人工濕地處理電鍍廢水研究進展
前言
人工濕地是模擬自然濕地的一個綜合人工生態系統,其根據水流情況不同分為表面流濕地、潛流濕地和立式流濕地。目前人工濕地在城市污水處理、生活污水處理、自來水廠進水水質處理、乳制品廢水處理、鐵礦酸性排放水處理、炸藥車間排放水處理、養殖廠廢水處理、酒店污水處理、造紙廢水處理、煤礦污水處理、污水深度處理、含重金屬污水處理等方面都得到了較廣泛的應用[1-12]。近年,利用人工濕地處理電鍍廢水逐漸引起了一些學者的注意[13-16],并在一些電鍍車間的廢水處理中得到應用[17]。
1·人工濕地處理電鍍廢水的機理
通常來說,人工濕地由基質、水體、水生植物、好氧或厭氧微生物種群及水生動物等5部分組成,各組成成分分別起著不同的作用。人工基質為微生物的生長提供穩定的依附表面,為水生植物提供載體和營養物質,并通過一些物理和化學途徑凈化污水;水生植物除直接吸收利用污水中的營養物質及吸附、富集一些有毒有害物質外,還有輸送氧氣到根區和維持水力傳輸的作用;微生物的代謝作用是污水中有機污染物降解的主要機制。同時他們相互聯系,互為因果,形成一個系統。廢水在人工基質縫隙中流動或在床體的表面流動,可以在床的表面種植具有污水處理機能好、成活率高、抗水性能強、生長周期長、美觀及具有經濟價值的水生植物。當廢水流經時,固體物被人工基質及植物根系阻攔截留,有機質通過生物膜的吸附、同化及異化作用而得以去除。因濕地植物根系對氧的傳遞釋放,濕地床層及其周圍的微環境中依次呈現出好氧、缺氧和厭氧狀態,有利于硝化、反硝化作用及微生物對磷的過量積累作用,達到除氮磷的效果。最后通過濕地基質的定期更換或植物收割使污染物質最終從系統中去除。普通污水中不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用,可以很快地被截留而被微生物利用;污水中可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程被分解去除。
研究表明,廢水中重金屬在人工濕地中得到有效凈化的主要機理是共沉淀、化學吸附、植物吸收以及微生物和動物的協同作用,因而人工濕地中的填料、植物、微生物和動物在重金屬廢水處理中具有舉足輕重的地位。
2·人工濕地在我國電鍍廢水處理中的應用
孫和和[13]以經化學沉淀法處理后的電鍍廢水為研究對象,通過潛流人工濕地系統,對其處理電鍍廢水的效果和去除途徑進行研究。結果表明:潛流人工濕地對電鍍廢水的處理效果是顯著的, Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除率達到65 %~80 %左右,其中Cu2+的去除率最高。比較3個潛流人工濕地的處理效率,有植物系統>無植物系統>滅菌系統。在實驗初期, 3個系統對Cr(Ⅵ), Zn2+,Mn2+,Cu2+均具有很高的去除效率,可見人工濕地對重金屬的去除機理主要是通過基質吸附、植物吸收及重金屬本身沉降等綜合作用的結果,且基質吸附的作用最大。孫和和同時對人工濕地處理電鍍廢水的主要影響因素進行了考察,發現水力負荷、進水的質量濃度及回流對潛流人工濕地處理電鍍廢水有一定的影響。隨著水力負荷的降低,Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除率呈現先升高后下降的趨勢,當水力負荷為0.27 m3/(m2·h)時,去除率達到最大。電鍍廢水進水的質量濃度越低,潛流人工濕地對Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的處理能力越強,但相對于進水的質量濃度的劇烈變化,Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除率的變化不大。通過回流措施能夠有效提高潛流人工濕地對電鍍廢水的去除效率。
孫和和研究了潛流人工濕地不同區域對電鍍廢水的去除特性。結果表明:潛流人工濕地對Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除主要是在距進水口35~45 cm處及距床底30 cm的深度以下。
孫和和采用人工配置電鍍廢水模擬實驗,在實驗測定的基礎上對人工濕地去除電鍍廢水中Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的動力學模型進行探討。結果表明:一級動力學模型可以較好地模擬潛流人工濕地對Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除規律。孫和和采用垂直流-水平潛流復合人工濕地對金華清湖電鍍廠排放的電鍍廢水進行深度處理。結果表明:復合人工濕地對電鍍廢水的凈化效果非常顯著,處理后Zn2+,Cu2+,Mn2+,Cr(Ⅵ)的去除率達到70 %~88 %之間,COD的去除率為60 %左右。
其中,Cu2+,Mn2+和COD出水均符合《污水綜合排放標準》的一級標準,而Zn2+,Cr(Ⅵ)并未達到標準。復合人工濕地對電鍍廢水中重金屬的去除效率存在一個最適宜的處理時間,過短或過長都不利于污染物的去除。水力負荷對COD的去除效果的影響較大,對Zn2+,Cu2+,Mn2+,Cr(Ⅵ)的影響較小。
李星等[14-15]通過建立人工濕地系統來處理經金華清湖電鍍廠預處理后的電鍍廢水。結果表明:該系統是一個穩定的自適應系統,對電鍍廢水的凈化效果相當明顯;對COD的去除率超過58 %,對懸浮物的去除率超過90 %,對Cr(Ⅵ),Zn2+,Fe3+,Mn2+,Ni2+,Cu2+等重金屬離子的凈化效果較好,其去除率大小依次為Zn2+>Cr(Ⅵ)>Fe3+>Cu2+>Ni2+>Mn2+,出水能達標排放。李星同時也對重金屬的去除途徑進行了分析。結果表明:植物吸收、微生物降解和基質物理化學吸附作用是復合人工濕地系統去除重金屬的主要途徑。通過對人工濕地剖面分析,發現重金屬主要富積于上層基質。植物對電鍍廢水的凈化和修復,因植物種類、部位、生物量、重金屬種類等而不同。一級濕地中水葫蘆對電鍍廢水的凈化和修復效果強于稗草;二級濕地中藨草、美人蕉對電鍍廢水的凈化和修復效果最好。通過分析,二級濕地植物優勢明顯,其中藨草、美人蕉、黃菖蒲、千屈菜是值得推薦的修復中、低質量濃度的電鍍廢水的優勢種。在污染物負荷較高的一級濕地,應盡可能選用多種抗逆性強的濕地植物品種組合栽植。在研究過程中還發現,在冬季,人工濕地處理系統易出現植物枯萎死亡或生長休眠而導致功能下降的現象,而選用冬季生長旺盛的植物類型,可有效維持和提高濕地處理電鍍重金屬廢水的效果。因此通過水培法研究了黑藻、水芹、燈心草、石菖蒲、鵝觀草在不同稀釋倍數的模擬電鍍廢水(含Cr(Ⅵ),Zn2+,Fe3+,Mn2+,Ni2+,Cu2+)中的耐性和吸收積累的差異。綜合分析,水芹最適于冬季修復中、低質量濃度的電鍍廢水,石菖蒲、黑藻、燈心草次之,鵝觀草修復能力最差。利用傅立葉紅外光譜技術探尋水芹對電鍍廢水中重金屬的吸收和積累機理的研究表明:水芹器官各組分吸附重金屬前后的峰形基本不變,只有某些參與重金屬吸附的官能團(如羥基、羧基、酰胺基等)的吸收峰發生了不同程度的位移。水芹對重金屬的耐性有一個界限,當超過此界限,植物會受到傷害,如水芹在處理高濃度重金屬時,其不同器官紅外光譜的某些特征峰的吸光值迅速降低,也可間接反映溶液中重金屬的濃度過高,抑制了其吸收積累重金屬的能力。采用FTIR法鑒別水生植物對重金屬的處理比采用常規方法更具代表性,為植物修復的開展提供了有力的證據支持。對于濕地常見外來入侵植物(如水花生、水葫蘆),對重金屬離子都有一定的耐受性,并有不同程度的吸收。水花生對電鍍廢水中重金屬的去除效率為Zn2+>Fe3+>Cu2+>Cr(Ⅵ)>Ni2+>Mn2+,水葫蘆對電鍍廢水中重金屬的去除效率為Cu2+>Zn2+>Fe3+>Cr(Ⅵ)>Mn2+>Ni2+。綜合分析兩種植物的生長、生理及對重金屬的去除能力,發現水葫蘆比水花生更適用于電鍍廢水修復。
陶笈汛[16]通過水培實驗研究了李氏禾對廣西北部某電鍍工業區產生的電鍍廢水中重金屬的去除效果。結果表明:李氏禾能夠有效去除電鍍廢水中的重金屬,Cr(Ⅵ),Cu2+,Ni2+的去除率隨著電鍍廢水中重金屬的質量濃度的降低而升高,最高分別可達93.49 %,96.84 %和93.06 %。李氏禾對電鍍污泥中重金屬的吸收和積累實驗結果表明:該植物對電鍍污泥中的Cr(Ⅵ),Cu2+,Ni2+具有很強的耐受和富集能力,將其應用于濕地系統中能夠持續有效地將基質中的重金屬轉移到地上部組織中。研究者同時對水力負荷和進水的質量濃度對李氏禾人工濕地處理電鍍廢水效果的影響進行了實驗研究。結果表明:隨著水力負荷的降低,濕地系統對電鍍廢水中重金屬的去除率呈現先上升后下降的趨勢,當水力負荷為0.15 m3/(m2·d)時達到最高;電鍍廢水進水的質量濃度越低,濕地系統對電鍍廢水中重金屬的去除能力越強。
劉鵬等[17]設計了垂直流人工濕地和水平潛流人工濕地立體組合結構,用于鍍鋅電鍍廢水的處理,進水水質的pH值為3.48,Cr(Ⅵ) 22.77 mg/L,Zn2+15.44 mg/L,Fe3+40.69 mg/L,Mn2+20.33mg/L,懸浮物165 mg/L;種植植物為水稻、水葫蘆、水芹菜、千屈菜、藨草、蘆葦、花葉美人蕉、黃菖蒲等。結果表明:利用該系統處理后的電鍍廢水,水質pH值為6.8,Cr(Ⅵ),Zn2+,Fe3+,Mn2+等的去除率達到80 %,懸浮物去除率為77 %,日處理污水量為5 t,處理效果良好,達到國家地表水二類水標準。
3·人工濕地處理電鍍廢水的幾個關鍵問題
(1)適宜的植物-基質-重金屬污染物組配,主要表現在不同電鍍廢水中所含重金屬種類不同,需要選配合適的植株和人工濕地基質與之相適應。一般情況下,植物從當地物種中選擇,選取根系發達,抗逆性強,具有一定經濟價值或觀賞性的植株,植株應該組合選配,實現多種重金屬的去除。理想的植物應具有生長快,生物量大,抗病蟲害,能夠在植物體內積累高質量濃度的重金屬或在植物表面進行大量吸附、固定,同時能夠積累幾種重金屬的植株。
(2)基質填料的選擇,不僅要考慮基質對植株生長的影響,同時要考慮到基質對濕地微生物種群的影響,要選擇利于植株生長和對重金屬起去除作用的微生物生長的基質。
(3)可以采用多種人工濕地系統組合的方法,提高處理效率。
4·人工濕地處理電鍍廢水的前景展望
人工濕地由于具有很低的投資運行費用、良好的處理效果和顯著的生態效益等優點,必將成為電鍍廢水處理的重要技術。
目前我國在利用人工濕地系統處理電鍍廢水方面的研究尚處于起步階段,對機理的認識不足,對電鍍廢水處理效率的影響因素尚缺少深入的研究。這些不足是目前急需解決的問題。
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