不同濕地系統(tǒng)處理含砷廢水的研究

不同濕地系統(tǒng)處理含砷廢水的研究

由于自然釋放和人類大量開(kāi)采、生產(chǎn)和使用，污染加劇。采礦、冶金、化工等工業(yè)和農(nóng)藥產(chǎn)生的大量的含砷廢水給環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。砷是一種對(duì)人體及其他生物體有毒害作用的致癌物質(zhì)。各國(guó)對(duì)地表水的最高允許含砷質(zhì)量濃度一般為50μg/L,而日本等發(fā)達(dá)國(guó)家則為10μg/L。長(zhǎng)期暴露在砷的污染環(huán)境下可導(dǎo)致慢性砷中毒,皮膚癌等流行性地方病,嚴(yán)重?fù)p害人體健康。在印度、孟加拉邦發(fā)現(xiàn)砷中毒,我國(guó)自1956—1984年共發(fā)生30余起砷污染事件。我國(guó)有大量工礦企業(yè)、污灌、農(nóng)藥造成的土壤砷異常影響植物和作物生長(zhǎng)發(fā)育的報(bào)道,,甘肅白銀地區(qū)使用含砷廢水灌溉農(nóng)田,嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外幾種常用的處理含砷廢水方法主要有沉淀、絮凝、過(guò)濾、吸附、氧化、膜分離和生物法。化學(xué)法處理含砷廢水存在成本高,處理生成浮渣易產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn);物理法只能處理濃度較低、處理量不大、組成單純且有較高回收價(jià)值的廢水,而工業(yè)廢水的成分較復(fù)雜,所以物理法實(shí)用化程度較低;生物法處理含砷廢水雖具有經(jīng)濟(jì)、高效且無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn),目前理論上很成熟,但是實(shí)際應(yīng)用到工業(yè)中不多。因此研究開(kāi)發(fā)、低成本高效率的含砷廢水處理技術(shù),具有很好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境意義。人工濕地被普遍認(rèn)為是一種前景廣闊的新興污水處理技術(shù),人工濕地污水處理技術(shù)與傳統(tǒng)的污水處理法相比,具有高效率、低投資、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。它屬于一種生態(tài)治理污水的方法,對(duì)于節(jié)省資金、保護(hù)水環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,越來(lái)越受到世界各國(guó)的普遍重視。蜈蚣草超富集植物運(yùn)用于濕地系統(tǒng)少,大多數(shù)是蜈蚣草砷超富集植物修復(fù)砷污染土壤的研究,超富集植物一般生長(zhǎng)速度不快,但是蜈蚣草地上部分不僅能夠富集大量的砷,且生長(zhǎng)速度快、生物量大,株高可達(dá)2m,地理分布廣和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)選取蜈蚣草和美人蕉兩種植物和鵝卵石和陶粒兩種基質(zhì)構(gòu)建四個(gè)不同濕地系統(tǒng)處理含砷廢水的效果,旨在為人工濕地系統(tǒng)處理含砷廢水提供更好的選擇。1實(shí)驗(yàn)部分1.1基質(zhì)及材料的鋪設(shè)人工濕地處理系統(tǒng)裝置由聚乙烯板建成,裝置外面用角鋼焊接加固。板厚10mm,容器長(zhǎng)80cm,寬60cm,高70cm,寬度方向中心一側(cè)設(shè)有進(jìn)水管,進(jìn)水管距池頂30cm,另一側(cè)寬度方向中心設(shè)置三個(gè)出水管,最底端出水管距底端8mm,三個(gè)出水管間距20cm,池底中心設(shè)置塑料取樣管,分別垂直方向分布,垂直方向上布置3支取樣管,三個(gè)取樣管間距20cm,均勻分布在容器的中間位置。1、2、3和4系統(tǒng)中加入的基質(zhì)分別為陶粒、鵝卵石、鵝卵石和鵝卵石。鵝卵石粒徑為1~10cm,1系統(tǒng)和2系統(tǒng)種植蜈蚣草,3系統(tǒng)種植美人蕉,植物株距15cm,每種植物栽種兩行,每行5棵。4系統(tǒng)無(wú)任何植物。每個(gè)系統(tǒng)均下部充填20cm厚的基質(zhì),上面覆蓋15cm厚的土壤。鵝卵石鋪設(shè)20cm高度時(shí)順序是粒徑從大到小鋪設(shè),陶?；|(zhì)均勻鋪設(shè)。蜈蚣草孢子來(lái)自于深圳仙湖植物園,美人焦采自本校生物園。供試植物選擇整齊一致的植物移栽至三個(gè)濕地系統(tǒng)中,待其植物生長(zhǎng)一段時(shí)間后進(jìn)行試驗(yàn)。含砷污水由葡萄糖、氯化銨和亞砷酸鈉等化學(xué)試劑人工配制而成,通過(guò)加入上述不同試劑,配制含As、COD、NH4+N不同污染物的廢水,做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。含As廢水配制兩個(gè)不同濃度水平,找出最佳濃度水平的去除效率。加入配制好的含As污水30L,使污水在土壤50mm以下,以形成潛流。1.2測(cè)定項(xiàng)目及方法當(dāng)天配制好的含As生活污水下午取樣以后,每隔三天取樣一次,總共取樣十五次,時(shí)間為43天,同時(shí)COD、NH4+N指標(biāo)每天取樣監(jiān)測(cè)一次,連續(xù)監(jiān)測(cè)十三天。測(cè)定水溶液中As方法采用氫化物原子熒光法,COD、NH4+N測(cè)定方法分別采用重鉻酸鹽法、納氏試劑比色法。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),首先進(jìn)行誤差分析,數(shù)據(jù)分析使用Excel軟件。2cod和nh4+-n濃度試驗(yàn)從2007年9月1日到2008年2月1日實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨了兩個(gè)季度,間歇進(jìn)水模擬人工濕地處理效率。為了比較不同污染物的處理效率,實(shí)驗(yàn)配制COD、NH4+-N濃度的水平分別為150mg/L、10mg/L。含As水溶液配制兩個(gè)不同濃度As溶液水平,分別是0.25mg/L、0.5mg/L,具體廢水溶液中濃度由測(cè)定得到。2.1as的最終去除率在潛流式人工濕地系統(tǒng)中,含As廢水的去除主要是依靠植物的吸收或富集作用、土壤吸附、懸浮粒子的過(guò)濾和微生物一起活動(dòng)而使As降解。根據(jù)實(shí)驗(yàn)污水處理前后As的濃度,計(jì)算出隨時(shí)間變化不同濕地系統(tǒng)對(duì)As的去除效率,當(dāng)配制含As廢水濃度為0.25mg/L時(shí),As的去除效率隨時(shí)間變化見(jiàn)圖1.1,1、2、3、4系統(tǒng)對(duì)溶液中As的平均去除率分別為76.13%、79.01%、69.45%、66.20%,各系統(tǒng)對(duì)溶液中As的最終去除率范圍是36.5%~96.8%;當(dāng)配制含As廢水濃度為0.5mg/L時(shí),As的去除效率隨時(shí)間變化見(jiàn)圖1.2,四個(gè)系統(tǒng)分別對(duì)溶液中As的平均去除率分別為78.23%、80.32%、67.66%、65.79%,各系統(tǒng)對(duì)溶液中As的最終去除率范圍是36.3%~97.2%。隨著供應(yīng)溶液中As濃度提高,3系統(tǒng)對(duì)As平均去除率有所下降。原因是隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,溫度的影響,3系統(tǒng)種植了美人蕉植物,美人蕉植物有少量枯萎,因此對(duì)As的去除率有所下降;無(wú)植物4系統(tǒng)平均去除率也略有下降。本實(shí)驗(yàn)中觀察這一水平處理下蜈蚣草生長(zhǎng)情況發(fā)現(xiàn),當(dāng)配制含砷廢水濃度為0.5mg/L時(shí)比配制含As廢水濃度為0.25mg/L時(shí),蜈蚣草植物生長(zhǎng)情況更好。43天內(nèi)所有濕地系統(tǒng)中的As均顯著降低,As的最終去除效率分別為96.8%和97.2%,從圖1.1和1.2可知,實(shí)驗(yàn)的前10天,污水中As的下降速度較快,另外,各系統(tǒng)前16天均保持了很高的去除率,As的最大去除效果解釋現(xiàn)象是植物和基質(zhì)共同起作用的結(jié)果。所有圖中,各系統(tǒng)對(duì)As的平均去除率大小為:2系統(tǒng)〉1系統(tǒng)〉3系統(tǒng)〉4系統(tǒng),有植物的系統(tǒng)對(duì)溶液中As平均去除率比無(wú)任何植物的4系統(tǒng)高,可見(jiàn)植物對(duì)溶液中As有一定的去除效果。2系統(tǒng)對(duì)溶液中As的去除率比1系統(tǒng)高,鵝卵石基質(zhì)對(duì)As去除率比陶粒好。整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi),從圖可知,濕地各系統(tǒng)對(duì)含As廢水去除率隨時(shí)間延長(zhǎng)不斷提高。2.2cod的去除人工濕地對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力。污水中不溶性有機(jī)物通過(guò)濕地的沉淀、過(guò)濾作用,可以很快地被截留而被微生物利用;污水中可溶性有機(jī)物則通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過(guò)程而被分解去除。在進(jìn)水濃度較低的條件下,一般人工濕地對(duì)COD去除效率可達(dá)80%以上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)污水處理前后的COD濃度,計(jì)算出隨時(shí)間變化不同濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除效率,繪制變化曲線,見(jiàn)圖1.3。由圖1.3可知,13天內(nèi)所有濕地系統(tǒng)中的COD均顯著降低,COD的去除效率最大為93.8%,從圖1.3可知,實(shí)驗(yàn)的前5天,污水中COD的下降速度較快,另外,各系統(tǒng)前8天均保持了很高的去除率,當(dāng)配制廢水中COD濃度為150mg/L時(shí),1、2、3、4系統(tǒng)對(duì)COD平均去除率分別為67.81%、70.48%、74.36%和60.30%,各系統(tǒng)對(duì)COD平均去除率大小為:3系統(tǒng)〉2系統(tǒng)〉1系統(tǒng)〉4系統(tǒng),2系統(tǒng)對(duì)COD的去除率高于1系統(tǒng),兩種基質(zhì)中,鵝卵石對(duì)COD的去除能力最高,陶粒基質(zhì)的去除能力最低,有植物的系統(tǒng)對(duì)COD去除率比無(wú)植物對(duì)照系統(tǒng)要高,可見(jiàn)有植物的存在有利于污水中有機(jī)物的去除。2.3濕地基質(zhì)對(duì)nh4+-n的去除效果人工濕地系統(tǒng)處理對(duì)氨氮的去除作用包括基質(zhì)的吸附、過(guò)濾、沉淀、揮發(fā)、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用,根據(jù)實(shí)驗(yàn)污水處理前后的NH4+-N濃度,計(jì)算出隨時(shí)間變化不同濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效率,繪制變化曲線,見(jiàn)圖1.4,由圖1.4可知,13天內(nèi)所有濕地系統(tǒng)中的NH4+-N均顯著降低,NH4+-N的最大去除效率為85.8%,實(shí)驗(yàn)的前5天,污水中NH4+-N的下降速度較快,另外,各系統(tǒng)前8天均保持了很高的去除率,當(dāng)配制廢水中NH4+-N濃度為10mg/L時(shí),1、2、3和4系統(tǒng)平均去除率分別為60.83%、63.38%、67.25和50.30%,各系統(tǒng)對(duì)NH4+-N平均去除率大小為:3系統(tǒng)〉2系統(tǒng)〉1系統(tǒng)〉4系統(tǒng),2系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率高于1系統(tǒng),兩種基質(zhì)中,鵝卵石對(duì)NH4+-N的去除能力最高,陶?；|(zhì)的去除能力最低,在13天的監(jiān)測(cè)中,有濕地基質(zhì)的各系統(tǒng)中,美人蕉-鵝卵石系統(tǒng)處理效果最優(yōu),鵝卵石系統(tǒng)處理效果最差。3as的去除效果比較3.1在潛流式人工濕地系統(tǒng)中,當(dāng)配制含As廢水濃度為0.25mg/L時(shí),1、2、3、4系統(tǒng)對(duì)溶液中As的平均去除率分別為76.13%、79.01%、69.45%、66.20%;當(dāng)配制含As廢水濃度為0.5mg/L時(shí),四個(gè)系統(tǒng)對(duì)溶液中As的平均去除率分別為78.23%、80.32%、67.66%、65.79%。在低As濃度水平下,隨著供應(yīng)溶液中As濃度提高,1和2系統(tǒng)對(duì)As的平均去除率隨As濃度提高而升高,而3和4系統(tǒng)對(duì)As的平均去除率隨As濃度提高而降低,無(wú)論供As濃度高低,各系統(tǒng)對(duì)As的平均去除率大小為:2系統(tǒng)〉1系統(tǒng)〉3系統(tǒng)〉4系統(tǒng),有植物的系統(tǒng)對(duì)溶液中As平均去除率比無(wú)任何植物的4系統(tǒng)高,可見(jiàn)植物對(duì)溶液中As有一定的去除效果,2系統(tǒng)對(duì)溶液中As的去除率比1系統(tǒng)高,鵝卵石基質(zhì)對(duì)As去除率比陶?；|(zhì)要好。3.2在潛流式人工濕地系統(tǒng)中,當(dāng)配制廢水中COD濃度為150mg/L時(shí)1、2、3、4系統(tǒng)對(duì)COD平均去除率分別為67.81%、70.48%、74.36%和60.30%,各系統(tǒng)對(duì)COD平均去除率大小為:3系統(tǒng)〉2系統(tǒng)〉1系統(tǒng)〉4系統(tǒng),2系統(tǒng)對(duì)COD的去除率高于1系統(tǒng),兩種基質(zhì)中,鵝卵石對(duì)COD的去除能力比陶?；|(zhì)高,1、2、3系統(tǒng)對(duì)COD去除率比無(wú)植物對(duì)照4系統(tǒng)分別高8.24%、10.59%、13.99%,可見(jiàn)有植物的存在有利于污