關(guān)正義 任 珺,2* 趙乾程 閆 潔 王玉君

（1蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院環(huán)境生態(tài)研究所甘肅蘭州7300702蘭州坤侖環(huán)保科技有限公司甘肅蘭州730070）

廢水中Pb在不同人工濕地基質(zhì)中的形態(tài)變化

關(guān)正義1任 珺1,2*趙乾程1閆 潔1王玉君1

（1蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院環(huán)境生態(tài)研究所甘肅蘭州7300702蘭州坤侖環(huán)保科技有限公司甘肅蘭州730070）

控制水力停留時間為0.5h，將不同濃度（10 mg/ L、20 mg/L、40 mg/L、80 mg/L、160mg/L）的含Pb2+廢水均勻通過濕地系統(tǒng)處理，濕地填料分別為以粉煤灰、污泥、黃土、細煤渣、礫石和細沙為原料人工配置的5種不同的基質(zhì)（SSFGF、FSSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF）。實驗結(jié)果顯示：SSFGF的去除效果最佳，去除率保持在80%以上最高可達93%；Pb主要以殘渣態(tài)穩(wěn)定的賦存于基質(zhì)中，且隨著基質(zhì)類型的不同賦存的各形態(tài)Pb的含量之間存在著顯著差異。

人工濕地；基質(zhì)類型；Pb；形態(tài)

1 引言

人工濕地是一類人工建造、模仿自然濕地的綜合性生態(tài)體系[1]。由于其投資少，效率高，處理效果穩(wěn)定，運行費用低，維護方便且有良好的景觀效果，近年來在生活污水、酸礦廢水和重金屬廢水等的處理中人工濕地系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注[2-8]。廢水中的重金屬主要有汞、鉻、鉛、鎘、鋅、鎳、銅、鈷、錳、鈦、釩和鉍等[9]。其中含鉛廢水對環(huán)境的影響尤為嚴重，可滲透到土壤中，污染河流，破壞土壤生態(tài)，影響作物的生長和生物種群的繁衍[10]。人工濕地主要是通過系統(tǒng)中植物、基質(zhì)和微生物利用物理、化學(xué)和生物三重協(xié)同作用實現(xiàn)對污水的凈化作用[11]。如果工程設(shè)計不合理，特別是不合理的選用和配置基質(zhì)與植物，就會存在著去除率低，使用壽命短等問題[12,13]。因此，本文主要從人工濕地基質(zhì)材料的配置出發(fā)，研究5種人工濕地基質(zhì)對重金屬Pb的凈化效果，旨在探索不同材料的人工濕地的基質(zhì)的最佳組合，為我國應(yīng)用人工濕地處理含重金屬的廢水提供理論依據(jù)和實踐參考。

2 材料與方法

采用粉煤灰、污泥、黃土、細煤渣、礫石和細沙6種物質(zhì)作為人工濕地基質(zhì)的原料，每次取其中5種按體積比為1：1：1：1：1的比例進行混合均勻配置成5種不同的濕地基質(zhì)。分別為SSFGF（污泥、黃土、細煤渣、礫石和細沙）、FSSGF（粉煤灰、污泥、細煤渣、礫石和細沙）、FSSFF（粉煤灰、污泥、黃土、礫石和細沙）、FSSFG（粉煤灰、污泥、黃土、細煤渣和礫石）和FSFGF（粉煤灰、污泥、黃土、細煤渣和礫石）。將配置好的5種基質(zhì)分別填裝到5個垂直流人工濕地單元中。

向已經(jīng)填裝好基質(zhì)的濕地池內(nèi)，連續(xù)進一段時間生活污水，待其運行穩(wěn)定后停止進生活污水改進含鉛廢水進行重金屬去除實驗?？刂七M出水流速保持水力停留時間為0.5h，分別進入已配制含Pb（Pb(NO3)2，AR）濃度分別為10 mg/L，20 mg/L，40 mg/L，80 mg/L，160 mg/L鉛廢水，待出水穩(wěn)定后取出水水樣，和人工濕地池中的基質(zhì)沉積土樣待測，重復(fù)6次。實驗中每處理完一個濃度的鉛廢水后，挖出基質(zhì)重行填入新基質(zhì)，改變鉛廢水濃度，重復(fù)上述實驗操作。采用Tessier單一連續(xù)提取法，提取處理含Pb2+廢水后基質(zhì)中賦存的Pb的5個形態(tài)（可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)），利用電感耦合等離子發(fā)射儀（ICP-AES）測定基質(zhì)中賦存的Pb的各形態(tài)含量；同時采用原子吸收光譜儀測定出水水樣中Pb的含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 人工濕地基質(zhì)類型對Pb去除率的影響

方差分析與多重比較結(jié)果表明，各基質(zhì)對廢水中Pb2+都有良好的去除效果，低濃度（10 mg/L、20 mg/L和40 mg/L）下各基質(zhì)對Pb的去除率高于高濃度（80 mg/L和160 mg/L）下的去除率；相較其他4種基質(zhì)SSFGF對廢水中Pb的去除效果最好，各濃度下去除率保持在80%以上，最高可達93%；并且隨著基質(zhì)類型的不同去除率存在著顯著差異。當(dāng)含Pb2+廢水濃度為10mg/L、20 mg/L和40 mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)之間的去除率存在著較顯著的差異；80 mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)之間的去除率存在著極顯著的差異；160mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)之間的去除率存在著顯著的差異（表1）。

表1 基質(zhì)類型對Pb2+的去除率的方差分析與多重比較

3.2 基質(zhì)類型與基質(zhì)中賦存Pb的各形態(tài)含量的方差分析與多重比較

重金屬的5個化學(xué)形態(tài)中，可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)在一定條件可以被植物直接吸收利用，殘渣態(tài)很難被植物吸收利用。本文主要對此3個形態(tài)進行分析。

當(dāng)含Pb廢水濃度為10mg/L、20mg/L、80mg/L和160mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)中賦存的Pb的可交換態(tài)含量之間存在著極顯著差異（p<0.001）；40mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)中賦存的Pb的可交換態(tài)含量之間存在著顯著差異（p<0.05）。

圖1 基質(zhì)類型與基質(zhì)中可交換態(tài)Pb含量的方差分析與多重比較

當(dāng)含Pb廢水濃度為10mg/L，F(xiàn)SSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量沒有顯著差異，但是SSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量顯著高于FSSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量；當(dāng)含Pb廢水濃度為20mg/L，F(xiàn)SSGF、FSSFF和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著低于FSSFG和SSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量；當(dāng)含Pb廢水濃度為160mg/L，SSFGF和FSSGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量沒有顯著差異，F(xiàn)SSFF和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量沒有顯著差異，但是SSFGF和FSSGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量顯著高于FSSFF和FSFGF中賦存的Pb的可交換態(tài)含量，顯著低于FSSFG中賦存的Pb的可交換態(tài)含量（見圖1）。

當(dāng)含Pb廢水濃度為10mg/L、20mg/L、40mg/L、80mg/L和160mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量之間存在著極顯著差異（p<0.001）。當(dāng)含Pb廢水濃度為10mg/ L，F(xiàn)SSGF、FSSFF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著低于SSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量；當(dāng)含Pb廢水濃度為40mg/L，F(xiàn)SSGF、FSSFF和FSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著低于SSFGF和FSSFG中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量；當(dāng)含Pb廢水濃度為160mg/L，F(xiàn)SSGF、FSSFF和FSSFG中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量沒有顯著差異，SSFGF和FSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量沒有顯著差異，但是SSFGF和FSFGF中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量顯著高于FSSGF、FSSFF和FSSFG中賦存的Pb的碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量（見圖2）。

圖2 基質(zhì)類型與基質(zhì)中碳酸鹽結(jié)合態(tài)Pb含量的方差分析與多重比較

當(dāng)含Pb廢水濃度為10mg/L、20mg/L、40mg/L、80mg/L和160mg/L時，基質(zhì)類型的不同基質(zhì)中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量之間存在著極顯著差異（p<0.001）。當(dāng)含Pb廢水濃度為10mg/L，SSFGF，F(xiàn)SSGF和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著高于FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量，顯著低于FSSFG中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量；當(dāng)含Pb廢水濃度為20mg/L，F(xiàn)SSGF和FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，F(xiàn)SSFG和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，但是FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量顯著高于FSSGF和FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量，顯著低于SSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量；當(dāng)含Pb廢水濃度為40mg/ L，F(xiàn)SSGF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著高于FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量，顯著低于SSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量；當(dāng)含Pb廢水濃度為80mg/L，SSFGF、FSSGF、FSSFG和FSFGF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量沒有顯著差異，但是顯著高于FSSFF中賦存的Pb的殘渣態(tài)含量（圖3）。

總之，處理同一濃度Pb2+廢水后，不同基質(zhì)內(nèi)賦存的各形態(tài)的Pb含量之間存在著顯著差異性；并且各濃度SSFGF中賦存的Pb的各形態(tài)的含量相較其他4中基質(zhì)中的賦存量都較高，說明廢水中Pb被SSFGF吸附攔截的量更多，SSFGF對Pb的去除效果更好。

圖3 基質(zhì)類型與基質(zhì)中殘渣態(tài)Pb含量的方差分析與多重比較

3.3 廢水濃度對基質(zhì)中賦存Pb的形態(tài)變化趨勢影響

大量研究結(jié)果表明，重金屬污染土壤的改良和凈化重要目標(biāo)之一就是要使土壤重金屬盡可能向殘渣態(tài)方向轉(zhuǎn)化[14]。數(shù)據(jù)顯示，各處理中5種基質(zhì)內(nèi)賦存的Pb的可交換態(tài)含量所占百分比最小，平均值為8%；殘渣態(tài)含量所占百分比最大，平均值為40%。隨著廢水濃度的升高，5種基質(zhì)內(nèi)賦存的Pb的可交換態(tài)含量百分比變化不明顯在平均值附近作微小變化；但是5種基質(zhì)內(nèi)賦存殘渣態(tài)含量百分比隨廢水濃度的增加變化存在顯著差異。SSFGF中殘渣態(tài)所占百分比隨廢水濃度的升高基本保持不變；FSSGF中殘渣態(tài)所占百分比隨廢水濃度的升高呈先減小后增大趨勢；FSSFG和FSFGF處理中低濃度（10、20和40 mg/L）處理下殘渣態(tài)所占百分比較高，高濃度（80mg/L和160 mg/L）處理下殘渣態(tài)所占百分比較低（圖4）。

圖4 不同基質(zhì)中賦存Pb的形態(tài)變化

4 結(jié)果與討論

濕地系統(tǒng)對重金屬污染的去除效果良好，Pb、Zn、Cu和Cd經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)后很大一部分被吸附攔截于濕地基質(zhì)中，去除率分別達93.98%、97.02%、96.87%和96.39%,出水水質(zhì)接近農(nóng)灌標(biāo)準(zhǔn)[15-17]。這與本實驗結(jié)果相符，人工濕地基質(zhì)對廢水中重金屬Pb具有良好的去除效果，含Pb2+廢水經(jīng)過5基質(zhì)處理后，大部分的Pb被吸附攔截賦存于基質(zhì)中，尤其是基質(zhì)SSFGF對廢水中Pb的去除效果最好，各濃度下去除率保持在80%以上，最高可達93%。

不同基質(zhì)類型其各項物理指標(biāo)（含水率、保水率、孔隙度、比表面積等）不同，賦存的陽離子種類及數(shù)量不同，生活在其中的微生物種類及數(shù)量也不同，導(dǎo)致基質(zhì)的吸附、沉淀、陽離子交換能力以及微生物的降解能力存在差異。這可能是導(dǎo)致不同基質(zhì)類型之間對含Pb廢水的去除率存在顯著差異的主要因素。

譚長銀等[18]和竇磊等[19]研究表明濕地基質(zhì)對重金屬的去除是通過物理、化學(xué)以及微生物的三重協(xié)同作用完成的，基質(zhì)對重金屬去除的三種作用強弱主要取決于基質(zhì)類型、微生物種類和數(shù)量。馮沖凌等[20]認為由于生長繁殖的需要，微生物會從外界吸收或吸附所需的重金屬到細胞內(nèi)；有些細菌在生長過程中可以釋放某些蛋白質(zhì)，能使溶液中的可溶性重金屬轉(zhuǎn)化為沉淀。這可能與基質(zhì)中賦存的Pb主要以殘渣態(tài)存在的現(xiàn)象之間存在著一定的相關(guān)性。

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任珺（1968—），男，甘肅省張掖市人，蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院教授，博士，博士生導(dǎo)師。主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。