地是一種廉價(jià)有效的水處理系統(tǒng)，不僅可降解城市污水、暴雨徑流和農(nóng)業(yè)溢流中的有機(jī)和營養(yǎng)物質(zhì)[1-2]，還可去除礦渣水和特殊行業(yè)污水中的金屬[3-5]?；|(zhì)是人工濕地的重要組成部分，選擇合適的人工濕地基質(zhì)材料，是構(gòu)建人工濕地，提高人工濕地凈化能力的關(guān)鍵。

本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論，根據(jù)金華地區(qū)的實(shí)際情況，通過對(duì)模擬人工濕地中不同基質(zhì)組合的研究以及處理前后重金屬(Cr，Zn) 含量、植物的生長狀況，進(jìn)一步探究3種不同基質(zhì)人工濕地對(duì)電鍍重金屬 (Cr，Zn)污水的凈化效果，同時(shí)探討基質(zhì)與植物的相互作用，為人工濕地實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)廢水處理(尤其是小型工廠)提供理論基礎(chǔ)。

1　材料和方法

1.1材料

基質(zhì)：沸石(購于金華欣生沸石開發(fā)有限公司，主要成分為絲光沸石)，煤渣，沸石+煤渣。

植物：黃花鳶尾，千屈菜，燈心草，香蒲，菖蒲和睡蓮。

金華市清湖電鍍廠排放的污水中Cr，Zn等濃度很高，都超出了國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。供試污水中的重金屬濃度按照該廠污水實(shí)際濃度配制。污水中主要重金屬的原始質(zhì)量濃度見表1。

表1　污水中重金屬的原始質(zhì)量濃度　mg/L

1.2實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

1.2.1小型模擬人工濕地(潛流型)的構(gòu)建

在白色塑料箱(長60 cm，寬46 cm，高45 cm)底部設(shè)置一出水口，直徑為1.00 cm，在底部放置直徑3～5 cm左右的礫石作為濾水層，厚度為8 cm，其上鋪1～2層10目左右的塑料窗紗，用以阻隔上層基質(zhì)堵塞礫石孔隙；在塑料窗紗上面放置所選的人工濕地基質(zhì)，厚度約15 cm，其中煤渣+沸石基質(zhì)以1∶1配比，再在基質(zhì)上鋪一層細(xì)沙，厚約6～8 cm。另設(shè)計(jì)一個(gè)高位水箱，用于進(jìn)水。水生植物采用移栽的方式。

1.2.2實(shí)驗(yàn)處理和裝置運(yùn)行

人工濕地構(gòu)建后連續(xù)運(yùn)行一周，檢查裝置是否漏水，測(cè)量裝置的實(shí)際水容量以及蒸發(fā)量。待裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，移入相同種類、數(shù)量以及長勢(shì)基本相同的植物，并設(shè)置對(duì)照，具體如下：

(1)CK組：無植物和基質(zhì)，僅污水自然修復(fù)處理；

(2)對(duì)照組處理：栽入植物，基質(zhì)和污水；

(3)實(shí)驗(yàn)組處理：無植物，加入基質(zhì)和污水。

以上基質(zhì)均表示基質(zhì)的不同組合。(包括1種、2種的不同組合)。待植物生長一段時(shí)間后(4 d)，向模擬人工濕地中加入自配污水，日進(jìn)水3 L。在處理1，3，7，13 d后采樣。

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

(1)重金屬元素含量測(cè)定。主要對(duì)不同基質(zhì)人工濕地中的Cr，Zn含量變化進(jìn)行測(cè)定，用ICP測(cè)定。

(2)植物生長狀況的觀測(cè)。主要對(duì)移栽在不同基質(zhì)上的植物生長狀況進(jìn)行定期觀察并記錄。

2　結(jié)果與分析

2.1不同基質(zhì)對(duì)重金屬的凈化效果比較

Cr和Zn是電鍍廢水中的主要重金屬污染物，其含量往往是國家最高排放標(biāo)準(zhǔn)的幾十倍。基質(zhì)對(duì)于重金屬具有良好的去處效果，不同的基質(zhì)以及基質(zhì)組合對(duì)于不同的重金屬去除效果也不相同。

2.1.1不同基質(zhì)對(duì)Cr，Zn的去除效果比較

從圖1和圖2可以看出，所選的基質(zhì)以及基質(zhì)搭配對(duì)于污水中的Cr，Zn均有明顯的去除效果，去除率都在74%以上。其中煤渣+沸石處理組對(duì)于廢水中Cr的去除率達(dá)到91.3%，煤渣與沸石基質(zhì)搭配使用比單一基質(zhì)去除Cr的效果更好，可能在不同的基質(zhì)之間存在著相互的促進(jìn)作用。但煤渣+沸石處理組對(duì)于廢水中Zn的去除率只有90%，低于煤渣、沸石組。

2.1.2植物對(duì)不同基質(zhì)去除Cr，Zn效果的影響

植物是人工濕地中不可或缺的部分。分析圖3、圖4、圖5和圖6，在沸石組以及煤渣+沸石組中，植物與基質(zhì)相互促進(jìn)，凈化效果明顯優(yōu)于只有基質(zhì)處理組即實(shí)驗(yàn)組。比較圖3和圖5、圖4和圖6發(fā)現(xiàn)，在單一基質(zhì)中，植物對(duì)基質(zhì)去除Cr，Zn的影響相對(duì)較小，而在搭配基質(zhì)中植物的促進(jìn)作用較大，說明植物與不同的基質(zhì)或基質(zhì)搭配之間的相互作用存在著較明顯的差異。產(chǎn)生這種差異的原因，可能與基質(zhì)是否促進(jìn)植物生長以及植物分泌物對(duì)基質(zhì)的作用有關(guān)。

圖1　13 d后不同基質(zhì)對(duì)重金屬Cr的去除率

圖2　13 d后不同基質(zhì)對(duì)重金屬Zn的去除率

圖3　種植植物對(duì)沸石去除Cr的影響

圖4　種植植物對(duì)沸石去除Zn的影響

圖5　種植植物對(duì)煤渣+沸石去除Cr的影響

圖6　種植植物對(duì)煤渣+沸石去除Zn的影響

2.2不同基質(zhì)中植物的生長狀況比較

基質(zhì)作為人工濕地中的主要組成部分，一方面直接影響著濕地的去污效果，另一方面，基質(zhì)也是濕地植物生長的主要場所，與植物能否存活或者正常生長直接相關(guān)。因此，在利用基質(zhì)時(shí)，植物的生長狀況是必須考慮的重要因素。

從表2可以看出，在所選的3種基質(zhì)中，植物的生長狀況存在著一定差異。在煤渣+沸石組中，植物生長茂盛，而在煤渣組、沸石組，植物基本能夠正常生長。沸石和煤渣配合使用，比兩種基質(zhì)單一使用時(shí)更有利于植物的正常生長。不同植物對(duì)于基質(zhì)的適應(yīng)性也不相同，在本實(shí)驗(yàn)所選的6中植物中，千屈菜的適應(yīng)性最強(qiáng)，黃花鳶尾的適應(yīng)性最差。

表2　植物在不同基質(zhì)人工濕地中的生長狀況

3　討論

國內(nèi)外對(duì)于基質(zhì)的篩選，一般都集中在對(duì)單一基質(zhì)的研究，很少見到對(duì)不同基質(zhì)搭配使用方面的報(bào)道。此外，在基質(zhì)利用過程中，往往只考慮到基質(zhì)對(duì)于污水的凈化效果，而忽視了基質(zhì)是否適合相關(guān)植物的生長，以及基質(zhì)與植物在凈化污水時(shí)是否存在著相互促進(jìn)作用。

本研究發(fā)現(xiàn)，所選基質(zhì)對(duì)于污水中的Cr，Zn均有較強(qiáng)的去除能力，這與前人的研究相符合。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于重金屬Cr的去除效果，基質(zhì)以及基質(zhì)組合之間存在著較大的差異。去除Cr時(shí)，基質(zhì)搭配使用效果明顯優(yōu)于單一基質(zhì)的凈化效果，但在去除Zn的研究中未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，這可能是由于基質(zhì)對(duì)于不同重金屬的凈化方式不同而產(chǎn)生的差異。將煤渣和沸石用作人工濕地的基質(zhì)，不僅解決了去除重金屬的難題，而且只要合理利用，不超過系統(tǒng)的最大去除能力，其去除重金屬的能力就不會(huì)因時(shí)間的推移而降低，使人工濕地系統(tǒng)更有效地運(yùn)用于電鍍廢水處理。

研究發(fā)現(xiàn)，種植植物的煤渣與沸石混合基質(zhì)人工濕地，其去除重金屬Cr，Zn的能力優(yōu)于種植植物的沸石基質(zhì)人工濕地。植物在不同基質(zhì)上的生長狀況差異較大，這主要與基質(zhì)引起原污水中的BOD，COD和pH值的變化有關(guān)。如果變化超出了植物生長的可承受能力，就會(huì)嚴(yán)重影響植物的正常生長。

[1]Rodgers, J Hjr, A Dunn. Developing design guidelines for constructed wetlands to remove pesticides from agricultural runoff[J]. Ecological Engineering,1992(1):83-95.

[2]Lakatos G, M K Kiss, M Kiss, et al. Application of constructed wetlands for wastewater treatment in Hungary[J]. Water Science and Technology, 1997,35(5):331-336.

[3]Crites R W, G D Dombeck. Removal of metals and ammonia in constructed wetlands[J]. Water Environment Research, 1997,69(2):132-135.

[4]Obarska-Pempkoeiak H, K Klimkowska. Distribution of nutrients and heavy metals in a constructed wetland system[J]. Chemosphere, 1999,39(2):303-312.

[5]Tang S. Experimental study of a constructed wetland for treatment of acidic wastewater from an iron mine in China[J]. Ecological Engineering,1993(2):253-259.

Study of Different Substrates Used in Constructed Wetlands for Removal of Plating Heavy Metal (Cr, Zn)

ZHANG Xiaobin1LIU Peng2LI Xing2

(1.XiangtancityenvironmentalprotectionscienceresearchinstituteXiangtan,Hunan411100)

Zeolite, cinder, zeolite-cinder mixture are used as substrates and the purification effects of three constructed wetlands with different substrates have been studied. The principal results show: three substrates have obvious removal effects for heavy metal Cr, Zn and the removal rates can reach above 74%; when the cinder is cooperated with zeolite, the mixture has higher removal efficiency of heavy metal Cr than that by using the single one; the zeolite-cinder mixture system with plant cultivated has a better effect on heavy metal Cr, Zn removal than the zeolite system with plant cultivated.

cinderZeoliteconstructed wetlandheavy metal

浙江省教育廳高等學(xué)校訪問學(xué)者專業(yè)發(fā)展項(xiàng)目(FX2014137)。

張曉斌，女，1982年生，碩士，工程師，主要從事環(huán)境工程、環(huán)境影響評(píng)價(jià)等研究。

2016-03-31)