水土保持植物對(duì)礦區(qū)污水污染物削減效果的試驗(yàn)研究

摘要：礦區(qū)污水通常含有多種污染物，對(duì)水生態(tài)安全及人體健康構(gòu)成巨大威脅。生物凈化技術(shù)具有成本低、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，水土保持植物可用于凈化礦區(qū)污水。試驗(yàn)采用3種水土保持植物處理礦區(qū)污水，評(píng)估不同植物對(duì)特定污染物的削減效果，分析植物生長(zhǎng)與污染物去除率的相關(guān)性，對(duì)比不同植物的生態(tài)效應(yīng)，從而更好地將生物凈化技術(shù)應(yīng)用在礦區(qū)污水處理中。

關(guān)鍵詞：水土保持植物；礦區(qū)污水；污染物；削減效果；生物凈化技術(shù)

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-00-03

Experimental study on the reduction effect of soil and water conservation plants on wastewater pollutants in mining areas

LI Yaru

（Beijing Zhongshe Fanhua Engineering Consulting Co.， Ltd.， Beijing 102400， China）

Abstract： Mining wastewater usually contains various pollutants， posing a huge threat to water ecological safety and human health. Biological purification technology has the advantages of low cost and environmental friendliness， and soil and water conservation plants can be used to purify wastewater in mining areas. The experiment uses three types of soil and water conservation plants to treat wastewater in mining areas， evaluates the reduction effect of different plants on specific pollutants， analyzes the correlation between plant growth and pollutant removal rate， and compares the ecological effects of different plants， so as to better apply biological purification technology in wastewater treatment in mining areas.

Keywords： soil and water conservation plants; mining wastewater; pollutants; reduction effect; biological purification technology

礦區(qū)污水一般含有重金屬、硫化物及有機(jī)污染物，其對(duì)水生態(tài)安全及人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的物理和化學(xué)處理技術(shù)能有效去除部分污染物，但往往伴隨高昂的運(yùn)行成本和潛在的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。生物凈化技術(shù)因其低成本和環(huán)境友好性，成為研究的重點(diǎn)。在眾多生物凈化技術(shù)中，利用水土保持植物凈化礦區(qū)污水顯示出良好的前景。這些植物不僅可以通過(guò)根際吸收作用去除溶解性污染物，還能通過(guò)植物體內(nèi)的代謝過(guò)程轉(zhuǎn)化和積累重金屬，通過(guò)根系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定土壤，防止水土流失。某礦區(qū)年均降水量為350 mm，年平均氣溫為14 ℃。試驗(yàn)采用3種水土保持植物處理礦區(qū)污水，考察不同水土保持植物對(duì)礦區(qū)污水污染物的削減效果。試驗(yàn)地點(diǎn)位于礦區(qū)廢水排放口下游500 m處，以便捕捉礦區(qū)活動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的直接影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)場(chǎng)地的土壤類型為砂質(zhì)黏土，土壤pH值為6.8，有機(jī)質(zhì)含量為1.80%，總氮含量為0.30%，磷含量為0.15%。土壤含有多種重金屬，如鉛、鎘和鉻，其含量均超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 36600—2018）的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，污染特征明顯。選擇3種水土保持植物，即狗牙根、蘆葦和蒲公英。狗牙根的根系深度為30～40 cm，根系密度為1 500 g/m2；蘆葦?shù)母瞪疃葹?0 cm，蒲公英的根系深度為20～30 cm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)置3個(gè)不同的處理區(qū)，每個(gè)區(qū)域面積為100 m2，每個(gè)區(qū)域內(nèi)部分為3個(gè)重復(fù)塊，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。試驗(yàn)區(qū)域平均海拔為980 m，地勢(shì)相對(duì)平坦，便于植物生長(zhǎng)。為模擬礦區(qū)污水條件，所有試驗(yàn)區(qū)的灌溉系統(tǒng)均使用經(jīng)過(guò)預(yù)處理的礦區(qū)污水。污水中，鉛含量為0.8 mg/L，鎘含量為0.5 mg/L，鉻含量為1.2 mg/L。這些污染物含量約為當(dāng)?shù)丨h(huán)境水體的3倍，以加大處理難度，明顯區(qū)分不同植物的處理效果。為保持試驗(yàn)條件的一致性，灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)為滴灌，每天灌溉量保持在5 L/m2，以模擬礦區(qū)污水的連續(xù)輸入。試驗(yàn)區(qū)的每個(gè)處理區(qū)都裝有自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)記錄土壤濕度、溫度和pH值，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每30 min自動(dòng)更新一次，并通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鲾?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析[1]。

1.2.1 試驗(yàn)操作步驟

首先對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行徹底清理，除去所有雜草和前期植被，保證植物種植的一致性和可控性。隨后，按照預(yù)定的設(shè)計(jì)布局在每個(gè)處理區(qū)均勻地種植狗牙根、蘆葦和蒲公英，植物間距保持在15 cm，以免根系相互干擾，確保各自生長(zhǎng)空間的最大化。種植完成后，開(kāi)始定期灌溉，使用經(jīng)過(guò)預(yù)處理且符合試驗(yàn)要求的礦區(qū)污水。灌溉系統(tǒng)每日自動(dòng)啟動(dòng)2次，每次持續(xù)15 min，以確保植物根區(qū)的水分和污染物充分接觸。試驗(yàn)期間，每周記錄植物生長(zhǎng)狀況，包括生物量、葉片顏色和根系發(fā)育，以監(jiān)測(cè)植物的健康狀態(tài)及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

在試驗(yàn)的第1個(gè)月和第3個(gè)月，從每個(gè)處理區(qū)收集植物樣本和土壤樣本，用于分析污染物含量和植物對(duì)污染物的吸收率。每?jī)芍軠y(cè)定一次出水的污染物含量，以評(píng)估植物對(duì)污水的凈化效果。所有數(shù)據(jù)收集和分析工作均嚴(yán)格執(zhí)行實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)操作程序。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)所有植物進(jìn)行收割，分離根、莖和葉進(jìn)行獨(dú)立的污染物含量分析，以評(píng)估植物各部分對(duì)污染物的積累效果。最終，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確定不同植物在礦區(qū)污水處理中的凈化效能。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集與記錄

為了確保數(shù)據(jù)的精確度，所有數(shù)據(jù)采集均使用高精度的儀器。污染物含量的測(cè)定采用便攜式光譜分析儀，其檢出限為0.01 mg/L，能夠?qū)ΦV區(qū)污水中的鉛、鎘、鉻等重金屬進(jìn)行精確測(cè)量。試驗(yàn)期間，每周對(duì)礦區(qū)污水進(jìn)行3次采樣，每次采樣量為500 mL，采樣點(diǎn)設(shè)定在灌溉系統(tǒng)的入口和出口、植物根部周圍。所有采樣都在同一時(shí)間段（09：00—11：00）進(jìn)行，以減少環(huán)境因素對(duì)樣品的影響。采樣后，樣品立即冷藏并運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，采用原子吸收光譜法分析樣品的重金屬含量[2]。植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)包括植物高度、生物量和葉綠素含量，這些數(shù)據(jù)每?jī)芍軠y(cè)量一次。植物高度使用標(biāo)尺測(cè)量，精確到0.1 cm；生物量則通過(guò)剪切植物地上部分，并在105 ℃溫度下烘干至恒重來(lái)測(cè)定；葉綠素含量通過(guò)葉綠素測(cè)定儀進(jìn)行非破壞性測(cè)量，確保數(shù)據(jù)的一致性和可比性。所有數(shù)據(jù)均輸入至專門設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新與存儲(chǔ)，并具備高級(jí)數(shù)據(jù)分析功能，能夠自動(dòng)計(jì)算污染物的平均削減率和植物吸收率。數(shù)據(jù)庫(kù)還設(shè)置數(shù)據(jù)完整性檢查模塊，確保輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

1.2.3 試驗(yàn)后處理

在試驗(yàn)的最后一天，使用不銹鋼剪刀在植物根莖處剪斷，確保植物的地上部分完整。收集的植物樣本隨即被帶回實(shí)驗(yàn)室，分別測(cè)量并記錄其濕重。隨后，樣本在溫度105 ℃的烘箱中烘烤24 h，直至達(dá)到恒重，以便計(jì)算植物的干重。為了評(píng)估植物對(duì)重金屬的吸收和積累效果，將烘干后的植物樣本進(jìn)行粉碎，利用酸消化法提取植物組織中的重金屬。具體方法為將粉碎后的樣本置于含有硝酸和高氯酸混合溶液的消化管中，在160 ℃溫度下加熱消化4 h，消化后的溶液經(jīng)過(guò)冷卻和稀釋，用原子吸收光譜法測(cè)定鉛、鎘、鉻等重金屬的含量。試驗(yàn)場(chǎng)地也進(jìn)行徹底的清理和恢復(fù)，確保場(chǎng)地對(duì)環(huán)境無(wú)進(jìn)一步影響。首先移除所有灌溉設(shè)備，然后對(duì)土壤進(jìn)行翻耕，深度達(dá)到30 cm，以稀釋和分散土壤中殘留的重金屬。隨后，在試驗(yàn)區(qū)域撒播草籽，促進(jìn)土地的自然恢復(fù)[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 污染物削減效果評(píng)估

試驗(yàn)開(kāi)始前，礦區(qū)污水的初始測(cè)定結(jié)果顯示，鉛含量為0.82 mg/L，鎘含量為0.47 mg/L，鉻含量為1.25 mg/L。通過(guò)精確測(cè)定試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的污水樣本，評(píng)估各種植物對(duì)污染物的去除率。試驗(yàn)期間，狗牙根表現(xiàn)出顯著的污染物去除能力，最終水樣中，鉛、鎘和鉻的含量分別降至0.33、0.24、0.44 mg/L，去除率分別為59.76%、48.94%和64.80%。蘆葦?shù)娜コ矢鼮橥怀?，試?yàn)結(jié)束時(shí)，鉛、鎘和鉻的含量分別降至0.21、0.14、0.25 mg/L，去除率分別為74.39%、70.21%和80.00%。蒲公英也表現(xiàn)良好，最終鉛、鎘和鉻的含量分別降至0.37、0.19、0.63 mg/L，去除率分別為54.88%、59.57%和49.60%。

2.2 植物生長(zhǎng)與污染物去除率的相關(guān)性分析

試驗(yàn)期間，狗牙根的生物量從初始的15 g增加至55 g，蘆葦從20 g增加至85 g，蒲公英從10 g增至40 g。同時(shí)，與這些生物量增加相對(duì)應(yīng)，鉛、鎘和鉻的含量顯著降低。具體而言，狗牙根的生物量增長(zhǎng)與鉛去除率的相關(guān)系數(shù)為0.89，鎘為0.85，鉻為0.82，顯示出極強(qiáng)的正相關(guān)。蘆葦?shù)纳锪吭鲩L(zhǎng)與鉛、鎘和鉻的去除率的相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.90和0.95，其生物量的增加對(duì)污染物削減有極其重要的影響。蒲公英生物量增長(zhǎng)較少，但其與鉛、鎘和鉻去除率的相關(guān)系數(shù)也分別達(dá)到0.75、0.78和0.70。數(shù)據(jù)表明，生物量的增加與污染物的去除率存在顯著的正相關(guān)，植物吸收和累積更多污染物的能力隨著其生物量的增加而提高[4]。

2.3 不同植物的生態(tài)效應(yīng)對(duì)比

狗牙根因其對(duì)土壤侵蝕控制的高效能而被廣泛應(yīng)用于水土保持。其根系結(jié)構(gòu)能有效固土防風(fēng)，減少?gòu)搅?，這對(duì)修復(fù)土地破壞嚴(yán)重的礦區(qū)環(huán)境尤為重要。狗牙根的稠密根系還能提高土壤的孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，從而增加污染物在土壤中的過(guò)濾和降解速率。蘆葦是常見(jiàn)的濕地植物，其強(qiáng)大的根莖系統(tǒng)提高水體中污染物的沉積和吸附能力，獨(dú)特的根際作用可以改善周圍的微生物環(huán)境。這種微生物促進(jìn)作用使得蘆葦能在重金屬污染的水體中恢復(fù)生物多樣性，有助于重建礦區(qū)受損的生態(tài)系統(tǒng)。蒲公英在生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目中應(yīng)用較少，但其對(duì)逆境的強(qiáng)適應(yīng)能力使其能在貧瘠的土壤中生存。蒲公英的根系可以釋放有機(jī)酸，增加土壤中重金屬的生物可用性，其可通過(guò)生物轉(zhuǎn)化機(jī)制將這些重金屬安全地積累在地上部分，減輕土壤污染。每種植物污染物去除率有所不同，其生態(tài)效應(yīng)和對(duì)環(huán)境的貢獻(xiàn)也具有一定差異，如表1所示。

2.4 討論

從污染物削減效果評(píng)估來(lái)看，蘆葦在去除鉛、鎘和鉻方面的效率最高，分別達(dá)到74.39%、70.21%和80.00%。蘆葦具有非常強(qiáng)的污染物處理能力，在處理含鉻污水方面表現(xiàn)出色。狗牙根和蒲公英的污染物去除率稍低，但仍表現(xiàn)出可觀的凈化潛力。經(jīng)植物生長(zhǎng)與污染物去除率的相關(guān)性分析，生物量增加與污染物去除能力存在顯著的正相關(guān)。植物的快速生長(zhǎng)不僅能夠增加生物量，還能有效提升其污染物去除率。蘆葦具有快速且茂盛的生長(zhǎng)特性，能夠提供更大的表面積進(jìn)行污染物的吸收和固定。考慮不同植物的生態(tài)效應(yīng)，蘆葦污染物去除效果顯著，可以改善微生物環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。蘆葦?shù)母H效應(yīng)能夠促進(jìn)周圍微生物的多樣性和活性，有助于生態(tài)系統(tǒng)的整體恢復(fù)。狗牙根在土壤保持和防止水土流失方面表現(xiàn)優(yōu)異，尤其適用于土壤侵蝕嚴(yán)重的礦區(qū)。

3 結(jié)論

在礦區(qū)污水處理中，水土保持植物顯示出顯著的污染物削減能力，生態(tài)恢復(fù)潛力巨大。蘆葦不僅在重金屬去除率上表現(xiàn)優(yōu)異，還在促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)方面發(fā)揮重要作用。根據(jù)獨(dú)特的生理和生態(tài)特性，不同植物在不同環(huán)境條件下展現(xiàn)出不同的凈化效果。因此，要科學(xué)選擇水土保持植物，提高污水處理效率，促進(jìn)受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)?？傊?，不同植物的詳細(xì)比較和評(píng)估可以為礦區(qū)污水處理提供科學(xué)有效的生物凈化策略。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-12-11

作者簡(jiǎn)介：李雅茹（1986—），女，天津人，工程師。研究方向：生態(tài)、水利。