柳树对某矿区低浓度含砷废水的处理效果

2020-07-17商娟伍红强邹小丽

江西理工大学学报 2020年3期

商娟，伍红强，邹小丽

（1. 皖江工学院土木工程学院，安徽马鞍山 243000；2. 中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽马鞍山 243000；3. 南昌理工学院工程管理学院，南昌 330044）

0 引言

砷是自然水环境中的一种常见污染物，具有很强的毒性和致癌性。 1997 年美国生态环境部将其列为A 类致癌物质[1]，2004 年国际癌症研究协会又将其列为一类致癌物[2]。1993 年，WHO 将饮用水中砷的指标由 50 μg/L 降至 10 μg/L[3]，我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）规定砷含量不能超过10 μg/L[4]，《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水体水质标准要求砷含量小于50 μg/L[5]。

水体环境中的砷来源复杂，矿山作业是其重要来源之一。有色金属矿山在开采开发过程中有大量的伴生矿物砷裸露于地表，或含砷矿石长期露天堆放，经过风化、氧化及淋溶作用，使得矿区水体环境中砷含量增加，对水体环境产生一定威胁。因此，降低矿区水体环境中的砷含量意义重大。

目前，矿山含砷废水的处理技术有化学法沉淀法、吸附法、生物法等[6-9]，但这些方法有的会产生二次污染，有的则受限于处理成本，均不便长期采用。近年来，植物修复理论越来越受到人们的重视，即利用植物固定、降低或者去除环境中的污染物[9]，是一种环境友好、绿色经济可持续发展的技术。关于植物修复砷污染水体的研究很多，如：Yu 等[10]认为，某种水生植物生长在矿山水域区可以吸收富集大量的砷；Robinson B 等[11]研究表明，新西兰某些地区的水生植物体内砷的累积能力高达1000 mg As/kg；Huang 等[12]认为，砷的超累积植物可以将水体中的砷含量降低到10 μg/L。

柳树易繁殖、生长旺盛、根系发达[13]，适应性强，喜湿，并对有毒重金属元素有很强的吸收和积累能力，因此在植物修复应用中有很大的发展潜能。国内外学者研究发现柳树在环境污染修复中起着重要作用，并可通过栽种柳树后短期轮伐、间伐或定期收获等方法来去除污染物[14-16]，但关于柳树对砷污染矿区水体的修复作用研究较少。文章探讨了柳树对水体中砷的吸收、耐受和累积情况，对含砷矿区废水进行了植物修复试验，为柳树修复砷污染水体提供一定的理论基础，具有一定的研究意义。

1 材料与方法

1.1 试验用水

试验用水共两类，一类为对霍兰德营养液进行改进、人工配制的含有不同浓度砷的营养液。另一类则取自安徽省某硫铁矿区废水，废水中砷含量为320 μg/L，超过《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水体水质标准要求。

1.2 柳树培育

柳树（Salix inregra）引种自江苏南京某研究所，在温室实验室培养。选择长势良好、粗细均匀的柳树枝条扦插，插条长约15 cm，固定于塑料泡沫板上后放置于盛有25 L 人工配制营养液的容器内培养。自然光照，昼夜温差控制在15~25 ℃。培养8 周后，柳树长高至1.2~1.5 m，待用。

1.3 试验设计

1.3.1 柳树对砷的吸收动力学试验

试验于人工气候培养箱中进行。选取长势良好、一致的待用柳树，分别置于 0、15、30、60、120、240、480 μg/L 7 种不同砷浓度的人工配制营养液中，其中砷含量为0 作为对照组。每个浓度试验设置3 个重复，每个重复种植3 株柳树。设置光照/黑夜时间分别为 16 h/8 h，设置温度 15~30 ℃，设置光照强度 260 μmol/（m2·s），设置湿度 60%。依据需要定时定点测量人工配制营养液中砷的浓度。

1.3.2 柳树对砷的耐受能力试验

选取长势良好、一致的待用柳树，分别置于0、15、30、60、120、240、480 μg/L 7 种不同砷浓度的人工配制营养液中，其中砷含量为0 作为对照组。每个浓度试验设置3 个重复，每个重复种植6株柳树。营养液更换周期为10 d，30 d 后收获柳树植株。将收获的柳树植株冲洗干净，测量每棵柳树植株的平均根长、平均根表面积、平均根体积，平均根直径和平均根尖数。

1.3.3 柳树对砷的累积能力试验

试验方法同1.3.2，于30 d 后收获柳树。将收获的柳树植株洗净，将其根部浸入洗脱液中20 min，蒸馏水再次冲洗，后用吸水纸吸干植株表面水分。分离每棵柳树植株的根系、茎、叶，称量，记录各部分鲜重。步骤完成后，将被分离的柳树各部分杀青、烘干、称量，记录各部分干重。记录完成后，将被分离的各部分消煮，测量各部分的砷含量。

1.3.4 柳树对含砷废水的植物修复试验

选取长势良好、一致的待用柳树置于容器中，容器中含5 L 所采矿区废水。试验设置3 个重复，每个重复种植6 棵柳树，处理周期为60 d。分别在第 0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60 d 定时从瓶内吸取5 mL 溶液，后补入相同体积的矿山废水，测定各点所采集样品中的砷含量，分析柳树对含砷废水的植物修复作用。

1.4 分析方法

1.4.1 柳树生物量测定

分别用自来水、蒸馏水将柳树植株洗净，用吸水纸吸干柳树植株表面水分。按地上部分和地下部分将柳树分离成根、茎叶，将其放入烘箱于105 ℃下杀青30 min，于70 ℃烘至恒重，再分别称量其干重，记录试验数据。

1.4.2 砷含量测定

将被烘干的柳树各部分磨碎，称取一定量放入锥形瓶中，加入适量硝酸和高氯酸消煮，至溶液澄清透明。冷却，定容，用原子荧光光度计测定砷含量，同时作空白。

1.4.3 废弃柳树处理

试验中所废弃的柳树植株，因其体内含不同浓度的砷，可能会对环境造成一定的影响，不可随意丢弃。本试验过程中将对废弃的柳树植株进行回收，定点焚烧处理。

2 结果与讨论

2.1 柳树对砷的吸收动力学

由学者Michaelis 和Menten 提出的米氏方程研究了酶促反应动力学[17]，为更好地研究植物细胞对某些元素的吸收速率，现将其改进如下：

其中：V 为反应速率，即植物根系细胞吸收离子的速率；C 为底物浓度，即植物细胞外可溶的离子浓度；a 为线性部分的吸收速率；Vmax为最大反应速率，即植物根系细胞对离子的吸附速率的最大值，Km为特征常数。

若将整株柳树看作一个完整的酶细胞体系，柳树对砷的吸收动力学则可由该方程进行拟合。拟合后所得的V 数值大小与柳树根系吸收砷的潜力大小呈正比关系，Km值则与植物根系对离子的亲和能力呈反比关系[18]。

按照试验设计，1 h 结束后，分别取7 种不同砷浓度培养液适量，测其中砷含量C，而后运用改进的米氏方程进行拟合，结果见图1。图1（a）所示为不同初始砷浓度下，柳树吸收水体中砷的反应速率，且随着水中砷浓度的增加，柳树对砷的吸收速率逐步增大，即柳树根系吸收砷的潜力随着水中初始砷浓度的增加而提高。图1（b）为拟合后该方程的线性部分和曲线饱和部分，线性部分表示由细胞壁结合不能被洗脱的砷，曲线部分表示由细胞膜载体输送迁移而被植物吸收的砷。该试验中，方程拟合后 R2为 0.98，Km的值为（14.82 ± 0.89） nm，低于已有报道中此类对砷污染有较好耐性和积累性的植物，证明利用柳树去除水体中的砷污染具有实际可行性[19-20]。

图1 1 h 后柳树对水体中砷的吸收动力学

2.2 柳树对水体中砷的耐受

柳树对水体中砷的耐受能力是衡量柳树植物修复作用的重要指标之一，其能力大小主要表现在根系的生物量、不定根数量及长度等[21-22]。按照试验设计，柳树在含0~480 μg/L 砷的7 组人工配制营养液中进行培养，30 d 后收获柳树植株。在培养期间，参考对照组，观察发现其余6 组试验组中柳树长势良好，外观并未出现斑驳、黄化、枯萎等砷毒害症状。为较直观地表示柳树对水体中砷的耐受能力，分别记录柳树植株的相关生物量，具体数据结果见表1、表2。

表1 所示为不同砷浓度下柳树的生物量，结果表明，柳树生物量几乎不受水中砷浓度大小的影响。至试验结束，柳树植株总生物量保持在21~23 g，叶生物量稳定在2.2~2.4 g，茎生物量稳定在12.1~12.4 g，根系生物量稳定在6.7~9.2 g，根冠比稳定在48%~62%，与对照组相比无明显差异。表2所示为不同砷浓度下柳树根系指标，结果表明，与对照组相比，根系各指标均为正常。Zhang 等[23]学者研究无根萍去除水体中砷的试验过程中发现，当培养液中的砷浓度达到（181.66 ± 20.12） μg/L 时，出现半数无根萍的死亡现象。而本试验中，柳树在0~480 μg/L 的砷浓度范围内，生物量稳定，长势良好，可见柳树对水体中砷污染有较强的耐受能力。

表1 不同砷浓度下柳树的生物量(干重，DW)

表2 不同砷浓度下柳树根系指标

2.3 柳树对砷的累积

柳树对砷的累积能力也是反映柳树修复能力的重要指标。水体中的砷被柳树吸收后，逐渐由地下部分（根系）向地上部分（茎、叶）运输转移，柳树的根、茎、叶中都有砷的累积。按照试验设计进行7 组试验，试验结果见图2。

图2 不同砷浓度下柳树体内的砷含量

由图2 知，柳树体内累积的砷含量与人工配制的培养液中砷浓度大小呈正比。图2（a）所示为柳树根系中砷的累积量变化情况，初始溶液中砷浓度为15 μg/L 时，根系中累积的砷为（40.75±0.31） μg/gDW，至初始溶液中砷浓度达480 μg/L 时，根系中累积的砷高达（994.87±0.68） μg/g DW。图 2（b）所示为柳树茎、叶中砷的累积量变化情况，茎中砷累积量从 0 逐渐升高至（22.47±0.56） μg/g DW，叶中砷累积量从 0 逐渐升高至（42. 18±0.56） μg/g DW。在此期间，参考对照组，发现柳树生长正常，可见柳树对水体中的砷污染具有较强的累积能力。

2.4 柳树对含砷矿区废水的植物修复

按试验设计，利用柳树植株处理安徽省某硫铁矿区低浓度含砷废水。 60 d 后，矿区废水中砷含量变化如图3 所示。

随着处理时间的延长，矿山废水中的砷含量逐渐降低。 20 d 内，矿区废水中的砷含量由320 μg/L降至 127 μg/L，处理效率达 56.21%。至第 30 d，该矿区废水中砷含量低至71 μg/L，随后砷的去除效率趋于平稳，至60 d 结束，该矿区废水中砷含量已低至 45 μg/L，达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水体水质标准要求，且柳树没有表现出任何中毒症状，正常生长。