廢水中Pb在不同人工濕地基質(zhì)中的形態(tài)變化

關(guān)正義 任 珺,2* 趙乾程 閆 潔 王玉君

（1蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院環(huán)境生態(tài)研究所甘肅蘭州7300702蘭州坤侖環(huán)?？萍加邢薰靖拭C蘭州730070）

廢水中Pb在不同人工濕地基質(zhì)中的形態(tài)變化

關(guān)正義1任 珺1,2*趙乾程1閆 潔1王玉君1

（1蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院環(huán)境生態(tài)研究所甘肅蘭州7300702蘭州坤侖環(huán)?？萍加邢薰靖拭C蘭州730070）

控制水力停留時間為0.5h，將不同濃度（10 mg/ L、20 mg/L、40 mg/L、80 mg/L、160mg/L）的含Pb2+廢水均勻通過濕地系統(tǒng)處理，濕地填料分別為以粉煤灰、污泥、黃土、細煤渣、礫石和細沙為原料人工配置的5種不同的基質(zhì)（SSFGF、FSSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF）。實驗結(jié)果顯示：SSFGF的去除效果最佳，去除率保持在80%以上最高可達93%；Pb主要以殘渣態(tài)穩(wěn)定的賦存于基質(zhì)中，且隨著基質(zhì)類型的不同賦存的各形態(tài)Pb的含量之間存在著顯著差異。

人工濕地；基質(zhì)類型；Pb；形態(tài)

1 引言

人工濕地是一類人工建造、模仿自然濕地的綜合性生態(tài)體系[1]。由于其投資少，效率高，處理效果穩(wěn)定，運行費用低，維護方便且有良好的景觀效果，近年來在生活污水、酸礦廢水和重金屬廢水等的處理中人工濕地系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注[2-8]。廢水中的重金屬主要有汞、鉻、鉛、鎘、鋅、鎳、銅、鈷、錳、鈦、釩和鉍等[9]。其中含鉛廢水對環(huán)境的影響尤為嚴重，可滲透到土壤中，污染河流，破壞土壤生態(tài)，影響作物的生長和生物種群的繁衍[10]。人工濕地主要是通過系統(tǒng)中植物、基質(zhì)和微生物利用物理、化學和生物三重協(xié)同作用實現(xiàn)對污水的凈化作用[11]。如果工程設(shè)計不合理，特別是不合理的選用和配置基質(zhì)與植物，就會存在著去除率低，使用壽命短等問題[12,13]。因此，本文主要從人工濕地基質(zhì)材料的配置出發(fā)，研究5種人工濕地基質(zhì)對重金屬Pb的凈化效果，旨在探索不同材料的人工濕地的基質(zhì)的最佳組合，為我國應用人工濕地處理含重金屬的廢水提供理論依據(jù)和實踐參考。

2 材料與方法

采用粉煤灰、污泥、黃土、細煤渣、礫石和細沙6種物質(zhì)作為人工濕地基質(zhì)的原料，每次取其中5種按體積比為1：1：1：1：1的比例進行混合均勻配置成5種不同的濕地基質(zhì)。分別為SSFGF（污泥、黃土、細煤渣、礫石和細沙）、FSSGF（粉煤灰、污泥、細煤渣、礫石和細沙）、FSSFF（粉煤灰、污泥、黃土、礫石和細沙）、FSSFG（粉煤灰、污泥、黃土、細煤渣和礫石）和FSFGF（粉煤灰、污泥、黃土、細煤渣和礫石）。將配置好的5種基質(zhì)分別填裝到5個垂直流人工濕地單元中。

向已經(jīng)填裝好基質(zhì)的濕地池內(nèi)，連續(xù)進一段時間生活污水，待其運行穩(wěn)定后停止進生活污水改進含鉛廢水進行重金屬去除實驗。控制進出水流速保持水力停留時間為0.5h，分別進入已配制含Pb（Pb(NO3)2，AR）濃度分別為10 mg/L，20 mg/L，40 mg/L，80 mg/L，160 mg/L鉛廢水，待出水穩(wěn)定后取出水水樣，和人工濕地池中的基質(zhì)沉積土樣待測，重復6次。實驗中每處理完一個濃度的鉛廢水后，挖出基質(zhì)重行填入新基質(zhì)，改變鉛廢水濃度，重復上述實驗操作。采用Tessier單一連續(xù)提取法，提取處理含Pb2+廢水后基質(zhì)中賦存的Pb的5個形態(tài)（可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)），利用電感耦合等離子發(fā)射儀（ICP-AES）測定基質(zhì)中賦存的Pb的各形態(tài)含量；同時采用原子吸收光譜儀測定出水水樣中Pb的含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 人工濕地基質(zhì)類型對Pb去除率的影響

方差分析與多重比較結(jié)果表明，各基質(zhì)對廢水中Pb2+都有良好的去除效果，低濃度（10 mg/L、20 mg/L和40 mg/L）下各基質(zhì)對Pb的去除率高于高濃度（80 mg/L和160 mg/L）下的去除率；相較其他4種基質(zhì)SSFGF對廢水中Pb的去除效果最好，各濃度下去除率保持在80%以上，最高可達93%；并且隨著基質(zhì)類型的不同去除率存在著顯著差異。當含Pb2+廢水濃度為10mg/L、20 mg/L和40 mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)之間的去除率存在著較顯著的差異；80 mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)之間的去除率存在著極顯著的差異；160mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)之間的去除率存在著顯著的差異（表1）。

表1 基質(zhì)類型對Pb2+的去除率的方差分析與多重比較

3.2 基質(zhì)類型與基質(zhì)中賦存Pb的各形態(tài)含量的方差分析與多重比較

重金屬的5個化學形態(tài)中，可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)在一定條件可以被植物直接吸收利用，殘渣態(tài)很難被植物吸收利用。本文主要對此3個形態(tài)進行分析。

當含Pb廢水濃度為10mg/L、20mg/L、80mg/L和160mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)中賦存的Pb的可交換態(tài)含量之間存在著極顯著差異（p<0.001）；40mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)中賦存的Pb的可交換態(tài)含量之間存在著顯著差異（p<0.05）。

圖1 基質(zhì)類型與基質(zhì)中可交換態(tài)Pb含量的方差分析與多重比較

當含Pb廢水濃度為10mg/L，F(xiàn)SSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量沒有顯著差異，但是SSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量顯著高于FSSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量；當含Pb廢水濃度為20mg/L，F(xiàn)SSGF、FSSFF和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著低于FSSFG和SSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量；當含Pb廢水濃度為160mg/L，SSFGF和FSSGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量沒有顯著差異，F(xiàn)SSFF和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量沒有顯著差異，但是SSFGF和FSSGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量顯著高于FSSFF和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量，顯著低于FSSFG中賦存的Pb的可交換態(tài)含量（見圖1）。

當含Pb廢水濃度為10mg/L、20mg/L、40mg/L、80mg/L和160mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量之間存在著極顯著差異（p<0.001）。當含Pb廢水濃度為10mg/ L，F(xiàn)SSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著低于SSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量；當含Pb廢水濃度為40mg/L，F(xiàn)SSGF、FSSFF和FSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著低于SSFGF和FSSFG中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量；當含Pb廢水濃度為160mg/L，F(xiàn)SSGF、FSSFF和FSSFG中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量沒有顯著差異，SSFGF和FSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量沒有顯著差異，但是SSFGF和FSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量顯著高于FSSGF、FSSFF和FSSFG中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量（見圖2）。

圖2 基質(zhì)類型與基質(zhì)中碳酸鹽結(jié)合態(tài)Pb含量的方差分析與多重比較

當含Pb廢水濃度為10mg/L、20mg/L、40mg/L、80mg/L和160mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量之間存在著極顯著差異（p<0.001）。當含Pb廢水濃度為10mg/L，SSFGF，F(xiàn)SSGF和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著高于FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量，顯著低于FSSFG中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量；當含Pb廢水濃度為20mg/L，F(xiàn)SSGF和FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，F(xiàn)SSFG和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，但是FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量顯著高于FSSGF和FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量，顯著低于SSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量；當含Pb廢水濃度為40mg/ L，F(xiàn)SSGF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著高于FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量，顯著低于SSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量；當含Pb廢水濃度為80mg/L，SSFGF、FSSGF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著高于FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量（圖3）。

總之，處理同一濃度Pb2+廢水后，不同基質(zhì)內(nèi)賦存的各形態(tài)的Pb含量之間存在著顯著差異性；并且各濃度SSFGF中賦存的Pb的各形態(tài)的含量相較其他4中基質(zhì)中的賦存量都較高，說明廢水中Pb被SSFGF吸附攔截的量更多，SSFGF對Pb的去除效果更好。

圖3 基質(zhì)類型與基質(zhì)中殘渣態(tài)Pb含量的方差分析與多重比較

3.3 廢水濃度對基質(zhì)中賦存Pb的形態(tài)變化趨勢影響

大量研究結(jié)果表明，重金屬污染土壤的改良和凈化重要目標之一就是要使土壤重金屬盡可能向殘渣態(tài)方向轉(zhuǎn)化[14]。數(shù)據(jù)顯示，各處理中5種基質(zhì)內(nèi)賦存的Pb的可交換態(tài)含量所占百分比最小，平均值為8%；殘渣態(tài)含量所占百分比最大，平均值為40%。隨著廢水濃度的升高，5種基質(zhì)內(nèi)賦存的Pb的可交換態(tài)含量百分比變化不明顯在平均值附近作微小變化；但是5種基質(zhì)內(nèi)賦存殘渣態(tài)含量百分比隨廢水濃度的增加變化存在顯著差異。SSFGF中殘渣態(tài)所占百分比隨廢水濃度的升高基本保持不變；FSSGF中殘渣態(tài)所占百分比隨廢水濃度的升高呈先減小后增大趨勢；FSSFG和FSFGF處理中低濃度（10、20和40 mg/L）處理下殘渣態(tài)所占百分比較高，高濃度（80mg/L和160 mg/L）處理下殘渣態(tài)所占百分比較低（圖4）。

圖4 不同基質(zhì)中賦存Pb的形態(tài)變化

4 結(jié)果與討論

濕地系統(tǒng)對重金屬污染的去除效果良好，Pb、Zn、Cu和Cd經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)后很大一部分被吸附攔截于濕地基質(zhì)中，去除率分別達93.98%、97.02%、96.87%和96.39%,出水水質(zhì)接近農(nóng)灌標準[15-17]。這與本實驗結(jié)果相符，人工濕地基質(zhì)對廢水中重金屬Pb具有良好的去除效果，含Pb2+廢水經(jīng)過5基質(zhì)處理后，大部分的Pb被吸附攔截賦存于基質(zhì)中，尤其是基質(zhì)SSFGF對廢水中Pb的去除效果最好，各濃度下去除率保持在80%以上，最高可達93%。

不同基質(zhì)類型其各項物理指標（含水率、保水率、孔隙度、比表面積等）不同，賦存的陽離子種類及數(shù)量不同，生活在其中的微生物種類及數(shù)量也不同，導致基質(zhì)的吸附、沉淀、陽離子交換能力以及微生物的降解能力存在差異。這可能是導致不同基質(zhì)類型之間對含Pb廢水的去除率存在顯著差異的主要因素。

譚長銀等[18]和竇磊等[19]研究表明濕地基質(zhì)對重金屬的去除是通過物理、化學以及微生物的三重協(xié)同作用完成的，基質(zhì)對重金屬去除的三種作用強弱主要取決于基質(zhì)類型、微生物種類和數(shù)量。馮沖凌等[20]認為由于生長繁殖的需要，微生物會從外界吸收或吸附所需的重金屬到細胞內(nèi)；有些細菌在生長過程中可以釋放某些蛋白質(zhì)，能使溶液中的可溶性重金屬轉(zhuǎn)化為沉淀。這可能與基質(zhì)中賦存的Pb主要以殘渣態(tài)存在的現(xiàn)象之間存在著一定的相關(guān)性。

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任珺（1968—），男，甘肅省張掖市人，蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院教授，博士，博士生導師。主要從事環(huán)境生態(tài)學領(lǐng)域的教學與科研工作。