芦苇湿地生态系统对造纸废水中铅的净化研究

苏芳莉,周 欣,陈佳琦,芦晓峰,王铁良 (沈阳农业大学水利学院,辽宁 沈阳 110866)

芦苇湿地生态系统对造纸废水中铅的净化研究

苏芳莉,周 欣,陈佳琦,芦晓峰,王铁良*(沈阳农业大学水利学院,辽宁 沈阳 110866)

采集辽宁双台河口芦苇湿地芦苇样品,于沈阳农业大学实验场的试验池内进行了对废水中Pb净化的模拟试验.分析了芦苇生长季内,造纸废水、湿地土壤和芦苇组织中的Pb分布特征.结果表明,芦苇灌溉20%浓度的造纸废水,对Pb的去除率最高;芦苇在拔节期阶段,去除效果最好.对于同一生长期,在10cm水深处Pb的含量最少,净化效果最明显;在10～40cm深度土壤对Pb的热力学吸附差异显著.随着采样深度的增加,土壤在10cm深处对Pb的吸附量最大,净化效果最明显.芦苇组织中Pb的分布特征为,在芦苇整个生长期内,芦苇根组织对Pb的吸收量最大,其次为茎组织,而叶组织对Pb的吸收量最小.

Pb；造纸废水；芦苇；湿地生态系统；净化

目前,重金属在生态系统中的运移和积累已引起广泛关注[1-2].近年来,关于人工湿地处理有机废水的去除机理和效应进行了广泛深入的研究,取得了重要的研究成果[3-6].对于沿海河口湿地生态系统中重金属的迁移、净化行为研究亦有报道

[7-9].有研究表明[10],红树林可以吸收细颗粒物质,可使底部沉积物增加,并且可以通过根、茎、叶等使潮滩重金属迁移和富集.也有研究发现[11],某些湿地植物可以吸收和转化土壤中的重金属,从而减少重金属在湿地生态系统中的危害.辽宁盘锦市双台河口湿地作为双台河进入渤海的最后一道屏障,近年来入海河水水质不断恶化,已为Ⅳ类水或劣Ⅴ类水.其中,重金属铅的含量明显超过国家地表水Ⅱ类(湖库)标准[12].而关于利用盘锦双台河口湿地生态系统对造纸废水中 Pb的净化方面的研究尚鲜见报道.因此,本研究通过构建模拟天然湿地小试装置,人为调控试验条件和实时观测,系统研究芦苇湿地生态系统对造纸废水中铅的净化效果,并探讨了其去除机理,为湿地对造纸废水进行生态修复提供理论依据与技术支撑.

1 材料与方法

1.1 供试废水

供试废水取自辽宁省金城造纸厂排污口.每月1号取供试造纸废水10桶,每桶25L,运回沈阳农业大学试验场内,置于阴凉处为试验池内灌水所用.自4月份取水至11月份共采集8个月.经测定,灌入造纸废水的主要成分:COD为1610mg/L, BOD5为823mg/L,Pb浓度为0.12mg/L,挥发酚浓度为 0.05mg/L,SS浓度为 141mg/L,矿化度为3569mg/L,pH值7.87.

1.2 供试土壤

2009年4月自盘锦湿地内取自然状态下的自然土壤,运回沈阳农业大学试验场作为移栽芦苇所用.该湿地的土壤类型为草甸土,土壤pH值为8.47,有机质含量为1.12%,容重为1.03g/cm3.

1.3 供试植物

芦苇采自辽宁省盘锦市双台河口国家级自然保护区核心区,品种为辽滨苇、盘锦苇、小紫散穗等当地品种天然混栽.2009年4月取土同时,挖取未萌发的带有健康芽眼的芦苇根茎,截成30cm的小段,外裹适量土壤,装入麻袋,适量洒水(以保证根系湿润),运回沈阳农业大学试验场内,移栽至试验池中.

1.4 试验设置

试验于2009年在沈阳农业大学水利学院试验场内进行.在试验场平坦处用混凝土砌成25个大小相等的试验池作为模拟天然湿地—盘锦双台河口湿地的小试装置,具体设置如图1所示.每个试验池的尺寸为长×宽=2.0m×1.0m,试验池基础埋深0.8m,地上部分高0.9m,内部深度0.8m.在移栽芦苇之前首先在试验池底部用从双台河口湿地取回的土壤垫土高约0.2m,然后将该湿地取回的长约0.3m芦苇根进行移栽,每个试验池平均移栽1250株,株距×行距为0.04m×0.04m.移栽后对上部进行覆土,覆土厚度约为 0.1m.在每个试验池外侧安装4个出水管,分别用来接取4种不同土壤深度下的水样,每层水深高差为10cm.

具体灌溉造纸废水方式如下:按全国《灌溉试验规范》中划分作物生育阶段的标准,将芦苇整个生长季划分为发芽、展叶、拔节、抽穗、成熟5个生长阶段.根据芦苇的5个生长期,将25个试验池分为5组,编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ.将造纸废水用清水调成5个浓度(100%、80%、60%、40%、20%)作为试验处理,编号为C1、C2、C3、C4、C5.在芦苇的不同生长期灌入不同浓度的造纸废水,并进行编号.如 C1Ⅰ代表在发芽期灌入浓度为100%的造纸废水,以此类推.

芦苇根系萌发后如图1.

图1 试验装置示意Fig.1 Experimental device schemes

在芦苇各个生长期开始之初,一次性灌入 5个处理浓度的造纸废水,灌水深为10cm,计0.2m3.余后用清水灌入,保持水面 10cm.具体做法为:在展叶期灌入污水的试验处理,在发芽期只灌清水,维持10cm水层,保证芦苇正常生长;在拔节期灌入污水的试验,在发芽期和展叶期均灌清水;以此类推,不会产生 Pb在湿地系统中的积累效应.清水为自来水(居民饮用水),经检测,铅含量基本为零,不会对实验结果产生影响.在下个生长期灌入造纸废水的前一天取水样、土样和植物样.

1.5 样品采集及处理方法

水样通过安装在试验池外侧的 4个出水管进行分层采集.采集后的水样用直径为7cm的中速定性滤纸进行过滤,然后装入塑料容器中待测.为防止废水中成分发生变化,将待测水样放入4℃冰箱内保持恒温.土样采用直径6cm、高 1m的取土钻分4层取土,与水样相对应,每层取土厚度均为10cm,封装,置阴凉处风干.风干后,用100目筛子进行过筛,对过筛后的土壤参照龙新宪等

[13]的消化法进行消化,装入塑料容器中待测.植物样选择每个试验池中长势较好的3株,经洗净后,把植株分为根、茎和叶 3部分,参照王小平

[14]的植物处理及分解方法对植物样进行预处理,装入塑料容器中待测.

1.6 仪器分析

本试验使用的仪器:电感耦合等离子体发射光谱仪(美国热电公司);使用的试剂:含56种金属的多元素标准溶液(国家标准样品)(购于中国标准物质网);浓硫酸、浓硝酸、高氯酸等均为分析纯试剂(均购于沈阳市国药集团).

采用等离子发射光谱法测定芦苇湿地系统中水、土壤、植物中Pb的含量.结果由计算机联机打印出.采用 SPSS统计软件对土壤和植物中的指标数据进行相关分析.

2 结果与讨论

2.1 芦苇不同生长期及不同浓度废水对 Pb去除率的影响

由表1及表2可知,对于芦苇同一生长期而言,不同的废水灌溉浓度会导致对Pb不同的去除效果.例如,发芽期,灌溉浓度为 100%的造纸废水处理后,废水Pb含量由0.070mg/L降低为0.056mg/L,去除率为 20%.当灌溉浓度为 80%的造纸废水处理后,废水Pb含量由0.056mg/L降低为0.029mg/L,去除率为48.21%,去除率提高,去除效果明显增强.当灌溉浓度为60%的造纸废水处理后,废水Pb含量由 0.042mg/L降低为 0.027mg/L,去除率为35.71%,虽然浓度有所降低,但Pb的去除率却没有灌溉 80%浓度的废水去除效果明显.当灌溉浓度为40%、20%的造纸废水处理后,废水去除率均有所降低.由此可以得出,对于芦苇同一生长期,灌溉不同浓度的造纸废水对 Pb去除效果从大到小排序为:20%＞40%＞ 80%＞60%＞100%.

表1 芦苇不同生长期不同浓度造纸废水中Pb去除量(mg/L)Table 1 Pb removal amount from different concentration papermaking wastewater at different growth stages of reed (mg/L)

表2 芦苇不同生长期不同浓度造纸废水中Pb去除率(%)Table 2 Pb removal rate from different concentration papermaking wastewater at different growth stages

对于灌溉同一浓度的造纸废水,芦苇不同生长期也会对Pb的去除产生一定的影响.由表1可知,以灌溉浓度为100%废水为例,在发芽期,Pb的去除率为 20%,去除率最低;在展叶期,Pb的去除率为 31.43%;在拔节期,Pb的去除率为 62.86%,去除率最高;在抽穗期,Pb的去除率为51.43%;在成熟期,Pb的去除率为45.71%.由此可以得出,对于灌溉同一浓度的造纸废水,芦苇不同的生长期对Pb的去除效果由大到小排序为:拔节期＞抽穗期＞成熟期＞展叶期＞发芽期.

2.2 芦苇不同生长期Pb在水体中的分布

由图2可知,无论芦苇处于何种生长期,Pb在水体中的分布情况大体一致,在 10cm水层处 Pb含量最低,净化效果最好,在30cm水层处Pb含量最高,净化效果最差.不同水深Pb含量由高到低排序为:30cm水深＞40cm水深＞20cm水深＞10cm水深.不同水深 Pb的净化效果由高到低排序为:10cm水深＞20cm水深＞40cm水深＞30cm水深.

从纵向比较来看,对于相同的水深(如在30cm 水深处),芦苇发芽期水体内 Pb含量为0.027mg/L,含量最高,净化效果最低;芦苇展叶期水体内Pb含量为0.020mg/L;芦苇拔节期水体内Pb含量为 0.016mg/L,含量最低,净化效果最好;芦苇抽穗期水体内Pb含量为0.017mg/L;芦苇成熟期水体内Pb含量为0.018mg/L.可见在同一水深处,对于芦苇不同生长期,废水中 Pb的净化效果由高到低排序为:拔节期＞抽穗期＞成熟期＞展叶期＞发芽期.

图2 芦苇不同生长期水中Pb含量的分布Fig.2 Distribution of Pb content in wastewater at different growth stages of reed

2.3 湿地土壤对造纸废水中 Pb的吸附热力学Langmuir等温线方程:

式中:C为吸附质离子的平衡浓度,mg/L;CS为吸附量,mg/g;常数 B表示最大吸附能力;常数K表示吸附能量.用1/C与1/CS值作图可得到斜率为1/(KB)、截距为1/B的直线,表明沉积物对重金属的吸附符合 Langmuir等温线模型.直线的截距lgKL表示吸附能力,斜率1/n表示吸附强度[15].

Freundlich等温线方程:

式中:常数 Kf表示吸附量;常数n表示吸附强度.用lgCS对 lgC作图得到斜率为1n,截距为 lgKf的直线.表明湿地土壤对Pb的吸附符合上述等温

两边取对数得到:方程式[15].

从表 3列出的相关系数可以看出,Langmuir和Freundlich等温曲线均可以描述Pb在不同土壤深度上的热力学吸附过程,即显著性水平可达到P=0.01(n=8).以Langmuir等温曲线为例,虽然不同深度的土壤吸附Pb的能力差异较小,但随着采样深度的增加,土壤样品对Pb的最大吸附量也存在一定的变化趋势,即土壤在10cm深处对Pb的吸附量为最大,而在30cm深处对Pb的吸附量为最小.这可能是因为上层土壤中较细土壤粒子的含量一般均大于下层土壤,从而下层土壤的吸附能力较强.因为许多研究都表明,土壤的吸附能力与土壤的粒度密切相关.土壤颗粒的大小决定了颗粒的比表面积,而物质的比表面积越大,其表面能也就越大,对处于表面的分子吸引力也就越强[16].

2.4 造纸废水灌溉对芦苇组织中Pb含量影响

由图3可见,无论是芦苇的发芽期,还是展叶期,芦苇根部吸收的Pb含量远远高于茎和叶吸收Pb的含量,而茎组织和叶组织吸收Pb的含量相差不大,一般为茎组织吸收Pb的含量略高于叶组织吸收的含量.这也是大多数植物吸收重金属的规律,其原因是植物根系内皮组织能阻止重金属向地上部分运输.朱鸣鹤等[17]研究潮滩翅碱蓬对重金属吸收特性也得到了类似的结果.

表3 土壤不同深度吸附Pb的热力学拟合结果Table 3 Thermodynamics fitting results of Pb adsorption at different soil depths

虽然芦苇根系在湿地重金属污染去除中起着主要的作用,但植物根系形态结构不同对重金属去除也具有一定的影响.如粗根和细根、深根和浅根等,这些根系特征均关系到湿地内部环境状况,影响到根系周围重金属的有效状态,从而影响对重金属的吸收和积累.这些也是本研究要继续深入研究之处.

从图3得知,芦苇根组织中Pb的含量在拔节期最高,而发芽期最低.同样,芦苇茎组织中Pb的含量在拔节期最高,在发芽期最低.芦苇叶组织中Pb的含量在拔节期最高,在展叶期最低.造纸废水灌溉后,各个生长期 Pb在芦苇中的分布,均以根中含量最高.且Pb在芦苇各组中的含量分别为根0.082mg/kg干重最高,茎0.033mg/kg干重其次,叶0.023mg/kg干重最低.

图3 不同生长期芦苇各组织中Pb含量Fig.3 Pb content in various reed tissues at different growth stages

图4 不同生长期芦苇各组织中Pb含量百分比Fig.4 Pb percentage content in various reed tissues at different growth stages

从图4得知,在不同生长期,芦苇的茎叶和根对Pb的吸收和分布积累特性都呈现出相似的规律,即 Pb主要分布在芦苇的根系中,占整个芦苇组织的50%以上,茎叶中含量相对较少,分别占整个芦苇组织的30%和20%左右.重金属在芦苇体内含量虽然很高,但主要富集于植株的地下部分,且植物生物量所占植株比例较小.

2.5 造纸废水Pb含量和芦苇各组织Pb含量的相关分析

从表4可以看出,无论在芦苇的任何生长期,芦苇不同组织和造纸废水中Pb含量的相关性在芦苇根组织处的相关性非常显著,相关系数均在0.92以上,尤其在芦苇拔节期,芦苇根组织处的相关系数在0.96以上,在茎和叶组织处相关性开始减弱.说明在芦苇生长的任何时期,根组织对 Pb的吸附能力最强,吸附效果最好,而茎和叶组织则相对较弱.其结果与图3反应的情况相一致.从表4还可看出,在芦苇拔节期,芦苇根、茎、叶组织的平均相关系数最大,达到0.92以上,相关性最显著.而在芦苇发芽期,芦苇根、茎、叶组织的平均相关系数最小,为 0.86,相关性较显著,说明在芦苇拔节期,造纸废水中含 Pb量最少,净化效果最明显.而在芦苇发芽期,造纸废水中含Pb量最大,净化效果不明显,与表1结果相一致.

表4 芦苇组织和造纸废水中Pb含量的线性相关分析Table 4 line correlation analysis of Pb content between reed tissue and paper wastewater

2.6 讨论

本研究只考虑栽植一种湿地植物对造纸污水中的一种重金属的净化研究,但在实践中,对于多种重金属构成的复合污染,需要多种植物组合来进行治理.当这些植物被种植在一个湿地中,植物之间是否会通过根系或其他途径出现协同或拮抗作用还有待于进一步研究.

3 结论

3.1 对于芦苇同一生长期,灌溉不同浓度的造纸废水对Pb去除效果从大到小排序为:造纸废水(浓度20%)＞(浓度40%)＞(浓度80%)＞(浓度60%)＞(浓度 100%).对于灌溉同一浓度的造纸废水,芦苇不同的生长期对Pb的去除效果由大到小排序为:拔节期＞抽穗期＞成熟期＞展叶期＞发芽期.

3.2 芦苇对不同水深 Pb的净化效果由高到低排序为:10cm水深＞20cm水深＞40cm水深＞30cm水深.而对于同一水深而言,芦苇不同生长期 Pb的净化效果由高到低排序为:拔节期＞抽穗期＞成熟期＞展叶期＞发芽期.

3.3 利用Langmuir和Freundlich等温吸附曲线对土壤不同深度对Pb的热力学吸附数据进行拟合,土壤在10cm水深处对Pb的吸附量最大,而在

30cm水深处对Pb的吸附量最小.

3.4 对于芦苇不同生长期,芦苇各个组织对 Pb的吸收量由大到小排序为:根＞茎＞叶.对于芦苇根组织而言,芦苇不同生长期对Pb的吸收量由大到小排序为:拔节期＞抽穗期＞成熟期＞展叶期＞发芽期.对于芦苇茎组织而言,芦苇不同生长期对

Pb的吸收量由大到小排序为:拔节期＞抽穗期＞成熟期＞展叶期＞发芽期.对于芦苇叶组织而言,芦苇不同生长期对Pb的吸收量由大到小排序为:拔节期＞抽穗期＞成熟期＞发芽期＞展叶期.

3.5 根据芦苇根、茎、叶组织和造纸废水中Pb的含量间的线性相关分析得出,芦苇根组织处的相关性非常显著,相关系数均在0.92以上,尤其在芦苇拔节期,芦苇根组织处的相关系数在0.96以上,在茎和叶组织处相关性开始减弱.并且在芦苇拔节期,芦苇根、茎、叶组织的平均相关系数最大,而在芦苇发芽期,平均相关系数最小.

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Purification of Pb in papermaking wastewater by reed wetland ecosystem.

SU Fang-li, ZHOU Xin, CHEN Jia-qi, LU Xiao-feng, WANG Tie-liang*(College of Water Resourse, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China). China Environmental Science, 2001,21(5)：768～773

Based on sampling in Shuangtai estuary wetland and simulation experiments at laboratory pool, distribution characteristics of Pb in papermaking wastewater, wetland soil and reeds tissue was analyzed respectively within a growing season. The removal rate of Pb was the highest by irrigation 20% concentration wastewater and the best removing effect emerged at jointing stage. For the same period, Pb content in water was least at 10cm water depth and purifying effect was the most significant. The difference of Pb thermodynamics adsorption was remarkable in 10～40cm depth soil. As the sampling depth increases, the adsorption property of Pb was best in 10cm soil depth where the purification effect was significant. Distribution characteristics Pb in reed organization was different. The absorbing capability order of reed tissue to Pb was root＞stem＞leaves in the whole growth period.

Pb；papermaking wastewater；reed；wetland ecosystem；purification

X171.1

A

1000-6923(2011)05-0768-06

2010-09-13

国家自然科学基金资助项目(50879046);中国博士后科学基金(20090451281);辽宁省博士启动基金(20081070)

* 责任作者, 教授, tieliangwang@126.com

致谢：本实验的现场采样工作由盘锦市欢喜岭镇东郭苇场拾里分场的工作人员协助完成,在此表示感谢.

苏芳莉(1977-),女,辽宁省营口市人,副教授,博士,主要从事农业水土环境和水土保持与生态环境评价方面的的研究.发表论文20余篇.