一种协同复合填料富集与植物高效净化重金属废水的方法
【专利摘要】本发明涉及一种协同复合填料富集与不同生活型水生植物组合配置高效净化低浓度重金属废水的生态治理方法，具体即采用砾石、天然沸石和改性沸石配比的复合填料与挺水植物构建人工湿地，并与生态浮床和水生植物塘进行组合串联高效净化重金属污染废水，收集净化处理后的植物用于制作生物炭。
【专利说明】一种协同复合填料富集与植物高效净化重金属废水的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种协同复合填料富集与不同生活型水生植物组合配置高效净化低浓度重金属废水的方法，具体即采用砾石、天然沸石和改性沸石配比的复合填料与挺水植物构建人工湿地，并与生态浮床和水生植物塘进行组合串联高效净化重金属污染废水，收集净化处理后的植物用于制作生物炭。本方法属于环境保护技术的水污染控制【技术领域】。
【背景技术】[0002]随着工业化和城市化进程的不断加快，我国重金属污染亦呈愈演愈烈之势。近年来我国的重金属环境污染事件频繁发生(如2009年环保部共接报12起重金属污染事件，这些事件致使4035人血铅超标、182人镉超标，引发32起群体性事件)，特别是镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)等污染日益凸显，造成区域性的农田土壤和水体生态系统的严重污染，这不仅严重威胁居民的健康，而且造成了恶劣的社会影响，严重影响和谐社会建设，已成为国家实施可持续发展战略的重要瓶颈。目前重金属污染治理技术主要包括化学沉淀法、氧化还原法、离子交换法、电化学法、膜分离技术、蒸发和凝固法、溶剂萃取法、反渗透法和电渗析法等[1-4]。然而，对于低浓度重金属废水或微污染水体，这些方法具有治理费用高，操作难且效率低的缺点，而且还会产生大量污泥造成二次污染[4-6]。新兴的植物修复技术是一种利用自然生长或遗传培育植物来修复重金属污染水体或重金属废水的技术。因其经济、高效和环保，受到越来越多的重视，具有很高的发展前景[7，8]，目前已有相关的大量研究。国内外的一些学者对凤眼莲(AicAAoraia美人蕉、水浮莲、香蒲、蕹菜、水花生、光叶眼子菜(/? tamogeton Iucens )、黑藻iHydriIla verticiIla ta )、穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatuin)、金兔嚴 WeratophyIIum demersum)等水生植物去除重金属的能力、特征参数和影响因素等进行了实验研究[9-15]。此外，一些学者还进一步探讨了水生植物对重金属的耐受性及生理响应[16-18]，并对水生植物吸附/吸收重金属的机理和迁移代谢机制进行了较为深入、系统的研究[19-23]。在修复工程的应用研究方面，主要采用了人工湿地技术和生物塘工程[24-28]。综上所述，目前的相关研究主要针对富集植物的筛选与耐受性、影响因素和净化机制等方面，而相关工程化的技术应用仅局限于单一的人工湿地技术或生物塘工程，缺乏针对不同生活型水生植物进行组合高效净化的系统研究。特别是对于植物吸收富集重金属后的资源化及其二次污染防治技术研究还极为欠缺。
[0003]参考文献:
[1]Keskinkan O, Goksu MZL, Basibuyuk M, Forster CF.Heavy metal adsorptionproperties of a submerged aquatic plant {CeratophylIum demersum) [J].Bioresource Technology 2004, 92: 197—200.[2]Yan CZ, Wang SR, Zeng AY, et al.Equilibrium and kinetics of copper (II)biosorption by Myriophyllum spicatum L [J].Journal of Environmental Sciences2005， 17: 1025-1029.[3]杨正亮，冯贵颖，呼世斌，等.水体重金属污染研究现状及治理技术[J].干旱地区农业研究2005，23(1): 219-222.[4]张永锋，许振良.重金属废水处理最新进展[J].工业水处理2003，23(6):
1-5.[5]王文华，冯咏梅，常秀莲，等.玉米芯对废水中铅的吸附研究[J].水处理技术 2004，30(2): 95-98.[6]王建龙，陈灿.生物吸附法去除重金属离子的研究进展[J].环境科学学报2010，30(4): 673-701.[7]Weis JSj Weis P.Metal uptake, transport and release by wetlandplants:1mplications for phytoremediation and restoration [J].EnvironmentInternational 2004，30: 685—700.[8]曾阿妍，颜昌宙，金相灿，等.金鱼藻对铜的生物吸附特征研究.中国环境科学 2005，25(6): 691-694.[9]Wang TC，Weissman JCj Ramesh Gj et al.Parameters for removal oftoxic heavy metals by water milfoil {Myriophyllum spicaturn) [J].Bulletin ofEnvironmental Contamination and Toxicology 1996， 57:779-786.[10]Schneider IAHj Rubio J，Smith RW.Effect of some mining chemicals onbiosorption of Cu (II) by the non-living biomass of the freshwater macrophytePotamogeton lucens [J].Mineral Engineering 1999，12: 255-260.[11]Schneider IAHj Rubio J.Sorption of heavy metal 1ns by the nonlivingbiomass of freshwater macrophytes [J].Environmental Science and Technology1999， 33: 2213-2217.[12]Cardwell AJj Hawker DWj Greenway M.Metal accumulation in aquaticmacrophytes from southeast Queensland, Australia.Chemosphere 2002， 48:653-663.[13]Robinson B，Kim N，Marchetti M，et al.Arsenic hyperaccumulation byaquatic macrophytes in the Taupo Volcanic Zone, New Zealand [J].Environmentaland Experimental Botany 2006，58: 206-215.[14]张发文.利用水生植物修复大厂矿田库区内含重金属废水的试验研究[R].南昌:江西理工大学硕士论文.2006.[15]Peng KJ, Luo CL, Lou LQ, et al.Bioaccumulation of heavy metals by theaquatic plants Potamogeton pectinatus L.and Potarnogeton malaianus Miq.andtheir potential use for contamination indicators and in wastewater treatment[J].Science of the Total Environment 2008，392: 22-29.[16]颜素珠，梁东，彭秀娟.8种水生植物对污水中重金属:铜的抗性及净化能力的探讨[J].中国环境科学1"0，10 `( 3): 166- 170, 104.[17]谷巍，施国新，张超英，等.Hg2+、Cd2+和Cu2+对菹草光合系统及保护酶系统的毒害作用[J].植物生理与分子生物学学报2002，28(1): 69-74.[18]王忠全，温琰茂，黄兆霆，等.几种植物处理含重金属废水的适应性研究[J],生态环境 2005，14(4): 540-544.[19]Nurbas MN, Kilicarslan S，Ilhan S.Biosorption of Cr6+, Pb2+ and Cu2+ions in industrial wastewater on Bacillus sp.[J].Chemical Engineering Journal2002， 85: 351-355.[20]Fritioff A, Greger M.Uptake and distribution of Zn, Cu, Cd, and Pb inan aquatic plant Potamogeton natans.Chemosphere 2006, 63: 220-227.[21]Yan CZ, Li GX, Xue PY, et al.Competitive effect of Cu(II) and Zn(II)on the biosorption of lead(II) by Myriophyllum spicatum.Journal of HazardousMaterials 2010, 179:721 - 728.[22]Xue PY, Li GX, Liu WJ, et al.Copper uptake and translocationin asubmerged aquatic plant HydriIla verticillata (L.f.) Royle.Chemosphere, 2010,81: 1098-1103.[23]薛培英，李庆召，颜昌宙，等.黑藻吸附铜离子机制研究[J].环境科学2011，32(6): 1614-1619.[24]黄淦泉，杨昌凤，靳立军，等.人工湿地处理重金属Pb、Cd污水的机理探讨[J].应用生态学报 1993，4( 4): 456 - 459.[25]阳承胜，蓝崇钰，束文圣.重金属在宽叶香蒲人工湿地系统中的分布与积累[J].水处理技术 2002，28 ( 2): 101-114.[26]沈晴，解庆林，王敦球.三种处理重金属废水的生物方法[J].广西科学院学报 2005，21 (2): 122-126.[27]Domingos S， Dallas S， Germain M, et al.Heavy metals in a constructedwetland treating industrial wastewater: distribution in the sediment andrhizome tissue [J].Water Science and Technology 2009, 60 (6):1425-1432.[28]Arroyo P, Ansola G, De Luis E.Effectiveness of a full-scaleconstructed wetland for the removal of metals from domestic wastewater [J].Water, Air, and Soil Pollution 2010，210 (1-4): 473-481.
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种协同复合填料富集与不同生活型水生植物组合配置高效净化低浓度重金属废水的方法，同时资源化利用净化处理后的水生植物并减缓其潜在的二次污染问题。
[0005]即采用砾石、天然沸石和改性沸石配比的复合填料与挺水植物构建人工湿地，并与生态浮床(湿生或陆生植物)和水生植物塘(浮叶和沉水植物)进行组合串联高效净化重金属污染废水，收集净化处理后的植物用于制作生物炭，具体步骤如下:· 本处理系统可分为人工湿地、生态浮床和水生植物塘三个处理单元。人工湿地中，砾石、天然沸石、改性沸石的配比为3: I: I，下部5 cm填充粒径10-20 mm砾石，上部填充粒径5-8 mm天然沸石和粒径2_4_改性沸石，填料层的平均孔隙率约为35%。
[0006]水生植物筛选与配置:在人工湿地中，栽培3种挺水植物，分别是:美人蕉、石菖蒲和香蒲，栽种比例为美人蕉:石菖蒲:香蒲=3: 2:1 ;生态浮床栽种两种湿生植物旱伞草和菖蒲，栽种比例为旱伞草:菖蒲= 1:1。水生植物塘中主要栽种有凤眼莲、大藻、黑藻和狐尾藻等浮叶植物和沉水植物等，凤眼莲:大藻:黑藻:狐尾藻=2:1: 2:1。
[0007]沸石改性方法:盐(NaCl)改性，以每30 g沸石为一个质量单位，室温下在500 mL浓度为1.0 mol/L的NaCl中，60°C水浴120rpm振动处理24 h，用蒸馏水洗至中性，洗净后于105 °C下干燥2h。沸石粒径都是2-4mm。
[0008]湿地植物生物碳制备方法:净化处理后植物体用自来水清洗干净，在室温下自然风干，剪成小片，并在70-80 1:供箱中过夜干燥，保存于干燥器中，备用。生物炭的制备采用限氧升温炭化法(Cheng C, Lehmann J.Ageing of black carbon along a temperaturegradient [J], Chemosphere 2009, 75(8): 1021-1027.)。具体为:称取 50 g处理好的植物样品于刚玉管中，置于约500°C的真空管式炉中炭化1.0 h，经冷却至室温后取出。整个过程中始终保持氮气氛围。
【具体实施方式】
[0009]将重金属废水或受重金属污染的水体引入本处理系统,通过控制水流速度使其在人工湿地、生态浮床、水生植物塘3个处理单元的水力停留时间分别为4 d、3 d和3 d。水生植物的收集与管理:挺水植物和湿地植物按生长季进行收集清理；浮叶植物10~20 d打捞一次；沉水植物6-8 d打捞一次。收集后的植物用于制作生物炭。对于低浓度重金属废水和重金属污染的水体(Cu ( 10 mg/L, Pb ( 0.5 mg/L, Cd ( 0.lmg/L)效果是，Cu去除率可达95%以上，Pb、Cd去除率可达97%以上，使水质达到地表水环境质量标准中规定的要求，可以用作农业用水及 景观用水。本方法成本低，处理系统所用植物易得，运行过程不耗能，操作简单、易管理。
[0010]利用湿地植物制备的生物炭具有高比表面积、孔隙率和离子交换能力，可以作为土壤改良剂。添加生物炭能够不同程度地提高土壤的PH值，降低Cu、Pb、Cd等重金属的酸可提取态含量，因而降低重金属的生物有效性，对重金属表现出很好的固定效果。与对照相t匕，添加生物炭后，土壤中Cu、Pb、Cd的毒性浸出量明显降低，降幅为20%~45%。
【权利要求】
1.一种协同复合填料富集与不同生活型水生植物组合配置高效净化低浓度重金属废水的方法，其特征在于采用砾石、天然沸石和改性沸石(3: I: I)配比的复合填料与挺水植物(美人蕉、石菖蒲和香蒲)构建人工湿地，并与生态浮床(旱伞草和菖蒲)和水生植物塘(凤眼莲、大藻、黑藻和狐尾藻)进行组合串联高效净化重金属污染废水，各处理单元的水力停留时间分别为4 d、3 d和3 d，收集净化处理后的植物用于制作生物炭。
2.沸石改性方法以每30g沸石为一个质量单位，室温下在500 mL浓度为1.0 mol/L的NaCl中，60°C水浴120rpm振动处理24 h，用蒸馏水洗至中性，洗净后于105°C下干燥2h。
3.生物碳制备采用限氧升温炭化法，即称取50g处理好的植物样品于刚玉管中，置于约500°C的真空管式炉中炭化1.0 h，经冷却至室温后取出，整个过程中始终保持氮气氛围。
【文档编号】C02F9/14GK103708672SQ201210378948
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年10月9日 优先权日:2012年10月9日
【发明者】颜昌宙, 董小霞, 王灶生 申请人:中国科学院城市环境研究所