（环境工程专业论文）立体生态净化床系统处理矿山含镉废水的试验研究.pdf

西南科技大学工程硕士专业学位论文第1 页 摘要 本研究以矿山含镉废水为对象，借鉴了大量国内外对人工湿地的研究成 果，采用西南科技大学研发的立体生态净化床系统，对矿山含镉废水的处理 效果进行试验研究，得出以下结论： ( 1 ) 立体生态净化床系统出水p h 均在6 5 7 8 之间，说明立体生态净 化床可以提高出水p h 值。系统对生活污水c o d 、n h 3 n 和t p 的平均去除 率分别在8 0 、8 5 和6 0 以上，达到农田灌溉水中相关指标的要求。 ( 2 ) 经过初步筛选实验，确定吉祥草、吊竹梅、吊兰、空心莲子草、凤 眼莲作为供试植物。当废水中仅含镉、进水c d 浓度为0 7 2 0 5 m g l 、系统运 行1 5 d 时，凤眼莲系统对c d 的去除率最高，为8 7 6 5 ，其余依次是8 5 8 4 、 7 9 6 0 、8 6 8 1 、8 3 9 0 。 ( 3 ) 经过二次筛选试验，确定以吉祥草、吊兰、风眼莲为继续研究对象。 当废水中含有c d 、p b 、c u 、z n 时，进水中c d 、p b 、c u 、z n 重金属的浓度 分别为o 3 0 4 6 m g l 、0 2 9 7 6 m g l 、0 3 0 6 5 m g l 、0 3 3 0 7 m g l ，系统运行1 5 d ， 各系统对废水中c d 、z n 的去除率均可达到9 5 、8 4 以上，对p b 、c u 的处 理效果较差，去除率仅为2 4 一4 8 、4 7 一5 8 。可在系统中投加生物质吸附 材料，或者几组立体生态净化床系统串联，亦可在立体生态净化床系统后串 联潜流人工湿地等作为强化措施。 ( 4 ) 传统的人工湿地中植物多种植在基质中，多数只收获植物地上部， 长此以往，植物根部残留在基质中成为新的污染源。而立体生态净化床系统 中的植物可连根部一起收集，不会产生二次污染。 综上，立体生态净化床系统对矿山含镉废水具有良好的净化效果，并且 该系统具有系统结构简单、投资少、占地面积小、运行费用低、易于管理、 抗冲击力强等特点。同时，本系统灵活性好，可利用有限的空间处理矿区产 生的分散性含镉废水，而不必专门铺设废水收集管网。因此，可认为立体生 态净化床系统是处理矿山含镉废水的行之有效的方法之一。 关键词：立体生态净化床矿山含镉废水植物修复吊兰凤眼莲 a b s t r a c t d r a w i n gal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ho fa r t i f i c i a l w e t l a n d s ，t h i sr e s e a r c hs t u d i e sc a d m i u mc o n t a i n e dw a s t ew a t e rf r o mm i n eb y u s i n go fm u l t i l a y e r se c o l o g i c a ls y s t e m f o rw a s t ew a t e rt r e a t m e n t ，w h i c h l s d e v e l o p e db yt h es o u t h w e s tu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y w e c a ng e t t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sf r o mt h ee x p e r i m e n t ： ( 1 ) r e g a r d i n gp h ，t h ee f f l u e n ti sb e t w e e n6 5 7 8 t h i ss h o w s t h a tt h es y s t e m c a ni m p r o v et h ee f f l u e n tp h t h ea v e r a g er e m o v a lr a t ec a n r e a c hm o r et h a n8 0 ， 8 5 a n d6 0 t h i sc a nb ea c h i e v e dt h er e q u i r e m e n t so ft h er e l e v a n ti n d i c a t o r so f i r r i g a t i o nw a t e r ( 2 ) i ti sd e t e m i n e dr e i n e c l d ac a r n e a 口n d r ) k u n t h ，z p 易，f ，z 口p p 珂d “z 口s c h n i z l , c h l o r o p h y t u r n ，a l t e r n a n t h e r ap h i l o x e r o i d e s ，e i c h h o r n i a c r a s s i p e s a sf u r t h e r r e s e a r c ho b je c t sa f t e rt h ei n i t i a ls c r e e n i n gt e s t w h e nw a s t e w a t e rc o n t a i n i n go n l y c a d m i u m i n f l u e n tc dc o n c e n t r a t i o ni so 7 2 0 5 m g li na no p e r a t i o np e r i o do f15d ， e i c h h o r n i 口c r a s m p e ss y s t e mw a st h eh i g h e s tr e m o v a le f f i c i e n c y o fc d ，u pt o 8 7 6 5 f o l l o w i n gb yr e i n e c k i ac a r n e a 似n d r ) k u n t hs y s t e m 8 5 8 4 ，z e b r i n a 矽e ，z d u ，口s c h n i z ls y s t e m7 9 6 0 ，c h l o r o p h y t u r ns y s t e m8 6 81 ，a l t e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e ss y s t e m8 3 9 0 ( 3 ) a f t e rt h e s e c o n ds c r e e n i n gt e s t ，i t i sd e t e r m i n e dt h a tr e i n e c m a c a r n e a 似n d r ) k u n t h ，c h l o r o p h y t u r n ，e i c h h o r n i ac r a s s i p e s w e r et h eo b j e c tt o c o n t i n u et os t u d y w h e nm i n ed r a i n a g ec o n t a i n i n gc d ，p b ，c u ，z n ，t h ec o n c e n t r a t i o nw e r e 0 3 0 4 6 m g l ，0 2 9 7 6m g l ，0 3 0 6 5m e ) l ，0 3 3 0 7m g li na no p e r a t i o np e r i o do f 15 d ，t h es y s t e mw a sh i g h e rr e m o v a le f f i c i e n to fc da n dz n ，u p t o9 5 ，8 4 t h e t r e a t m e n te f f e c to f p b a n dc ui s p o o r ，o n l y 2 4 - 4 8 ，4 7 - 5 8 s e v e r a l t e c h n i q u e sc a ns t r e n g t h e nt h ee f f l u e n te f f e c t ，s u c ha sd o s i n gb i o m a s sa d s o r p t i o n m a t e r i a l s ，s e v e r a lm u l t i 1 a y e r se c o l o g i c a ls y s t e m i ns e r i e so rm u l t i 。l a y e r s e c o l o g i c a ls y s t e ma n ds u b s u r f a c ec o n s t r u c t e dw e t l a n d i ns e r i e s ( 4 ) t h et r a d i t i o n a lc o n s t r u c t e d w e t l a n dp l a n t si sm o s t l yp l a n t e di nt h e m a t r i xa n di ti sh a r v e s t e dt h ea b o v e g r o u n do n l y o v e rt i m e ，t h ep l a n tr o o t sw i l l b e c o m ean e ws o u r c eofpollutionwhichr e s i d u e si n t h em a t r i x p l a n t sc a nb e 西南科技大学工程硕士专业学位论文第1 i i 页 c o l l e c t e dt h er o o tw h i c hi si nt h em u l t i l a y e r se c o l o g i c a ls y s t e m ，i td o e sn o t p r o d u c es e c o n d a r yp o l l u t i o n i ns u m m a r y , t h em u l t i - l a y e r se c o l o g i c a ls y s t e mh a sag o o dp u r i f y i n ge f f e c t o fc a d m i u mc o n t a i n e dw a s t e w a t e rf r o mm i n e ，a n dt h es y s t e mh a sm a n ye x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss i m p l ec o n s t r u c t i o n ，l o wi n v e s t m e n t ，s m a l lo p e r a t i o ns p o t ， l o wo p e r a t i o ne x p e n s e s ，e a s ym a n a g e m e n t ，s t r o n gi m p a c ta n ds oo n a tt h es a m e t i m e ，t h i ss y s t e mc a nm a k eu s eo fl i m i t e ds p a c ed i s p e r s i o no fc a d m i u mc o n t a i n e d w a s t ew a t e rf r o mm i n ef o rt h ef l e x i b i l i t yo ft h es y s t e m ，w i t h o u ts p e c i f i c a l l y l a y i n gw a s t e w a t e rc o l l e c t i o np i p en e t w o r k t h e r e f o r e ，i ti s c o n s i d e r e dt h a tt r e a t i n g c a d m i u mc o n t a i n e dw a s t e w a t e rf r o mm i n eb ym u l t i l a y e r se c o l o g i c a ls y s t e mf o r w a s t ew a t e rt r e a t m e n ti so n eo ft h ep r a c t i c a la n df e a s i b l em e t h o d s k e yw o r ds ：m u l t i l a y e r se c o l o g i c a l c a d m i u mc o n t a i n e dw a s t ew a t e r c h l o r o p h y t u m ；e i c h h o r n i ac r a s s i p e s s y s t e m f o rw a s t ew a t e rt r e a t m e n t ； f r o m m i n e ；p h y t o r e m e d i a t i o n ； 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 长期以来，我国矿产资源开发基本上走的是一条以浪费资源和牺牲环境 为代价的粗放式发展道路【l 】。这种发展模式对矿山环境的污染和对人类的影 响越来越严重，其中矿山废水是矿产资源开发过程中产生的主要污染源之一。 据统计，我国矿山每年因采矿、选矿排放的废水量达1 2 1 5 亿吨，占有色金 属工业废水总量的3 0 左右【2 j 。由于矿石中伴生元素较多，所以污水中常含 有镉、铅、铜、锌等多种重金属离子，毒性大，如不处理直接进入水体，会 对人和水中生物造成极大的危害【3 j 。其中，镉在人体内蓄积可造成肾损害， 进而导致软骨化症【4 j 。因此，矿山含镉废水的处理在环保领域具有重要意义。 1 1 我国矿山含镉废水来源及污染现状 1 1 1 矿山含镉废水的来源和特点 镉主要与锌矿、铅锌矿、铜铅锌矿、煤矿、磷矿等共生【5 】，能在铅锌矿、 含煤岩系、含磷地层周围形成镉元素高值区【6 】。在焙烧上述矿石及湿法取矿 时，镉被释放到废水废渣中 5 1 。矿山含镉废水即来自采矿时排出的矿坑废水、 废石场的雨淋废水以及选矿厂车间废水和尾矿坝溢流水等。 矿山含镉废水的特点是： ( 1 ) 排放量大，持续时问长【2 j 。据统计，每开采1 t 矿石，废水的排放 量约为1m 3 【7 | 。由于矿山含镉废水主要来源于地表降水，特别是尾矿坝溢流 水，矿山开采完毕，这些废水仍然继续排出，如果不采取措旌，将长期污染 周围环境。 ( 2 ) 污染范围大【8 1 ，影响地区广，不易控制与治理【3 】。当尾矿遇雨水或 堆置于河流、湖泊附近，所形成的矿山含镉废水会迅速大面积扩散。德兴铜 矿是我国最大的斑岩型露天铜矿，矿山生产能力达日采矿石9 万吨天【9 j 。流 经矿区腹地的大坞河，汇集了矿床渗出水、废石场产生的酸性废水以及选矿 厂排出的碱性废水。大坞河全长1 4 k m ，汇水面积3 4 k m 2 【l ，在矿区北部汇 入乐安河，乐安河最终汇入郡阳湖。由于矿区废水的排入，使得德兴铜矿下 游的几个村的几千亩良田变成了荒地，污染甚至波及到鄱阳湖的底泥【9 】。 ( 3 ) 排放形式多样，如渗透、径流、管道等【8 。 ( 4 ) 镉浓度变化大，受p h 、季节等影响。h o l m s t r o m 等【l l 】对l a v e r 和 s t e k e n j o k k 矿山尾矿进行了淋滤对比实验，认为使尾矿保持中性或接近中性 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第2 页 的p h 值可有效防止尾矿重金属淋滤进入周围环境。戴玉华等【1 2 】分析某黄铁 铅锌矿尾矿库1 4 a 的废水监测数据，发现尾矿库废水p h 值与c d 离子浓度呈 明显的负相关关系。傅瑞标等【l3 】利用i c p a e s 对不同季节长江口南槽水体中 重金属浓度进行了分析，结果显示枯水期水相中c d 等重金属的浓度比丰水 期的高。 ( 5 ) 成分复杂，矿山含镉废水中往往含有多种重金属。金属矿山，尤其 是有色金属矿山往往伴生着多种金属硫化物，在开采或选矿过程中，这些矿 物在空气、水和细菌的共同作用下，形成硫酸、金属硫酸盐，并溶出矿石中 的多种金属离子【1 4 】，因此矿山含镉废水中往往还含有p b 2 + ，z n 2 + ，c r 2 + ，c u ”， h 9 2 + ，m 0 2 + ，n i 2 + 和a s 2 + 等多种重金属离子，形成重金属复合污染。袁庆虹 等【l5 j 对云南兰坪矿区水体的调查监测发现，水样中c d 、p b 、z n 和m n4 种 元素的超标率分别为6 5 1 2 、9 7 6 7 、3 3 3 和4 5 6 ；平均污染指数分别 为2 1 9 4 、0 3 0 、3 5 7 4 和1 5 3 。表明兰坪矿区环境水体中存在严重的镉污染， 部分矿区水样有锌和锰污染。 ( 6 ) 危害滞后，低浓度重金属在人体内持续累积，数年甚至数十年后才 能表现出中毒症状。广东省韶关市东南3 0 k m 的大宝山多金属矿床，经过近 6 0 年的开采和选冶，造成矿区横石河乃至北江水体p h 值降低，其中c d 含 量达0 1 0 3 m g l ，严重超标【l6 1 。当地居民用被c d 污染的河水灌溉农田，水中 的c d 通过土壤植物( 动物) 人途径进入人体，对人体健康造成严重威胁，如 下游翁源县远近闻名的“癌症村”一一上坝村【l 7 | 。 1 1 2 镉的危害及矿山含镉废水的污染现状 镉是一种具有银白色光泽、软性、延展性好、耐腐蚀的稀有金属【l8 1 ，主 要用于电镀工业、冶金工业和军工生产等【l 圳。镉的化合物一般具有较大脂溶 性、生物富集性和毒性，能在动物、植物和水生生物体内蓄积【2 ，对人类的 生存环境和生态系统造成严重的威胁，继而影响到人类的健康。1 9 6 8 年日本 爆发的骨痛病就是长期饮用含镉水和食用“镉米”引起的【2 。据报道，我国 受c d 污染耕地约有1 3 3 万h m 2 ，每年被c d 污染的农产品约有1 4 6xl0 6 k g 2 2 1 。 镉在人体内以肝、肾蓄积量最高，造成肝、肾和骨的病变，导致贫血和 神经痛。另外，镉还可通过影响钙的代谢，危及骨骼系统，典型症状表现为 能力减退，骨盆、脊柱、四肢关节刺痛、步履艰难，甚至出现贫血1 23 | 。因此， 1 9 9 2 年，镉的化合物被国际癌症研究中，g ( i a r c ) 确认为1 类致癌物，被美国 毒性物质管理委员会( a t s d r ) y u 为第6 位危害人体健康的有毒物质【2 引。同时 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 页 镉是联合国环境规划署提出的1 2 种全球性危险化学物质中位于首位的有毒 重金属【2 5 1 。 我国对食品中c d 含量具有严格的规定【2 6 】，其中大米镉含量0 2m g k g 、 面粉镉含量o 1m g k g 、肉鱼镉含量0 1m g k g 、蛋类镉含量0 0 5 m g k g 。 根据世界卫生组织1 9 7 2 年发布的专家委员会建议，人每日由食物摄取镉的耐 受量为lm g k g ，即为我国大米镉标准的5 倍。我国规定水体中含镉的允许浓 度为：地表水v 类水0 0 1m g l ，农田灌溉用水和渔业用水0 0 0 5m g l ， 工业废水排放0 1m g l ，并将其列入到水环境影响最严重的十二项需总量 控制的污染因子名单中。因此，了解矿山含镉废水对饮用水、粮食、蔬菜等 的污染现状，控制矿山含镉废水的继续蔓延，具有重大意义。 周建利、吴启堂等【27 】对广东省某硫铁矿和铅锌矿的矿山废水对下游农民 居民饮用水和灌溉水的污染情况进行了采样检测，结果表明，下游某村庄旁 的水沟中c d 、p b 、z n 的含量分别为0 0 0 19 - 0 1 9 2 1 、0 0 19 7 0 2 4 4 6 、 0 0 4 3 7 8 3 m g l ，夏天丰水期时重金属浓度较小，p h 值接近中性，其余时间 呈酸性至强酸性，重金属浓度变大，这表明村庄的水沟被矿山含镉废水严重 污染，已不宜作为农业灌溉用水；3 个居民井水的c d 、p b 、z n 含量和p h 均 超过生活饮用水卫生标准，不适宜作为生活饮用水。 雷鸣等【2 引对湖南市场和污染区的稻米中c d 、p b 、a s 的污染程度及健康 风险进行了研究，结果表明污染区的稻米重金属含量普遍高于市售稻米。其 中，来自衡阳常宁市水口山铅锌矿区的稻谷样品中c d 含量最高，分别是精 米1 5 9 m g k g 、糙米1 8 4 m g k g 、谷壳3 3 4 m g k g 。在a s 、p b 和c d 的健康风 险评价中，c d 是湖南各地稻米中影响人体健康的主要因子，株洲和湘潭的 c d 污染区达到9 0 以上。t s u k a h a r a 功j 等研究发现，稻米是亚洲人体中c d 的主要摄入源之一，但不同国家和地区的人体中稻米c d 摄入量占总c d 摄入 量的比例存在一定的差异，如日本为3 0 一4 0 ，菲律宾马尼拉地区约为2 0 ， 中国大陆大部分地区、中国台湾地区、孟加拉国和泰国等约为3 0 一4 0 ，马 来西亚的k u a l al u m p u r 较高，达5 3 。 云南个旧是有名的“世界锡都”，矿业活动频繁，环境污染严重【30 1 。位 于市北郊( 约2 0 k m ) 的鸡街镇居民多以本地冶炼厂废水灌溉农田。肖青青等【3 1 】 对鸡街镇的土壤和农作物重金属污染现状进行野外调查，并对健康风险进行 了评价。其中朝天椒、土豆、大米和玉米c d 含量超标，c d 超标率为2 0 ， 其中大米c d 含量最高，平均值为0 4 4 6m g k g ，超标1 2 3 倍。居民经食用蔬 菜途径日摄入c d 量为0 0 2 8m g d ，占暂定每日耐受摄入量的3 9 2 9 ，对居 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第4 页 民健康构成潜在威胁。同时，c d 的可交换态达1 7 5 m g k g ，比例较高，必须 引起足够重视。 t h q ( t a r g e th a z a r dq u o t i e n t s ) 靶标危害系数方法是依据u se p a ( 2 0 0 0 ) 3 2 】 提出的一种用于人体通过食物摄取重金属风险评估方法。如果计算出t h q 1 相比，可推测吉祥 草和吊兰对c d 的富集没有达到饱和。 2 4 4 小结 经过立体生态净化床系统对生活污水和含镉废水混合进水的处理效果验 证试验，得到以下结论： ( 1 ) 宜兴市大浦镇林庄村采用水平潜流人工湿地处理该村产生的生活 污水，经过测试，水平潜流人工湿地对生活污水中c o d 、n h 3 n 和t p 的平 均去除率分别为6 5 1 、6 2 9 和7 6 0 t 1 2 2 1 。本系统对生活污水c o d 、n h 3 一n 和t p 的平均去除率分别为8 4 4 6 、8 7 8 9 和6 1 6 4 ，处理效果良好，且出 水水质较为稳定。 ( 2 ) 系统出水p h 均在6 5 7 8 之间，说明弱酸性废水经过立体生态净 化床的处理，可达到中性左右。系统对重金属c d 的净化效果良好，不同植 物系统的平均去除率为7 0 以上，说明该系统用于矿山含镉废水的处理具有 一定的可行性。 ( 3 ) s 5 风眼莲系统采用的是p v c 管，而s 1 吉祥草至s 4 空心莲子草采 吼轧仉吼n吼n吼m 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 0 页 用的是竹管，供试植物的生长环境不是很一致，但本试验着重研究的是立体 生态净化床系统对含镉废水的处理效能，故可忽略构建材质的不同。虽然风 眼莲系统对n h 3 n 的去除效果并不理想，对c d 的去除效果却是5 种供试植 物中最好的，说明风眼莲庞大的须根可以促进水中重金属的迁移转化，可作 为继续研究的对象。 ( 4 ) 吊兰和吉祥草是常见的观叶植物，本次试验中，吊兰和吉祥草对生 活污水及c d 的去除效果较好。结合立体生态净化床的结构特点，可将吊兰、 吉祥草作为继续研究对象。 ( 5 ) 空心莲子草又称水花生，可水陆两栖。江苏省在2 0 0 4 年调查时发 现，全省水花生发生面积8 0 万h m 2 左右，危害面积3 0 万h m 2 以上。主要在 灌溉沟渠、水上行道、湖库鱼塘、绿化园( 带) 、道路两侧、农田( 水田、旱地) 发生危害。江苏的水花生主要分布在苏南的鬲湖、长荡湖、太湖周边市县； 苏北的沿江地区( 仪征等) ；里下河农区；以及沿海、淮北农业区的部分市县 1 2 3 。本次试验中空心莲子草对混合废水的净化与吉祥草等基本一致，考虑 到空心莲子草的巨大危害，不再将其作为继续试验的对象。 ( 6 ) 本次试验中，吊竹梅对混合废水中c d 的处理效果是5 种供试植物 中最差的，同时，吊竹梅垂吊过长的茎叶会阻碍下层植物的生长，故予以舍 弃。 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3l 页 3 立体生态净化床系统对模拟矿山含镉废水的处理 效果 矿山含镉废水中往往不仅含有重金属c d ，还含有铅、铜、锌等其他重金 属。段星春等研究了广东大宝山矿区的矿山废水，分析得知矿区水体中重金 属c d 、p b 、c u 、z n 的溶解态浓度分别达到了0 1 0 3 、2 9 l 、1 3 8 2 和5 0 8 3 m g l 。 铅在体内可蓄积在骨骼之中，儿童对铅的吸收率要比成人高出四倍以上， 当人体摄入过量铅后，主要对血液、神经、消化和泌尿系统产生毒性效应【1 2 4 1 。 铜本身毒性很小，可引起皮炎，眼接触铜盐可发生结膜炎和眼睑水肿，严重 者可发生眼浑浊和溃疡【1 25 1 ，强烈地刺激胃、肠和呼吸道粘膜，接触铜还可 能损伤肝、肾及神经系统【1 2 6 1 。锌是人体必需微量元素之一，若缺锌会引起 侏儒症、糖尿病、高血压【1 2 7 1 ，还会影响儿童的智力发育。但长期暴露在含 锌环境中，会引起慢性锌中毒，如贫血、白血球减少、免疫力受损、体重减 轻 1 2 8 1 。 所以，处理矿山含镉废水不能仅仅考虑重金属c d 的去除效果，需综合 考虑立体生态净化床系统对废水中的多种重金属的净化能力。 3 1 试验设计、分析项目及方法 3 1 1 试验设计 依据试验2 ，选择吉祥草、吊兰、凤眼莲作为本次试验的供试植物，系 统编号及对应种植的植物如下表： 表3 - 1系统编号及对应植物 模拟矿山含镉废水的浓度为： 表3 - 2模拟矿山含镉废水重金属种类及浓度 进水：每个系统初次进水约8 0 l ， 路循环模式。水力负荷约o 8 1 2 m 3 d ， 系统运行采取依据水位自动进水的闭 水力负荷的波动与植物根系及系统中 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 2 页 废水总量有关。 补充废水：系统运行第3 d 、5 d 、8 d 、1 l d 补充混合废水2 0 l 。 水样采集：初始进水和补充废水取样检测其中实际c d 含量，考虑到系 统开始运行至运行1 2 h 时出水水质不稳定，本次试验在系统运行1 2 h 、1 d 、 2 d 、3 d 、5 d 、8 d 、1 l d 、1 5 d 时取样，第3 d 、5 d 、8 d 、1 1 d 取样后补充废水， 水样立即带回实验室检测p h 、c o d 、t p 、n h 3 - n ，部分水样过滤加酸保存在 冰箱中，待测c d 、p b 、c u 、z n 含量。 植物样品采集：系统运行前取样作为对照，系统运行1 d 、2 d 、4 d 、8 d 、 1 5 d 取样，带回实验室清洗烘干粉碎。 3 1 2 分析项目及方法 分析项目及方法参考章节2 4 2 。 3 2 结果与讨论 3 2 1 立体生态净化床系统对c o d 、t p 、n h 3 - n 的处理效果 本次试验周期内大棚温度范围为1 3 2 4 ，系统运行稳定。经过测试， 系统初始进水的c o d 、n h 3 n 、t p 分别为4 4 1 6 8 m g l 、2 9 2 9 5 m g l 、 4 2 5 6 m g l 。各系统对c o d 、n h 3 n 、t p 处理效果差异不大。增加处理时间， 不能很明显的提高污染物的去除率。系统出水可由弱酸性变成中性左右。 时间( h ) o2 04 06 08 0 o 1 0 02 0 03 0 0 时闻( h ) 图3 - 13 种系统对c o i ) 的去除效果 4 0 0 由图3 1 可知，3 种系统对c o d 的净化效果基本一致，当系统开始运行 至运行7 2 h 期间，s 3 凤眼莲的去除率均高于s l 吉祥草、s 2 吊兰。系统运行 o o o o o o 的 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 3 页 1 5 d 的c o d 去除率达到9 0 2 1 、9 0 4 9 、9 2 6 4 ，出水可达到城镇污水处 理厂污染物排放标准( g b l8 9 18 2 0 0 2 ) 一级a 标准，大大优于农田灌溉水对 c o d 的要求。 时同i h ) 01 02 03 04 05 06 07 08 0 o5 01 0 01 5 0 2 0 02 5 0 3 0 0 3 5 04 0 0 时问( h ) 图3 - 23 种系统对n h 。一n 的去除效果 分析图3 2 ，s 2 吊兰对n h 3 n 的处理效果最好，平均去除率可达8 5 9 3 ， s 1 吉祥草、s 3 风眼莲对n h 3 一n 的平均去除率分别为8 1 7 4 和7 5 4 3 。凤 眼莲对n h 3 n 的净化趋势符合试验2 4 出现的现象和规律。系统运行1 5 d 时， s 1 吉祥草、s 2 吊兰的出水n h 3 n 基本稳定在2 - 3 m g l ，己达到城镇污水处 理厂污染物排放标准( g b l8 9 18 2 0 0 2 ) 一级a 标准。s 3 凤眼莲对n h 3 - n 净化 效果较差，也可达到城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l8 9 18 - 2 0 0 2 ) 一级b 标准。 时阳h ) ol o：o3 04 05 06 0i o8 0 o5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 03 5 04 0 0 时闻( h ) 图3 - 33 种系统对t p 的去除效果 i盘巧巧加；0 一”暑i)手_：ilz 5 4 3 9 _ l o 一、一鲁v(1 j ， 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 4 页 图3 3 的数据显示，各系统出水t p 的含量呈现先下降然后上升再下降的 趋势。系统在运行3 d 内呈现下降趋势，第3 d 补充混合废水后，系统出水出 现波动上升，第1 1 d 补充废水后4 d 即系统运行至1 5 d 时，各系统出水中t p 的含量降到最低，分别为1 4 1 2 、1 0 2 7 、0 9 0 2 m g l ，相应的去除率分别为 6 6 8 2 、7 5 8 7 、7 8 8 l 。 3 2 2 立体生态净化床系统对模拟矿山含镉废水的处理效果 本次试验期间平均气温为1 0 1 8 ，系统运行稳定，植物没有出现明 显的中毒症状。经过实测，进水中c d 、p b 、c u 、z n 重金属的浓度分别为 0 3 0 4 6 m g l 、0 2 9 7 6 m g l 、0 3 0 6 5 m g l 、0 3 3 0 7 m g l 。模拟矿山含镉废水与 生活污水等比例混合，混合废水中重金属浓度应降至配制浓度的一半左右， 现实测浓度更低。究其原因，可能是生活污水中的部分悬浮物质对重金属有 吸附左右，或者是重金属离子与生活污水中的c 0 3 2 - 等络合生成不溶性沉淀 物，从而显示出混合废水中重金属浓度比计算值偏低。 当模拟矿山含镉废水在系统运行1 5 d 时，c d 去除率分别为9 5 7 8 、 9 6 4 8 、9 6 7 9 ，p b 的去除率分别为4 8 7 6 、3 4 2 5 、2 4 1 1 ，c u 的去除 率分别是5 6 2 6 、5 8 2 3 、4 7 9 0 ，z n 的去除率分别是8 4 1 2 、8 4 6 6 、 8 5 9 1 。系统对4 种重金属的去除趋势与c o d 等指标的去除趋势基本一致， 即废水在系统中运行1 2 - 2 4 h 即可达到基本处理效果，增加运行时间，并不能 显著的提高重金属的去除效果。 对闫( h ) 2 04 06 08 0 ol o o2 0 0 3 0 0 时间( h ) 图3 - 43 种系统对c d 的去除效果 4 0 0 从右上时间去除率图可知，s 1 吉祥草对c d 的去除效果较差，当系统运 篮卫埒jo m 0 m o 班o m 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 5 页 行3 d 时，出水中c d 浓度为o 0 1 7 6 6 m g l ，去除率为9 4 2 0 。同时，s 2 吊兰、 s 3 风眼莲对c d 的去除率可达9 5 3 3 、9 6 2 0 。当系统在第3 d 、5 d 、8 d 、 1 1 d 补充混合废水后，出水中c d 浓度在o 0 2 5 m g l 以下小幅波动，说明系统 具有一定的抗冲击性，对连续进水同样具有较好的处理效果。 o 5 o 4 警0 3 o 乱 0 2 o 1 时问h ) oi o2 c3 04 05 06 07 0s o o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 ：3 5 04 0 0 时闻( h ) 图3 - 53 种系统对p b 的去除效果 图3 5 显示，3 种系统对p b 的去除效果均不是很理想，系统出水水质出 现较大波动。系统运行3 d 时各系统对p b 的去除率分别为3 7 0 6 、2 8 2 5 、 2 3 7 2 ，其中s 1 吉祥草对p b 的净化效果最好，在系统补水后水质出现波动。 s 2 吊兰、s 3 风眼莲在3 d 内系统没有补充废水的情况下也出现8 1 0 的去 除率波动。 从图3 - 6 可得知，3 种系统对c u 的净化效果差异较大，其中s 1 吉祥草 对c u 的去除效果好于s 2 吊兰，s 3 凤眼莲的净化能力最差，系统运行1 5 d 时，各系统出水中c u 含量分别为0 1 3 4 m g l 、o 1 2 8 m g l 、0 1 6 0 m g l 。系统 运行3 d 时各系统对c u 的去除率分别是4 9 7 4 、4 8 8 6 、3 9 3 5 。 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 6 页 o 3 3 0 。2 8 0 2 3 专e j 0 1 8 o o 1 3 0 0 8 时船( h ) 01 02 03 04 05 06 0 7 08 0 01 0 02 0 0 3 0 04 0 0 时间( h ) 图3 6 3 种系统对c u 的去除效果 时闯( h ) 0i 02 03 05 0e o7 0s o 冈 l - - s - $ 2 i 兰圣l 05 0i 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 03 5 0 4 0 0 时间( h ) 图3 73 种系统对z n 的去除效果 图3 7 显示，各系统对z n 的净化趋势与c d 的净化趋势一致，即系统运 行1 2 2 4 h 即可达到基本处理效果，试验后期因补充废水导致出水水质出现小 幅波动。系统运行3 d 时z n 的去除率分别为7 9 5 0 、8 0 0 6 、8 2 6 5 ，当 系统运行至1 5 d 时，出水中z n 含量下降约0 o l m g l ，去除率仅提升3 2 4 9 左右。 3 2 3 供试植物各部位富集c d 、p b 含量 表3 - 3 的数据已扣除系统运行前植物相应部位的重金属含量。结果显示， 5 3 5 2 5 1 5 0 3 2 1 0 o 0 0 o o 0 0 、l鹭5=n 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 7 页 吉祥草、吊兰对p b 的富集量均大于对c d 的富集量，而凤眼莲表现出相反的 趋势，对c d 的富集效果好于对p b 的富集。相同进水条件下，凤眼莲对c d 、 p b 的富集效果最好，吉祥草对p b 的富集能力优于吊兰，而吊兰对c d 的富 集能力强于吉祥草。3 种供试植物对c d 、p b 的富集量没有表现出随着时间增 加而增加的趋势，而是呈上下波动状态，说明供试植物对c d 、p b 的吸收没 有达到平衡，仍然有增加的趋势，即该系统可在一定程度上对连续进水进行 处理。 表3 - 3供试植物各部位富集c d 含量及其b c f 糕 懂 删 辑 51 01 52 0 时问( d ) 图3 - 8供试植物对c d 的转运系数 了6 5 4 3 2 l 0 0 0 0 0 0 0 0 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 8 页 从表3 3 供试植物对c d 的富集量及富集系数及图3 8 供试植物对c d 的 转运系数可知，凤眼莲根部贮存c d 最多时可达11 4 6 1 7 m g k g ，是其茎叶部 分吸收c d 的6 5 8 3 倍，其转运系数仅为0 0 1 5 。说明凤眼莲根部对重金属的 净化具有促进作用，采用凤眼莲作为修复植物时，需将其根部完全收集，否 则，富集了大量重金属的根部腐败时会造成严重的二次污染。吊兰表现出对 c d 的良好富集能力，其富集系数最高时可达3 8 1 1 ，转运系数没有初步筛选 实验高，说明吊兰对c d 的吸收没有达到饱和状态。吉祥草是3 种供试植物 中对c d 的富集能力最低的植物，可能是由于吉祥草对c d 危害的耐性机制不 同于吊兰和风眼莲。 表3 - 4 供试植物各部位富集p b 含量及其b c f 表3 4 及图3 - 9 显示，凤眼莲对p b 的吸收同样是3 种供试植物中最好的， 其根部富集系数最高可达2 6 7 9 4 ，相应的p b 含量为7 9 7 3 2 m g k g ，地上部根 部的转运系数为0 1 7 。吉祥草根部对p b 的富集能力大于吊兰根部，其对p b 的富集量最高达4 2 3 0 1 m g k g ，富集系数为1 4 2 1 5 。3 种供试植物的转运系数 均 1 ，其中吊兰的转运系数均大于风眼莲，吉祥草的转运系数出现较大波动。 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第3 9 页 3 3 小结 图3 - 9供试植物对c d 的转运系数 本次试验主要研究了立体生态净化床系统对模拟矿山含镉废水的净化效 果，通过对进出水水质及净化床中植物的测试，可得出以下结论： ( 1 ) 本系统对c o d 、t p 、n h 3 一n 的处理效果良好，与试验2 4 得到的 结论一致，均可达到农田灌溉水质标准( g b5 0 8 4 9 2 ) 。 ( 2 ) 陈文慧【1 2 9 】研究了复合垂直流人工湿地对含镉废水的处理效果，进 水c d 浓度为3 0 m g l ，不同构型、不同植物的人工湿地对c d 的去除率均可 达9 3 以上。本系统运行1 5 d 时，3 组系统对c d 、p b 、c u 、z n 的平均去除 率分别为9 6 3 5 、3 5 7 1 、5 4 1 3 、8 4 9 0 ，说明立体生态净化床系统用 于处理矿山含镉废水具有可行性。可采取在系统中添加吸附剂或者多组系统 串联处理废水作为改进措旋。 ( 3 ) 本次试验对c d 的处理效果优于试验2 4 ，1 5 d 系统出水中c d 含量 基本可达到城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 。b l i s s ( 1 9 3 9 ) 最 早提出重金属复合污染的定义，即复合污染有拮抗作用、加和作用及独立作 用 1 3 0 】。k u o 1 3 1 1 发现z n 的存在增加莴苣体内c d 的蓄积，表明z n 与c d 存在 拮抗作用。而在针对春小麦、金针菇、紫花苜蓿的实验中，却发现z n 与c d 存在协同作用，在以水稻为实验对象时发现z n 、c d 具有加和作用。对凤眼 莲、吊兰、吉祥草的重金属富集机理及其重金属之间的交互作用研究尚少， 本次试验主要研究的是立体生态净化床系统对矿山含镉废水的处理效果，所 以不在机理层面进行探讨。 l 8 6 d 2 o o o 0 o 糕隋垭毒皋 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第4 0 页 ( 4 ) 本次试验3 组系统对铅的去除效果均不理想，究其原因，可能是系 统中没有添加任何基质，仅依靠植物对重金属的吸收就很有限。并且，重金 属在复合污染条件下对植物的毒害及其在土壤中的迁移转化，要比单一元素 的污染复杂得多。重金属元素之间的交互作用各类型的表现，与各种重金属 在环境中的浓度及其组合关系、作物的种类、作物的部位和暴露方式等因素 密切相关，但有关的生态过程及其微观机理并不清楚【1 3 2 j 。 ( 5 ) 吉祥草、吊兰对模拟矿山含镉废水的处理效能没有凤眼莲效果好， 但是吉祥草、吊兰均是多年生观叶植物，可依据长势进行割刈，促进其新叶 生长，这样可在一定程度上免去人工湿地更换植物的繁琐。 西南科技大学工程硕士研究生学位论文第4 l 页 4 多植物立体生态净化床系统对模拟矿山含镉废水 的处理效果 以上试验均在立体生态净化床系统