（市政工程专业论文）李氏禾人工湿地处理电镀废水的运行条件及机理研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 s m d yo no p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n d m e c h a n i s m o fp u r i 矽i n ge 1 e c t r o p l a t i n gw a s t e w a t e rb y l e e r s i ah e x a n d r as w a r t zc o n s t m c t e dw e t l a n d m 句o r ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g d i r e c t i o no fs t u d y ：、凡h s t e r w 砒e r1 r e a t m e n tt 1 1 e r o ya n dt e c h n 0 1 0 9 y g r a d u a t es t u d e n t ：t i a nh a i t a o s u p e r v i s o r ：p r o z h a n gx u e h o n g c 0 1 1 e g eo fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s 印t e m b e r 2 0 0 8t oa p r i l ，2 0 1o 0 叭6叭7m m m m _ 恤7川m以y 桂林理工大学硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ：益i 缮绪 签字日期：型 2 生呈 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借 。 阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本论文是否保密：是 陟 学位论文作者签名习西药 签字日期：2 口，d 年f 月暂日 如需保密，保密期限为： 一日 签字日粳乡k 。年冷月叉日 桂林理工大学硕士学位论文 摘要 电镀废水的污染问题已成为当今环境保护领域的突出问题之一，受到世界各国的广泛关 注。人工湿地由于具有很低的投资运行费用、良好的处理效果和显著的生态效益等优点，成 为水体修复的重要技术。本课题设计了一个以铬超富集植物李氏禾为湿地植物的人工湿地系 统，并对湿地的启动、处理电镀废水的运行条件及机理做了研究。主要研究结果如下： ( 1 ) 对人工湿地启动过程进行了考察，结果表明，采用引入原水自然启动：初期间歇进 清水和水位控制，中期和后期采用连续进水。引入高浓度废水，通过逐步增大水力负荷来培 养植物、增强湿地微生物的适应能力及生长速度，此启动方式是可行的。两个月后铬、铜、 镍的去除率达到稳定。 ( 2 ) 对人工湿地主要运行条件进行考察，发现水力负荷、进水浓度对人工湿地处理电镀 废水有一定的影响。湿地系统对铬、铜、镍的去除率随水力负荷的增大呈降低趋势；湿地系 统对铬、铜、镍的去除率随进水浓度的降低呈升高趋势。 ( 3 ) 对人工湿地基质中残留重金属的分布进行了探讨，结果表明，沸石红壤基质对电镀 废水中的铬、铜、镍具有良好的吸附性能，顺水流方向，基质中重金属含量逐渐减小；垂直 水流方向，上层基质中重金属含量普遍大于中、下层基质。 ( 4 ) 对人工湿地植物中残留重金属的分布进行了探讨，结果表明，李氏禾对铬、铜、镍 具有良好的抗性，同时又具有良好的富集能力，李氏禾根、茎、叶对铬、铜、镍的富集系数 均大于l 。顺水流方向，李氏禾根、茎、叶重金属含量都呈先增加后降低的变化。垂直水 流方向，根部重金属含量普遍大于茎、叶中重金属含量。 关键词：人工湿地：李氏采；电镀废水：铬；铜：镍 h e x a n d r as w a n z 鼬w e t l 锄dp l 柚t 、豳s t u d i e d s t 咖po fc o 弧饥l c t e dw e t l a i l d ，叩e r a t i n g c o n d i t i o i l sa n dm e c h a i l i s mo fp 嘶匆m ge l e c 仃0 p l a t i n gw 觞t e w a t e lt h ei r 脚0 rr e s u l t sw e r c s u m m a z e da sf 0 l l o 、v s ： ( 1 ) t h es t a r t u pp r o c e s so fc o 璐t 1 1 k t e dw e t l 孤dw 硒i i l v e s t i g a t e d ，w t l i c hs h o w e dm a ts t a n u p c o i l s t l l l c t e d 、e n a n ds y s t e mb yf e e d i l l ge l e c 协叩l a t m gw 雏t e w a t e rw 淞f c 淞i b l e t l l i ss t a r t u pp r o c e s s i n c l u d e df e e d m gc l e 盯w a t e ri i l t 硎t t 饥t l y ，c o n 仃0 1 l i n gt l l ew a t e rl e v e le 砌ya i l df e e d m g e l e c 协) p l a t i n g w a s t e w a t e r s u c c e s s i v e l y l a t e r t h en l e t i o do fb r i n g i n g u pt h ep l 孤t 狮d s 骶n g t l l 锄i n gl l l i c r o o 罾蚵湖a d a p t i y ec a p a c 时锄d 触o fg r 0 、1 1 1b ys 眈n g l l l e l l i n gh y d m u l i cl o a d p r o g r e s s i v e l yw 勰m t i o m l t h e 砌1 0 砌e m c i e n c yo fc r c u 觚dn iw 蕊s t e a d yt w om o n t l l sl a t e r ( 2 ) m a j o ro p e r a t i n gc o n d “i o n so fp e r f | 0 m 姗c ew e r ei i i v e s t i g a t e d i l lt h ec o n s t m c t e d w e t l a n d ，w h i c hs h o w e dt i 埝th y d r a u l i cl o a d 觚di i l n u e n tc o n c e n 仃a t i o na f f e c t e de l e c t r o p l a t i n g w 硒t e w a t e f 豫m o v a l n i e 舳0 v a le 伍c i e n c yo fc r ，c ua l l dn id e c r e 邪e dw i t l lh y d m u l i cl o a d i n c r e a s e da n di i l c r e a s e dw i t i li 1 1 n u e n tc o n c e n t r a t i o nd e c 坨a s e d ( 3 )t h ed i s t r i b u t i o n o fh e a v ym a t a l si ns u b s t r a t e so fc o 脑n 1 j c t e dw e t l 柚dw 鹬 i n y e s t i g a t e d ，w 恤c hs h o w e d 硌ts t e l l c d t ea n dr c l ds o i lc o u l da b s o 而c r ，c u 锄dn io fe l e c t f o p l a t i n g w a s t e w a t e rw e l l a l o n gt h ew a t e rn o w t l l ec o n t e n to fh e a v ym a t a l si ns u b s t m t e sd e c r e a s e d t h e c o n t e n to fh e a v ym a t a l si nm eu p p e rl a y e rs u b s t r a t e sw a sh i g h e rt h a nt h eo n e si l lt h em i d d l e a n dl o wl a y e ro r d i n a r i l ya b o u ta l t i t u d cd i s t r i b u t i o n ( 4 ) t h ed i s t r i b u t i o no f h e a 、，y m a t a l si nt l l e p l a n t s o fc o n s 仃u c t e dw e t l 觚dw 懿 i 1 1 v e s t i g a t e d ，w h i c hs h o w e dt l l a tl e e r s i ah e x a n d ms w 暑i 血h a dg o o dr e s i s t a i l c e 锄dc o n c e n 舰t i o n a b i l i t y i na d d i t i o n ，t l l ec o n c e n 锨n i o nc o e m c i e n tw 舔m o 托t l l a i lo n e a l o n gt l l e w a t e rn o w t h e c o n t e n to fh e a v ym a t a l si nl l c e r s i ah e x 锄d r as w a r t zi n c r e a s e di nm ef 如n ta n dd e c r e a s e di nm e b a c k t h ec o n t e n to fh e a v ym a t a i si nl e e l l s i ah e x a n d ms w a r t z sr o o tw a sh i g h e rt h a nt h eo n e si n t h es t e ma n dl e a v e so r d i n a r i l y2 l b o u ta l t i t u d ed i s t r i b u t i o n k e y w o r d s ：c o i l s 饥l c t e dw e t l a f l d ；p p 搭缸 绷刀d 蛔s w a n z ；e l e c 协0 p l a t i n gw a s t e w a t e r ； c h r o m i u m ；c o p p 盯；n i c k 桂林理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章前言1 1 1 电镀废水的危害与治理l 1 1 1 我国电镀废水污染现状及危害1 1 1 2 电镀废水主要处理方法1 1 2 人工湿地系统3 1 2 1 人工湿地的定义3 1 2 2 人工湿地的类型。4 1 2 3 人工湿地组成及其对重金属的净化机理，5 1 2 4 人工湿地在重金属废水处理中的应用。7 1 3 铬超富集植物李氏禾及其对重金属污染水体的修复9 1 3 1 超富集植物9 1 3 2 铬超富集植物李氏禾9 1 4 本课题研究的内容和目的1 2 1 4 1 课题来源1 2 1 4 2 本课题研究的背景与目的1 2 1 4 3 本课题研究的内容1 2 第2 章人工湿地的设计与启动。1 4 2 1 人工湿地的设计1 4 2 1 1 设计依据1 4 2 1 2 实验装置设计1 7 2 2 人工湿地的启动1 9 2 2 1 启动方式1 9 2 2 2 启动过程1 9 2 3 讨论2 3 2 4 本章小结2 4 第3 章李氏禾人工湿地处理电镀废水的运行条件研究。2 5 3 1 材料与方法2 5 3 1 1 试验水质2 5 3 1 2 试验装置2 5 3 1 3 试验方法2 5 3 1 4 测定方法2 6 3 1 5 数据处理2 6 3 2 结果与分析2 6 3 2 1 水力负荷对人工湿地处理电镀废水效果的影响2 6 3 2 2 进水浓度对人工湿地处理电镀废水效果的影响2 8 3 3 讨论3 3 桂林理工大学硕士学位论文 3 4 本章小结3 4 第4 章重金属在人工湿地基质中残留分布的研究3 5 4 1 基质3 5 4 2 基质吸附静态试验3 6 4 2 1 材料与方法3 6 4 2 2 结果与分析。3 7 4 3 重金属在人工湿地基质中的残留分布4 2 4 3 1 材料与方法4 2 4 3 2 结果与分析4 3 4 4 讨论4 8 4 5 本章小结4 9 第5 章重金属在人工湿地植物中残留分布的研究5 1 5 1 材料与方法5 1 5 1 1 试验内容51 5 1 2 测定方法5l 5 1 3 数据处理5l 5 2 结果与分析5l 5 2 1 植物生长性状的变化5 1 5 2 2 重金属在人工湿地植物中的残留分布。5 3 5 2 3 植物对重金属的富集能力5 5 5 3 讨论5 5 5 4 本章小结5 7 第6 章结论与展望5 8 6 1 结 仑5 8 6 2 展望5 9 致谢。6 0 参考文献6 1 个人简历6 7 i i 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 电镀废水的危害与治理 1 1 1 我国电镀废水污染现状及危害 电镀是当今全球三大污染工业之一【1 】。电镀做为通用性强，应用面广的工业 行业，几乎所有的工业部门都有一定范围的电镀加工。由于跨行业分散在各个部 门，缺乏统一的协调规划，造成电镀废水点过于分散，数量多且规模小的特点。 据不完全统计，目前我国的电镀厂、点约有万家，每年排放的4 0 亿吨废水约 有5 0 未达到国家排放标准【2 1 。这些废水中含有氰化物、酸、碱以及重金属污染 物，这些物质如果不经处理或者处理不彻底就排放到环境中去，必定会对生态环 境及人类产生广泛而严重的危害，所以电镀废水的污染问题己成为环境保护领域 的突出问题之一。 电镀废水主要来源于生产过程中的镀件清洗、镀液过滤、废镀液、地面冲洗 及由于操作式管理不当引起的“跑、冒、滴、漏 等，其中镀件清洗水占8 0 以上【3 1 。电镀废水种类主要分为含重金属废水、酸碱废水、含氰废水及含油脂类 废水等，其中主要污染物为各种金属离子，其次是酸类和碱类物质。废水中所含 高毒物质有镉、铬、镍、铅、氰化物、氟化物、铜、锌、锰、碱、酸、悬浮物、 石油类物质、含氮化合物仆弛、表面活性剂及磷酸盐( 以p 计) 等【4 j 。废水进入 水体后，会危及水生动植物生长，影响水产养殖，造成大幅度减产甚至鱼虾绝迹； 或是破坏农f f l 土壤，毁坏庄稼，并通过食物链危害人类健康；或是进入饮用水源， 在人体内积累，轻者引起慢性中毒，重者导致死亡。其中镉、铬、铅、镍是国家 规定的一类有害物质，其最高允许排放浓度分别为o 1 m l ，0 5 m l ，0 5 m l ， 1 o m g l 。含铜、锌、氟废水是国家规定的二类有害物质。氰化物是剧毒物质， 最高允许排放浓度为0 5 m l 。其中某些物质如氨氮、磷酸盐等虽然不是毒物， 但它们进入水体可使水体富营养化，造成水质污染p 】。 1 1 2 电镀废水主要处理方法 2 0 世纪9 0 年代以来，随着电镀工业迅速发展和环保要求的不断提高，电镀 废水治理由工艺改革、回收利用和闭路循环进一步向综合防治方向发展，已经进 入了综合防治与总量控制阶段，多元化组合处理和自动控制相结合的资源回用技 术成为电镀废水治理的发展主流【引。电镀废水处理技术多种多样，但总的来讲可 分为4 类，即化学法、物理法、物理化学法、生物法。目前已成本比较低、技术 比较成熟的化学法为主，同时适当辅以其它的处理方法。国外对电镀废水的治理 桂林理工大学硕士学位论文 9 0 以上使用化学法，我国约有4 0 的电镀厂采用此法【6 1 。 ( 1 ) 化学法 化学法是利用氧化还原反应和中和沉淀反应将废水中的有毒物质的毒性降 至最低，并分离出去【7 1 。 混凝法 混凝法是在一定的操作条件下，在废水中投加定浓度的化学药剂，经过反 应、脱稳、架桥、卷扫等过程，使废水中的污染物呈胶体状态，形成絮凝体，在 经过气浮或沉淀从废水中分离出来【8 】。该方法操作简单、工艺成熟，有的还可以 “以废制废，回收部分化学材料，但处理效率低，当含有多种金属离子时，分 离回收困难，搞不好造成二次污染9 1 。 氧化还原法 氧化还原法是利用氧化还原反应使废水中的有毒有害物质转化为无毒或微 毒物质【8 1 。该方法操作简单、工艺成熟、有时还可在电镀槽边处理并回收部分化 学材料，但出水水质差，不能回用9 1 。 中和法 中和法主要用来处理电镀厂的酸洗或碱洗废水。常有自然中和法、投药中和 法、过滤中和法和滚筒式中和法等。另外用电石渣作为中和剂处理酸废水也有较 好的效果，同时可以达到“以废治废的目的【1 0 1 。 ( 2 ) 物理法 反渗透法 反渗透法是利用半透膜加以超过渗透的压力，进行反向渗透，以浓缩废水。 它的特点是完全用物理操作，能制高纯水，处理后的废水可直接回槽使用，但废 水要求预处理且透水量较小【9 1 。 蒸发浓缩法 蒸发浓缩法的工作原理是通过蒸发手段减少镀液中的水分，从而达到浓缩镀 液的目的。该方法要求较高的蒸汽压力，目前该法单独使用的不多，一般作为一 种辅助方法使用1 们。 ( 3 ) 物理化学法 电解法 利用电解反应，与废水中的待处理物发生电化学反应，以实现处理。该方法 操作简单、工艺成熟、占地面积小、投资省，但耗电量大、会产生大量难以处理 的污泥【9 1 。 活性炭吸附法 活性炭吸附法是利用活性炭对多种金属离子和氰根等的选择吸收。该方法可 2 桂林理工大学硕士学位论文 去除多种金属离子和少数非金属离子，但活性炭再生效率低、使用寿命短，因而 成本较高且吸附容量小，不适于有害浓度高的废水【9 】。 离子交换法 离子交换法是利用树脂中的交换基团吸附各种金属离子、酸根离子【9 】。该方 法操作简单、残渣稳定无二次污染，但成本高、技术要求高、一次性投资大，应 用受限例。 ( 4 ) 生物法 生物法是通过生物有机物或其代谢产物与重金属离子的相互作用达到净化 废水的目的。由于传统处理方法有成本高、对大流量低浓度重金属废水难于处理 等缺点，经过多年的探索和研究，生物处理技术以其适应性强，环境效益好等优 点而日益受到人们的重视。随着对耐重金属毒性微生物和超富集植物的研究不断 深入，重金属废水的处理已逐步开始采用包括生物絮凝法、生物吸附法、生物化 学法及植物修复法在内的生物处理法。其中植物修复法是利用植物对重金属的富 集作用来降低土壤和水体中的重金属的浓度或降低重金属毒性【l 。该方法效率 高、成本低、易于操作，而且与生态环境相协调，是一种具有广阔发展前景的环 境治理技术【1 2 】。 相对而言，化学法比之物理法、物理化学法具有投资低成本低、见效快的优 点，得到各国的广泛运用。但是也存在着消耗药剂量大，产生污泥多，占地面积 大，效果不稳定的缺点，难以满足水污染治理领域日益提高的要求处理的多 功能性、高效稳定性和经济合理性。因此，探索高效、低耗、低成本、易管理、 可持续的污水处理技术成为世界各国环境治理的一个重要方向。人工湿地技术是 国际上近2 0 年发展起来的一种废水处理新技术，由于其投资少、效果好、运行 维护方便，所以人工湿地的研究在世界范围内得到了迅速发展。 1 2 人工湿地系统 1 2 1 人工湿地的定义 根据1 9 8 2 年3 月修正的“国际湿地公约 ，湿地被定义为“天然或人工的 长久或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭及水域地带，静止或流动的淡水、半咸水( 低 潮时不超过6 m ) 的水域 。湿地是地球上生物生长率最高的地区，是许多野生 动物生长繁殖的场所和濒危生物的栖息地，具有涵养水分、调节气候的作用，并 对污水具有较强的净化能力，被称为是“巨大的天然蓄水库”、“重要的物种基 因库 、“地球的肾脏 等。对自然生态和人类社会生活有着至关重要的作用l l 引。 湿地可以分为天然湿地和人工湿地两大类。人工湿地( c o n s t m c t e dw e t l a n d ) 是一种人工建造和监督控制的与沼泽类似的地面，其通过对湿地自然生态系统中 桂林理工大学硕士学位论文 的物理、化学和生物作用的优化组合来设计和建造，并利用这3 种作用的协同关 系对废水进行处型1 4 】。该处理技术具有“高三低”的特点，即高效率、低投资、 低运转费用、低维持技术【15 1 。 1 2 2 人工湿地的类型 国内外学者对人工湿地系统的分类方式有很多f 1 6 1 7 】，从水力学角度，可分为 水面湿地和渗滤湿地【1 8 】；按照湿地中主要植物，可分为浮水植物系统、挺水植物 系统和沉水植物系统( 嵋】。目前的分类方法是按水流方式的不同分为三种基本类 型：表面流人工湿地( s f w ) 、潜流人工湿地( s s f w ) 及垂直流湿地( v f w ) 【1 9 捌。 ( 1 ) 表面流人工湿地( s f w ，s u r f a c ef l o ww e t l a n d ) 也称为水面湿地( w a t e r s u r ew | e t l a i l d ) 、自由水面湿地( f r e ew a t e rs u r f a c ew 色t l a l l d ) ，是最接近自然湿 地的人工湿地。在表面流湿地系统中，污水在湿地的表面流动，水位较浅 ( o 1 m o 6 m 之间) 。 优点：投资低；对悬浮物、有机物的去除效果较好，有更好的光合活性，使 水体的p h 值增大呈碱性，促进了磷酸盐浓度下降和氨气的挥发：可使氮的去除 稳定进行。 缺点：净化效果不是很理想，对营养盐的去除率偏低，易在夏季滋生蚊蝇， 卫生条件较差，产生臭味而影响湿地周围的环境。 ( 2 ) 潜流人工湿地( s s f w ，s u b s u r f 砬ef l o ww e t l a n d ) 也称为水平流人工湿 地( h o r i z o n t a lf l o ww e t l 锄d ) ，因污水在床体内水平流动而得名。在潜流湿地系 统中，污水在湿地床的内部流动，利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系 及表层土和填料截留等作用，达到处理污水的效果，是目前应用最为广泛的湿地 流态【2 0 j 。 优点：水平潜流人工湿地的水力负荷和污染负荷大，对b o d 、c o d 、s s 、 重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和孽生蚊蝇现象。 缺点：控制相对复杂，脱氮、除磷的效果不如垂直流人工湿地。 ( 3 ) 垂直流人工湿地( v f w ，v e r t i c a lf l o ww e t l a n d ) 综合了表面流和潜流的 特性，水流在填料床中基本上呈由上向下的垂直流，床体处于不饱和状态，氧可 通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统，水流流经床体后被铺设在出水端底 部的集水管收集而排出处理系统f 2 l 】。 优点：综合了表流湿地和潜流湿地的特点。硝化能力高于水平潜流湿地，可 用于处理氨氮含量较高的污水。 缺点：对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统，落水淹水时间较 长，控制相对复杂，其构造要求高、卫生条件也较差【z 引。 目前发达国家的人工湿地污水处理系统主要为潜流式，约占9 0 以上。 4 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 3 人工湿地组成及其对重金属的净化机理 大部分自然湿地和人工湿地由五部分组成：( 1 ) 具有透水性的基质，如土壤、 砂、砾石；( 2 ) 在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇等；( 3 ) 好氧或厌氧 微生物种群；( 4 ) 水体；( 5 ) 无脊椎或脊椎动物。其中前3 者是人工湿地中最重 要的组成部分。 ( 1 ) 基质及其作用 基质作为人工湿地中植物和微生物的载体，是人工湿地的重要组成部分。基 质在整个湿地系统中的作用除了为植物生长的提供基础以外，同时还提供微生物 挂膜生长的界面；大部分污染物，尤其是重金属类污染物处理过程中反应是在基 质上进行的【2 3 】。成水平等人【2 4 】在垂直流湿地去除重金属的研究中发现，有7 0 以上的重金属被留在基质中。阳承胜等人【2 5 】研究了重金属在香蒲人工湿地中的分 布和积累，也发现重金属主要库存在湿地的基质中。基质对重金属的吸附有离子 交换吸附和专性吸附。通常土壤胶体带负电荷，表面吸附有阳离子，这些离子易 被吸附竞争力强的重金属离子取代，这是交换吸附；专性吸附指在有大量碱土金 属或碱金属离子存在时，土壤对痕量浓度的重金属阳离子的吸附作用，专性吸附 很牢固，可减小重金属对生物的毒害【2 6 1 。另外，由于湿地中植物对重金属的耐受 浓度有限，浓度稍大可能导致植物生长受到抑制甚至死亡，而基质却可以为其提 供一个缓冲作用，以免植物受到重金属的毒害，从而更好地吸收重金属。 ( 2 ) 湿地植物及其作用 湿地中生长的植物通常称为湿地植物，包括挺水植物、沉水植物和浮水植物。 湿地植物的基本作用包括：为污染物降解提供氧气【27 】为微生物提供附着场所 【2 8 1 吸收污染物质【2 9 维持系统的稳定【3 0 ，3 u 影响湿地水力条件【3 2 1 。 植物在人工湿地处理重金属废水中起着非常重要的作用，植物对重金属的处 理主要分为四种： 植物提取( p h y t o e x t i 讹t i 彻卜植物从土壤中吸收金属污染物，并在植物 地上部分富集，对植物体收获后进行处理。s a l t 等【3 3 】把利用超富集植物来吸收土 壤重金属并降低其含量的方法称为持续植物提取，而把利用鳌合剂来促进普通植 物吸收土壤重金属的方法称为诱导植物提取。 根际过滤( r h i z o f i l t r a c t i o n 卜通过植物根系吸收、沉淀水中的污染物来 达到修复目的。它与植物提取的相似之处在于：都是使污染物在植物体表或体内 富集。但根际过滤只发生在植物根系或植物的水下部分，而植物萃取引起的污染 物的富集出现在植物地上部分，而不是在根系中。根滤适合于修复水中污染物， 植物萃取适合于清除土壤中的污染物。有时常把植物萃取和根滤统称为植物富 集。 桂林理工大学硕士学位论文 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n 卜植物吸收污染物后，将其降解，散发到 大气中，或把原先非挥发性的污染物变为挥发性污染物送入大气中。如利用某些 芥子科植物去除土壤中的h g ，这些植物能将从环境中吸收的h g 还原成气体而 挥发【3 4 】。还有些植物可将土壤中的s e 转化为气态形式【3 5 】。由于这一方法只适用 于挥发性污染物，应用范围很小，并且将污染物转移到大气中对人类和生物仍有 一定的风险，因此它的应用将受到限制。 植物固定( p h y t o s t a b i l i z a t i o n 卜植物通过改变土壤的物理、化学、生物 条件来抑制其中的污染物，使其发生沉淀或被束缚在腐殖质上，减少它对生物和 环境的危害。植物固定不是一种理想的去除环境中重金属的方法，只是暂时将环 境中的重金属离子固定，使其对环境中的生物不产生毒害作用，没有彻底解决环 境中的重金属污染问题。如果环境条件发生变化，重金属的生物可利用性可能又 会发生改变。 ( 3 ) 微生物及其作用 人工湿地的许多功能是由微生物及其代谢作用调节的。人工湿地中的微生物 包括细菌、酵母菌、真菌、原生动物和藻类，它们是对污染物进行吸附和降解的 主要生物群体和承担者，在湿地中与其它动物和植物的共生体的相互关系中往往 起着核心作用【3 7 1 。微生物能将有机或无机物质转化为无毒或不可溶物质、通过 改变基质的氧化还原条件来影响湿地的处理能力、参与湿地的养分循环。随着污 水处理的时间增加，人工湿地某些微生物的数量也逐渐增加，并形成以能适应并 利用污水中污染物的特定的群落。这些微生物中，有的是好氧的，主要分布在植 物根际，有的是厌氧的，分布在远离根系的区域，还有许多微生物是兼性的，能 在好氧和厌氧环境中生存。 微生物在重金属废水处理中的作用主要有： 有些微生物为了生存，会从外界吸收或吸附所需的重金属离子到细胞内； 有些细菌在生长过程中释放蛋白质，能使溶液中的可溶性重金属转化为沉淀； 微生物在重金属废水处理中能起到催化作用，研究发现植物根区好氧微 生物的活动加强了湿地对重金属的吸附和富集作用； 微生物可将可溶性离子转化为不溶性化合物而被去除，在厌氧条件下， 利用硫酸盐还原菌将硫酸盐还原成硫化氢，废水中的重金属便可以和硫化氢反应 生成溶解度很低的金属硫化物沉淀而被去除【3 引。 综上所述，人工湿地的净化机理就是依赖于基质、植物以及微生物等各种湿 地组成要素，通过一系列物理、化学和生物作用，最终达到处理废水的目的的复 杂过程。物理作用，即当污水进入湿地，经过基质层及密集的植物茎叶和根系， 使污水中的悬浮物固体得到过滤，截留住污水中的悬浮物，并沉积在基质中。这 6 桂林理工大学硕士学位论文 一过程也有人称之为物理沉积。所谓化学作用，是指由于植物、土壤、无机胶体 复合体、土壤微生物区及酶的多样性的存在，污水中的污染物可以通过各种化学 反应如化学沉淀、吸附、离子交换、拮抗、氧化还原等过程得以去除，这些化学 反应主要取决于所选择的基质类型，这些过程可能是物理过程，化学过程和生物 过程【3 9 j 。生物作用，是利用动植物和微生物去除废水中重金属的过程。 1 2 4 人工湿地在重金属废水处理中的应用 人工湿地系统在重金属废水处理方面的研究，较早的报道见于8 0 年代中期。 1 9 8 4 年，美国g e r s b e r g 等【4 0 】对美国加利福尼亚的一人工湿地进行人工添加高浓 度c u 、c d 和z n ，并对湿地去除三种重金属的效果进行了为期一年的调查研究， 发现湿地对这三种重金属的去除效果显著，可以去除9 9 的c u 、9 9 的c d 和 9 7 的z n 。美国在应用湿地系统处理酸性煤矿矿井废水方面进行的试验研究和 湿地实验【4 1 4 2 】贝0 显示湿地系统对铁具有良好的去除率。a s m u l l g u r 等【4 3 】在实验 室中进行人工湿地处理暴雨水的小试实验，对小试规模的人工湿地去除重金属的 效果进行了初步评价，结果表明：当进水中的c u 、p b 、z n 浓度在2 0 m g l ，以 下时，该人工湿地能截留9 9 的重金属。h a r e n a 和k a t a r z y i l a 【删通过对位于 p r z v w i d z 的人工湿地的研究发现重金属离子c r 、c u 、m n 、c d 、z n 和p b 通过人 工湿地处理后能得到很大程度的去除。近年来，国际上在这方面的研究向着影响 因素、流型、动力学模型、重金属的迁移转化和去除机理等几方面发展。 我国在人工湿地处理重金属方面的研究报道多见于上世纪9 0 年代，唐述虞 等【4 1 】在1 9 9 1 年进行了人工湿地处理金属矿酸性废水的研究，对处理效果、湿地 植物( 香蒲，水葱) 内的重金属含量和分布做了研究。1 9 9 5 年，胡文容【4 5 】借鉴 国外成功经验，结合我国实际情况，从理论上探讨了在我国应用人工湿地处理酸 性金属矿废水的可行性。黄正等f 4 6 】则研究了c d 2 + ，z n 2 + 、c u 2 + 对湿地反消化作 用的影响。杨居荣和黄翌【4 7 】结合国内外报道，对植物重金属的耐性机理做了综合 性的论述。成水平等f 2 4 】人在2 0 0 1 年应用中国科学院水生生物研究所与欧盟国际 科技合作项目研究开发的复合垂直流人工湿地进行重金属去除实验，取得了极为 良好的重金属去除效果。 与传统污水处理手段相比，人工湿地污水处理技术有着自身独特的优势，同 时也存在一定的不足【4 引。 优势表现在： ( 1 ) 投资、运行费用低 国内外研究实践表明，人工湿地处理污水的建设和运营成本低廉，并且易于 维护4 9 5 0 1 。其单位污水的投资费用仅为其他类型污水处理厂的1 6 一3 4 1 5 1 5 2 】， 而单位污水处理费用也只是其他工艺的十分之一；在能耗方面，更是由于人工湿 7 桂林理工大学硕士学位论文 地的水力推动特性，在污水处理上基本没有能耗。 ( 2 ) 污水处理系统组合的多样性和针对性 不同的基质对同种污染物质的处理能力是不同的，并且某些基质的组合要优 于单一基质的处理能力。因此根据污水中的污染物的种类、特征可以选取不同的 基质或采取几种基质的组合【5 3 1 。 湿地植物的类型也是多种多样，目前研究和运用较多的水生植物有芦苇、灯 心草、宽叶香蒲、菱白、浮萍、美人蕉、红枫、风眼莲等类型。研究表明，不同 的植物类型对不同的污染物质也具有一定的针对性。如宽叶香蒲对p b 、z u 、c d 等重金属有较好的去除作用【5 3 】。 ( 3 ) 处理污水的高效性 国外的研究表明，在进水浓度较低的条件下，对重金属如f e 、c u 、p b 、z u 、 c d 等的去除率很高，大都在9 0 以上【5 4 】。 ( 4 ) 独特的绿化环境功能 人工湿地同自然湿地一样，由于栽种有大量的水生植物，所以对环境起到了 绿化的功能。成规模的人工湿地不但迅速增加了绿地面积，还能为人们提供一个 优美的新型的城市生态景观。 不足表现在： ( 1 ) 占地面积相对较大 人工湿地净污的效果与污水在湿地中流动的时间和空间充足与否有着很大 的关系。其次，当系统中的填料和植物纳污达到饱和程度时需要用备用池来交替 运行。另外，为防止淤积，往往建造预处理池对污水进行先期处理。所以，与传 统的污水处理厂相比，人工湿地污水处理系统需要较大的占地面积，一般认为大 约是传统污水处理厂的2 3 倍左右【5 5 】。最佳的解决办法就是将工程选址在市郊 区域，这样不但不占用宝贵的市区土地资源，而且还可以减轻风沙等对市区的环 境影响。 ( 2 ) 受气候条件限制较大 人工湿地栽种的植物类型恰当与否，直接关系着系统污水的处理效率和经济 效益。而植物类型的选取受到了气候条件的限制。此外，冬季地表水结冰，抑制 了水的流动。所以表面流湿地在北方城市的冬季是不可行的，只宜采用潜流湿地。 ( 3 ) 容易产生淤积、饱和现象 人工湿地能有效地去除污水中的有机物、悬浮物、t n 、s s 、重金属、病原 体等污染物质。但是随着时间的推移，部分营养物质会逐渐积累，湿地中的微生 物相应繁殖，易产生淤积、阻塞现象，使水力传导性、湿地处理效果和运行寿命 降低。随着基质的吸附能力趋于饱和，也会影响湿地的处理效果。应定期对基质 桂林理工大学硕士学位论文 进行去淤、更换，对植物进行收割【4 8 】。 1 3 铬超富集植物李氏禾及其对重金属污染水体的修复 1 3 1 超富集植物 判断重金属超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 的标准最早采用的是b a k e r 和 b r o o k s 于1 9 8 3 年提出的参考值，即在植物叶片或地上部分含c d 量达到1 0 0 m g l ( g 以上，含c o 、c u 、n i 、p b 、c r 、缸量达到1 0 0 0 m g l 【g 以上，含m 【l 、z n 量达到 1 0 0 0 0 m g l 【g 以上的植物被称为重金属超富集植物【5 6 j 。 随着对超富集植物研究的深入，学者们认为重金属超富集植物不仅要求对重 金属的富集达到一定量，而且还应该对土壤中重金属具有较强的转运能力和较强 的耐性，所以学者们认为超富集植物应具备以下三项特征： ( 1 )植物地上部分富集重金属的量要达到一定的临界标准( 即b a k e r 和 b r o o l 【s 于1 9 8 3 年提出的参考值) ，在较低的污染水平下也有较高的吸收速率。 ( 2 ) s 瓜 1 ( s 和r 分别代表植物地上部分与地下部分的重金属含量) ，即 植物应有较强的转运能力，而大多数植物的s r 水力负荷o 1 5 m 3 ( i n 2 d ) 水力负荷0 2 0 m 3 ( m 2 d ) 。在水力负荷为0 1 0 m 3 ( m 2 d ) 时，c r 、c u 、n i 去除率最高，出水口处去除率分别为8 2 、9 7 、9 4 0 4 ：在 水力负荷为o 1 5 m 3 ( n 1 2 d ) 时，c r 、c u 、n i 去除率次之，出水口处去除率分别为 7 1 5 5 、9 6 5 4 、8 9 8 ；在水力负荷为o 2 0 m 3 “m 2 d ) 时，c r 、c u 、n i 去除率最 低，出水口处去除率分别为6 5 6 3 、9 5 7 2 、8 7 4 。可见，湿地系统出水c r 、 c u 、n i 的去除率随水力负荷的升高而降低。 3 2 2 进水浓度对人工湿地处理电镀废水效果的影响 考虑到去除效果和处理量两方面，水力负荷不能过高或过低，因此本试验将 水力负荷控制在o 1 5 m 3 ( m 2 d ) 较