不同人工濕地基質對鉛的去除效果對比

陳文蝦

摘要：采用等溫吸附實驗研究沸石、生物陶粒、磁鐵礦石、膨脹珍珠巖、礫石及石英砂這六種人工濕地基質對鉛的吸附特征。結果表明：沸石、磁鐵礦石和礫石對鉛的吸附量均隨著鉛溶液濃度的增大而增大，而生物陶粒、膨脹珍珠巖及石英砂隨著鉛溶液濃度的增加均出現不同程度的下降;6種基質對于鉛的吸附量總體趨勢由大到小依次為沸石、磁鐵礦石、礫石、生物陶粒、膨脹珍珠巖、石英砂;除沸石外，其余5種基質對Pb21-的去除率隨著鉛溶液溶度的增加，均出現不同程度的下降。因此.通過比較實驗結果，確定沸石為除鉛效果較理想的人工濕地基質。最后.用沸石和香蒲組建人工濕地系統，驗證沸石作為基質對酸性含鉛廢水的處理效果，經分析實驗數據表明：其出水到后期均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（ GB189182002）的排放標準。因此。確定可用沸石作為人工濕地處理酸性舍鉛廢水的基質，其對鉛的處理效果很好。關鍵詞：人工濕地;基質;鉛;吸附特性;酸性含鉛廢水

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0093-03

1 引言

人工濕地作為一種有效的污水處理技術，因其投資成本低、運行簡便、低耗義具有景觀效應而被廣泛應用[1，2]。根據不完全統計，從2009年至今，我國至少發生20起以上較大血鉛事件，因此，鉛污染治理已成為當今重要的研究課題之一。基質作為人工濕地的主要組成部分，選擇合適的基質材料，是提高人工濕地凈化能力的關鍵[3]。有不少學者研究了多種基質吸附重金屬的效果及其機理，認為選擇適合的基質對人工濕地處理含再金屬廢水具有決定性作用，如譚光群等[4]用蛭石作為吸附劑，研究其對Cu2+、Pb2+、Cd2+的吸附作用，發現其具有較強的吸附性能，可用于含重金屬廢水的處理。目前關于基質對人工濕地處理含鉛廢水中Pb2+的去除效果研究的報道較少。本研究選擇了沸石、石英砂、磁鐵礦石、礫石、生物陶粒、珍珠巖作為研究對象，將其對鉛的吸附特性進行研究，以期篩選出效果比較理想的人工濕地基質，為推廣應用人工濕地處理含鉛廢水提供理論指導依據。

2 材料與方法

2.1 試驗材料及主要儀器

人工濕地基質沸石、石英砂、磁鐵礦石、礫石取自河南省鞏義市萬福源市政工程凈水材料有限公司，生物陶粒、珍珠巖取自北京蓬朗園藝，上述材料均經過1 mm、5mm分篩篩分成粒徑為1～5 mm并烘干備用。

主要儀器：電子天平（AL104），臺式冷凍恒溫震蕩器（THZ-C-1）、全譜直瀆等離子體發射光譜儀（ICP- OES）

2.2 人工濕地模擬裝置

實驗裝置采用硬制PVC材料制成，內徑為110mm，高350 mm，基質實驗柱在填充基質前，在中間放一根內徑為25 mm，長為380 mm的硬制PVC管，并在管的一頭套一層孔徑約為1 mm的紗網，以防止基質通過PVC管流失及導致取樣口堵塞。具體實驗裝置如圖1。

2.3 實驗方法

2.3.1 吸附試驗

分別用1 mm、5 mm分篩篩選出粒徑為1～5 mm的沸石、磁鐵礦石、珍珠巖、生物陶粒、礫石、石英砂，然后將其填充于50 mL離心管中，壓實填充至10 mL刻度線處。然后分別加入由PL（NO3）2（分析純）配制的鉛濃度為0、50、100、200、400、600、800 mg/L的鉛溶液25mL，將其置于恒溫振蕩箱中，在轉速250 r/min、溫度25℃條件下，振蕩2h。最后取出靜置30分鐘后，采用原子吸收法測定上清液中Pb2+的濃度，實驗設置3個平行，每體積基質的吸附量的計算如下：

式中，Q為每體積基質對鉛離子的吸附量，mg/cm3;C為處理前鉛溶液濃度，mg/L;C2為處理后鉛溶液濃度，mg/L;V為所加的鉛溶液體積。L;V為基質的體積，cm3。

基質對鉛離子的去除率（%）計算如下：

式中，W為基質對鉛離子的去除率，%;C1為處理前鉛溶液濃度，mg/L;C2為處理后鉛溶液濃度，mg/L。

2.3.2 沸石基質對鉛的處理效果驗證實驗

實驗前，先將沸石（1～5 mm）用自來水沖洗干凈，再用蒸餾水沖洗3遍，最后曬干。接著將曬干后的基質填充至實驗裝置中，先填充到20 cm處，然后將事先培養好的香蒲洗凈移栽至裝置中，最后再用基質填充至25 cm，并用蒸餾水及定期滴加營養液培養兩個星期。本實驗分為試驗組和空白組，空白組采用蒸餾水進水，試驗組則用Pb（ NO3）。進行模擬配置酸性含鉛廢水。每次配完水，手動攪拌5 min后進水，并停留2天。兩天后，用經蒸餾水洗凈干燥后的聚乙烯瓶進行取樣，水樣用ICP- OES進行Pb2+濃度測定。取完水樣后，放空裝置內的水，并重新進水。如以上所述重復實驗一個月。人工濕地對鉛的去除率計算如下：

式中，W為系統對鉛離子的去除率，%;C1為進水鉛離子濃度，mg/L;C2為出水鉛離子濃度，mg/L。

2.4 供試基質的理化性質

供試基質的部分理化性質如表1所示。

2.5 模擬配置含鉛廢水水質

經查文獻，發現濃度過高的重金屬離子對植物有毒害作用[5～7]，因此本實驗用水Pb2+濃度控制在50 mg/l）左右，采用Pb （NO3）2（分析純）和蒸餾水進行模擬配置。該酸性含鉛廢水中水質指標見表2。

3 實驗結果與討論

3.1 吸附試驗

從圖2中，可以發現溶液中的Pb2濃度與不同基質之間的恒溫吸附關系。由圖中曲線表明，隨著鉛標準溶液濃度的增加，各個基質對Pb2+的吸附都有所增加，但鉛起始濃度達到200 mg/L，石英砂首先開始出現下降趨勢，到了600 mg/L生物陶粒和膨脹珍珠巖也出現了不同程度的下降趨勢，而沸石、磁鐵礦石以及礫石一直保持上升趨勢，其中沸石吸附效果最好。

從圖3中，可以發現溶液中的Pb2+濃度與不同基質之間的去除率關系。從上圖的數據表明，起初隨著鉛溶液濃度的增加，各個基質對Pb2+的去除都有所增加，但當鉛濃度達到50 mg/l，石英砂、礫石、生物陶粒及膨脹珍珠巖均開始出現不同程度的下降趨勢，磁鐵礦石隨著起始鉛濃度的增加也有小幅度的下降，而沸石則一直保持著對Pb2+很好的去除效果。

最后，經過綜合分析比較各個基質對不同濃度Pb2+的吸附量及去除率，確定沸石為除鉛的人工濕地基質。

3.2 沸石基質對鉛的處理效果驗證試驗

3.2.1 處理前后pH值變化

如表3所示，實驗的出水均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918- 2002）中的pH值排放標準（pH值排放標準為6～9）。

3.2.2 植物生長狀況分析

在實驗前后，不管是空白組還是實驗組，香蒲的生長狀況良好，說明鉛濃度為50 mg/L左右的偏酸性廢水對香蒲的生長不會造成負面影響，甚至有可能促進其生長。因此，采用香蒲作為人工濕地系統中的植物部分來處理鉛濃度為50 mg/L的偏酸性廢水可行。

3.2.3 人工濕地對Pb2+的去除效果分析

由圖4的數據分析可知，本濕地系統對Pb2+的去除效果相當好，其去除率基本保持在99.5%以上，并且從第四次進水開始，該濕地系統對Pb2+的去除逐漸趨于穩定，并保持在99.86%左右波動，出水Pb2+濃度均能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（ GB18918 -2002）中的一類重金屬污染物排放標準（鉛排放標準≤0.1mg/L）。實驗前幾次進水處理效果波動較大的原因應該是人工濕地系統開始運行時需要一個適應調整期，而到了實驗后期該系統已經適應酸性含鉛廢水，所以其對Pb2+的去除效果趨于穩定。

4 結論

（1）從實驗數據分析結果表明，六種試驗基質的吸附性能差異較大，其中沸石最好，其次是磁鐵礦石，再次是礫石，而生物陶粒、珍珠巖及石英砂相對來說都比較差，其中石英砂最差。

（2）當鉛溶液溶度高達800 mg/L時，沸石、磁鐵礦石及礫石對Pb2+的吸附仍未達到飽和。

（3）在吸附試驗中，磁鐵礦石、礫石、生物陶粒、膨脹珍珠巖及石英砂對Pb2+的去除率隨著鉛溶液濃度的增加，均有不同程度的下降，但是沸石例外，其對Pb2+的去除率一直保持在99.60%以上。

（4）在酸性含鉛廢水的進水Pb2+濃度為50 mg/L左右、pH=6.00～6.14，HRT=2 d的實驗條件下，采用香蒲作為人工濕地系統的植物部分進行試驗，實驗前后其生長狀況良好，因此未來用人工濕地處理該條件下的酸性含鉛廢水，植物可選擇香蒲;

（5）用沸石（粒徑為1～5 mm）和香蒲構建的人工濕地系統處理鉛濃度為50 mg/L的偏酸性含鉛廢水，其出水pH值、鉛濃度均能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的排放標準。

（6）沸石作為人工濕地系統中的基質部分處理酸性含鉛廢水，其處理效果相當可觀，因此，確定沸石為人工濕地處理酸性含鉛廢水的最好基質。

參考文獻：

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