废水中Pb在不同人工湿地基质中的形态变化

关正义 任 珺,2* 赵乾程 闫 洁 王玉君

（1兰州交通大学环境与市政工程学院环境生态研究所甘肃兰州7300702兰州坤仑环保科技有限公司甘肃兰州730070）

废水中Pb在不同人工湿地基质中的形态变化

关正义1任 珺1,2*赵乾程1闫 洁1王玉君1

（1兰州交通大学环境与市政工程学院环境生态研究所甘肃兰州7300702兰州坤仑环保科技有限公司甘肃兰州730070）

控制水力停留时间为0.5h，将不同浓度（10 mg/ L、20 mg/L、40 mg/L、80 mg/L、160mg/L）的含Pb2+废水均匀通过湿地系统处理，湿地填料分别为以粉煤灰、污泥、黄土、细煤渣、砾石和细沙为原料人工配置的5种不同的基质（SSFGF、FSSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF）。实验结果显示：SSFGF的去除效果最佳，去除率保持在80%以上最高可达93%；Pb主要以残渣态稳定的赋存于基质中，且随着基质类型的不同赋存的各形态Pb的含量之间存在着显著差异。

人工湿地；基质类型；Pb；形态

1 引言

人工湿地是一类人工建造、模仿自然湿地的综合性生态体系[1]。由于其投资少，效率高，处理效果稳定，运行费用低，维护方便且有良好的景观效果，近年来在生活污水、酸矿废水和重金属废水等的处理中人工湿地系统受到了广泛的关注[2-8]。废水中的重金属主要有汞、铬、铅、镉、锌、镍、铜、钴、锰、钛、钒和铋等[9]。其中含铅废水对环境的影响尤为严重，可渗透到土壤中，污染河流，破坏土壤生态，影响作物的生长和生物种群的繁衍[10]。人工湿地主要是通过系统中植物、基质和微生物利用物理、化学和生物三重协同作用实现对污水的净化作用[11]。如果工程设计不合理，特别是不合理的选用和配置基质与植物，就会存在着去除率低，使用寿命短等问题[12,13]。因此，本文主要从人工湿地基质材料的配置出发，研究5种人工湿地基质对重金属Pb的净化效果，旨在探索不同材料的人工湿地的基质的最佳组合，为我国应用人工湿地处理含重金属的废水提供理论依据和实践参考。

2 材料与方法

采用粉煤灰、污泥、黄土、细煤渣、砾石和细沙6种物质作为人工湿地基质的原料，每次取其中5种按体积比为1：1：1：1：1的比例进行混合均匀配置成5种不同的湿地基质。分别为SSFGF（污泥、黄土、细煤渣、砾石和细沙）、FSSGF（粉煤灰、污泥、细煤渣、砾石和细沙）、FSSFF（粉煤灰、污泥、黄土、砾石和细沙）、FSSFG（粉煤灰、污泥、黄土、细煤渣和砾石）和FSFGF（粉煤灰、污泥、黄土、细煤渣和砾石）。将配置好的5种基质分别填装到5个垂直流人工湿地单元中。

向已经填装好基质的湿地池内，连续进一段时间生活污水，待其运行稳定后停止进生活污水改进含铅废水进行重金属去除实验。控制进出水流速保持水力停留时间为0.5h，分别进入已配制含Pb（Pb(NO3)2，AR）浓度分别为10 mg/L，20 mg/L，40 mg/L，80 mg/L，160 mg/L铅废水，待出水稳定后取出水水样，和人工湿地池中的基质沉积土样待测，重复6次。实验中每处理完一个浓度的铅废水后，挖出基质重行填入新基质，改变铅废水浓度，重复上述实验操作。采用Tessier单一连续提取法，提取处理含Pb2+废水后基质中赋存的Pb的5个形态（可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态和残渣态），利用电感耦合等离子发射仪（ICP-AES）测定基质中赋存的Pb的各形态含量；同时采用原子吸收光谱仪测定出水水样中Pb的含量。

3 结果与分析

3.1 人工湿地基质类型对Pb去除率的影响

方差分析与多重比较结果表明，各基质对废水中Pb2+都有良好的去除效果，低浓度（10 mg/L、20 mg/L和40 mg/L）下各基质对Pb的去除率高于高浓度（80 mg/L和160 mg/L）下的去除率；相较其他4种基质SSFGF对废水中Pb的去除效果最好，各浓度下去除率保持在80%以上，最高可达93%；并且随着基质类型的不同去除率存在着显著差异。当含Pb2+废水浓度为10mg/L、20 mg/L和40 mg/L时，基质类型的不同基质之间的去除率存在着较显著的差异；80 mg/L时，基质类型的不同基质之间的去除率存在着极显著的差异；160mg/L时，基质类型的不同基质之间的去除率存在着显著的差异（表1）。

表1 基质类型对Pb2+的去除率的方差分析与多重比较

3.2 基质类型与基质中赋存Pb的各形态含量的方差分析与多重比较

重金属的5个化学形态中，可交换态和碳酸盐结合态在一定条件可以被植物直接吸收利用，残渣态很难被植物吸收利用。本文主要对此3个形态进行分析。

当含Pb废水浓度为10mg/L、20mg/L、80mg/L和160mg/L时，基质类型的不同基质中赋存的Pb的可交换态含量之间存在着极显著差异（p<0.001）；40mg/L时，基质类型的不同基质中赋存的Pb的可交换态含量之间存在着显著差异（p<0.05）。

图1 基质类型与基质中可交换态Pb含量的方差分析与多重比较

当含Pb废水浓度为10mg/L，FSSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF中赋存的Pb的可交换态含量没有显著差异，但是SSFGF中赋存的Pb的可交换态含量显著高于FSSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF中赋存的Pb的可交换态含量；当含Pb废水浓度为20mg/L，FSSGF、FSSFF和FSFGF中赋存的Pb的可交换态含量没有显著差异，但是显著低于FSSFG和SSFGF中赋存的Pb的可交换态含量；当含Pb废水浓度为160mg/L，SSFGF和FSSGF中赋存的Pb的可交换态含量没有显著差异，FSSFF和FSFGF中赋存的Pb的可交换态含量没有显著差异，但是SSFGF和FSSGF中赋存的Pb的可交换态含量显著高于FSSFF和FSFGF中赋存的Pb的可交换态含量，显著低于FSSFG中赋存的Pb的可交换态含量（见图1）。

当含Pb废水浓度为10mg/L、20mg/L、40mg/L、80mg/L和160mg/L时，基质类型的不同基质中赋存的Pb的碳酸盐结合态含量之间存在着极显著差异（p<0.001）。当含Pb废水浓度为10mg/ L，FSSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF中赋存的Pb的碳酸盐结合态含量没有显著差异，但是显著低于SSFGF中赋存的Pb的碳酸盐结合态含量；当含Pb废水浓度为40mg/L，FSSGF、FSSFF和FSFGF中赋存的Pb的碳酸盐结合态含量没有显著差异，但是显著低于SSFGF和FSSFG中赋存的Pb的碳酸盐结合态含量；当含Pb废水浓度为160mg/L，FSSGF、FSSFF和FSSFG中赋存的Pb的碳酸盐结合态含量没有显著差异，SSFGF和FSFGF中赋存的Pb的碳酸盐结合态含量没有显著差异，但是SSFGF和FSFGF中赋存的Pb的碳酸盐结合态含量显著高于FSSGF、FSSFF和FSSFG中赋存的Pb的碳酸盐结合态含量（见图2）。

图2 基质类型与基质中碳酸盐结合态Pb含量的方差分析与多重比较

当含Pb废水浓度为10mg/L、20mg/L、40mg/L、80mg/L和160mg/L时，基质类型的不同基质中赋存的Pb的残渣态含量之间存在着极显著差异（p<0.001）。当含Pb废水浓度为10mg/L，SSFGF，FSSGF和FSFGF中赋存的Pb的残渣态含量没有显著差异，但是显著高于FSSFF中赋存的Pb的残渣态含量，显著低于FSSFG中赋存的Pb的残渣态含量；当含Pb废水浓度为20mg/L，FSSGF和FSSFF中赋存的Pb的残渣态含量没有显著差异，FSSFG和FSFGF中赋存的Pb的残渣态含量没有显著差异，但是FSSFG和FSFGF中赋存的Pb的残渣态含量显著高于FSSGF和FSSFF中赋存的Pb的残渣态含量，显著低于SSFGF中赋存的Pb的残渣态含量；当含Pb废水浓度为40mg/ L，FSSGF、FSSFG和FSFGF中赋存的Pb的残渣态含量没有显著差异，但是显著高于FSSFF中赋存的Pb的残渣态含量，显著低于SSFGF中赋存的Pb的残渣态含量；当含Pb废水浓度为80mg/L，SSFGF、FSSGF、FSSFG和FSFGF中赋存的Pb的残渣态含量没有显著差异，但是显著高于FSSFF中赋存的Pb的残渣态含量（图3）。

总之，处理同一浓度Pb2+废水后，不同基质内赋存的各形态的Pb含量之间存在着显著差异性；并且各浓度SSFGF中赋存的Pb的各形态的含量相较其他4中基质中的赋存量都较高，说明废水中Pb被SSFGF吸附拦截的量更多，SSFGF对Pb的去除效果更好。

图3 基质类型与基质中残渣态Pb含量的方差分析与多重比较

3.3 废水浓度对基质中赋存Pb的形态变化趋势影响

大量研究结果表明，重金属污染土壤的改良和净化重要目标之一就是要使土壤重金属尽可能向残渣态方向转化[14]。数据显示，各处理中5种基质内赋存的Pb的可交换态含量所占百分比最小，平均值为8%；残渣态含量所占百分比最大，平均值为40%。随着废水浓度的升高，5种基质内赋存的Pb的可交换态含量百分比变化不明显在平均值附近作微小变化；但是5种基质内赋存残渣态含量百分比随废水浓度的增加变化存在显著差异。SSFGF中残渣态所占百分比随废水浓度的升高基本保持不变；FSSGF中残渣态所占百分比随废水浓度的升高呈先减小后增大趋势；FSSFG和FSFGF处理中低浓度（10、20和40 mg/L）处理下残渣态所占百分比较高，高浓度（80mg/L和160 mg/L）处理下残渣态所占百分比较低（图4）。

图4 不同基质中赋存Pb的形态变化

4 结果与讨论

湿地系统对重金属污染的去除效果良好，Pb、Zn、Cu和Cd经过人工湿地系统后很大一部分被吸附拦截于湿地基质中，去除率分别达93.98%、97.02%、96.87%和96.39%,出水水质接近农灌标准[15-17]。这与本实验结果相符，人工湿地基质对废水中重金属Pb具有良好的去除效果，含Pb2+废水经过5基质处理后，大部分的Pb被吸附拦截赋存于基质中，尤其是基质SSFGF对废水中Pb的去除效果最好，各浓度下去除率保持在80%以上，最高可达93%。

不同基质类型其各项物理指标（含水率、保水率、孔隙度、比表面积等）不同，赋存的阳离子种类及数量不同，生活在其中的微生物种类及数量也不同，导致基质的吸附、沉淀、阳离子交换能力以及微生物的降解能力存在差异。这可能是导致不同基质类型之间对含Pb废水的去除率存在显著差异的主要因素。

谭长银等[18]和窦磊等[19]研究表明湿地基质对重金属的去除是通过物理、化学以及微生物的三重协同作用完成的，基质对重金属去除的三种作用强弱主要取决于基质类型、微生物种类和数量。冯冲凌等[20]认为由于生长繁殖的需要，微生物会从外界吸收或吸附所需的重金属到细胞内；有些细菌在生长过程中可以释放某些蛋白质，能使溶液中的可溶性重金属转化为沉淀。这可能与基质中赋存的Pb主要以残渣态存在的现象之间存在着一定的相关性。

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任珺（1968—），男，甘肃省张掖市人，兰州交通大学环境与市政工程学院教授，博士，博士生导师。主要从事环境生态学领域的教学与科研工作。