水生植物高效凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果及對(duì)重金屬的去除能力

水生植物高效凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果及對(duì)重金屬的去除能力

隨著鉻、鉻、銅、采等行業(yè)的發(fā)展，未經(jīng)處理的廢水和固體殘留物的含液直接排入水體，水中重金屬含量急劇增加。一日。重金屬不像有機(jī)化合物那樣可以通過(guò)自然或生物降解的方式去除［2］,往往長(zhǎng)期存在水體中或沉積到水域底部,或被水生生物吸收,并通過(guò)食物鏈積累轉(zhuǎn)移而損害動(dòng)物和人類(lèi)的健康［3，4］。目前,去除重金屬的方法主要有化學(xué)沉淀法、氧化還原法、離子交換法、電化學(xué)法、膜分離技術(shù)、蒸發(fā)凝固法、溶劑萃取法、反滲透法和電滲析法等［5］。然而,對(duì)于重金屬含量在10mg/L以下的天然水體,采用以上的傳統(tǒng)方法去除重金屬離子,不僅存在處理困難或費(fèi)用偏高的問(wèn)題,而且還會(huì)產(chǎn)生大量污泥造成二次污染［6，7］,因此,近年來(lái)水生植物修復(fù)技術(shù)成為一種較有前景的新方法［8，9］。目前國(guó)內(nèi)外在水生植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究方面,主要采用人工濕地技術(shù)和生物塘工程［10-13］。但相關(guān)研究主要集中在針對(duì)富集植物的篩選與耐受性、影響因素和凈化機(jī)制等方面,相關(guān)工程化技術(shù)往往僅局限于單一的人工濕地或生物塘工程,將不同生活型水生植物按其適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境構(gòu)建成不同處理單元并對(duì)其進(jìn)行組合高效凈化重金屬?gòu)U水的系統(tǒng)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。采用組合式凈化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是:重金屬?gòu)U水進(jìn)入人工濕地單元后經(jīng)過(guò)填料快速吸附和挺水植物的吸收富集,可大大降低水體中重金屬濃度,對(duì)后續(xù)處理單元具有很好的緩沖作用;生態(tài)浮床單元不僅可以采用濕生植物,也可采用馴化后的陸生植物,且易于植物的更新和管理;而生物塘中的浮水植物或沉水植物對(duì)重金屬抗性低但其吸收凈化能力很高,可起到深度凈化作用。本研究選取的9種水生和濕生植物對(duì)重金屬耐性高、植物生物量大且生長(zhǎng)周期長(zhǎng),挺水植物均在6~8個(gè)月,浮水植物稍短約3個(gè)月,均為多年生植物,在亞熱帶氣候下幾乎可以全年生長(zhǎng)。利用這9種植物構(gòu)建一種由人工濕地、生態(tài)浮床和生物塘串聯(lián)而成的組合式水生植物凈化系統(tǒng),研究不同處理單元中水生植物對(duì)重金屬Cu、Pb和Cd的去除能力及富集特征,以期為重金屬污染水體生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1濕地處理單元為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,本實(shí)驗(yàn)在中試規(guī)模的條件下進(jìn)行。凈化系統(tǒng)分為配水箱和3個(gè)串聯(lián)的(2.2m×1.0m×0.6m)實(shí)驗(yàn)濕地處理單元。實(shí)驗(yàn)中選取的植物為經(jīng)過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選出來(lái)的在重金屬實(shí)驗(yàn)濃度下生長(zhǎng)較好的9種植物。所選植物均在8月份種植,其種植密度和布局如表1所示。1.1.1人工濕地建設(shè)礫石、天然沸石的配比為1∶1,下部5cm填充粒徑10~20mm礫石,上部填充粒徑分別為5~8mm、2~4mm的天然沸石(斜發(fā)沸石,陽(yáng)離子交換量為2.51mmol/g,比表面積和孔徑分別為14.20m2/g和13.36nm),填料層的平均孔隙率約為35%。在人工濕地中,栽培3種挺水和濕生植物,分別是:水燭(香蒲)和美人蕉,栽種比例為再力花∶水燭∶美人蕉=1∶1∶1。模擬人工濕地系統(tǒng)栽種的水生植物生物量約為生態(tài)浮床處理系統(tǒng)2倍和水生植物塘系統(tǒng)的3倍左右。1.1.2植物組成植物固定生態(tài)浮床由矩形帶孔聚乙烯塑料板(其規(guī)格為:80cm×50cm)組成,植物直接放入定植孔固定。生態(tài)浮床栽種4種濕生植物:梭魚(yú)草、慈姑、旱傘草和菖蒲,栽種比例為梭魚(yú)草∶慈姑∶旱傘草∶菖蒲=2∶1.5∶1∶1。1.1.3水生植物池塘單位水生植物塘中主要栽種有鳳眼蓮和大薸2種浮水植物,鳳眼蓮∶大薸=2∶2。各種植物的具體布置如圖1所示。1.2重金屬含量分布實(shí)驗(yàn)進(jìn)水中植物所需各種營(yíng)養(yǎng)鹽采用水培常用的1/10霍格蘭Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液,培養(yǎng)液中重金屬Cu、Pb和Cd的含量按國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的5倍配制,分別為:Cu5mg/L、Pb0.5mg/L及Cd50μg/L。1.3濕地公園凈化系統(tǒng)見(jiàn)圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由模擬人工濕地單元-生態(tài)浮床處理單元-水生植物塘處理單元三級(jí)處理系統(tǒng)串聯(lián)組成,在配水箱中將3種重金屬依實(shí)驗(yàn)設(shè)定濃度加入配好的1/10霍格蘭(Hoagland’s)營(yíng)養(yǎng)液并混合均勻后作為進(jìn)水水源,每9天配水一次。采用連續(xù)運(yùn)行方式向人工濕地進(jìn)水,進(jìn)水依靠抽水泵的作用流入凈化系統(tǒng)各單元,各單元的水力負(fù)荷控制在0.7m/d,每個(gè)單元中停留時(shí)間為3d。挺水植物和濕地植物按生長(zhǎng)季進(jìn)行收集清理;浮水植物15~20d打撈一次。處理后的出水在經(jīng)過(guò)1個(gè)處理周期后若達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)則直接排出,若未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)則繼續(xù)回流至第一單元繼續(xù)處理,在本研究中該系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行了2個(gè)月。由于廈門(mén)氣候條件下所選植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng),且在亞熱帶氣候下所選植物全年常綠,因此該系統(tǒng)在南方地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)全年連續(xù)運(yùn)行。1.4消解回收率分析實(shí)驗(yàn)植物樣用去離子水淋洗2~3次,于105℃殺青30min,在70℃下烘干至恒重,測(cè)定干重,磨碎后過(guò)80目尼龍篩;加優(yōu)級(jí)純濃硝酸(濃度為65%)過(guò)夜后微波消解,消解測(cè)定過(guò)程中采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSV-1)灌木枝葉檢測(cè)消解回收率,各元素的加標(biāo)回收率在92%~99%之間,符合元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析質(zhì)量控制要求。所采集水樣與植物處理樣均用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)及電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)測(cè)定植物中Cu、Pb和Cd濃度。1.5實(shí)驗(yàn)材料與方法生物富集系數(shù)(bioconcentrationfactor,BCF)可以反映出植物對(duì)一定濃度重金屬溶液中重金屬的富集能力,富集系數(shù)越大,其富集能力越強(qiáng),其計(jì)算公式如下:生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(translocationfactor,TF)是衡量植物中重金屬向地上部遷移能力大小的重要指標(biāo),遷移系數(shù)越大,遷移能力越強(qiáng),其計(jì)算公式如下:最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-WayANOVA),并用S-N-K’SHD法進(jìn)行多重比較,顯著性水平P<0.05。處理后數(shù)據(jù)用SigmaPlot11.0和Origin軟件作圖。2分析與討論的結(jié)果3個(gè)凈化單元中植物長(zhǎng)勢(shì)良好,均未發(fā)現(xiàn)黃葉、枯萎及爛根等受損癥狀,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)生物量達(dá)到實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的2.5倍。2.1重金屬的去除貢獻(xiàn)率該系統(tǒng)運(yùn)行9d后,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明其對(duì)重金屬Cu、Pb和Cd的去除率均超過(guò)95%以上,Cu、Pb和Cd的去除率分別為96.1%、95.2%和97.4%(見(jiàn)表2),3種重金屬出水濃度均可達(dá)到排放要求。組合凈化系統(tǒng)中,人工濕地單元對(duì)重金屬去除貢獻(xiàn)率最高,Cu、Pb和Cd的去除貢獻(xiàn)率分別為67.4%、67.5%和54.6%(沸石去除量大概約占總?cè)コ康?0%,植物吸收量占總?cè)コ?0%左右);其次為生態(tài)浮床處理單元,3種重金屬的去除貢獻(xiàn)率分別為Cu22.7%、Pb24.4%和Cd32.2%;而水生植物塘主要起到深度處理作用,對(duì)Cu、Pb和Cd的去除貢獻(xiàn)率分別僅占9.9%、8.1%和13.2%。組合凈化系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行60d后,3種重金屬出水濃度較此前的出水濃度稍高,但均可達(dá)到GB3838-2002Ⅲ類(lèi)水體排放標(biāo)準(zhǔn),表明該系統(tǒng)運(yùn)行效果較為穩(wěn)定。由于凈化系統(tǒng)運(yùn)行期間人工濕地單元的填料和植物均沒(méi)有更新,因此A池對(duì)3種重金屬去除貢獻(xiàn)率隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)均明顯降低,而B(niǎo)池和C池去除貢獻(xiàn)率均相應(yīng)提高。2.2浮水材料對(duì)重金屬富集的能力同種植物對(duì)不同重金屬的富集具有不同的選擇性?？傮w而言,植物體內(nèi)Cu>Pb>Cd,這與簡(jiǎn)敏菲等［14］研究結(jié)果一致。從圖2可以看出,由于人工濕地單元進(jìn)水中的重金屬濃度最高,因此該單元中的植物對(duì)3種重金屬的富集量也最高。在生態(tài)浮床單元中,梭魚(yú)草的Cu富集量最高,為(248.23±6.19)mg/kg;慈姑對(duì)Cu的富集量最低,僅(96.24±1.78)mg/kg;梭魚(yú)草和旱傘草對(duì)Cd的富集量也比較高,分別為(5.61±0.04)mg/kg和(3.96±0.42)mg/kg,顯著高于生態(tài)浮床單元中的其他2種植物(P<0.05)。盡管生物塘單元進(jìn)水中的重金屬濃度最低,但生態(tài)塘單元中的2種浮水植物對(duì)Cu的富集量仍顯著高于生態(tài)浮床單元中的挺水植物(P<0.05)。大薸和水葫蘆中的Cu富集量均在300mg/kg左右,且大薸對(duì)Cd富集量高達(dá)(10.04±0.15)mg/kg,甚至高于人工濕地中美人蕉吸收量,可見(jiàn)大薸對(duì)重金屬去除能力非常強(qiáng)。生態(tài)浮床和生物塘單元中各種植物對(duì)Pb的富集量基本一致,都在(23.32±2.71)mg/kg左右。由表4可知,在本組合凈化系統(tǒng)中各單元植物重金屬富集系數(shù)間存在很大差異。生物塘單元中大薸和水葫蘆3種重金屬富集系數(shù)最高,分別為Cu480、Pb350和Cd200;人工濕地單元3種植物對(duì)3種重金屬富集能力無(wú)明顯差異,都在200左右;人工浮床4種植物中梭魚(yú)草對(duì)3種重金屬的富集能力,分別為Cu152.27、Pb181.95和Cd281.91,菖蒲富集能力最低分別為Cu59.02、Pb95.45和Cd33.67。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,9種植物對(duì)3種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1,大薸在所選植物中對(duì)3種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高,分別為Cu0.56、Pb0.44和Cd0.56。2.3重金屬pb的分布情況從圖3可以看出,植物中重金屬主要積累在根部,莖次之,葉中含量最低,這與前人研究結(jié)果一致［3，15，16］。在本實(shí)驗(yàn)中Cu在同一植物不同器官中的分布均是根>莖>葉,且存在顯著差異(P<0.05)。美人蕉根中Cu濃度最高,達(dá)(2405.67±30.34)mg/kg;菖蒲根中Cu濃度最低,為(214.57±0.58)mg/kg。各植物葉中Cu吸收量均在30mg/kg以上,其中再力花葉中含量高達(dá)(255.3±2.55)mg/kg。Cu進(jìn)入植物體后易于與植物體內(nèi)有機(jī)組分結(jié)合生成穩(wěn)定的配位化合物,大部分富集于根部,因此難以向地上部運(yùn)輸。植物不同,忍受Cu毒害的程度不同,過(guò)量的Cu積累首先會(huì)對(duì)根造成傷害,從而影響整個(gè)植株的生長(zhǎng)［12］。LidonF.C.［17］認(rèn)為,一般植物葉片的正常Cu含量為5~30mgkg,高于30mg/kg時(shí)則可能引起中毒［11］,本組合系統(tǒng)中各種植物生長(zhǎng)良好,無(wú)明顯受毒害癥狀或死亡現(xiàn)象,說(shuō)明所選用的各種植物對(duì)重金屬Cu都有很高的抗性。再力花和水燭中Pb濃度分布規(guī)律和植物中Cu濃度分布規(guī)律一致,且不同部位中Pb濃度之間存在顯著差異(P<0.05);而美人蕉和梭魚(yú)草中Pb濃度則是根>葉>莖,這與施翔等［18］研究中一些木本植物中Pb分布規(guī)律一致。人工濕地中3種不同植物組分間Pb濃度差異顯著,美人蕉根中Pb濃度最高,高達(dá)(256.57±3.46)mg/kg,幾乎是葉中的濃度的6倍;生態(tài)浮床與生物塘中6種植物相同部位中Pb濃度基本差不多,根中濃度在30mg/kg左右,莖、葉中基本都是10mg/kg左右。植物吸收的Pb在植物體內(nèi)的分布一般有2種情況:一種是大部分累積在根部;另一種是把根系吸收的Pb大部分運(yùn)輸?shù)降厣喜浚?9］。莖葉/根系中重金屬的分配能反映出重金屬Pb在各植物體內(nèi)的運(yùn)輸和分配情況［20，21］。本實(shí)驗(yàn)中各種植物中Pb主要富集在根部,運(yùn)輸?shù)降厣喜康膬H是一小部分。其原因是Pb在根系主要以Pb(PO4)2和PbCO3等沉淀形式存在,在植物汁液中也有離子態(tài)和絡(luò)合態(tài)Pb,但由于吸持、鈍化或沉淀作用,植物根系所吸收的Pb向地上部運(yùn)輸比較困難［22，23］。實(shí)驗(yàn)中美人蕉、梭魚(yú)草、旱傘草和大薸根中Cd累積量高達(dá)莖葉中幾十甚至幾百倍,如美人蕉根中Cd為(26.87±0.15)mg/kg,而葉中只有(2.2±0.04)mg/kg,根中濃度是葉中濃度的十幾倍。梭魚(yú)草根葉中Cd濃度分別為(19.26±0.59)mg/kg和(0.24±0.01)mg/kg,根中濃度幾乎是葉中上百倍。Cd是典型的金屬過(guò)渡元素,配位能力強(qiáng),易于和細(xì)胞壁中的果膠質(zhì)成分如多聚糖醛酸和纖維素分子中的羧基、醛基等結(jié)合而留在植物根部細(xì)胞壁上［24-26］,使植物根中截留了大部分的鎘。3系統(tǒng)運(yùn)行效果(1)在進(jìn)水重金屬濃度分別為Cu5mg/L、Pb0.5mg/L及Cd50μg/L的水質(zhì)條件下,3個(gè)單元中再力花、美人蕉、水燭、旱傘草、慈姑、梭魚(yú)草、菖蒲、大薸和水葫蘆9種植物均可以正常生長(zhǎng),經(jīng)過(guò)9d處理后,Cu、Pb和Cd去除率分別高達(dá)96.1%、95.2%和97.4%。連續(xù)運(yùn)行60d后,Cu、Pb和Cd去除率仍然分別達(dá)到93.45%、94.48%和95.57%,3種重金屬出水濃度平均值分別為0.26mg/L、0.02mg/L和1.82μg/L,均可達(dá)到GB3838-2002Ⅲ類(lèi)水體排放標(biāo)準(zhǔn),表明該系統(tǒng)運(yùn)行效果較為穩(wěn)定。但由于本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間偏短,其凈化效果和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性仍有