不同基质人工湿地去除电镀重金属(Cr，Zn)的研究*

张晓斌　刘鹏　李星

(1.湘潭市环境保护科学研究院　湖南湘潭 411100，　2.浙江师范大学植物学实验室　浙江金华 321004)



环境管理与咨询

不同基质人工湿地去除电镀重金属(Cr，Zn)的研究*

张晓斌1刘鹏2李星2

(1.湘潭市环境保护科学研究院湖南湘潭 411100，2.浙江师范大学植物学实验室浙江金华 321004)

选取沸石、煤渣、沸石+煤渣作为基质，研究3种不同基质人工湿地对电镀重金属(Cr，Zn)污水的净化效果。结果表明，3种基质对于重金属Cr，Zn均有明显的去除效果，去除率都在74%以上；煤渣和沸石发生了协同作用，对重金属Cr的去除效果好于其单独使用；种植植物的煤渣与沸石混合基质人工湿地去除重金属Cr，Zn能力优于种植植物的沸石基质人工湿地。

煤渣沸石人工湿地重金属

0　引言

人工湿地是一种廉价有效的水处理系统，不仅可降解城市污水、暴雨径流和农业溢流中的有机和营养物质[1-2]，还可去除矿渣水和特殊行业污水中的金属[3-5]。基质是人工湿地的重要组成部分，选择合适的人工湿地基质材料，是构建人工湿地，提高人工湿地净化能力的关键。

本文结合相关文献的研究结论，根据金华地区的实际情况，通过对模拟人工湿地中不同基质组合的研究以及处理前后重金属(Cr，Zn) 含量、植物的生长状况，进一步探究3种不同基质人工湿地对电镀重金属 (Cr，Zn)污水的净化效果，同时探讨基质与植物的相互作用，为人工湿地实际应用于工业废水处理(尤其是小型工厂)提供理论基础。

1　材料和方法

1.1材料

基质：沸石(购于金华欣生沸石开发有限公司，主要成分为丝光沸石)，煤渣，沸石+煤渣。

植物：黄花鸢尾，千屈菜，灯心草，香蒲，菖蒲和睡莲。

金华市清湖电镀厂排放的污水中Cr，Zn等浓度很高，都超出了国家规定的排放标准。供试污水中的重金属浓度按照该厂污水实际浓度配制。污水中主要重金属的原始质量浓度见表1。

表1　污水中重金属的原始质量浓度　mg/L

1.2实验的设计与运行

1.2.1小型模拟人工湿地(潜流型)的构建

在白色塑料箱(长60 cm，宽46 cm，高45 cm)底部设置一出水口，直径为1.00 cm，在底部放置直径3～5 cm左右的砾石作为滤水层，厚度为8 cm，其上铺1～2层10目左右的塑料窗纱，用以阻隔上层基质堵塞砾石孔隙；在塑料窗纱上面放置所选的人工湿地基质，厚度约15 cm，其中煤渣+沸石基质以1∶1配比，再在基质上铺一层细沙，厚约6～8 cm。另设计一个高位水箱，用于进水。水生植物采用移栽的方式。

1.2.2实验处理和装置运行

人工湿地构建后连续运行一周，检查装置是否漏水，测量装置的实际水容量以及蒸发量。待装置运行稳定后，移入相同种类、数量以及长势基本相同的植物，并设置对照，具体如下：

(1)CK组：无植物和基质，仅污水自然修复处理；

(2)对照组处理：栽入植物，基质和污水；

(3)实验组处理：无植物，加入基质和污水。

以上基质均表示基质的不同组合。(包括1种、2种的不同组合)。待植物生长一段时间后(4 d)，向模拟人工湿地中加入自配污水，日进水3 L。在处理1，3，7，13 d后采样。

1.3测定项目及方法

(1)重金属元素含量测定。主要对不同基质人工湿地中的Cr，Zn含量变化进行测定，用ICP测定。

(2)植物生长状况的观测。主要对移栽在不同基质上的植物生长状况进行定期观察并记录。

2　结果与分析

2.1不同基质对重金属的净化效果比较

Cr和Zn是电镀废水中的主要重金属污染物，其含量往往是国家最高排放标准的几十倍。基质对于重金属具有良好的去处效果，不同的基质以及基质组合对于不同的重金属去除效果也不相同。

2.1.1不同基质对Cr，Zn的去除效果比较

从图1和图2可以看出，所选的基质以及基质搭配对于污水中的Cr，Zn均有明显的去除效果，去除率都在74%以上。其中煤渣+沸石处理组对于废水中Cr的去除率达到91.3%，煤渣与沸石基质搭配使用比单一基质去除Cr的效果更好，可能在不同的基质之间存在着相互的促进作用。但煤渣+沸石处理组对于废水中Zn的去除率只有90%，低于煤渣、沸石组。

2.1.2植物对不同基质去除Cr，Zn效果的影响

植物是人工湿地中不可或缺的部分。分析图3、图4、图5和图6，在沸石组以及煤渣+沸石组中，植物与基质相互促进，净化效果明显优于只有基质处理组即实验组。比较图3和图5、图4和图6发现，在单一基质中，植物对基质去除Cr，Zn的影响相对较小，而在搭配基质中植物的促进作用较大，说明植物与不同的基质或基质搭配之间的相互作用存在着较明显的差异。产生这种差异的原因，可能与基质是否促进植物生长以及植物分泌物对基质的作用有关。

图1　13 d后不同基质对重金属Cr的去除率

图2　13 d后不同基质对重金属Zn的去除率

图3　种植植物对沸石去除Cr的影响

图4　种植植物对沸石去除Zn的影响

图5　种植植物对煤渣+沸石去除Cr的影响

图6　种植植物对煤渣+沸石去除Zn的影响

2.2不同基质中植物的生长状况比较

基质作为人工湿地中的主要组成部分，一方面直接影响着湿地的去污效果，另一方面，基质也是湿地植物生长的主要场所，与植物能否存活或者正常生长直接相关。因此，在利用基质时，植物的生长状况是必须考虑的重要因素。

从表2可以看出，在所选的3种基质中，植物的生长状况存在着一定差异。在煤渣+沸石组中，植物生长茂盛，而在煤渣组、沸石组，植物基本能够正常生长。沸石和煤渣配合使用，比两种基质单一使用时更有利于植物的正常生长。不同植物对于基质的适应性也不相同，在本实验所选的6中植物中，千屈菜的适应性最强，黄花鸢尾的适应性最差。

表2　植物在不同基质人工湿地中的生长状况

3　讨论

国内外对于基质的筛选，一般都集中在对单一基质的研究，很少见到对不同基质搭配使用方面的报道。此外，在基质利用过程中，往往只考虑到基质对于污水的净化效果，而忽视了基质是否适合相关植物的生长，以及基质与植物在净化污水时是否存在着相互促进作用。

本研究发现，所选基质对于污水中的Cr，Zn均有较强的去除能力，这与前人的研究相符合。此外，研究还发现，对于重金属Cr的去除效果，基质以及基质组合之间存在着较大的差异。去除Cr时，基质搭配使用效果明显优于单一基质的净化效果，但在去除Zn的研究中未发现此现象，这可能是由于基质对于不同重金属的净化方式不同而产生的差异。将煤渣和沸石用作人工湿地的基质，不仅解决了去除重金属的难题，而且只要合理利用，不超过系统的最大去除能力，其去除重金属的能力就不会因时间的推移而降低，使人工湿地系统更有效地运用于电镀废水处理。

研究发现，种植植物的煤渣与沸石混合基质人工湿地，其去除重金属Cr，Zn的能力优于种植植物的沸石基质人工湿地。植物在不同基质上的生长状况差异较大，这主要与基质引起原污水中的BOD，COD和pH值的变化有关。如果变化超出了植物生长的可承受能力，就会严重影响植物的正常生长。

[1]Rodgers, J Hjr, A Dunn. Developing design guidelines for constructed wetlands to remove pesticides from agricultural runoff[J]. Ecological Engineering,1992(1):83-95.

[2]Lakatos G, M K Kiss, M Kiss, et al. Application of constructed wetlands for wastewater treatment in Hungary[J]. Water Science and Technology, 1997,35(5):331-336.

[3]Crites R W, G D Dombeck. Removal of metals and ammonia in constructed wetlands[J]. Water Environment Research, 1997,69(2):132-135.

[4]Obarska-Pempkoeiak H, K Klimkowska. Distribution of nutrients and heavy metals in a constructed wetland system[J]. Chemosphere, 1999,39(2):303-312.

[5]Tang S. Experimental study of a constructed wetland for treatment of acidic wastewater from an iron mine in China[J]. Ecological Engineering,1993(2):253-259.

Study of Different Substrates Used in Constructed Wetlands for Removal of Plating Heavy Metal (Cr, Zn)

ZHANG Xiaobin1LIU Peng2LI Xing2

(1.XiangtancityenvironmentalprotectionscienceresearchinstituteXiangtan,Hunan411100)

Zeolite, cinder, zeolite-cinder mixture are used as substrates and the purification effects of three constructed wetlands with different substrates have been studied. The principal results show: three substrates have obvious removal effects for heavy metal Cr, Zn and the removal rates can reach above 74%; when the cinder is cooperated with zeolite, the mixture has higher removal efficiency of heavy metal Cr than that by using the single one; the zeolite-cinder mixture system with plant cultivated has a better effect on heavy metal Cr, Zn removal than the zeolite system with plant cultivated.

cinderZeoliteconstructed wetlandheavy metal

浙江省教育厅高等学校访问学者专业发展项目(FX2014137)。

张晓斌，女，1982年生，硕士，工程师，主要从事环境工程、环境影响评价等研究。

2016-03-31)