人工濕地-燈心草處理系統對高濃度重金屬污水的凈化效果研究

張 玲，張 郡，劉 歡，溫 珊，盧潔英

（青海師范大學化學化工學院，青海 西寧 810001）

中國從20 世紀70 年代以來就開始鬧水荒[1]，這不是危言聳聽，而是客觀實事。20 世紀80 年代以來，中國水荒由局部逐漸全國，情勢越來越嚴重，對農業和國民經濟已經帶來了嚴重的影響。而國內去還有大部分水之源被污染，其中以重金屬污染最為嚴重。而人工濕地是一種廉價有效的水處理系統，人為設計、建造和調控的由處于水飽和狀態的基質、水生植物、微生物、動物以及水體所組成的復合體污水處理生態系統[2]，不僅可降解城市污水，暴雨徑流和農業溢流中的有機和營養物質[3-4]，還可以出去礦渣水和特殊行業污水中的金屬[5-7]。人工濕地是一種強化的生態處理設施，通過濕地內植物、基質和微生物間的物理、化學和生物作用來完成對進水污染物的降解[8]。此外，人工濕地因具有建設形式多樣、凈化效果好、易運行管理等優點，在國內外已被廣泛應用于微污染水的處理[9]。

我國水體重金屬污染問題十分突出，江河湖庫底質的污染率高達80.1%。國外同樣存在水體重金屬污染問題，如波蘭由采礦和冶煉廢物導致約50%的地表水達不到水質三級標準。可見，水體重金屬污染已成為全球性的環境污染問題[10]。

有研究表明，西伯利亞鳶尾具有較強的吸收和富集重金屬的能力，且主要在根部[11]。除此之外，復合人工濕地系統對Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的去除效果。結果表明:系列1~系列4 復合型人工濕地對5 中重金屬都有去除效果[12]；海州香薷和紫花香薷在Cu、Pb 復合污染泥沙土上的重金屬耐性與吸收動態[13]；堿熱處理蘆葦對人工濕地凈化微污染水的促進作用[14]；濕地植物的生物量和植物體內氮、磷累積能力有利于凈化效果等[15-16]，本研究采用階段性取樣的方法，對植物及土壤基質進行采樣，在利用火焰原子吸收儀對樣品中的重金屬含量進行測定，繪制出標準曲線，以此來分析燈心草對重金屬的吸附能力。

1 材料與方法

1.1 人工濕地模型的搭建

將基質按顆粒大小從下至上按從大到小的順序填裝于上口直徑為50cm 下口直徑40cm 高為60cm 的PVC 材料圓柱形水桶中，并在水桶底部往上5cm 出開一個出水口。見圖1。

圖1 垂直流人工濕地示意圖Figure 1 Schematic diagram of constructed wetlands with vertical flow

采集無復合重金屬污染過成長中的幼苗，數量大約為30 株，株高大約為30cm。

將燈芯草按照每株之間相互間隔3~5cm 間距種植，根部入土深度約為5~8cm。將底部出水口堵住，并澆于自來水以進行適應性生長。每隔一周進行一次澆水，持續一個月，以保證濕地植物的成活。濕地實體如圖2。設計水力負荷0.085m3/(m2·d)，計算每日進水量為85L，通過查找文獻配制濃度5mg/L+500mg/L 復合重金屬污水。

1.2 樣品前期處理

植物樣品：燈芯草植株將其按根、莖、葉、分開放置，待水分除去，放置于馬弗爐灰化。基質樣品：分別從基質表層、中層、底層分別取適量基質，風干后進行硝化處理。處理水樣：定期從取水口取樣。

2 數據分析

由圖2 看出，污染前人工濕地上層基質重金屬Cd 的的含量較大。說明土壤上層基質對復合重金屬污水富集效果較好。污染后人工濕地上層基質重金屬Cd 的的含量較污染前明顯有所上升，其次是人工濕地中層基質，說明土壤上層基質對復合重金屬污水富集效果較好。第二次污染后人工濕地上層基質重金屬Cd 的含量較污染前明顯有所上升，可得出對重金屬Cd 的富集主要是植物的根部及濕地的上層基質。

圖2 污染前各樣品Cd 濃度變化圖Figure 2 Cd concentration variation of samples before contamination

由圖3 看出，污染前人工濕地上層基質重金屬Pb 的的含量較大，其次是人工濕地中層基質。說明土壤上層基質對復合重金屬污水富集效果較好。污染后人工濕地上層基質重金屬Pb 的的含量較污染前明顯有所上升，且幅度較大，其次是人工濕地中層基質。第二次污染后人工濕地上層基質重金屬Pb 的含量較污染前明顯有所上升，故重金屬Pb 的富集主要是植物的根部及濕地的上層基質。

3 結果及討論

圖3 污染前各樣品Pb 濃度變化圖Figure 3 Pb concentration variation of samples before pollution

由上述分析得出，所測樣品中濕地植物（燈芯草）對復合重金屬Cd、Pb、的富集特性高于濕地的富集特性，而且濕地植物（燈芯草）的根、葉、對重金屬Cd、Pb、的富集性也各有不同，其中以濕地植物（燈芯草）為代表，燈芯草根部對重金屬Cd、Pb、的富集效果明顯大于葉。對于濕地土壤，濕地土壤基質的表層、中層、下層對重金屬Cd、Pb、的富集效果也有所不同，由標準曲線顯示得出上層土壤基質對復合重金屬的富集效果更好。而對復合重金屬來說，在樣品中的含量都有一個先上后下的趨勢，說明隨著時間的推移和植物及濕地的凈化使得復合重金屬得到了凈化，水樣中重金屬含量波動不大。

4 展望

本研究中以模擬搭建垂直流人工濕地并種植濕地植物（燈芯草）來研究濕地以及濕地植物對重金屬Cd、Pb、的富集特性及凈化效果，分析重金屬在植物體和土壤中的動態分布,以評價所測植物對土壤中重金屬Cd、Pb、的綜合富集能力及凈化效果,為利用植物修復金屬污染土壤提供實驗依據和技術支持。但本實驗中對水樣中復合重金屬的檢測結果顯示，水樣中還含有一部分復合重金屬。治理復合重金屬污染是我國當下治理水土污染的一大難題，在本實驗中我們只為利用植物修復金屬污染土壤提供實驗依據和技術支持，期待有更成熟的治理技術和方法。