人工湿地-灯心草处理系统对高浓度重金属污水的净化效果研究

张 玲，张 郡，刘 欢，温 珊，卢洁英

（青海师范大学化学化工学院，青海 西宁 810001）

中国从20 世纪70 年代以来就开始闹水荒[1]，这不是危言耸听，而是客观实事。20 世纪80 年代以来，中国水荒由局部逐渐全国，情势越来越严重，对农业和国民经济已经带来了严重的影响。而国内去还有大部分水之源被污染，其中以重金属污染最为严重。而人工湿地是一种廉价有效的水处理系统，人为设计、建造和调控的由处于水饱和状态的基质、水生植物、微生物、动物以及水体所组成的复合体污水处理生态系统[2]，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[3-4]，还可以出去矿渣水和特殊行业污水中的金属[5-7]。人工湿地是一种强化的生态处理设施，通过湿地内植物、基质和微生物间的物理、化学和生物作用来完成对进水污染物的降解[8]。此外，人工湿地因具有建设形式多样、净化效果好、易运行管理等优点，在国内外已被广泛应用于微污染水的处理[9]。

我国水体重金属污染问题十分突出，江河湖库底质的污染率高达80.1%。国外同样存在水体重金属污染问题，如波兰由采矿和冶炼废物导致约50%的地表水达不到水质三级标准。可见，水体重金属污染已成为全球性的环境污染问题[10]。

有研究表明，西伯利亚鸢尾具有较强的吸收和富集重金属的能力，且主要在根部[11]。除此之外，复合人工湿地系统对Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的去除效果。结果表明:系列1~系列4 复合型人工湿地对5 中重金属都有去除效果[12]；海州香薷和紫花香薷在Cu、Pb 复合污染泥沙土上的重金属耐性与吸收动态[13]；碱热处理芦苇对人工湿地净化微污染水的促进作用[14]；湿地植物的生物量和植物体内氮、磷累积能力有利于净化效果等[15-16]，本研究采用阶段性取样的方法，对植物及土壤基质进行采样，在利用火焰原子吸收仪对样品中的重金属含量进行测定，绘制出标准曲线，以此来分析灯心草对重金属的吸附能力。

1 材料与方法

1.1 人工湿地模型的搭建

将基质按颗粒大小从下至上按从大到小的顺序填装于上口直径为50cm 下口直径40cm 高为60cm 的PVC 材料圆柱形水桶中，并在水桶底部往上5cm 出开一个出水口。见图1。

图1 垂直流人工湿地示意图Figure 1 Schematic diagram of constructed wetlands with vertical flow

采集无复合重金属污染过成长中的幼苗，数量大约为30 株，株高大约为30cm。

将灯芯草按照每株之间相互间隔3~5cm 间距种植，根部入土深度约为5~8cm。将底部出水口堵住，并浇于自来水以进行适应性生长。每隔一周进行一次浇水，持续一个月，以保证湿地植物的成活。湿地实体如图2。设计水力负荷0.085m3/(m2·d)，计算每日进水量为85L，通过查找文献配制浓度5mg/L+500mg/L 复合重金属污水。

1.2 样品前期处理

植物样品：灯芯草植株将其按根、茎、叶、分开放置，待水分除去，放置于马弗炉灰化。基质样品：分别从基质表层、中层、底层分别取适量基质，风干后进行硝化处理。处理水样：定期从取水口取样。

2 数据分析

由图2 看出，污染前人工湿地上层基质重金属Cd 的的含量较大。说明土壤上层基质对复合重金属污水富集效果较好。污染后人工湿地上层基质重金属Cd 的的含量较污染前明显有所上升，其次是人工湿地中层基质，说明土壤上层基质对复合重金属污水富集效果较好。第二次污染后人工湿地上层基质重金属Cd 的含量较污染前明显有所上升，可得出对重金属Cd 的富集主要是植物的根部及湿地的上层基质。

图2 污染前各样品Cd 浓度变化图Figure 2 Cd concentration variation of samples before contamination

由图3 看出，污染前人工湿地上层基质重金属Pb 的的含量较大，其次是人工湿地中层基质。说明土壤上层基质对复合重金属污水富集效果较好。污染后人工湿地上层基质重金属Pb 的的含量较污染前明显有所上升，且幅度较大，其次是人工湿地中层基质。第二次污染后人工湿地上层基质重金属Pb 的含量较污染前明显有所上升，故重金属Pb 的富集主要是植物的根部及湿地的上层基质。

3 结果及讨论

图3 污染前各样品Pb 浓度变化图Figure 3 Pb concentration variation of samples before pollution

由上述分析得出，所测样品中湿地植物（灯芯草）对复合重金属Cd、Pb、的富集特性高于湿地的富集特性，而且湿地植物（灯芯草）的根、叶、对重金属Cd、Pb、的富集性也各有不同，其中以湿地植物（灯芯草）为代表，灯芯草根部对重金属Cd、Pb、的富集效果明显大于叶。对于湿地土壤，湿地土壤基质的表层、中层、下层对重金属Cd、Pb、的富集效果也有所不同，由标准曲线显示得出上层土壤基质对复合重金属的富集效果更好。而对复合重金属来说，在样品中的含量都有一个先上后下的趋势，说明随着时间的推移和植物及湿地的净化使得复合重金属得到了净化，水样中重金属含量波动不大。

4 展望

本研究中以模拟搭建垂直流人工湿地并种植湿地植物（灯芯草）来研究湿地以及湿地植物对重金属Cd、Pb、的富集特性及净化效果，分析重金属在植物体和土壤中的动态分布,以评价所测植物对土壤中重金属Cd、Pb、的综合富集能力及净化效果,为利用植物修复金属污染土壤提供实验依据和技术支持。但本实验中对水样中复合重金属的检测结果显示，水样中还含有一部分复合重金属。治理复合重金属污染是我国当下治理水土污染的一大难题，在本实验中我们只为利用植物修复金属污染土壤提供实验依据和技术支持，期待有更成熟的治理技术和方法。